+
معلومات

دورة النيتروجين


تتطلب النباتات عددًا من العناصر بخلاف العناصر التي تحصل عليها مباشرةً من الغلاف الجوي (الكربون والأكسجين في شكل ثاني أكسيد الكربون) ومن المياه الجوفية (الهيدروجين والأكسجين).

كل هذه العناصر باستثناء عنصر واحد يأتي من تفكك الصخور ويتم التقاطها بواسطة النباتات من الأرض. الاستثناء هو النيتروجين الذي يمثل 78 ٪ من الغلاف الجوي للأرض.

ال صخور سطح الأرض كما أنها المصدر الرئيسي للنيتروجين ، الذي يخترق التربة ، بشكل غير مباشر من خلال الغلاف الجوي ، ومن خلال التربة ، تخترق النباتات التي تنمو فيه.

معظم الكائنات الحية غير قادرة على استخدام النيتروجين في الغلاف الجوي لتوليف البروتينات والمواد العضوية الأخرى. على عكس الكربون والأكسجين ، النيتروجين غير نشط كيميائياً للغاية ، وهو مؤكد فقط بكتيريا و الطحالب الزرقاء لديهم القدرة المتخصصة للغاية على استيعاب النيتروجين من الجو وتحويله إلى شكل يمكن أن تستخدمه الخلايا. غالبًا ما يكون نقص النيتروجين القابل للاستخدام هو العامل الرئيسي الذي يحد من نمو النبات.

تُعرف دورة النيتروجين بالعملية التي يدور بها النيتروجين عبر النباتات والتربة من خلال عمل الكائنات الحية.

توليد الأمونيا

الكثير من النيتروجين الموجود في التربة يأتي من مواد عضوية ميتة ، والتي توجد في شكل مركبات عضوية معقدة مثل البروتينات والأحماض الأمينية والأحماض النووية والنيوكليوتيدات. ومع ذلك ، تتحلل هذه المركبات النيتروجينية عمومًا بسرعة إلى مواد أبسط بواسطة الكائنات الحية في التربة.

ال البكتيريا المميتة والأنواع الفطرية المختلفة مسؤولة بشكل أساسي عن تحلل المواد العضوية الميتة. تستخدم هذه الكائنات الدقيقة البروتينات والأحماض الأمينية كمصدر للبروتينات الخاصة بها وتطلق نيتروجينًا زائداً في شكل الأمونيوم (NH4+). هذه العملية تسمى توليد الأمونيا. قد يتم توفير النيتروجين كغاز الأمونيا (NH3) ، ولكن هذه العملية تحدث عادة فقط عند تحلل كميات كبيرة من المواد الغنية بالنيتروجين ، كما هو الحال في جزء كبير من الأسمدة أو الأسمدة. بشكل عام ، يتم إذابة الأمونيا المنتجة في ماء التربة ، حيث تتحد مع البروتونات لتكوين أيون الأمونيوم.

النترجة

هناك عدة أنواع من البكتيريا الموجودة عادة في التربة قادرة على أكسدة الأمونيا أو الأمونيوم. أكسدة الأمونيا ، والمعروفة باسم النترجةهي عملية تنتج الطاقة ويتم استخدام الطاقة المنبعثة من هذه البكتيريا لتقليل ثاني أكسيد الكربون ، تمامًا كما تستخدم النباتات ذاتية التغذية الطاقة الخفيفة لتقليل ثاني أكسيد الكربون. هذه الكائنات معروفة باسم الأدوية ذاتية التخليق الكيميائي (تختلف عن autotrophs مثل النباتات والطحالب). ال نترت البكتيريا التخليق الكيميائي النتريتية و Nitrosococcus أكسدة الأمونيا إلى النتريت (NO2-):

2 NH 3 + 302 --------> 2 لا2- + 2 ساعة+ + 2 ساعة2ال

(غاز الأمونيا) (النتريت)

النتريت مادة سامة للنباتات الأعلى ، ولكن نادراً ما يتراكم في التربة. Nitrobacter, جنس آخر من البكتيريا يؤكسد النتريت لتشكيل النترات (NO3-) ، مرة أخرى مع إطلاق الطاقة:

2 لا2- + يا2 ---------> 2 NO3-

(نتريت) (نترات)

النترات هي الشكل الذي يتحرك فيه كل النيتروجين تقريبًا من التربة إلى الجذور.

