If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Кръговрат на азота

Ключовата роля на микробите за фиксиране на атмосферния азот. Как прекалената употреба на азотни торове може да предизвика цъфтеж на водораслите.

Основни идеи

  • Азотът е ключов компонент в телата на живите организми. Азотни атоми се съдържат във всички протеини и start text, Д, Н, К, end text.
  • Азотът съществува в атмосферата като start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript газ. При азотно фиксиране бактерии преобразуват start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript в амоняк, форма на азот, използваема от растенията. Когато животни ядат растения, те придобиват използваеми азотни съединения.
  • Азотът често е ограничаващо хранително вещество в природата и селското стопанство. Ограничаващо хранително вещество е хранително вещество, което е в най-малък запас и ограничава растежа.
  • Когато торове, съдържащи азот и фосфор, биват пренесени чрез потоци до езера и реки, те могат да доведат до цъфтеж на синьо-зелени водорасли – това се нарича еутрофикация.

Въведение

Азотът е навсякъде! В действителност start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript газ съставя около 78 % от обема на земната атмосфера, далеч надминавайки start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, за който често погрешно се смята, че изгражда "въздуха". start superscript, 1, end superscript
Но да има азот наоколо и да можем да го използваме са две различни неща. Твоето тяло и телата на други растения и животни нямат добър начин да преобразуват start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript в използваема форма. Ние животните — и нашите растителни сънародници — просто нямаме подходящите ензими, за да уловим, или фиксираме, атмосферния азот.
Все пак нашето start text, Д, Н, К, end text и протеини съдържат доста азот. От къде идва този азот? В природния свят той идва от бактерии!

Бактериите играят ключова роля в кръговрата на азота.

Азотът навлиза в живия свят чрез бактерии и други едноклетъчни прокариоти, които преобразуват атмосферния азот - start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript — в биологично използваеми форми при процес, наречен азотно фиксиране. Някои видове азотфиксиращи бактерии са свободно-живеещи в почвата или водата, докато други са полезни симбионти, които живеят във вътрешността на растения.
Азотфиксиращите микроорганизми улавят атмосферен азот, като го преобразуват в амоняк —start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript— който после може да бъде приет от растенията и използван за изграждане на органични молекули. Азотсъдържащите молекули преминават в животните, се хранят с растения. Те може да бъдат включени в тялото на животното или разградени и изхвърлени като отпадък, например като уреята в урината.
Прокариотите играят няколко важни роли в кръговрата на азота. Азотфиксиращите бактерии в почвата и в коренните грудки на някои растения преобразуват газообразния азот от атмосферата в амоняк. Нитрифициращите бактерии преобразуват амоняка в нитрити или нитрати. Амонякът, нитритите и нитратите са фиксиран азот и могат да бъдат абсорбирани от растенията. Денитрифициращите бактерии преобразуват нитратите обратно в газообразен азот.
Изображение: модифицирано от Nitrogen cycle от Johann Dréo (CC BY-SA 3.0); модицифираното изображение е лицензирано с лиценз CC BY-SA 3.0
Азотът не остава завинаги в телата на живите организми. Вместо това той се преобразува от органичен азот обратно в start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript газ от бактерии. Този процес често включва няколко стъпки в сухоземни — земни — екосистеми. Азотните съединения от мъртви организми или отпадъци се превръщат в амоняк – start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript – от бактерии, и амонякът се превръща в нитрити и нитрати. В крайна сметка нитратите се превръщат в start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript газ от денитриращи прокариоти.

