چرخه نیتروژن چیست؟

نیتروژن از جمله عنصرهایی است که برای متعادل نگهداشتن اتمسفر محیط پیرامونی مهم و حیاتی به نظر می رسد. وقتی گیاهان فاقد نیتروژن باشند رشد گیاهان متوقف و زرد شده و میوه ها و گلهای کوچکتری تولید می کنند. کشاورزان برای افزایش رشد محصولات ممکن است کودهای حاوی نیتروژن را به محصولات خود اضافه کنند. دانشمندان تخمین می زنند  بدون كودهای ازته ،یك سوم از محصولات کشاورزی خود را  از دست خواهد رفت. اما باید بدانیم که چه مقدار نیتروژن برای رشد گیاه ضروری است ، زیرا مقدار زیاد می تواند باعث آلودگی آبها و رودخانه ها شود و به زندگی آبزیان آسیب برساند.

نیتروژن عنصر کلیدی در اسیدهای نوکلئیک همچون ئوکسی ریبونوکلئیک(Deoxyribonucleic acid) ، (ماده ای خودتنظیم که تقریباً در همه موجودات زنده به عنوان جز  اصلی کروموزوم ها و حامل اطلاعات ژنتیکی وجود دارد) وریبونوکلئیک اسیدRibonucleic acid ( اسید نوکلئیک موجود در تمام سلولهای زنده ، به عنوان یک پیام رسان عمل می کند که از DNA دستورالعملهایی را حمل می کند) است. این عنصرها مهمترین مولکولهای بیولوژیکی هستند و برای همه موجودات حیاتی بسیار مهم هستند. 

DNA اطلاعات ژنتیکی را به همراه دارد ، که به معنای دستورالعمل های ایجاد یک فرم زندگی است. وقتی گیاهان نیتروژن کافی دریافت نکنند ، قادر به تولید اسیدهای آمینه نیستند (موادی که حاوی نیتروژن و هیدروژن هستند و بسیاری از سلولهای زنده ، عضلات و بافت را تشکیل می دهند). بدون اسیدهای آمینه ، گیاهان نمی توانند پروتئین های خاصی را که سلولهای گیاه برای رشد نیاز دارند ، ایجاد کنند. نبود نیتروژن کافی ،بر رشد گیاه تأثیر منفی می گذارد. گیاهان با نیتروژن بیش از حد ، زیست توده یا مواد آلی اضافی مانند ساقه و برگ تولید می کنند ، اما ساختار ریشه کافی ندارند. در موارد شدید ، گیاهان با مقادیر بسیار بالای نیتروژن جذب شده از خاک می توانند حیوانات مزرعه را که آنها را می خورند مسموم کنند.

پدیده اتروفیکاسیون

از اثرات تخلیه نیتروژن در محیط پیرامونی می توان به اثر آن بر روی آبهای محیطی و پدیده اتروفیکاسون اشاره کرد.

نیتروژن اضافی همچنین می تواند از خاک به منابع آب زیرزمینی شسته شود یا تخلیه شود ، یا می تواند به سیستم های آبزی مانند رواناب بالاتر از سطح زمین وارد شود. این نیتروژن اضافی می تواند جمع شود ، و منجر به فرایندی به نام  اتروفیکاسیون.eutrophification شود.
مقدار بیش از حد مواد مغذی (مانند نیتروژن) در دریاچه ها ، که باعث رشد متراکم حیات گیاهان آبزی ، مانند جلبک ها می شود. نیتروژن آب را غنی می کند و باعث رشد بیش از حد گیاهان و جلبک ها می شود.
نیتروژن بیش از حد حتی می تواند باعث سبز شدن درخشان دریاچه ها یا رنگ های دیگر شود ، با رشد جلبک های بدبو به نام phytoplanktonTiny ، جلبک های دریایی میکروسکوپی (همچنین به عنوان ریز جلبک ها شناخته می شود) که برای رشد به نور خورشید نیاز دارند!
وقتی فیتوپلانکتون می میرد ، میکروب های موجود در آب آنها را تجزیه می کنند. روند تجزیه میزان اکسیژن محلول در آب را کاهش می دهد و می تواند به یک "منطقه مرده" منجر شود که اکسیژن کافی برای حمایت از اکثر موجودات زنده را ندارد. موجودات موجود در منطقه مرده به دلیل کمبود اکسیژن از بین می روند. این مناطق مرده می توانند در دریاچه های آب شیرین و همچنین در محیط های ساحلی رخ دهند که رودخانه های پر از مواد مغذی حاصل از رواناب کشاورزی (سرریز کود) به اقیانوس ها سرازیر می شوند.

