Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ

ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ –N Η ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΓΙΑ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΒΙΟ-ΓΕΩ-ΧΗΜΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΑΙΤΙΑ ΔΙΑΤΑΡΑΞΗΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗ ΔΙΑΤΑΡΑΞΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΡΑΞΗΣ ΤΟΥ ΚΎΚΛΟΥ ΤΟΥ

Πηγές Αζώτου Κεραυνοί Ανόργανα λιπάσματα Αφομοίωση του αζώτου Απεκκρίσεις ζώων Υπολείμματα καλλιεργειών Οργανικά λιπάσματα

Πηγές (Μορφές) Αζώτου Ατμοσφαιρικό (δι)άζωτο N2 78% του αέρα Αμμωνιακά ιόντα  NH4+ Νιτρικά ιόντα  NO3+- Αμμωνία  NH3 (αέριο) Νιτρώδη ιόντα  NO2- Ουρία  CO(NH2)2

Παγκόσμιες δεξαμενές Ν Δεξαμενή Αζώτου Τόνοι αζώτου Ενεργή ανακύκλωση Ατμόσφαιρα 3.9*1015 Όχι Ωκεανοί  διαλυτά άλατα Βιομάζα 6.9*1011 5.2*108 Ναι Ξηρά  οργανική ουσία εδάφους  Οργανισμοί 1.1*1011 2.5*1010 Αργή

Ο ρόλος του αζώτου Τα φυτά και τα βακτήρια χρησιμοποιούν το άζωτο στις μορφές NH4+ ή NO3- Είναι αποδέκτης ηλεκτρονίων σε αναερόβια περιβάλλοντα Συχνά είναι σε περιορισμένη αναλογία σε εδάφη και νερά περιορίζοντας την ανάπτυξη όλων των οργανισμών που εξαρτώνται από αυτό (συμπεριλαμβανομένων των φυτών που είναι θρεπτικό μακροστοιχείο)

Το άζωτο είναι ένα βασικό στοιχείο ακόμη για: τα αμινοξέα τα νουκλεϊκά οξέα (purine, pyrimidine) Τα συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων των βακτηρίων (NAM).

ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ –N Διατήρηση των τροφών ΧΡΗΣΕΙΣ ΑΖΩΤΟΥ Διατήρηση των τροφών ασφαλές κάλυμμα υγρών εκρηκτικών παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και ανοξείδωτου χάλυβα

ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ –N

Μέρη του κύκλου του Ν Αμμωνικοποίηση/ανοργανοποίηση Ακινητοποίηση Βιολογική αφομοίωση Νιτροποίηση Απονιτροποίηση

Τα νιτρικά είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτών Πρωτεΐνες φυτών Πρόσληψη από τις ρίζες Νιτρικά NO3-

Τα νιτρικά ανακυκλώνονται από τα μικρόβια Νιτρικά NO3- Φυτική πρωτεΐνη Ζωική πρωτεΐνη Οργανικό άζωτο εδάφους Αμμωνικοποίηση Πρόσληψη από τις ρίζες Αμμωνιακά NH4+ Νιτρωδοποίηση ΝιτρώδηNO2- Νιτρικοποίηση

Αμινοξέα + 11/2O2  CO2 + H2O + NH3 + 736kJ Αμμωνικοποίηση Το άζωτο εισάγεται στο χώμα από την αποσύνθεση νεκρής οργανικής ύλης Αμινοξέα + 11/2O2  CO2 + H2O + NH3 + 736kJ Αυτή η διαδικασία αποδίδει πολύ ενέργεια που μπορούν να εκμεταλλευτούν σαπροφυτικά μικρόβια

