Przeczytaj
Azot to jeden z pierwiastków biogennych, co oznacza, że jest konieczny do powstania związków organicznych wykorzystywanych do budowy i czynności życiowych organizmów. Przede wszystkim azot jest składnikiem aminokwasów i nukleotydów w kwasach nukleinowych (RNA i DNA) oraz ATPATP i NADNAD/NADP. Bez obiegu tego pierwiastka życie nie byłoby możliwe.
Jedynymi organizmami, które są zdolne przyswoić azot z powietrza, są niektóre bakterie glebowe symbiotycznesymbiotyczne oraz wodne sinice – wiążą one gazowy azot z wodorem, a w kolejnych etapach przekształcają go w związki dostępne dla roślin. Niewielka część gazowego azotu jest też w efekcie wyładowań atmosferycznych, wybuchów wulkanów i spalania przetwarzana na azotany (NOIndeks dolny 33Indeks górny --), co jest również wykorzystywane przez producentów.
Etapy cyklu azotowego:
1. Wiązanie azotu atmosferycznego
Obieg azotu rozpoczynają sinice i inne bakterie wytwarzające enzym nitrogenazę – w warunkach beztlenowych katalizuje ona reakcję azotu atmosferycznego z wodorem. W wyniku tej reakcji powstaje amoniak (NHIndeks dolny 33), pod wpływem wody łatwo dysocjujący do jonu amonowego (NHIndeks dolny 44Indeks górny ++). Tak działają np. bakterie Rhizobium żyjące w glebie lub w specjalnych naroślach na korzeniach roślin motylkowych (bobowatych), takich jak fasola czy drzewo robinia akacjowa. Amoniak dostaje się do gleby także z rozkładanych przez destruentów szczątków roślin i zwierząt oraz odchodów. U żyjących w wodzie sinic niektóre komórki kolonii, zwane heterocytami, mogą wiązać azot beztlenowo, wymieniając produkty tej reakcji na węglowodany z sąsiednich komórek.
2. Nitryfikacja
Nitryfikacja, czyli proces utleniania amoniaku oraz soli amonowych do azotanów(III) i azotanów(V), przebiega w dwóch etapach, ściśle ze sobą powiązanych. Najpierw chemolitotroficznechemolitotroficzne bakterie z rodzajów Nitrosomonas, Nitrosolobus i Nitrosococcus utleniają amoniak do azotanu(III) (NOIndeks dolny 22Indeks górny −−), który jest wydzielany do gleby. Tam azotan(III) jest dalej utleniany do azotanu(V) (NOIndeks dolny 33Indeks górny −−) przez bakterie z rodzaju Nitrobacter, Nitrococcus i Nitrospira – bezwzględne tlenowce, czerpiące energię z opisanych przemian chemicznych. Powstałe związki azotowe są łatwo dostępne dla roślin.
Wzór przebiegu nitryfikacji:
3. Asymilacja azotu
Rośliny wchłaniają jony amonowe i jony azotanowe z gleby. Wykorzystują je m.in. do budowy białek, kwasów nukleinowych i uniwersalnych przenośników energii (ATP, NAD). Następnie związki azotowe pobierane są przez konsumentów, u których również są one niezbędne do budowy organizmu i jego funkcjonowania.
4. Amonifikacja
Przyswajanie związków azotowych przyczynia się do zwiększania produktywności ekosystemu, czyli wzrostu i rozwoju wszystkich organizmów. Szczątki roślin i zwierząt, a także mocz i odchody zasilają glebę jako biomasabiomasa, którą reducenci – bakterie i grzyby – mogą wykorzystać jako pożywienie. W przemianach metabolicznych związki organiczne zawierające azot są przetwarzane do amoniaku, który jako trucizna musi zostać usunięty z komórek. Amoniak jest wydalany bezpośrednio do wody przez zwierzęta wodne, np. ryby. Do gleby częściej trafia produkt przemiany amoniaku – mocznik (wydalany przez np. większość ssaków) lub kwas moczowy (gady, ptaki). Związki te mogą zostać wykorzystane w procesach nitryfikacji lub asymilacji.
