چرخه نیتروژن چیست و چه نقشی در زندگی دارد؟ - دوست بلاگ

کارکرد و اهمیت چرخه نیتروژن

همانطور که می دانید، نیتروژن یکی از عناصر اصلی حیات محسوب می گردد. خصوصیات متصل شیمیایی این ماده به نحوی عمل می نمایند که موجب ایجاد ساختار های از قبیل نوکلئوتید های DNA و RNA و آمینواسید های سازنده پروتئین ها می گردد. این مولکول ها بدون نیتروژن وجود نخواهند داشت. چنین دانسته می گردد که اولین نوکلئوتید ها و آمینواسید ها در شرایط موقتی اوایل پیدایش زمین به صورت طبیعی شکل گرفته اند. در آن موقع منابع انرژی مانند برخورد آذرخش می توانست، نیتروژن و دیگر اتم ها را به واکنش واداشته و ساختار های پیچیدهای خلق نمایند.

این فرآیند شاید منجر به فراوری مواد شیمیایی ارگانیک خود تکثیر نماینده شده باشد، اما بازفراوری و تکامل حیات نیازمند درک چگونگی ایجاد ترکیبات نیتروژن بر اساس تقاضا است.

امروزه تثبیت نمایندگان نیتروژن عبارتند از: ارگانیسم هایی که گاز نیتروژن را از جو زمین جذب نموده و به ترکیباتی نیتروژنی تبدیل می نمایند که دیگر ارگانیسم ها می توانند برای فراوری اسید های نوکلئیک، آمینواسیدها و … مورد استفاده قرار دهند. تثبیت نمایندگان نیتروژن بخشی حیاتی از اکوسیستم هستند و فرآیند کشت و زرع بدون آن ها امکان پذیر نیست.

مردم باستان یاد گرفتند که اگر محصولات در حال رشد مصرف نماینده نیتروژن را با محصولات تثبیت نماینده نیتروژن جایگزین ننمایند، مزارع بایر شده و قادر به پرورش گیاهان نخواهند بود. امروزه اغلب کود های مصنوعی حاوی ترکیبات نیتروژنی زندگی بخشی به عنوان عنصر اصلی بهره ور ساختن خاک هستند.

مراحل چرخه نیتروژن

در این بخش به آنالیز مراحل اصلی چرخه نیتروژن می پردازیم:

1. تثبیت نیتروژن

در فرآیند تثبیت نیتروژن، باکتری ها، گاز نیتروژن را از جو زمین گرفته و به آمونیاک تبدیل می نمایند. باکتری های تثبیت نیتروژن، که معمولاً به نام دیازوتروپ شناخته می شوند، آنزیمی به نام نیتروژناز را دارا هستند. وظیفه این آنزیم ترکیب کردن اتم های نیتروژن با اتم های هیدروژن است. آمونیاک یک ترکیب نیتروژنی است که قابلیت حل شدن در آب را دارد؛ بنابراین کنش متقابل آنزیم های دیگر ارگانیسم های زنده و آمونیاک آسانتر است.

جالب توجه است که آنزیم نیتروژناز تنها در غیاب اکسیژن عمل می نماید. در نتیجه، ارگانیسم های استفاده نماینده باید محفظه های عاری از اکسیژنی فراوری نمایند تا بتوانند فرآیند تثبیت نیتروژن را در آن انجام دهند.

نمونه های معمول محفظه های عاری از نیتروژن، دانه های ریزوبیم یافته شده در ریشه گیاهان خوردنی تثبیت نماینده نیتروژن هستند. به این ترتیب که پوسته سخت این دانه ها اکسیژن را بیرون نگه می دارد، یعنی جایی که باکتری های ریزوبیم وظیفه ارزشمند تبدیل گاز نیتروژن به آمونیاک را انجام می دهند.