Νιτροποίηση Περιλαμβάνει δυο στάδια οξείδωσης Η αμμωνία που παράγεται κατά την αμμωνικοποίηση είναι ένα υ΄ψηλής ενέργειας υπόστρωμα για τα βακτήρια Nitrosomas Έτσι την οξειδώνουν σε νιτρώδη: NH3 + 11/2O2  NO2- + H2O + 276kJ Αυτά αποτελούν υπόστρωμα για τα βακτήρια Nitrobacter που οξειδώνουν τα νιτρώδη σε νιτρικά: NO3- + 1/2O2  NO3- + 73 kJ Αυτή η ενέργεια είναι η μόνη πηγή ενέργειας για αυτούς τους προκαρυωτικούς οργανισμούς Αυτοί ονομάζονται χημειοαυτότροφοι

Άζωτο από την ατμόσφαιρα Εξαέρωση Ατμοσφαιρική αφομοίωση Ατμοσφαιρικό άζωτο 4 000 000 000 Gt Πρόσληψη από τις ρίζες Νιτρικά NO3- Φυτική πρωτεΐνη Οργανικό άζωτο εδάφους Βιολογική αφομοίωση

Ατμοσφαιρική αφομοίωση (δέσμευση) αζώτου Καταιγίδες Οι κεραυνοί παρέχουν αρκετή ενέργεια για να διασπάσουν το δεσμό μεταξύ δυο ατόμων αζώτου στο N2, Σχηματίζονται οξείδια αζώτου NOx [ΝΟ και NO2 ]

Ατμοσφαιρική ρύπανση Αυτή η αντίδραση συμβαίνει επίσης στο εσωτερικό των κινητήρων εσωτερικής καύσης των αυτοκινήτων Οι εκπομπές καυσαερίων από τα αυτοκίνητα συμβάλλουν πολύ στην ατμοσφαιρική ρύπανση με τη μορφή των NOx Οι ενώσεις αυτές σχηματίζουν φωτοχημικό νέφος Είναι αέρια του θερμοκηπίου Διαλύονται στη βροχή σε μορφή νιτρικού οξέος και συμβάλουν στην όξινη βροχή Η βροχή που πέφτει στο έδαφος και τρέχει στα ποτάμια μπορεί να συμβάλλει στον ευτροφισμό των υδάτινων αποδεκτών

Βιολογική δέσμευση του αζώτου Επεμβάσεις Απόδοση / g Βρώμη Μπιζέλια Χωρίς νιτρικά & αποστειρωμένο έδαφος 0.6 0.8 Με νιτρικά & αποστειρωμένο έδαφος 12.0 12.9 Χωρίς νιτρικά & μη αποστειρωμένο έδαφος 0.7 16.4 Με νιτρικά & μη αποστειρωμένο έδαφος 11.6 15.3

Συμπέρασμα Η προσθήκη λιπάσματος νιτρικών βοηθά σαφώς την ανάπτυξη των δύο φυτών Η παρουσία των μικροβίων επιτρέπει στα μπιζέλια να αναπτυχθούν πολύ καλύτερα από ό, τι η βρώμη Τα μπιζέλια μεγαλώνουν καλύτερα με την παρουσία μικροβίων από ό, τι όταν προστίθενται αζωτούχα λιπάσματα Η διαφορά αυτή οφείλεται στη παρουσία συμβιωτικών βακτηρίων που αφομοιώνουν το άζωτο και ζουν στις ρίζες του μπιζελιού.

Κόνδυλοι ριζών Alafalfa (Medicago sativa) USDA - ARS University of Sydney

Μόνο προκαρυωτικοί οργανισμοί εμφανίζουν την ικανότητα αφομοίωσης Ν Αυτοί οι οργανισμοί διαθέτουν το nif γονίδιο το οποίο κωδικοποιεί πρωτεΐνες, όπως το ένζυμο της νιτρογενάσης, που χρησιμοποιείται στην καθήλωση του αζώτου Η νιτρογενάση είναι μία μεταλλοπρωτεΐνη, με υπομονάδες πρωτεΐνης που συνδέονται με σίδηρο, θείο και ένα σύμπλοκο μολυβδενίου Η αντίδραση περιλαμβάνει διάσπαση μορίων του αερίου αζώτου και την προσθήκη του υδρογόνου για τη δημιουργία αμμωνίας N2  2N - 669 kJ 2N + 8H+  NH3 + H2 + 54 kJ Αυτή η αντίδραση είναι εξαιρετικά δαπανηρή σε ενέργεια απαιτώντας 16 μόρια ATP για κάθε μόριο αζώτου που καθηλώνεται Τα μικρόβια που καθηλώνουν το άζωτο χρειάζονται μια καλή πηγή ενέργειας

