Ugrás a tartalomhoz

Agro-ökológia

Dr. Godó Zoltán (2011)

10.4 Nitrogén körforgalom

10.4 Nitrogén körforgalom

A nitrogén körforgalom egy gáz fázisú biogeokémiai ciklus (az elemek körforgása az élo, az élettelen szervezetek és a környezetük között) mely során az elemi nitrogén a növények számára is felveheto nitrátokká, nitritekké alakul. Majd a bomlási folyamatok következtében ammónia és ismét elemi nitrogén lesz belolük. A szervetlen tartalékot a levego nitrogéntartalma adja, azonban az élolények többsége nem képes az elemi nitrogént hasznosítani a szervezetében. A nitrogénmolekulában ugyanis nagyenergiájú hármas kötés található, emiatt a nitrogén kevéssé reakcióképes gáz. Ezért a nitrogént csak egyes mikroorganizmusok képesek átalakítani ammónia sókká és nitritekké. Ez a folyamat elsosorban az élolények és a litoszféra között zajlik.

A nitrogén körforgalom egy gáz fázisú biogeokémiai ciklus (az elemek körforgása az élo, az élettelen szervezetek és a környezetük között) mely során az elemi nitrogén a növények számára is felveheto nitrátokká, nitritekké alakul. Majd a bomlási folyamatok következtében ammónia és ismét elemi nitrogén lesz belolük. A szervetlen tartalékot a levego nitrogéntartalma adja, azonban az élolények többsége nem képes az elemi nitrogént hasznosítani a szervezetében. A nitrogénmolekulában ugyanis nagyenergiájú hármas kötés található, emiatt a nitrogén kevéssé reakcióképes gáz. Ezért a nitrogént csak egyes mikroorganizmusok képesek átalakítani ammónia sókká és nitritekké. Ez a folyamat elsosorban az élolények és a litoszféra között zajlik.

10.4.1 A nitrogén fixálás

A nitrogén a talajba, kémiai vagy biológiai nitrogénkötés illetve elektromos kisülés folytán juthat be. A fotokémiai úton történo átalakulás nem jelentos (kevesebb mint 3*1012g N2/év). Nagy homérsékleten a nitrogén és az oxigén egyesülnek és nitrogén monoxid vagy nitrogén dioxid keletkezik, pl.: villámláskor. N2+O2?2NO, N2 + 2O2 ? 2NO2. A nitrogén monoxid ha oxigénnel vagy ózonnal reagál nitrogéndioxid keletkezik (NO2 ? hv ? NO + O, NO + O3 ? NO2), ami ha vízzel reakcióba lép salétromsav keletkezik, amely az esovel jut le a talajba (NO2 + H2O ? HNO3).

A biológiai nitrogénkötést nitogén fixációnak nevezzük. Ez a folyamat az egyetlen szakasza a nitrogén ciklusnak amit a mikroorganizmusok nem energiaszerzés céljából hajtanak végre. Az ezen az úton megköto nitrogén mennyiség sokkal jelentosebb. A nitrogén fixáló baktériumok a szerves vegyületek lebontásával nyert energia segítségével képesek a légkör nitrogénjét ammóniává alakítani.