2. فراوری نیترات - نیترات زایی

در طی مراحل فراوری نیترات، گروه باکتری های خاکی در تبدیل آمونیاک به نیترات (شکلی از نیتروژن که گیاهان و حیوانات می توانند استفاده نمایند) مشارکت دارند. این فرآیند از دو مرحله که توسط دو نوع متفاوت از باکتری ها انجام می گردد، تشکیل شده است. در وهله نخست یک باکتری خاکی از قبیل نیتروسوموناز یا نیتروکوکوس، آمونیاک را به دی اکسید نیتروژن تبدیل می نماید. سپس نوع دیگری از باکتری خاکی به نام نیتروباکتر اتم سوم (اکسیژن) را جهت ساخت نیترات، فراوری و اضافه می نماید.

باکتری ها سازنده های شیمیایی هستند که انرژی خود را از مواد شیمیایی موقتی کسب می نمایند. آن ها با متابولیزه کردن نیتروژن همراه با اکسیژن انرژی لازم را برای نیروبخشی به فرآیند های حیات خود به دست می آورند.

این فرآیند را می توان چنین تشریح کرد: یک شباهت ناهموار (و بی عارضه) بین تنفس سلولی حیوانات، که انرژی را از گروه های هیدروژنی - کربنی استخراج نموده و از اکسیژن به عنوان پذیرای الکترون استفاده می نماید و در مرحله پایانی دی اکسید کربن را حاصل می آورد.

نیترات، محصول نهایی زنجیره حیاتی واکنش های باکتریایی را می توان به صورت مصنوعی ساخت. این ماده عنصر اصلی تشکیل دهنده بسیاری از کود های خاکی است. احتمالاً شنیده باشید که این نوع کود را کود نیتراتی می نامند. اگر خاک را کاملاً با نیترات پوشش دهید، گیاهان بسیار سریعتر رشد خواهند کرد و از وابستگی به عمل باکتری های تثبیت نماینده نیتروژن رها می شوند.

جالب توجه است که محیط های دارای انرژی فراوان از قبیل: آذرخش و فوران های آتشفشانی می توانند گاز نیتروژن را مستقیماً به نیترات تبدیل نمایند، اما وقایعی از این دست برای سالم نگه داشتن اکوسیستم مدرن کافی نیست.

3. ادغام

پایان گیاهان نیترات فراوریی باکتری های خاکی را در جریان ادغام مصرف نموده و برای ساخت نوکلئوتیدها، آمینواسید ها و دیگر مواد شیمیایی حیاتی از آن ها استفاده می نمایند.

گیاهان نیترات را به وسیله ریشه ها جذب می نمایند و برای فراوری آمینواسید ها و اسید های نوکلئیک مورد استفاده قرار می دهند. در نهایت نیز حیواناتی که گیاهان را می خورند قادر به استفاده از این مواد در سلول های خود خواهند بود.

4. فراوری آمونیاک

اکنون نیتروژن از جو زمین به سلول های گیاهان و حیوانات انتقال یافته است. البته به دلیل فراوانی نیتروژن در جو زمین شاید چنین به نظر برسد که مراحل این فرآیند در این نقطه پایان می یابد. اما موجودی نیتروژن جو زمین نامحدود نیست، و ماندن نیتروژن در سلول های گیاهان و حیوانات به پایانی غیر از پیدایش تغییرات عظیم در خاک، جو زمین و اکوسیستم ما نخواهد انجامید.

خوشبختانه واقعیت امر چیز دیگری است. در هر اکوسیستم تنومندی، هر وقت انرژی صرف ساخت یک ماده شیمیایی ارگانیک گردد، شکل دیگری از حیات نیز وجود دارد که در انتظار استخراج انرژی فراوری شده به وسیله شکستن آن گروه از مواد شیمیایی است.

در این مورد، فرآیندی به نام فراوری آمونیاک توسط باکتری های خاکی که گیاهان و حیوانات مرده را تجزیه می نمایند، انجام می گیرد. تجزیه نمایندگان در طی این مراحل آمینواسیدها و اسید های نوکلئیک را به نیترات و آمونیاک تبدیل نموده و این ترکیبات را به خاک باز می گردانند. سپس ممکن است آمونیاک دوباره توسط گیاهان و باکتری های نیتروژن ساز جذب گردد.