Αφομοιωτές αζώτου Cyanobacteria καθηλώνουν τόσο το άζωτο όσο και τον άνθρακα (είναι φωτοσυνθετικά) Τα Rhizobium βακτήρια είναι συμβιωτικά με συγκεκριμένα φυτικά είδη π.χ. Όσπρια Αναπτύσσονται σε κονδύλους ριζών Τα είδη Azotobacter είναι τα βακτήρια που σχετίζονται με τη ζώνη της ρίζας (στη ριζόσφαιρα) των φυτών σε λιβάδια

Ατμοσφαιρική καθήλωση Οργανικό άζωτο εδάφους Η ανθρώπινη επίδραση Νιτρικά NO3- Ατμοσφαιρική καθήλωση εξαέρωση Πρωτεΐνη φυτών Ατμοσφαιρικό άζωτο Αμμωνιακά NH4+ Οργανικό άζωτο εδάφους Βιομηχανική καθήλωση Βιολογική καθήλωση

Βιομηχανική αφομοίωση N Η διεργασία Haber-Bosch Process N2 + 3H2  2NH3 - 92kJ Η διαδικασία Haber χρησιμοποιεί έναν καταλύτη σιδήρου Υψηλές θερμοκρασίες (500°C) Υψηλές πιέσεις (250 atmospheres) Η ενέργεια που απαιτείται παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακα, βενζίνης ή πετρελαίου) Το υδρογόνο παράγεται από φυσικό αέριο (μεθάνιο) ή κάποιον άλλο υδρογονάνθρακα

Διαφορετικές πηγές αφομοιώσιμου Ν Πηγές καθηλωμένου αζώτου Παραγωγή / M tonnes a-1 Βιολογικές 175 Βιομηχανικές 50 Εσωτερικής καύσης 20 Ατμοσφαιρικές 10 © 2008 Paul Billiet ODWS

Ευτροφισμός Τα θρεπτικά εμπλουτίζουν τους υδατοαποδέκτες Τα νιτρικά και η αμμωνία είναι πολύ διαλυτά στο νερό Ξεπλένονται εύκολα (από την καθείσδυση υδάτων) από την ελεύθερη αποστράγγιση των εδαφών Τα εδάφη αυτά τείνουν να είναι φτωχά σε άζωτο Όταν λίπασμα προστίθεται σε αυτά τα εδάφη επίσης, θα ξεπλένεται σε άλλα υδατικά συστήματα Υπάρχει όφελος στα φύκη (άλγη) από το επιπλέον άζωτο Αυτό οδηγεί σε μια σοβαρή μορφή της ρύπανσης των υδάτων

Ευτροφισμός Λιπάσματα εκπλύνονται μέσα σε ποταμούς ή λίμνες ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΛΓΕΩΝ Γρήγορη ανάπτυξη άλγεων Νεκρά φύλλα Λύματα ή άλλα οργανικά απόβλητα Νέος περιοριστικός παράγοντας επιβάλλεται Θάνατος των άλγεων Αποικοδομητές (βακτήρια) αυξάνονται σε αριθμό

Κάνοντας τα πράγματα χειρότερα! Αποικοδομητές (βακτήρια) αυξάνουν σε αριθμό Ζεστό νερό από τις βιομηχανίες (Θερμική ρύπανση) Ρύπανση από πετρέλαιο ή απορρυπαντικά Αυξημένο Βιοχημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (BOD) Μείωση διαλυτού O2