چرخه نیتروژن یک چرخه تکرار کننده از فرایندهایی است که طی آن نیتروژن از طریق موجودات زنده و غیر زنده حرکت می کند: جو ، خاک ، آب ، گیاهان ، حیوانات و باکتریها موجودات زنده میکروسکوپی که معمولاً فقط یک سلول دارند و در همه جا یافت می شوند. باکتریها می توانند باعث تجزیه یا تجزیه مواد آلی در خاک شوند.

 برای حرکت در قسمتهای مختلف چرخه ، نیتروژن باید تغییر فرم بدهد. در اتمسفر ، نیتروژن به عنوان گاز (N2) وجود دارد ، اما در خاک به عنوان اکسید نیتروژن ، NO و دی اکسید نیتروژن ، NO2 وجود دارد و هنگامی که به عنوان کود استفاده می شود ، به اشکال دیگر مانند آمونیاک ، NH3 نیز یافت می شود. ، که می تواند حتی بیشتر به کود متفاوتی تبدیل شود ، نیترات آمونیوم یا NH4NO3.

در چرخه نیتروژن پنج فرایند وجود دارد ، و ما در حال حاضر هر یک از آنها را به نوبه خود بحث خواهیم کرد: تثبیت یا فرار سازی ، مواد معدنی ، نیتریفیکاسیون ، بی حرکتی و ضد عفونی سازی. در این تصویر ، میکروب های موجود در خاک گاز نیتروژن (N2) را به آنچه آمونیاک فرار (NH3) نامیده می شود تبدیل می کنند ، بنابراین فرآیند تثبیت ، فرار شدن نامیده می شود. وقتی یک ماده معدنی یا ماده شیمیایی (مانند نیترات یا NO3) از خاک یا سایر مواد زمین تخلیه می شود و به ناحیه اطراف آن نشت می کند. جایی است که اشکال خاصی از نیتروژن (مانند نیترات ، یا NO3) در آب حل می شود و از خاک بیرون می ریزد ، و باعث ایجاد آلودگی در مجاری آب می شود.

ميكروارگانيزمها در چرخه نيتروژن نقش اصلي را دارا مي باشند.چرخه داراي پنج مرحله مي باشد:

در این مرحله ، نیتروژن از جو به داخل خاک حرکت می کند. جو زمین حاوی حوضچه عظیمی از گاز نیتروژن (N2) است. اما این نیتروژن برای گیاهان "در دسترس نیست" ، زیرا فرم گازی را نمی توان مستقیماً توسط گیاهان استفاده کرد بدون اینکه دچار تغییر شود. برای استفاده توسط گیاهان ، N2 باید از طریق فرایندی به نام تثبیت نیتروژن تبدیل شود. تثبیت ، نیتروژن موجود در جو را به اشکالی تبدیل می کند که گیاهان می توانند از طریق  ریشه خود جذب کنند.

مقدار کمی نیتروژن را می توان ثابت کرد وقتی صاعقه انرژی مورد نیاز N2 را برای واکنش با اکسیژن تأمین می کند و باعث تولید اکسید نیتروژن ، NO و دی اکسید نیتروژن ، NO2 می شود. سپس این اشکال ازت از طریق باران یا برف وارد خاک می شود. نیتروژن همچنین می تواند از طریق فرآیند صنعتی ایجاد کود ثابت شود. این شکل از تثبیت تحت گرما و فشار زیاد اتفاق می افتد ، در طی آن نیتروژن و هیدروژن اتمسفر با هم ترکیب می شوند و آمونیاک (NH3) را تشکیل می دهند ، که ممکن است پس از آن پردازش بیشتری شود ، برای تولید نیترات آمونیوم (NH4NO3) ، نوعی ازت که می توان به خاک و توسط گیاهان استفاده می شود.