N2 + 8H+ + 6e- ? 2NH4+

1 mol N2 átalakításához annyi energia szükséges, mint amennyi 3 mól glükóz oxidációjakor keletkezik. Ez igen nagy energia befektetést jelent. A megkötött nitrogén a baktériumok sejtjeibe, foleg a fehérjékbe épülnek be. Ezeket a mikroorganizmusokat életmódjuk szerint két csoportba sorolhatjuk, szabadon élo és szimbióta baktériumok. A szabadon élo baktériumok egy hektáron átlagosan 50 kg nitrogént képesek megkötni ezzel szemben a szimbiózisban élo fajok 200-300 kg is megkötnek feltéve ha jó minoségu a talaj. A szabadon élo baktériumok általában olyan területen fordulnak elo ahol sok, számukra közvetlenül hasznosítható szerves anyag van jelen. Ezen belül is megkülönböztetünk aerob és anareob fajokat amik lehetnek kemolitotrófok (Methanosarcina, Methanococcus, Methanobacterium), kemoorganotróf (Clostridium pasteurianum, Desulfovibrio, Desulfomaculum) és fototróf (Chromatium, Thiocapsa, Chlorobium, Rhodospirillum) organizmusok. A legfontosabb anaerob nitrogénköto a Clostridium pasteurianum. Ez a baktérium levegoigényes mivel csak így fér hozzá a nitrogénhez viszont oxigén jelenlétében elpusztul. Ezért általában olyan más baktériumokkal él együtt amelyek a levego oxigénjét hasznosítják de a nitrogénre nincs szükségük. A nitrogénfixációhoz szükséges energiát a glükóz erjesztésével szerzi mivel anaerob körülmények között nincs lehetoség a terminális oxidáció muködtetésére. Így ezekbol a szervezetekbol hiányzik is a mitokondriumokból ismert elektrontranszport apparátus. A szinbióta baktériumok magasabb rendu növények, általában hüvelyesek gyökerén fordulnak elo de megtalálhatók például az égerfa vagy a keskenylevelu ezüstfa gyökerén is. A legjelentosebb nitrogén megköto baktérium a Rhizobium sp. Nem csak szimbióta, hanem szabadon élo formában is megtalálható nagyszámban ott, ahol korábban hüvelyeseket termesztettek. A szabadon élo Rhizobium azonban nem köti meg a nitrogént. Ezek a mikroorganizmusok fajspecifikusan telepednek meg a növények gyökerén, de az általuk megkötött nitrogén mennyisége kimagaslik a többi nitrogénfixáló által megkötött mennyiséghez képest. Gazdasági jelentosége igen nagy, hiszen az ezek a baktériumok által megkötött nitrogén már felvehetoek a növények számára. A Rhizobium lektint tartalmaz melynek segítségével tud kapcsolatot teremteni a gazdanövénnyel. Úgy vélik, hogy a pillangósvirágúakban a lektinek (fehérjék egy csoportja) valami módon részt vesznek a bakteriális partnerek felismerésében a Rhizobium baktériumokkal való gyökérgümobeli szimbiózis kialakításakor.

A ciklus ezen folyamatához szükséges a megfelelo homérséklet (25-30 C o), valamint a semleges kémhatás. Befolyásolja még a szimbióta partner jelenléte és a talajban lévo anyagok. Az ammónia gátolja a nitrogén megkötést a Mo, Fe, Co, Ca azonban segítik. A nitrogén megköto baktériumok aktivitását az acetilén redukció közben keletkezett etilén mennyiségének gázkromatográfiás mérésével tudjuk meghatározni. Ugyanos a baktériumokban lévo nitrogenáz enzim az acetilént is elfogadja szubsztrátként. A vizekben élo leggyakoribb nitrogén fixáló baktérium a kékbaktérium amely a vízben oldott nitrogént ammóniává alakítja. A levego 78% nitrogénjével szemben a vízben oldott gázok 65% -a nitrogén, amely még mindig jelentos mennyiség.

10.4.2 Nitrifikáció

A ciklus következo folyamata a nirtifikáció mely csak aerob körülmények között játszódik le. Két szakaszából az elso, amikor az ammóniát nitritté alakítja majd a második mikor az eloállított nitritet tovább alakítja a növények számára felveheto nitráttá. A reakció egyszerusített egyenlete a következo