5. Denitryfikacja i anammox
Ostatnim etapem obiegu azotu jest zredukowanie NOIndeks dolny 33Indeks górny −− do azotu cząsteczkowego. Proces prowadzą beztlenowe bakterie denitryfikacyjne, m.in. z rodzaju Pseudomonas, żyjące w głębokich warstwach gleby, gdzie tlen jest trudno dostępny. Miejscem denitryfikacji są również mokradła, gdzie nadmiar związków azotowych w wodzie jest utylizowany. W czasie beztlenowych przemian związki azotu są dla bakterii substratami oddychania komórkowego, czyli uzyskiwania energii. Inną grupą bakterii mających unikalną umiejętność przekształcenia mocznika i azotynów na gazowy azot są bakterie przeprowadzające proces anammox (pełna angielska nazwa: anaerobic ammonia oxidation), zaobserwowany po raz pierwszy w ściekach w 1995 r. W tym przypadku utlenianie oznacza przepływ elektronów przez łańcuch przenośników (cytochromówcytochromów) na enzymy utleniające jony azotanowe (III) do azotu atmosferycznego. To odkrycie tłumaczy m.in. szybki rozkład związków azotu w środowisku morskim. Niezwykłym produktem pośrednim tych przemian jest hydrazyna – jeden z najsilniejszych reduktorówreduktorów w układach biologicznych, stosowany jako napęd rakietowy oraz w produkcji materiałów wybuchowych i pestycydów.
Produkcja nawozów azotowych i ich nadmierne stosowanie zaburzyły cykl krążenia azotu w przyrodzie, przyczyniając się m.in. do eutrofizacji wód.
Słownik
połączenie adenozynodifosforanu z resztą kwasu fosforowego wiązaniem wysokoenergetycznym; ATP pełni funkcję pierwotnego przenośnika energii
bakterie z rodzajów m.in. Rhizobium i Bradyrhizobium; są zdolne do przyswajania azotu atmosferycznego (NIndeks dolny 22)
bakterie z rodzajów m.in. Pseudomonas (najbardziej liczne), Agrobacterium, Bacillus, Flavobacterium; zdolne do denitryfikacji, czyli do przemiany mineralnych związków azotowych w gazowe formy azotu (NIndeks dolny 22, NIndeks dolny 22O)
bakterie z rodziny Nitrobacteraceae; przeprowadzają proces utleniania amoniaku oraz soli amonowych do azotanów(III), a następnie do azotanów(V)
szczątki organizmów, które mogą zostać wykorzystane przez destruentów lub w technologicznych procesach produkcji energii
grupa organizmów (głównie bakterii), które do produkcji węglowodanów pozyskują elektrony ze związku nieorganicznego, a węgiel z COIndeks dolny 22; źródłem użytecznej biologicznie energii do tego procesu jest utlenianie związków nieorganicznych
białka złożone, które dzięki odwracalnej zmianie stopnia utlenienia żelaza grupy hemowej (z FeIndeks górny 2+2+ na FeIndeks górny 3+3+) stanowią układ przenośników elektronów w łańcuchu oddechowym u roślin i zwierząt
organizmy saprotroficzne odżywiające się szczątkami organicznymi (opadłymi liśćmi, martwymi drzewami, padliną, martwymi glonami jednokomórkowymi opadającymi na dno zbiorników wodnych) lub odchodami
organizmy mające jądro komórkowe, w odróżnieniu od prokariontów (bakterii, sinic, archeanów), które zamiast jądra mają materiał genetyczny zanurzony w cytoplazmie
uczestniczy w wielu procesach oksydacyjno‑redukcyjnych związanych z katabolizmem i uwalnianiem energii; jest głównym akceptorem elektronów w reakcjach utleniania substratów oddechowych
substancja oddająca elektrony substancji redukowanej i sama ulegająca przy tym utlenieniu
współdziałanie organizmów oparte na obustronnej korzyści