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 ATPadenozynotrifosforan, ATPATP i NADdinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, NADNAD/NADP. Bez obiegu tego pierwiastka życie nie byłoby możliwe.

Jedynymi organizmami, które są zdolne przyswoić azot z powietrza, są niektóre bakterie glebowe symbiotycznesymbiozasymbiotyczne 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.

RD3zJ9Nngo2JY

Zdęcie przedstawia korzeń rośliny motylkowej. Na korzeniach widoczne są liczne, małe bulwy.

2. Nitryfikacja

R18NkKfrlLmEw1

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia pojedynczą bakterię z rodzaju Nitrobacter. Ma kształt pałeczki.

Nitryfikacja, czyli proces utleniania amoniaku oraz soli amonowych do azotanów(III) i azotanów(V), przebiega w dwóch etapach, ściśle ze sobą powiązanych. Najpierw chemolitotroficznechemolitotrofychemolitotroficzne 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.

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.

R1E5SDcZA36y9

Schemat przedstawia asymilacją nieorganicznego węgla oraz związków azotowych. Na schemacie widoczna jest roślina wraz z liśćmi i korzeniami w glebie. Dwutlenek węgla pobierany jest z atmosfery przez liście. W wyniku procesu fotosyntezy, jako jeden z produktów, węgiel, trafia do łodygi roślin. Z gleby poprzez korzenie roślina pobiera kationy ${\mathrm{N}\mathrm{H}}_4$ oraz aniony ${\mathrm{N}\mathrm{O}}_3$. W wyniku czego do łodygi roślin trafia azot. Azot oraz węgiel uwalniane są poprzez liście do atmosfery wraz z tlenem i wodą jako produkty procesu asymilacji związków nieorganicznych.

4. Amonifikacja

R16AUihvUOmxT1

Zdjęcie ukazuje kompost z dżdżownicami.

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 biomasabiomasabiomasa, 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 (cytochromówcytochromycytochromów) 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 reduktorówreduktorreduktorów 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