قليل من أنواع النباتات قادر على استخدام البروتين الحيواني كمصدر للنيتروجين. هذه الأنواع ، والتي تضم النباتات آكلة اللحوم، لديها تعديلات خاصة تستخدم لجذب الحيوانات الصغيرة والتقاطها. أنها تهضم عن طريق امتصاص المركبات النيتروجينية وغيرها من المركبات العضوية والمعدنية مثل البوتاسيوم والفوسفات. تم العثور على معظم النباتات آكلة اللحوم في المستنقعات ، والتي عادة ما تكون حمضية قوية وبالتالي غير مواتية لنمو البكتيريا النترية.

فقدان النيتروجين

كما لاحظنا ، فإن مركبات النيتروجين لنباتات الكلوروفيلت تعود إلى التربة عند وفاتها (أو الحيوانات التي تتغذى عليها) ، حيث تتم إعادة معالجتها بواسطة الكائنات الحية في التربة والكائنات الحية الدقيقة ، التي تمتصها الجذور في شكل نترات مذابة في ماء التربة. تحويلها إلى مركبات عضوية. خلال هذه الدورة ، هناك دائمًا "خسارة" لكمية معينة من النيتروجين ، مما يجعلها غير صالحة للاستخدام في المصنع.

أحد الأسباب الرئيسية لفقدان النيتروجين هذا هو محطات إزالة التربة. غالبًا ما تظهر التربة المزروعة انخفاضًا ثابتًا في محتوى النيتروجين. يمكن أيضًا فقد النيتروجين عندما يتم قطع رأس التربة السطحية بواسطة تآكل أو عندما يتم تدمير سطحه من قبل حريق. تتم إزالة النيتروجين أيضا بواسطة الرشح. النترات والنتريت ، والتي هي الأنيونات ، معرضة بشكل خاص لريش الماء عبر التربة. في بعض أنواع التربة ، تحلل البكتيريا المكسرة النترات وتحرر النيتروجين في الهواء. هذه العملية التي تزود البكتيريا بالأكسجين اللازم للتنفس مكلفة من حيث احتياجات الطاقة (أي.2 يمكن تخفيض أسرع من NO3-) ويحدث على نطاق واسع فقط في التربة التي تعاني من نقص الأكسجين ، أي في التربة التي يتم تجفيفها بشكل سيئ وبالتالي تكون جيدة التهوية.

في بعض الأحيان لا تتوفر نسبة عالية من النيتروجين في التربة للنباتات. يحدث هذا التجمد عند وجود فائض من الكربون. عندما تكون القش عبارة عن مواد عضوية غنية بالكربون ولكنها فقيرة في النيتروجين ، فإن ذلك يعد مثالاً جيدًا ، إذا كانت بكثرة في التربة ، فإن الكائنات الحية الدقيقة التي تهاجم هذه المواد تحتاج إلى نيتروجين أكثر مما تحتويه من أجل الاستفادة الكاملة من حاضر الكربون. نتيجة لذلك ، لن يستخدموا فقط النيتروجين الموجود في القش أو المواد المماثلة ، ولكن أيضًا جميع أملاح النيتروجين المتاحة في التربة. وبالتالي ، فإن هذا الخلل يميل إلى التطبيع مع تزويد الكربون بثاني أكسيد الكربون عن طريق التنفس الميكروبي ، وزيادة نسبة النيتروجين إلى الكربون في التربة.

يستمر بعد الإعلان

تثبيت النيتروجين

كما نرى ، إذا لم يتم تجديد النيتروجين الذي يتم إزالته من الأرض باستمرار ، فإن عملية إنقاذ الحياة على هذا الكوكب ستختفي في النهاية. يتم تجديد النيتروجين في التربة بواسطة تثبيت النيتروجين. تثبيت النيتروجين هو العملية التي يتم من خلالها دمج غاز النيتروجين في الهواء في المركبات العضوية النيتروجينية وبالتالي إدخاله في دورة النيتروجين. إن تثبيت هذا الغاز ، والذي يمكن القيام به بدرجة كبيرة من خلال عدد قليل من البكتيريا والطحالب الزرقاء ، هو عملية تعتمد عليها جميع الكائنات الحية اليوم ، تمامًا كما تعتمد جميعها في نهاية المطاف على التمثيل الضوئي في الحصول على الطاقة.