4 NH4+ + 6 O2 ? 4 NO2- + 8 H+ + 4 H2O ;4 NO2- + 2 O2 ? 4 NO3-

Viszonylag kevés, de nagy aktivitású faj végzi ezt a folyamatot ezért a környezeti hatásokra, szennyezésre nagyon érzékenyek. A folyamatot befolyásolja a talaj homérséklete (optimális a 30-35 fok), a víz telítettsége (max 70%), a kémhatása (ideális a semleges talaj). A toxikus anyagok kis mértéku jelenléte is megzavarja a folyamatot. A nitrifikáló baktériumok anaerob, Gram negatív, kemoliotróf élolények. A nitrifikáció energia nyero folyamat melynek hatására no a talaj homérséklete is. A folyamat intenzitása szabályozza, hogy a talajban a nitrogén NH4+ vagy NO3- formájában van nagyobb arányban jelen. A mikrobák érzékenysége miatt különbözo területeken más lehet a két vegyület aránya. Így például az is elofordulhat hogy a tundra talajában a nitrogén tartalom majdnem 100%-a ammóniumion míg máshol szinte egyáltalán nem található.

Az egyik legjelentosebb nitritképzo baktérium a Nitrosomonas europea ami az energiát az ammónia nitráttá való redukálásából szerzi. Gram-negatív és obligát kemolitoautotróf. Ez a baktérium számos helyen megtalálható talajban, vizekben sot még a házak falán is feltéve ha a levego nagy koncentrációban tartalmaz ammóniát. Képes számos halogénezett szerves vegyület, többek között a triklór-etilén, benzol és vinil-klorid lebontására is. Anyagcseréje során salétromsavat is termel.

A nitrátképzésért a Nitrobacter nemzettség a felelos gyakorlati jelentosége pedig csak a Nitrobacter winogradsky fajnak van. Ez a folyamat az elobbihez képest kevésbé érzékeny a homérséklet változására. Azonban az oldható szerves anyagok kis mennyiségben is (glükóz 0,025% -nál) gátolják vagy teljesen le is állítják a nitrát képzést. A baktériumok megfelelo muködéséhez a semleges vagy a lúgos kémhatás az optimális. 6 pH alatt a folyamat jelentosen lelassul. A nitrifikáció mérésére alkalmas módszer a talaj inkubálása ammóniával három hétig majd a keletkezo nitrát quantitatív meghatározása. Vizekben fontos hogy a nitrifikációhoz megfelelo legyen a mészmennyiség. Túl alacsony szinten a nitrifikáció lelassul, felesleges mennyiség jelenlétében pedig a vízben felhalmozódó nitrátok és nitritek a halak és a növények pusztulásához vezethetnek. Az ívóvízben a nitrátszintet szabvány határozza meg (max 40 mg/L), ugyanis a magas nitráttartalom a csecsemoknél halált okoz. Leggyakrabban kútvíztol történik a mérgezés. A bejutó nitrát a baktériumok hatására nitritté alakul a csecsemo gyomrában és patkóbelében. A vérbe jutva a vörösvérsejtek haemoglobinját ún. methaemoglobinná alakítja át, így képtelenné teszi azt az oxigén szállítására. A mérgezett baba cianotikus, kék színu lesz ezért hívják a betegséget kékvéruségnek.

A nitrifikációkor keletkezo termékeket a növények és a mikrobák az asszimilációs nitrátredukció folyamatában veszik fel. A sejtekbe történo beépítés elott át kell alakítaniuk ammóniává. Ezt a folyamatot élesen el kell különíteni a denitrifikációtól, amelyet légzési (disszimilációs) nitrátredukciónak is nevezünk és ebben a folyamatban a felvett nitrát nitrogénné alakul. A nitrogén fixáció ellentétes folyamata a denitrifikáció mely során a nitrogén elemi formájában visszakerül a légkörbe. Ez a két folyamat egyensúlyban van, ez biztosítja a légkör viszonylag állandó nirtogéntartalmát.