Ο θάνατος μια λίμνης Μείωση του διαλυτού O2 ΑΝΑΕΡΟΒΙΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ Αυξάνονται τα επίπεδα νιτρωδών NO3-  NO2- Θάνατος / μετανάστευση της πανίδας του γλυκού νερού Μεθαιμοσφαιριναιμία σε βρέφη Σύνδεση με καρκίνο του στομάχου (όριο του WHO για τα νιτρικά 10mg dm-3)

Το μέλλον της βιομηχανικής αφομοίωσης Ν Η παραγωγή τροφίμων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα συνθετικά λιπάσματα που για να γίνουν καταναλώνεται πολύ ενέργεια από τα ορυκτά καύσιμα Η παραγωγή τροφίμων θα γίνει πιο ακριβή Τα αζωτοδεσμευτικά μικρόβια, χρησιμοποιώντας ένα ενζυμικό σύστημα, κάνουν την ίδια διαδικασία στη συνήθη θερμοκρασία και πιέση ουσιαστικά χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια Πιθανή λύση στην παραγωγή Ν: Η γενετική μηχανική μπορεί να αυξήσει τη βιολογική καθήλωση του αζώτου;

Καλυτερεύοντας τα πράγματα Η ανάγκη για συνθετικά λιπάσματα μπορεί να μειωθεί με τις ακολουθούμενες αγροτικές πρακτικές Αποφεύγοντας τη χρήση υδατοδιαλυτών λιπασμάτων σε αμμώδη εδάφη (που έχουν καλή αποστράγγιση), αποτρέπεται η έκπλυση Εφαρμόζοντας εναλλασσόμενες καλλιέργειες που επιτρέπουν στο έδαφος να ανακάμψει από απαιτητικές σε άζωτο καλλιέργειες (π.χ. σιτάρι) Προσθέτοντας μια καλλιέργεια για τον καθορισμό του αζώτου στον κύκλο περιστροφής Το όργωμα αερίζει το έδαφος και μειώνει την απονιτροποίηση Η ξήρανση του κορεσμένου σε νερό εδάφους βοηθά στη μειώση της απονιτροποίησης

Επιστροφή στην ατμόσφαιρα: Απονιτροποίση Τα νιτρώδη και τα νιτρικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή οξυγόνου για τα βακτηριακά είδη Pseudomonas Βέλτιστες συνθήκες: ψυχρά κορεσμένα σε νερό (αναερόβια) εδάφη 2NO3-  3O2 + N2που παρέχει έως 2385kJ 2NO2-  2O2 + N2  Το απελευθερωμένο οξυγόνο χρησιμοποιείται ως δέκτης ηλεκτρονίων στις διαδικασίες που οξειδώνουν οργανικά μόρια, όπως η γλυκόζη Αυτά τα μικρόβια είναι λοιπόν, ετερότροφα

Οργανικό άζωτο του εδάφους 9500 Gt Ατμοσφαιρική καθήλωση Νιττικοποίηση Πρόσληψη από τις ρίζες Βιολογική καθήλωση Νιτροδοποίηση Αμμωνιακά NH4+ Αμμωνικοποίηση Νιτρώδη NO2- Διαλυμένο στο νερό 6000 Gt Απονιτροποίηση Απορροή Νιτρικά NO3- Οργανικό άζωτο του εδάφους 9500 Gt Ατμοσφαιρική καθήλωση εξαέρωση Βιομηχανική καθήλωση Πρωτεΐνη φυτών 3500 Gt Ζωική πρωτεΐνη Ατμοσφαιρικό άζωτο 4 000 000 000 Gt

Μέρη του κύκλου του Ν με χημικές αντιδράσεις Αμμωνικοποίηση/ανοργανοποίηση Ακινητοποίηση Βιολογική αφομοίωση Νιτροποίηση Απονιτροποίηση

