Obieg węgla i azotu w przyrodzie

Życie i środowisko nieożywione powiązane są ze sobą licznymi zależnościami, które przyczyniają się do krążenia pierwiastków w przyrodzie. Proces ten nazywamy także obiegiem materii – jej krążenie w nieustannym cyklu jest niezbędne, aby podtrzymać życie na Ziemi.

Obieg węgla w przyrodzie

Węgiel jest podstawą życia na Ziemi: znajduje się w składzie związków chemicznych budujących organizmy, tj. białek, tłuszczów, węglowodanów, witamin i soli mineralnych. Dwutlenek węgla jest jednym ze składników atmosfery, a nasze zużycie paliw kopalnych wydatnie przyczynia się do zwiększenia jego ilości. Pierwiastek ten występuje także w wodzie, najczęściej w postaci jonów wodorowęglanowych (HCOIndeks dolny 3₃Indeks górny -^-) oraz w litosferze w paliwach kopalnych (węglu brunatnym i kamiennym, w ropie naftowej) i skałach wapiennych (jako węglan wapnia).

Obieg węgla zależy od energii Słońca, przyciągania ziemskiego i łańcuchów pokarmowych. Głównym czynnikiem napędzającym cykl węglowy jest energia promieni słonecznych, wykorzystywana przez producentów podczas fotosyntezy i zamieniana w tym procesie w energię wiązań chemicznych związków organicznych.

RZ4lvLVhlp2nn

Zdjęcie przedstawia erupcję wulkanu. Nad szczytem wulkanu unosi się gęsty dym. W tle widać rozżarzoną lawę, która spływa po zboczach wulkanu i stygnie w kontakcie ze śniegiem.

Obieg azotu w przyrodzie

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 symbiotyczne 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:

• Wiązanie azotu atmosferycznego
• Nitryfikacja
• Asymilacja azotu
• Amonifikacja
• Denitryfikacja

Wiązanie azotu atmosferycznego10

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.

Nitryfikacja40

6,6

R18NkKfrlLmEw

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 bakterie z rodzajów Nitrosomonas, 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 – bezwzględne tlenowce, czerpiące energię z opisanych przemian chemicznych. Powstałe związki azotowe są łatwo dostępne dla roślin.

Wzór przebiegu nitryfikacji:

$N{H}_3+2O_2\to H^{+}+N{O}_3^{-}+H_{2}O$

Asymilacja azotu40

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.

Amonifikacja40

6,6

> 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 biomasa, 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.

R16AUihvUOmxT

Zdjęcie ukazuje kompost z dżdżownicami.

Denitryfikacja40

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. 

Produkcja nawozów azotowych i ich nadmierne stosowanie zaburzyły cykl krążenia azotu w przyrodzie, przyczyniając się m.in. do eutrofizacji wód.

Podsumowanie

• Pierwiastki chemiczne krążą między atmosferą, hydrosferą, litosferą i organizmami – proces ten nazywamy obiegiem materii.

Obieg węgla

• Węgiel jest podstawowym składnikiem związków organicznych: białek, tłuszczów, węglowodanów, witamin.

• Węgiel występuje w atmosferze jako CO₂, w wodzie (głównie jako HCO₃⁻), w litosferze (paliwa kopalne, skały wapienne – CaCO₃).

• Rola organizmów w obiegu węgla:
  - Producenci (rośliny, glony, sinice) - w procesie fotosyntezy pobierają CO₂ z atmosfery lub wody. Dzięki energii słonecznej przekształcają go w związki organiczne. Są głównym ogniwem wprowadzającym węgiel do łańcuchów pokarmowych.
  - Konsumenci (zwierzęta, człowiek) - pobierają związki organiczne z pokarmem. W procesie oddychania komórkowego uwalniają CO₂ do atmosfery.
  - Reducenci (bakterie i grzyby) - rozkładają martwą materię organiczną, uwalniają CO₂ do środowiska. 

Obieg azotu

• Azot jest pierwiastkiem biogennym. Wchodzi w skład: aminokwasów i białek, kwasów nukleinowych (DNA, RNA), ATP i NAD/NADP.

• Azot cząsteczkowy (N₂) stanowi większość atmosfery, ale jest niedostępny bezpośrednio dla większości organizmów.

• Etapy obiegu azotu i rola organizmów:
  - Wiązanie azotu atmosferycznego - zachodzi dzięki bakteriom i sinicom posiadającym enzym nitrogenazę. Powstaje amoniak (NH₃), który przechodzi w jon amonowy (NH₄⁺).
  - Amonifikacja - reducenci (bakterie i grzyby) rozkładają szczątki organizmów i odchody. Powstaje amoniak lub jego pochodne (np. mocznik, kwas moczowy).
  - Nitryfikacja - proces dwuetapowy, zachodzący przy udziale bakterii tlenowych: Nitrosomonas – utleniają NH₃ do NO₂⁻ i Nitrobacter – utleniają NO₂⁻ do NO₃⁻. Azotany(V) są przyswajalne dla roślin.
  - Asymilacja azotu - rośliny pobierają jony NH₄⁺ i NO₃⁻ z gleby. Wykorzystują je do syntezy białek i innych związków organicznych. Konsumenci pozyskują azot, zjadając rośliny lub inne zwierzęta.
  - Denitryfikacja - bakterie beztlenowe (np. Pseudomonas) redukują NO₃⁻ do N₂. Proces zachodzi w głębokich warstwach gleby i na mokradłach. Azot wraca do atmosfery. 

• Wpływ człowieka na obieg azotu:
  - Produkcja i nadmierne stosowanie nawozów azotowych zaburza naturalny cykl.
  - Prowadzi do eutrofizacji wód (nadmiernego rozwoju glonów i spadku ilości tlenu w wodzie).

Ćwiczenia utrwalające