10.4.3 Denitrifikáció

A denitrifikáció elsosorban energiaszerzo folyamat ami növeli a talaj homérsékletét is, olyan anaerob légzés mely során a baktérium a nitritet elektron akceptorként használja fel és amelyre számos baktérium képes. A ciklus leegyszerusített egyenlete a következo:

5 CH2O + 4 NO3- + 4 H+ ? 2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O

Több lépésben megy végbe, a végtermék minden esetben az elemi nitrogén, a köztes termék azonban a fajtól függoen változhat. Általában nitrit, nitrogén-monoxid és néhány esetben dinitrogén-oxid. A denitrifikációt befolyásolja az oxigén jelenléte, a talaj szervesanyag tartalma, a víz telítettsége (60% alatt nem megy végbe a folyamat), a pH (3,9-9 között zajlik, de a pH növekedésével gyorsul a folyamat), és a homérséklet (30-35 fok között de a homérséklet csökkenésével lassul). Néhány denitrifikációra képes faj (például a Paracoccus denitrificans) képes oxigén jelenlétében is elvégezni a folyamatot tehát egyszerre tudja az oxigént és a nitrogént is redukálni. A folyamatot korespirációnak nevezzük. A denitrifikáció végbemehet több lépésben is. Ekkor a nitrátból nitrit és a nitritbol ammónia képzodik, vagy egy lépésben nitrátból ammónia lesz. A legtöbb denitrifikációra képes faj a Pseudomonas és Alcaligenes nemzetségbe tartozik. Elofordulnak olyan fajok is amelyek a nitrát oxigénjével szerves anyagokat is oxidálnak például ként és tioszulfátot

5S + 6KNO3 + 2H2O ?

K2SO4 + 4KHSO4 + 3N2 és 5K2S2O3 + 8KNO3 + H2O ?

9K2SO4 +H2SO4+4N2

Ez a folyamat végbemehet kémiai reakciók során is de jelentosége a biotikus folyamatokhoz képest elhanyagolható. A denitrifikáció tehát csökkenti a talaj nitrogén tartalmát ami a mutrágyázott termoföldeken meglehetosen negatív hatású. A természetes talaj-ökoszisztémákban a denitrifikáció folyamata se nem káros se nem hasznos, hanem a körfolyamat része. E-nélkül a nitrogén nem kerülne vissza a légkörbe, a föld nitrogéntartalma kozetekbe lenne raktározva és mivel a fehérjék felépítéséhez elengedhetetlen a nitrogén, megszunne minden élet.

Az elobb említett példa már az emberi tevékenység következménye, viszont ez további problémákat vet fel. A talaj túlzott mutrágyázása és a denitrifikáció következményeként nitrogén-oxidok kerülnek a levegobe melyek hozzájárulnak az ózonréteg bomlásához. A megoldás a kevesebb, ésszeru mutrágyahasználat és a részletesebb ökológiai ismeretek alkalmazása lenne a mezogazdaságban. A denitrifikáció foleg az óceánok azon területén jellemzo ahol az oxigéntartalom 0,25 ml/l alá esik. Gyakorlati jelentosége leginkább a szennyvíztisztításban van. A magas nitrogéntartalmú vizek nitrogénvegyületei a körfolyamatban szereplo baktériumok által nitrogéngázzá alakulnak ami távozik a rendszerbol. A denitrifikáció mértékének meghatározásához az 15N izotópot használják. Helyszíni mérésekor gázcsapdákat alkalmaznak laboratóriumban pedig a keletkezo gáz összetételét vizsgálják.

10.4.4 Ammonifikáció

A nitrogén ciklus következo folyamata az ammonifikáció mely során a természetben keletkezo szerves hulladék nitrogénje ammóniává alakul át. A legfontosabb ilyen szerves vegyületek az elpusztult élolények fehérjéi és nukleinsavai, az állati ürülék és a gombák vagy rovarok által termelt kitin. Az ammonifikáló baktériumok ezeket az anyagokat hasznosítják energiaszerzés vagy táplálék céljából. Mivel tisztán szerves nitrogén tartalmú vegyületek nem léteznek, ezért az ammonifikációval párhuzamosan a szerves anyag szén, kén és hidrogén tartalma mineralizálódik (ásványosodik) különbözo mikroorganizmusok hatására. Ezen anyagoknak csak az a része szabadul fel amelyik nem épül be közvetlenül a baktérium szervezetébe. A beépülés is csak ideiglenesen hiszen a baktériumok pusztulását követoen ismét bekerülnek az ökológiai anyagforgalomba.