تتم إضافة ما بين مائتي مليون طن متري من النيتروجين إلى سطح الأرض كل عام بواسطة الأنظمة البيولوجية. ينتج الإنسان 28 مليون طن متري ، يستخدم معظمها كأسمدة ؛ ومع ذلك ، يتم تنفيذ هذه العملية مع ارتفاع تكلفة الطاقة من حيث الوقود الأحفوري. يقدر إجمالي كمية الطاقة اللازمة لإنتاج سماد الأمونيوم حاليًا بما يعادل مليوني برميل من النفط يوميًا. في الواقع ، تشير التقديرات إلى أن تكاليف إخصاب النيتروجين تصل إلى نقطة انخفاض الأرباح. لا تحقق المحاصيل التقليدية في مناطق مثل الهند زيادة كبيرة في الغلات باستخدام الأسمدة النيتروجينية ولكن لديها متطلبات منخفضة من النيتروجين ، ولكن يتم استبدالها الآن بـ "الحبوب المعجزة" وغيرها من المحاصيل التي لم تعد تنتج بالتسميد النيتروجيني. - على وجه التحديد في وقت أصبح فيه هذا العلاج باهظ التكلفة.

من بين الأصناف المختلفة للكائنات الحية المثبتة للنيتروجين ، تعد البكتيريا التكافلية هي الأكثر أهمية من حيث الكميات الإجمالية للنيتروجين الثابت. البكتيريا الأكثر تثبيتا للنيتروجين هي الريزوبيموهو نوع من البكتيريا التي تغزو جذور البقوليات (كاسيات البذور للعائلة الفصيلة البقولية أو الفيصلة القرنية) مثل البرسيم ، البازلاء ، الفاصوليا ، البيقية والبرسيم.

الآثار المفيدة للبقوليات على التربة واضحة لدرجة أنها تم الاعتراف بها منذ مئات السنين. كتب ثيوفراستوس ، الذي عاش في القرن الثالث قبل الميلاد ، أن الإغريق استخدموا محاصيل الفول لإثراء التربة. عندما تنمو البقوليات ، يمكن إطلاق كمية معينة من النيتروجين "الإضافي" في التربة ، حيث يصبح متاحًا للنباتات الأخرى. في الزراعة الحديثة ، من الممارسات الشائعة تبديل المحاصيل غير البقولية مثل الذرة مع البقوليات مثل البرسيم. يتم حصاد البقوليات بعد ذلك لترك القش يترك الجذور الغنية بالنيتروجين ، أو حتى أفضل ، في الأرض. يمكن أن يوفر محصول جيد من البرسيم ، الذي يتم نقله إلى الأرض ، 450 كيلوغرام من النيتروجين لكل هكتار. تطبيق العناصر النزرة الكوبالت والموليبدينوم التي تتطلبها البكتيريا التكافلية يزيد بشكل كبير إنتاج النيتروجين إذا كانت هذه العناصر موجودة بكميات محدودة ، كما هو الحال في معظم أستراليا.

الكائنات الحية الدقيقة التي تحدد النيتروجين

البكتيريا غير التكافلية للأجناس الآزوتية و كلوستريديوم قادرون على إصلاح النيتروجين. الآزوتية هو الهوائية ، في حين كلوستريديوم هو اللاهوائية. كلاهما بكتيريا البلعوم الشائعة الموجودة في التربة. من المحتمل أن يزودوا بحوالي 7 كيلوغرامات من النيتروجين لكل هكتار من التربة سنويًا. مجموعة مهمة أخرى تشمل العديد من البكتيريا الضوئي. تلعب الطحالب الزرقاء الحية أيضًا دورًا مهمًا في تثبيت النيتروجين. إنها ضرورية لزراعة الأرز ، وهو النظام الغذائي الرئيسي لأكثر من نصف سكان العالم. يمكن للطحالب الزرقاء أن تلعب أيضًا دورًا بيئيًا مهمًا في تثبيت النيتروجين في المحيطات.

قد لا يكون التمييز بين تثبيت النيتروجين بواسطة الكائنات الحية الحية والتكافلية صارما كما كان يعتقد تقليديا. تحدث بعض الميكروبات بانتظام في التربة حول جذور بعض النباتات المستنفدة للكربوهيدرات عن طريق استهلاك هذه المركبات وفي نفس الوقت تزود النيتروجين بالنباتات بشكل غير مباشر. الارتباط التكافلي بين البكتيريا التي عادة ما تعيش بحرية مثل الآزوتية، والخلايا النباتية أعلى في الثقافات الأنسجة الناجم عن نموها في وسط اصطناعي المحرومين من النيتروجين.

المحتوى التالي: توقعات الطقس


فيديو: مخطط مبسط لدورة النيتروجين في الطبيعة (كانون الثاني 2021).