Ugrás a tartalomhoz

Hidrobiológia

Csizmarik Gábor (2011)

Szent István Egyetem

10. fejezet - A nitrogén körforgalma

10. fejezet - A nitrogén körforgalma

Bevezetés

A nitrogén a felszíni vizekben a foszfor mellett a trofitás meghatározó eleme. A levegőben nagy mennyiségben fordul elő, viszont csak néhány szervezet képes közvetlenül megkötni. A nem körültekintően végzett trágyázás útján, illetve a nem megfelelően tisztított szennyvizekkel juthat a talajba, felszín feletti és - alatti vizekbe, majd ott a redoxi viszonyoktól és a mikrobiális tevékenységtől függően alakul át szervetlen és szerves nitrogén vegyületekké vagy elemi nitrogénné. A szennyvíztisztítás során a nitrogén eltávolítása is hasonló folyamatokkal történik.

Követelmények

  • Ismerje a redoxpotenciáltól függő nitrogén vegyületeket!

  • Tudja az egyes nitrogénformák átalakulási folyamatait!

  • Tanulja meg az ammonifikáció, nitrifikáció és denitrifikáció lépéseit!

Egy tó nitrogénforgalmának egyszerűsített leírásához a következő ismeretekre van szükség. Fel kell térképezni a rendszer számára rendelkezésre álló nitrogénkészletet és a készletet növelő és csökkentő külső folyamatokat. Meg kell ismerni a készletben lévő nitrogén megoszlását az egyes nitrogénvegyületek között, és térbeli eloszlását a (levegő-) víz-üledék között. Fel kell tárni a nitrogénvegyületek egymásba való átalakulásainak és (levegő-) víz-üledék rendszerben való átmeneteinek irányát és sebességét. Rá kell világítani a nitrogénkészletet növelő, transzformáló, de megtartó és csökkentő belső folyamatokra is. Végül ki kell mérni mindezek napszakos és évszakos változását. Az előzőekben körvonalazott célok eléréséhez mérni kell a rendszer és a rendszer környezetének pillanatnyi és sztatikus állapotát: azaz az egyes nitrogén-vegyületek pillanatnyi koncentrációját. Mérni kell a rendszer pillanatnyi dinamikáját: azaz az egyes nitrogénvegyületek átalakulásainak és átmeneteinek irányát és sebességét.

Az egyes nitrogén-kompartmentek szemléletesen a tavi rendszer nitrogénforgalmának „fogadóit” jelentik, amelyekben a nitrogén hosszabb rövidebb ideig megpihen, mielőtt ezekből a fogadókból kiinduló áramlási utak valamelyikén kisebb, vagy nagyobb sebességgel „elindulna”.

Egy adott pillanatban a tó víztestében és üledékében lévő nitrogén különböző vegyületeiben található az adott rendszerre és időszakra jellemző megoszlásban, térben a fizikai, kémiai, biológiai törvényszerűségeknek megfelelően elkülönülve. Az egyes nitrogénformák bonyolult módokon, kisebb részben kémiai, nagyobb részben biológiai folyamatokon keresztül egymásba alakulnak (transzformálódnak), illetve a (levegő-) víz-üledék rendszer elemei és a környezet között kicserélődnek. Egy tavi ökoszisztéma bonyolult nitrogénforgalmának leírásához az alábbi kompartmenteket és áramlási utakat különíthetjük el.

Nitrát (NO3-)

A nitrát a vízben és intersticiális vízben oldott szervetlen nitrogénforma. Gyakorlatilag teljes mértékben ionos állapotban nitrát-ionként (NO3-) van jelen. A nitrátban a nitrogén oxidációs száma +5. A nitrát a nitrifikáció végterméke illetve a fitoplankton nitrát-felvételének és a nitrát-redukciónak a kiindulási anyaga.

Nitrit (NO2-)

A nitrit a vízben és intersticiális vízben oldott szervetlen nitrogénforma. Disszociációs mértékének megfelelő mértékben ionos és molekuláris állapotban, főként nitrit-ionként (NO2-) és kisebb mennyiségben salétromsavként (HNO3) van jelen. A nitritben a nitrogén oxidációs száma +3. A nitrit a nitrifikáció és a nitrát-redukció köztiterméke, illetve a denitrifikáció kiindulási anyaga.

Dinitrogén-oxid (N2O)

A dinitrogén-oxid vízben és intersticiális vízben molekulárisan oldott szervetlen nitrogénforma. Pillanatnyi oldhatósága által meghatározott mértékben fordul elő, de jelenléte a vízben nem tartós, mivel koncentrációja a levegőben gyakorlatilag 0. A dinitrogén-oxidban a nitrogén oxidációs száma +1. A dinitrogén-oxid a denitrifikáció köztiterméke.