Viszonylag sok mikroorganizmus képes az ammonifikációra. Ezek között vannak olyanok amelyek többféle, mások csak specifikusan, egy féle szerves anyag lebontására képesek. Aerob ammonifikálási mód az elhalt élolények aminosavjainak dezaminálása vagyis az aminocsoport eltávolítása a szerves nitrogénvegyületek molekuláiból.

Fehér¬je erjesztésekor, anaerob körülmények között végbemeno aminosav dehidrogénezési, oxidatív dekarboxilezési és az aminosa¬vak re¬duktív dezaminálási folyamatait összekapcsolva (Stickland-reakció 1934) a megfelelo savakon kívül ammónia is képzodik.

NH3 + ecetsav + CO2

A fehérjék ammonifikációja tehát aerob és anaerob körülmények között is lejátszódhat és az ammónia mellett más termékek is keletkeznek például hidrogén, vagy szén-dioxid. A fehérjék aerob körülmények között jól mineralizálódnak, a lebomlásban keletkezett gázok mennyisége a fehérje összetételével arányos. A fehérjék a legnagyobb tömegu nitrogén tartalmú szerves vegyületek amik tartalmaznak még szenet hidrogént oxigént és ként is A legfontosabb fehérje ammonifikáló baktériumok a Pseudomonas és Bacillus nemzetségbe tartozó mikrobák. A gombák közül foleg a Trichoderma és az Aspergillus fajok a fehérje ammonifikálók. Anaerob viszonyok között ez a folyamat nem teljes, szerves savak vagy alkoholok képzodhetnek melyek más mikroorganizmusok segítségével bomlanak tovább.

A kitin olyan nitrogén tartalmú szerves vegyület melyet a gombák sejtfala és egyes állatok kitinpáncélja tartalmaz. Ez egy kémiailag nehezen bontható anyag ezért a lebontását csak egyes baktériumok, a kitináz enzim segítségével tudják elvégezni. Ez a folyamat több lépésben játszódik le. Eloször a kitin hidrolízise során glükozamin és ecetsav keletkezik:

C18H30O12N2 + 4H2O ? 2C6H11O5 - NH2 + 3CH3COOH

Majd az ecetsavból víz és széndioxid, a glükozaminból pedig újabb hidrolízissel glükóz és ammónia lesz.

A humusz ammonifikációja a növényeknek szükséges tápanyag ellátásának a szempontjából nagyon jelentos. Ez egy rendkívül ellenálló anyag melynek a pontos kémiai összetétele még ma sem ismert. A lebontása meglehetosen lassú folyamat évente mindössze 1%-a mineralizálódik. Azt a kevés fajt, amely képes megoldani, a Mycobacterium, Nocardia, Aspergillus és Trichoderma genuszok között találjuk. A karbamid bontó baktériumok nagyrészt aerobok, a folyamat véghezviteléhet lúgos pH-ra van szükségük (8 feletti pH az ideális). Ilyen faj például a Sarcina ureae. Az urea bontó baktériumok a keletkezo állati és emberi végterméket bontják le energiaszerzés céljából. Nagy gyakorlati jelentoségük a szennyvíztisztításban van. Ez egy viszonylag egyszeru folyamat melyet a baktériumban lévo ureáz enzim katalizál:

(NH2)2CO + H2O ? NH3 + CO2 + ho

Az ammonifikációs folyamat az elemek körforgásának nélkülözhetetlen lépése. A mezogazdaságban és a szennyvíztisztításban a szerepe jelentos, és a nitrogén fixálással együtt ez a folyamat biztosítja az ökoszisztéma nitrogénellátását. Az ammonifikáció mérése a helyszínen történhet liziméterrel, laboratóriumi körülmények között pedig inkubálással, kimosódással, proteáz vagy ureáz aktivitás mérésével vagy arginin ammonifikációjával.