5. نیترات زدایی

در مرحله پایانی چرخه نیتروژن، باکتری های بی هوازی می توانند نیترات را دوباره به گاز نیتروژن تبدیل نمایند. این فرآیند، مانند مراحل تبدیل گاز نیتروژن به آمونیاک، باید در غیاب اکسیژن صورت گیرد. به همین دلیل نیترات زدایی در اعماق خاک یا محیط های خیسی که گل و لجن اکسیژن را دور نگه می دارند، اتفاق می افتد.

در بعضی از اکوسیستم ها، فرآیند نیترات زدایی برای جلوگیری از انباشت مخاطره آمیز ترکیبات نیتروژن در خاک بسیار ارزشمند است.

خطر فراوانی بیش از حد نیتروژن

• در حالی که شاید چنین به نظر برسد که فراوانی چنین ماده ای، با وجود اهمیت نیتروژن برای زیست گیاهی و حیوانی، در سطح مخاطره آمیزی افزایش نخواهد یافت، اما در واقع انباشت بیش از حد نیترات در خاک موجب پیدایش خطراتی خواهد شد.
• غلظت فراوان ترکیبات نیتروژن مانند هر ماده دیگری می تواند زهرآلود باشد. همانطور که اکسیژن بیش از حد برای تنفس نمایندگان هوا زهرآلود است، احتمال می رود که گیاهان نیز، به واسطه مصرف بیش از حد نیتروژن، دچار عوارض جبران ناپذیری شوند.
• از سوی دیگر، مصرف بیش از حد نیترات در غذا و آب می تواند مستقیماً نقش سم را برای انسان داشته باشد. نیترات می تواند خطر ابتلا به سرطان را افزایش داده و با ناتوان سازی خون در حمل مناسب اکسیژن در خون همراه باشد.
• سندرم آبی رنگ یکی از عوارض جانبی دیده شده در افرادی است که نیترات فراوانی به وسیله مصرف غذا و آب به بدنشان وارد شده است. یکی از نگرانی حاد دیگر عبارت است از خطر ایجاد اختلال در تعادل اکوسیستم! درست است که بعضی از ارگانیسم ها می توانند ترکیبات نیتروژن را برای رشد سریعتر مورد استفاده قرار دهند (به این معنی که در صورت وجود نیتروژن فراوان، ارگانیسم ها می توانند رشد بسیار سریعی داشته باشند)، اما این قضیه می تواند به دیگر ارگانیسم های پیرامونی آسیب برساند.
• یکی از نگرانی های حاصل از استفاده از کود های نیتراتی مصنوعی این است که وارد رودخانه ها، دریاچه ها و حتی اقیانوس می شوند و موجب رشد زیست گیاهی آن نواحی می گردند.
• شاید حیات گیاهی وسیع تر پدیده مطلوبی به نظر برسد، اما نه هنگامی که گیاهانی آبزی از قبیل خزه دریایی را نیز شامل گردد. خزه دریایی می تواند مانع رسیدن نور خورشید و اکسیژن به دیگر ارگانیسم های آبزی گردد و حتی سم های خطرناکی را برای انسان و حیوانات فراوری می نماید.

دانشمندان هنوز هم در حال تحقیق برای یافتن این پرسش هستند که چگونه می توان بدون استفاده از کود های نیتراتی مزارع را حاصلخیز نگه داشت و انسان های گرسنه را تغذیه کرد؟ امیدواریم که ممارست های پایدار استفاده از گیاهان طبیعی یا گیاهانی که به صورت ژنتیکی و مهندسی شده نیتروژن آن ها تثبیت شده است، روزی به بار نشسته و کشاورزان را قادر سازد محصولات باکیفیتی را بدون اضافه کردن غلظت فراوان نیترات های مصنوعی به خاک به فراوری برسانند.

گروه ساختمانی آبان: گروه ساختمانی آبان: بازسازی ساختمان و تعمیرات جزئی و کلی و طراحی ویلا و فضای سبز و روف گاردن، طراحی الاچیق، فروش درب های ضد سرقت را از ما بخواهید.