Informace

Cyklus dusíku


Rostliny vyžadují řadu jiných prvků než těch, které získávají přímo z atmosféry (uhlík a kyslík ve formě oxidu uhličitého) az podzemních vod (vodík a kyslík).

Všechny kromě jednoho z těchto prvků pocházejí z rozpadu hornin a jsou zachyceny rostlinami ze země. Výjimkou je dusík, který představuje 78% zemské atmosféry.

horniny zemského povrchu Oni jsou také primární zdroj dusíku, který proniká do půdy, nepřímo atmosférou a přes půdu, proniká rostlinami, které na ní rostou.

Většina živých věcí není schopna použít atmosférický dusík k syntéze proteinů a jiných organických látek. Na rozdíl od uhlíku a kyslíku je dusík velmi chemicky nereaktivní a pouze jistý bakterií a modré řasy Mají vysoce specializovanou schopnost asimilovat dusík z atmosféry a přeměnit jej na formu, kterou mohou používat buňky. Použitelný nedostatek dusíku je často hlavním omezujícím faktorem růstu rostlin.

Proces, kterým dusík cirkuluje rostlinami a půdou působením živých organismů, je známý jako cyklus dusíku.

Ammonifikace

Většina dusíku nalezeného v půdě pochází z mrtvých organických materiálů, které existují ve formě komplexních organických sloučenin, jako jsou proteiny, aminokyseliny, nukleové kyseliny a nukleotidy. Tyto dusíkaté sloučeniny se však organismy žijícími v půdě obecně rychle rozkládají na jednodušší látky.

saprofytické bakterie a různé druhy hub jsou primárně zodpovědné za rozklad mrtvých organických materiálů. Tyto mikroorganismy používají proteiny a aminokyseliny jako zdroj pro své vlastní proteiny a uvolňují přebytečný dusík ve formě amonný (NH4+). Tento proces se nazývá amonifikace. Dusík může být dodáván jako plynný amoniak (NH3), ale k tomuto procesu obvykle dochází pouze při rozkladu velkého množství materiálů bohatých na dusík, jako je například velká část hnojiva nebo hnojiva. Obecně je amoniak produkovaný amoniak rozpuštěn v půdní vodě, kde se kombinuje s protony za vzniku amonného iontu.

Nitrifikace

Několik druhů bakterií běžně se vyskytujících v půdách je schopno oxidovat amoniak nebo amoniak. Oxidace amoniaku, známá jako nitrifikaceje proces, který produkuje energii a uvolněná energie je těmito bakteriemi využívána ke snižování oxidu uhličitého, stejně jako autotrofické rostliny používají ke snižování oxidu uhličitého světelnou energii. Tyto organismy jsou známé jako chemosyntetická autotrofní činidla (liší se od fotosyntetických autotrofů, jako jsou rostliny a řasy). nitrifikační bakterie chemosyntetický Nitrosomonas a Nitrosococcus oxiduje amoniak na dusitan (NO2-):

2 NH 3 + 302 --------> 2 NE2- + 2 H+ + 2 H2

(plynný amoniak) (dusitan)

Dusitan je toxický pro vyšší rostliny, ale zřídka se hromadí v půdě. Nitrobacter, další rod bakterií oxiduje dusitany za vzniku dusičnanů (NO3-), opět s uvolněním energie:

2 NE2- + O2 ---------> 2 NE3-

(dusitan) (dusičnan)

Dusičnan je forma, ve které se téměř veškerý dusík pohybuje z půdy do kořenů.

Jen málo druhů rostlin je schopno používat živočišné bílkoviny jako zdroj dusíku. Tyto druhy, které tvoří masožravých rostlin, mají speciální úpravy používané k přilákání a odchytávání malých zvířat. Tráví absorbováním dusíkatých sloučenin a dalších organických a minerálních sloučenin, jako je draslík a fosfát. Většina masožravých rostlin se nachází v bažinách, které jsou obecně silně kyselé, a proto nepříznivé pro růst nitrifikačních bakterií.

Ztráta dusíku

Jak jsme si všimli, sloučeniny dusíku rostlin chlorofylátu se po jejich smrti vracejí do půdy (nebo zvířata, která je krmila), jsou přepracovány půdními organismy a mikroorganismy a absorbovány kořeny ve formě dusičnanů rozpuštěných v půdní vodě. převedeny na organické sloučeniny. Během tohoto cyklu vždy dochází ke „ztrátě“ určitého množství dusíku, což je pro závod nepoužitelné.

Jednou z hlavních příčin této ztráty dusíku je rostliny na odstraňování půdy. Pěstované půdy často vykazují trvalý pokles obsahu dusíku. Dusík může být také ztracen, když je ornice ošetřena eroze nebo když je jeho povrch zničen oheň. Dusík je také odstraňován vyluhování; dusičnany a dusitany, které jsou anionty, jsou zvláště náchylné k loužení vody přes půdu. V některých půdách denitrifikační bakterie štěpí dusičnany a uvolňují dusík do vzduchu. Tento proces, který dodává bakterii kyslík potřebný pro dýchání, je nákladný z hlediska energetických potřeb (tj.2 lze snížit rychleji než NE3-) a vyskytuje se značně pouze v půdách s nedostatkem kyslíku, tj. v půdách, které jsou špatně odvodněné a proto špatně větrané.