Dinitrogén (N2)

A dinitrogén vízben és intersticiális vízben molekulárisan oldott szervetlen nitrogénforma. Oldhatóságától függő mértékben van jelen a vízben, a levegő dintirogénjével egyensúlyban. A dinitrogénben a nitrogén oxidációs száma 0. A dinitrogén a denitrifikáció végterméke illetve a nitrogénkötés kiindulási anyaga.

Ammónia (NH4+)

Az ammónia vízben és intersticiális vízben oldott szervetlen nitrogénforma. Disszociációs egyensúlyának megfelelően ionos és molekuláris állapotban, főként ammónium ionként (NH4+) és kisebb mennyiségben, úgynevezett szabad ammóniaként (NH3, illetve NH4OH) van jelen. Az ammóniában a nitrogén oxidációs száma -3. Az ammónia az ammonifikáció végterméke illetve a fitoplankton ammónia felvételének és a nitrifikációnak a kiindulási anyaga.

Formált szerves nitrogén (FSN):

A formált szerves nitrogén a vízben és üledékben alakos állapotban lévő szerves nitrogénforma. A planktonikus szervezetek élő vagy elpusztult testében, testtörmelékében lévő fehérjék építőeleme. A formált szerves nitrogén az ammónia-, nitrát- és aminosav-felvétel végterméke, illetve az ammonifikáció kiindulási anyaga.

Oldott szerves nitrogén (OSN)

Az oldott szerves nitrogén a vízben és intersticiális vízben oldott szerves kötésű nitrogénforma. Az élő szervezetek által kiválasztott anyagcseretermékekben és az elpusztult élőlények felaprózódott testtörmelékében van jelen. Az oldott szerves nitrogénben a nitrogén oxidációs száma túlnyomóan -3. Az oldott szerves nitrogén a kiválasztás és a bakteriális lebontás során keletkezik, illetve az aminosav-felvétel és az ammonifikáció kiindulási anyaga.

Humusz (H)

A humusz- nitrogén az üledékben felhalmozódó nehezebben bomló szerves anyagokban kötött nitrogén. A humusz az elhalt növényi és állati maradványokból és az élőlények életműködése folyamán keletkezik. A humuszban megkötött nitrogén a nitrogén-körforgásból hosszabb időre kikapcsolódhat. Az áramlási utakat a nitrogén-kompartmentek egymás közötti átalakulásai, illetve (levegő-) víz-üledék rendszerben való átmenetei alapján csoportosíthatjuk.

Az egyes nitrogénformák átalakulási folyamatait a 49. ábra mutatja.

49. ábra. A nitrogénforgalom lépései a N atom oxidációs állapota szerint

Az elemi N2-t nem számítva, ami a levegőben lévő molekuláris nitrogéngáz oldódásával jut a vízbe, három úton kerülhet új nitrogénvegyület a vízi ökoszisztémába:

  • Az élőlények elemi nitrogénkötése által a molekuláris nitrogénkészletből,

  • A csapadékkal bejutó NO3-- és NH3,

  • A befolyó vízzel érkező nitrogénformák (ide tartozik a mesterséges nitrogénszennyezés is).

Ami a nitrogénvegyületek eltávozását illeti, öt változat lehetséges:

  • Elfolyás az elfolyó vizekkel.

  • Az élőlények okozta denitrifikálódás.

  • Az elemi N2 gáz kiszellőződése, például hőmérséklet-emelkedéssel vagy más távozó gázbuborékokkal.

  • Rovarok kirepülése, szárazföldi ragadozók zsákmánya, halászat, szerves törmelék eltávolítása hullámveréssel.

  • Állandó nitrogéntartalmú üledék keletkezése.

A Föld egész területén tanulmányozható mesterséges eutrofizálódás hívta fel a figyelmet arra, hogy ezt a nitrogénmennyiséget, vagy legalább nagy részét a vízi élővilág tartja vissza a tó anyagforgalmában (tápanyagdúsulás).

A nitrogénformák legnagyobb raktára a légkör.

A hármas kötés stabilitása egyben azt is jelenti, hogy relatív nagy energia szükséges felbontásához (940 KJ energia, szemben az O2 disszºCiációjához szükséges 493 KJ energiával). Csak kevés baktérium képes a N-fixáció útján felhasználni a nitrogént, ezért a nitrogén-körforgásban fontos szerepet játszanak más, szintén nagy mennyiségben előforduló, könnyen elérhető N-formák, mint az ammónia, nitrit és a nitrát. Sok közegben limitáló tényező az elérhető nitrogénvegyületek mennyisége. Az egyes lépéseket az 50. ábra mutatja.

50. ábra. Az egyes nitrogénformák átalakulási fázisai

Ammonifikáció:a szerves nitrogénvegyületek felbomlásakor ammónia keletkezik (ammonifikáció), amely semleges pH-n mint ammónium-ion jelentkezik (NH4+). Anoxikus üledékekben a nitrogénformák közül általában az ammónia dominál.