Кръговрат на азота в морските екосистеми

Досега се фокусирахме върху кръговрата на азота в сухоземните екосистеми. Принципно подобен е и кръговратът на азота в морските екосистеми. Там процесите на амонификация, нитрификация и денитрификация се извършват от морски бактерии и археи.
Илюстрацията показва кръговрата на азота. Газообразен азот от атмосферата се фиксира в органичен азот от азотфиксиращи бактерии. Този органичен азот влиза в сухоземни хранителни мрежи. Той напуска хранителните мрежи като азотни отпадъци в почвата. Амонификацията на тези азотни отпадъци от бактерии и гъбички в почвата преобразува органичния азот в амонячен йон - NH4 плюс. Амония се превръща в нитрит - NO2 минус — след това в нитрат — NO3 минус — от нитрифициращи бактерии. Денитрифициращи бактерии превръщат нитрата обратно в азотен газ, който влиза отново в атмосферата. Азот от поток и торове влиза в океана, където влиза в морските хранителни мрежи. Малко от органичния азот пада на океанското дъно като утайка. Друг органичен азот в океана се преобразува в нитрит и нитратни йони, които после се преобразуват в азотен газ при процес аналогичен на този, който се случва на сушата.
Изображение: Biogeochemical cycles: Figure 4 от OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Модификация на работата на John M. Evans и Howard Perlman, USGS
Някои азотсъдържащи съединения падат на океанското дъно като утайка. През дълги периоди от време утайките се компресират и формират седиментна скала. На края геоложко разместване на пластовете може да премести седиментната скала на сушата. В миналото учените не са си давали сметка, че тези богати на азот седиментни скали са важен източник на азот за сухоземните екосистеми. Ново проучване предполага обаче, че те всъщност може да са доста важни — азотът се освобождава постепенно за растенията, докато скалата се отмива или се руши. squared

Азотът като ограничаващо хранително вещество

В естествените екосистеми много процеси, например първичното производство и разлагането, са ограничени от наличните запаси на азот. С други думи, азотът често е ограничаващо хранително вещество, хранително вещество, което е в най-малък запас и по този начин ограничава растежа на организмите или популациите.
Как разбираме дали едно хранително вещество е ограничаващо? Често това става чрез изпитания, както следва: cubed
  • Когато едно хранително вещество е ограничаващо, добавяне на повече от него ще увеличи растежа — например то ще доведе до това растенията да растат по-високи, отколкото ако нищо не е добавено.
  • Ако вместо това се добави неограничаващо хранително вещество, то няма да има ефект – например растенията ще растат до същата височина, независимо дали хранителното вещество е налице, или липсва.
Например, ако добавим азот към половината бобови растения в една градина и установим, че те израстват по-високи от ненаторените растения, това предполага, че азотът е ограничаващ. Ако вместо това не видим разлика в растежа в нашия експеримент, това предполага че някое друго хранително вещество, а не азотът, трябва да е ограничаващо.
Азотът и фосфорът са двете най-чести ограничаващи хранителни вещества и в естествените екосистеми, и в селското стопанство. Ето защо, ако погледнеш торба тор, ще видиш, че тя съдържа много азот и фосфор.

Човешката дейност засяга кръговрата на азотa.

Ние, хората, може да не сме способни да свързваме азота биологично, но със сигурност го правим промишлено! Около 450 милиона метрични тона свързан азот се произвеждат всяка година с помощта на химически метод, наречен процес Хабер – Бош, при който start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript реагира с водород (start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript) при високи температури. start superscript, 4, end superscript Повечето от този фиксиран азот отива за производството на торове, които ние използваме в нашите тревни площи, градини и селскостопански ниви.
Като цяло човешката дейност освобождава азот в околната среда по два основни начина: изгаряне на изкопаеми горива и използване на азотни торове в земеделието. И двата процеса увеличават нивата на азотсъдържащи съединения в атмосферата. Високите нива на азот в атмосферата — освен start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript — са свързани с вредни ефекти като киселинни дъждове (напр. азотна киселина, start text, H, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript) и приноси към парниковия ефект (азотен оксид, start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, О, end text).
Също така, когато изкуствени торове, съдържащи азот и фосфор, бъдат използвани в селското стопанство, излишният тор може да бъде отмит в езера, потоци и реки от повърхностните води. Основният резултат от този поток на тор е еутрофикация на солената и прясната вода. При този процес хранителният поток може да причини свръхрастеж, или "бум", на синьо-зелени водорасли или други микроогранизми. Без притока на хранителни вещества те са били ограничени в растежа си от наличността на азота и фосфора.
Еутрофикацията може да намали наличието на кислород във водата през нощта, защото водораслите и микроорганизмите, които се хранят с тях, употребяват големи количества кислород в процеса на клетъчно дишане. Това може да предизвика смъртта на други организми, живеещи в засегнатите екосистеми, например на рибите и скаридите, и така се получават области с ниско съдържание на кислород и намален брой видове, наречени мъртви зони. start superscript, 5, end superscript