Rostliny někdy nemají k dispozici vysoký podíl dusíku v půdě. K této imobilizaci dochází, když je nadbytek uhlíku. Pokud jsou organické látky bohaté na uhlík, ale chudé na dusík, dobrým příkladem, pokud jsou v půdě hojné, mikroorganismy, které tyto látky napadají, budou potřebovat více dusíku, než obsahují, aby plně využily přítomný uhlík. Výsledkem bude, že nebudou používat pouze dusík přítomný ve slámě nebo podobném materiálu, ale také všechny dostupné dusíkaté soli v půdě. V důsledku toho má tato nerovnováha tendenci se normalizovat, protože uhlík je dodáván jako oxid uhličitý mikrobiálním dýcháním a jak se zvyšuje poměr dusíku k uhlíku v půdě.

Pokračuje po inzerci

Fixace dusíku

Jak vidíme, kdyby nebyl veškerý dusík, který se odstraní ze země, neustále doplňován, prakticky by život na této planetě zmizel. Dusík je doplňován do půdy pomocí fixace dusíkem. Fixace dusíku je proces, při kterém se plynný dusík ve vzduchu inkorporuje do dusíkatých organických sloučenin a tím se zavádí do cyklu dusíku. Fixace tohoto plynu, kterou lze do značné míry provést jen několika bakteriemi a modrými řasami, je proces, na kterém všechny živé organismy dnes závisí, stejně jako všechny nakonec závisí na fotosyntéze získávání energie.

Biologické systémy každoročně přidávají na zemský povrch jednu až dvě stě milionů tun dusíku. Člověk produkuje 28 milionů metrických tun, z nichž většina se používá jako hnojiva; Tento proces se však provádí s vysokými náklady na energii, pokud jde o fosilní paliva. Celkové množství energie potřebné pro výrobu amonných hnojiv se v současné době odhaduje na 2 miliony barelů oleje denně. Odhaduje se, že náklady na hnojení dusíkem dosahují bodu snižování zisku. Tradiční plodiny v oblastech, jako je Indie, nedosahují významně zvýšených výnosů pomocí dusíkatých hnojiv, ale mají nízké požadavky na dusík, ale nyní jsou nahrazovány „zázračnými obilovinami“ a dalšími plodinami, které již neprodukují dusíkovým hnojením. - přesně v době, kdy je takové zacházení neúměrně nákladné.

Z různých tříd organismů vázajících dusík jsou symbiotické bakterie zdaleka nejdůležitější z hlediska celkového množství fixovaného dusíku. Nejběžnější bakterie vázající dusík jsou Rhizobium, což je druh bakterie, která napadá kořeny luštěnin (angiospermy rodiny Fabaceae nebo Leguminosae), jako je jetel, hrášek, fazole, viky a vojtěšky.

Prospěšné účinky luštěnin na půdu jsou tak zřejmé, že byly rozpoznány před stovkami let. Theophrastus, který žil ve třetím století před naším letopočtem, napsal, že Řekové využívali plodiny fazole k obohacení půdy. Tam, kde rostou luštěniny, může být určité množství „extra“ dusíku uvolněno do půdy, kde je dostupné jiným rostlinám. V moderním zemědělství je běžnou praxí střídat plodiny jiné než luštěniny, jako je kukuřice, se luštěninami, jako je vojtěška. Luštěniny se poté sklízejí na seno, které zanechává kořeny bohaté na dusík, nebo ještě lépe, orané zpět na poli. Dobrá úroda vojtěšky, která je přemístěna na zem, může poskytnout 450 kilogramů dusíku na hektar. Aplikace stopových prvků kobaltu a molybdenu vyžadovaných symbiotickými bakteriemi značně zvyšuje produkci dusíku, pokud jsou tyto prvky přítomny v omezeném množství, jako ve většině Austrálie.

Volně žijící mikroorganismy vázající dusík

Nes symbiotické bakterie rodů Azotobacter a Clostridium jsou schopni fixovat dusík. Azotobacter je aerobní, zatímco Clostridium je anaerobní; Oba jsou běžné saprofytické bakterie vyskytující se v půdě. Odhaduje se, že pravděpodobně dodávají asi 7 kilogramů dusíku na hektar půdy za rok. Další důležitá skupina zahrnuje mnoho fotosyntetických bakterií. Volně žijící modré řasy také hrají důležitou roli v fixaci dusíku. Jsou klíčové pro pěstování rýže, která je hlavní stravou více než poloviny světové populace. Modré řasy mohou také hrát důležitou ekologickou roli při fixaci dusíku v oceánech.

Rozdíl mezi fixací dusíku volně žijícími a symbiotickými organismy nemusí být tak přísný, jak se tradičně myslelo. Některé mikroby se pravidelně vyskytují v půdě kolem kořenů některých rostlin obsahujících uhlohydráty tím, že tyto sloučeniny konzumují a současně nepřímo dodávají rostlinám dusík. Symbiotické asociace mezi normálně volně žijícími bakteriemi, jako jsou Azotobactera vyšší rostlinné buňky v tkáňových kulturách vyvolaly jejich růst v umělém médiu zbaveném dusíku.

Další obsah: Předpověď počasí