A nitrogén körforgalma A környezetvédelem alapjai 2017. május 3.
A biológiai nitrogén körforgalom A nitrogén minden élő szervezet számára nélkülözhetetlen, ún. biogén elem Részt vesz a nukleinsavak, a fehérjék és számos más biológiai szempontból fontos molekula felépítésében, összességben a szervezetek szárazanyag tartalmának körülbelül 6%-át teszi ki. A biológiailag hozzáférhető nitrogénformák számos ökológiai rendszerben növekedést korlátozó mennyiségben vannak jelen, így a mikroorganizmusok nitrogén transzformációs aktivitásuk révén fontos szerepet játszanak a növények számára is hasznosítható nitrogénformák előállításában, ezáltal befolyásolják a szárazföldi és a vízi ökoszisztémákban zajló elsődleges termelést.
Az elemkörforgalomban résztvevő nitrogén legnagyobb része a légkör, a talaj és a talajvíz, továbbá a bioszféra között oszlik meg szerves és szervetlen vegyületek formájában A szervetlen nitrogén különböző oxidációs állapotokban fordulhat elő: az ammóniában lévő legredukáltabb formától (-3) a legoxidáltabb nitrát-ionig (+5). Szerves vegyületekben a nitrogén általában a legredukáltabb állapotú amino-, amid- vagy imino csoportokban található meg.
A nitrogén a természetben Minden szférában jelen van a globális nitrogén legnagyobb része az atmoszférában található elemi nitrogén formájában egy kis része az atmoszférában zajló elektrokémiai viharokban oxidálódik, és az esők révén kimosódva a földfelszínre hullik A legtöbb nitrogén transzformációs folyamat ugyanakkor mikroorganizmusok közreműködésével megy végbe a növények számára hozzáférhető nitrogénformák előállításában a szennyvíztisztításban akár olyan nitrogénformák létrehozásában is, melyek a felszín alatti vizekbe mosódva veszélyeztethetik az ivóvízbázisokat
A biológiai nitrogén körforgalom egyes folyamatai többnyire asszimilatórikus vagy disszimilatórikus célból végbemenő oxidációs vagy redukciós enzimreakciók sorozatából állnak Az asszimilatórikus folyamatok: olyan molekuláknak a szintézise megy végbe, melyek a sejtek anyagaivá alakulnak - a biológiai nitrogén fixáció, az ammónia asszimiláció és asszimilatórikus nitrát redukció
A biológiai nitrogén fixáció Az ammónia az egyetlen olyan szervetlen vegyület, amelyik közvetlenül képes beépülni az élő szervezetek szénvázába, ezért a mikroorganizmusok növekedésekor az ammónia a leginkább előnyben részesített nitrogénforrás. A prokarióta sejtek az elemi nitrogént vagy a nitrátot is felhasználhatják nitrogénforrásként, ezeket azonban a szénvázba történő beépítés előtt ammóniává kell redukálni. Bár az elemi nitrogén a légkör összetételének 78%-át képezi, mégis csak néhány prokarióta szervezet képes ezt a rendkívül stabil gázt nitrogénforrásként hasznosítani A biológiai nitrogén fixációra képes szabadon élő és szimbionta szervezetek a nitrogén molekulában lévő hármas kötés energiaigényes reduktív hasítása során ammóniát (N 2 NH 3 ) hoznak létre.
Ammónia asszimiláció Az ammónia asszimiláció az ammóniának a sejtbe történő felvételét és a szénvázba való beépítését foglalja magába Alkalikus környezetben az ammónia diffúzióval is bejuthat a sejtekbe a sejtmembránon keresztül, de rendszerint az ammónia felvételét segítő transzporterek (Amt) is megtalálhatók mind a prokarióta, mind az eukarióta sejtekben.
Asszimilatórikus nitrát redukció - ammonifikáció Két egymást követő folyamatból áll: Nitrát nitrit - ammónia
Légzés disszimilációs folyamatok Főleg prokarióta szervezetek Denitrifikáció Anaerob ammónia oxidáció Nitrifikáció
Denitrifikáció Légzési folyamat Reduktáz enzim által katalizált NO 3 NO 2 - NO N 2 O N 2 Fakultatív anaerob szervezetek által anoxikus környezetben oxigén helyett nitrogént használ Jelentősége a biológiai szennyvíztisztításban a tisztított szennyvíz nitrogénterhelése jelentősen csökken
Nitrifikáció NH 4 + NH 2 OH NO 2 NO 2 NO 3 Az első folyamtban az ammónia oxidáló, míg a második folyamatban a nitrit-oxidáló aerob kemolitotróf baktériumok vesznek részt
Anaerob ammónia oxidáció Az anammox (anaerob ammónia oxidáció) egyes a Planctomycetes törzsbe tartozó baktériumok által megvalósított és elemi nitrogén képződését eredményező anyagcsere utat jelent, melyben az ammónia oxidációja a nitrit redukciójával kapcsolódik össze (NH 4 + + NO 2 - N 2 )
Mezőgazdasági jelentőség A nagy hozamú és megfelelő fehérje tartalmú, minőségi növénytermesztés a mezőgazdasági termőtalajok trágyázását igényli - műtrágyák, természetes trágyák, vagy a kettő keverékének alkalmazásával. A bevitt nitrogén egy részét a talajban élő mikroorganizmusok anyagcsere tevékenységük során átalakíthatják A Rhizobium pillangós virágú szimbiózis mezőgazdasági és ökológiai szempontból is kiemelkedően fontos - trágyázás nélkül biztosít a növények számára hasznosítható nitrogénformát.
Környezeti és egészségi problémák A trágyázott szántóföldeken az ammónia a nitrifikáló baktériumok anyagcseréje révén nitritté, majd nitráttá oxidálódik - a talajból kimosódva a felszíni és felszín alatti vizekbe kerülhet - eutrofizáció A talajok túlzott mértékű műtrágyázása környezeti problémát és egészségügyi kockázatot jelentő nitrát felhalmozódáshoz vezethet a talajvizekben methaemoglobinaemia, gyomorrák A talajokban végbemenő denitrifikáció hatása kettős pozitív, mert mérsékli a nitrátnak a talajvízbe történő kimosódását negatív, mivel a talajban nitrogén veszteséget idéz elő, és hozzájárul az üvegházhatást fokozó dinitrogén-oxid (N 2 O) képződéséhez is stabil, a széndioxidnál 320-szor erősebb üvegházhatást okoz + ózonréteg károsítása a talajok denitrifikációs vesztesége akár a felhasznált műtrágyák 30%-át is érintheti. A légköri nitrogén-monoxid nitrogén-dioxiddá (NO 2 ) oxidálódhat, ami a savas esőt elidéző salétromsav (HNO 3 ) képződéséhez vezet.
Biotechnológia a nitrifikációs, a denitrifikációs vagy az anaerob ammónia oxidációs folyamatoknak is fontos szerepe van az ipari és háztartási szennyvizekben lévő nitrogénvegyületek eltávolításában. A biológiai nitrogén körforgalomban résztvevő egyes nitrogénvegyületek toxikusak lehetnek az élő szervezetek számára Oka a nagy reakcióképességük