Az ammónia-felvétel az ammónia és formált szerves nitrogén-kompartmenteket összekötő áramlási út. A fitoplankton az ammóniát testépítő anyagainak szintéziséhez használja fel. Az ammónia-felvétel helye túlnyomóan a vízoszlop felső, átvilágított rétege.

Talajban, aerob viszonyok között az ammónia gyorsan tovább oxidálódik aminosavakká, persze itt is fennáll némi veszteség, mivel az ammónia is gáz halmazállapotú, tehát illékony vegyület. Nagy mennyiségű ammóniaveszteség léphet fel sűrű állatállományú telepeken az ürülékből történő kipárolgás miatt.

Az ammonifikáció során - erős oxidálószer vagy katalizátor hatására - az ammóniából nitrogén-oxidok, nitrit és nitrát keletkezik.

Nitrifikáció: jellemzően aerob folyamat, általában jól szellőzött talajokban, semleges pH mellett, oxigénben gazdag környezetben könnyen végbemegy, de számos példát ismerünk, ahol a nitrifikáció anaerob körülmények között is lejátszódik (tavak üledéke, iszap, sár, savas, anaerob talajok…stb.). Egy rendszerhez trágyát vagy iszapot adagolva nő a nitrifikáció mértéke.

Ammónia és nitrit oxidáló baktériumok: a szervetlen nitrogénvegyületek közül leggyakrabban az ammóniát (NH3) és a nitritet (NO2-) használják elektron-donorként. Aerob viszonyok között a baktériumok oxidálják ezeket a nitrogénformákat. A nitrifikálók egyik csoportja oxidálja az ammóniát nitritté (Nitrosomonas), míg egy másik csoport a nitritet tovább oxidálja nitráttá (Nitrobacter). A teljes oxidáció során 8 elektron kerül átszállításra több lépcsőben, ezért ezek a baktériumok sorban egymás után dolgoznak.

Nitrát-redukció és a denitrifikáció: a disszimilatív nitrát-redukció során végbemenő folyamatokat összességében denitrifikációnak nevezzük. A denitrifikáció során a különböző nitrogén-formák a rendszer számára elérhetetlen nitrogénné vagy dinitrogén-oxiddá redukálódnak.

Az anaerob légzés során döntően szervetlen nitrogén vegyületeket használnak elektron-akceptorként.

A természetben leggyakoribb szervetlen nitrogénformái az ammónia (NH3), nitrit (NO2-), nitrát (NO3-) és a nitrogén (N2, a legstabilabb); mindhárom gáz halmazállapotú, a légkörben keletkeznek szervetlen kémiai reakciók eredményeképpen.

A nitrát (NO3-) redukciós termékei (NO2-, NO, N2O, N2) mind illékony, gáz halmazállapotú vegyületek, könnyen távoznak a rendszerből.

Az asszimilatív nitrát redukció során a nitrát felvehető tápanyagként funkcionál, míg a disszimilatív nitrát-redukció esetében a nitrát egy energianyerő mechanizmus elektron-akceptora.

A talajban a denitrifikáció nem túl előnyös folyamat, mert így a növények számára elérhetetlenné válik a nitrogén-forrás egy része; a szennyvíztisztításnál azonban kifejezetten előnyös, mert a rendszerből távozik a terhelést jelentő nitrát N2(gáz) formájában.

Összefoglalás

A nitrogén körforgása tehát az elemi nitrogén megkötésével kezdődik, melynek során a nitrogénkötő szervezetek fehérje formájában beépítik testükbe.

Következő lépcső az ammonifikáció folyamata, mely az elhalt élőlények nagymolekulájú anyagainak bomlását jelenti. Ennek során ammónia szabadul fel.

A nitrifikáció szigorúan aerob folyamat. Az ammóniát oxidáló szervezetek energiát nyernek, a keletkező termék a nitrit. A nitritet más szervezetek nitráttá oxidálják, melynek során szintén energia szabadul fel. A keletkező nitrát vehető fel a magasabbrendű növények számára.

A denitrifikáció tulajdonképpen anaerob légzés. A denitrifikáló baktériumok szervesanyagokat égetnek nitráttal, mint alternatív légzőszerrel. A folyamat végén elemi nitrogén keletkezik, amely visszakerül a légkörbe.

Ez a nagy körfolyamat a biológiai nitrogéneltávolítás alapja.

Önellenőrző kérdések, feladatok

A következő állítások közül melyek igazak?

  1. A nitrogén raktára a talaj.

  2. Az asszimilatív nitrátredukció során a nitrát felvehető tápanyagként funkcionál.

  3. Az ammonifikáció során szerves nitrogén halmozódik fel.

  4. A nitrifikáció során az élőlények megkötik az elemi nitrogént.

  5. A nitrifikáció aerob folyamat. 6. A nitrogén fixáció aerob folyamat.