R-NH2 NH4 NO2 NO3 NO N2O N2

Αμμωνικοποίηση / Ανοργανοποίηση N2 N2O NH4 NO2 R-NH2 NO NO2 NO3

Αμμωνικοποίηση / ανοργανοποίηση Αποικοδομητές: γεωσκώληκες, τερμίτες, γυμνοσάλιαγκες, σαλιγκάρια, βακτήρια, μύκητες Χρησιμοποιούν εξωκυττάρια ένζυμα  Εκκινούν την αποδόμηση φυτικών πολυμερών Οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν: Ένζυμα, πρωτεάσες λυσοζύμες νουκλεάσες για να αποδομήσουν τις αζωτούχες ενώσεις

Τα φυτά πεθαίνουν ή τα βακτηριακά κύτταρα λύονται αποδεσμεύεται οργανικό άζωτο Το οργανικό άζωτο μετατρέπεται σε ανόργανο άζωτο (NH3) Όταν το pH<7.5, η παραπάνω μορφή μετατρέπεται γρήγορα σε NH4 Παράδειγμα: Ουρία NH3 + 2 CO2

Ακινητοποίηση Το αντίθετο της ανοργανοποίησης Συμβαίνει όταν η ποσότητα του αζώτου είναι περιορισμένη στο περιβάλλον Ο περιορισμός σε άζωτο καθορίζεται από την αναλογία C/N Η αναλογία C/N τυπικά για μικροβιακή βιομάζα είναι 20 C/N < 20 Ανοργανοποίηση C/N > 20 Ακινητοποίηση

Αφομοίωση (καθήλωση) αζώτου N2 N2O NH4 NO2 R-NH2 NO NO2 NO3

Αφομοίωση αζώτου Ενεργειακά απαιτητική διαδικασία : N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP  2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi Επιτελείται από συγκεκριμένα βακτήρια και ακτινομήκυτες Επιτελείται από συγκεκριμένα φυτικά είδη (π.χ. ψυχανθή μπιζέλι, σόγια)

Μικροοργανισμοί με ικανότητα αφομοίωσης Azobacter Beijerinckia Azospirillum Clostridium Cyanobacteria Απαιτούν το ένζυμο νιτρογενάση Αναστέλλονται από Ο Αναστέλλονται από την αμμωνία (τελικό προϊόν)

Ταχύτητες αφομοίωσης Ν Σύστημα αφομοίωσης N2 Αφομοίωση αζώτου (kg N/εκτάριο/έτος) Rhizobium-legume 200-300 Cyanobacteria- moss 30-40 Rhizosphere associations 2-25 Free- living 1-2

Εφαρμογή σε υγρότοπους Συμβαίνουν σε υπερκείμενα ύδατα Αερόβια εδάφη Αναερόβια εδάφη Στη ριζόσφαιρα Σε φύλλα ή στελέχη επιφανειών των φυτών

Βακτηριακή Καθήλωση Occurs mostly in salt marshes Is absent from low pH peat of northern bogs Cyanobacteria found in waterlogged soils

Νιτροποίηση N2 N2O NH4 NO2 R-NH2 NO NO2 NO3

Νιτροποίηση Διαδικασία δυο αντιδράσεων που συμβαίνουν ταυτόχρονα: 1ο βήμα που καταλύεται από Nitrosomonas 2 NH4+ + 3 O2  2 NO2- +2 H2O+ 4 H+ 2ο βήμα που καταλύεται από Nitrobacter 2 NO2- + O2  2 NO3-

Το βέλτιστο pH είναι μεταξύ 6.6-8.0 Σε ποιο είδος υγρότοπων νομίζεις ότι η νιτροποίηση λαμβάνει χώρα?

Απονιτροποίηση N2 N2O NH4 NO2 R-NH2 NO NO2 NO3

Απονιτροποίηση Removes a limiting nutrient from the environment 4NO3- + C6H12O6 2N2 + 6 H20 Inhibited by O2 Not inhibited by ammonia Microbial reaction Nitrate is the terminal electron acceptor

Κοιτώντας τον κύκλο του Αζώτου μέσα από τις περιπέτειες των NH4