بیشترین تثبیت نیتروژن به طور طبیعی ، در خاک ، توسط باکتری ها اتفاق می افتد.می توانید تثبیت نیتروژن و تبادل آن  را در خاک مشاهده کنید. برخی از باکتری ها به ریشه های گیاه متصل می شوند و رابطه همزیستی (هم برای گیاه و هم برای باکتری ها مفید است) با گیاه دارند [6]. باکتری ها از طریق فتوسنتز انرژی دریافت می کنند و در عوض ، نیتروژن را به شکلی که گیاه لازم دارد ، تثبیت می کنند. سپس نیتروژن ثابت به سایر قسمتهای گیاه منتقل می شود و برای تشکیل بافتهای گیاه مورد استفاده قرار می گیرد ، بنابراین گیاه می تواند رشد کند. باکتری های دیگر آزادانه در خاک یا آب زندگی می کنند و می توانند بدون این رابطه همزیستی ، نیتروژن را تثبیت کنند. این باکتری ها همچنین می توانند اشکالی از نیتروژن ایجاد کنند که توسط ارگانیسم ها قابل استفاده باشد.

این مرحله در خاک انجام می شود. نیتروژن از مواد آلی مانند کود یا مواد گیاهی به شکل غیر آلی نیتروژن منتقل می شود که گیاهان می توانند از آن استفاده کنند. در نهایت ، مواد مغذی گیاه به مصرف می رسد و گیاه می میرد و تجزیه می شود. این در مرحله دوم چرخه نیتروژن مهم می شود. زمانی که میکروب ها روی مواد آلی مانند کود حیوانی یا مواد گیاهی یا حیوانی در حال تجزیه عمل می کنند و شروع به تبدیل آن به نوعی نیتروژن می کنند که برای گیاهان قابل استفاده باشد ، معدنی سازی اتفاق می افتد. همه گیاهان زیر کشت ، به جز حبوبات یکی از اعضای خانواده نخود: لوبیا ، عدس ، سویا ، بادام زمینی و نخود فرنگی ، گیاهانی هستند که غلاف دانه دارند و به دو نیم تقسیم می شوند. (گیاهانی که غلاف دانه دارند و به نصف تقسیم می شوند ، مانند عدس ، لوبیا ، نخود فرنگی یا بادام زمینی) نیتروژن مورد نیاز را از طریق خاک دریافت می کنند. حبوبات از طریق تثبیت که در گره های ریشه آنها اتفاق می افتد ، نیتروژن می گیرند ، همانطور که در بالا توضیح داده شد.

اولین شکل نیتروژن تولید شده توسط فرآیند معدنی سازی ، آمونیاک ، NH3 است. NH3 موجود در خاک سپس با آب واکنش داده و آمونیوم ، NH4 را تشکیل می دهد. این آمونیوم در خاکها نگهداری می شود و برای گیاهانی که از طریق رابطه تثبیت کننده نیتروژن همزیستی که در بالا توضیح داده شد ، نیتروژن دریافت نمی کنند ، در دسترس است.

مرحله سوم ، نیتروژن سازی ، در خاک نیز رخ می دهد. در طی نیتریفیکاسیون ، آمونیاک موجود در خاک ، که هنگام کانی سازی تولید می شود ، به ترکیباتی به نام نیتریت ، NO2− و نیترات ، NO3− تبدیل می شود. نیترات می تواند توسط گیاهان و حیواناتی که گیاهان را مصرف می کنند استفاده کند. برخی از باکتری های موجود در خاک می توانند آمونیاک را به نیتریت تبدیل کنند. اگرچه نیتریت به طور مستقیم توسط گیاهان و حیوانات قابل استفاده نیست ، اما باکتری های دیگر می توانند نیتریت ها را به نیترات تبدیل کنند - شکلی که توسط گیاهان و حیوانات قابل استفاده است.

 این واکنش انرژی را برای باکتری های درگیر در این فرآیند تأمین می کند. باکتری هایی که در مورد آنها صحبت می کنیم نیتروزوموناس و نیتروباکتر نامیده می شوند. نیتروباکتر نیتریت ها را به نیترات تبدیل می کند. نيتروزوموناس آمونیاک را به نیتریت تبدیل می کند. هر دو نوع باکتری می توانند فقط در حضور اکسیژن ، O2 عمل کنند [7]. روند نیتروژن سازی برای گیاهان مهم است ، زیرا یک انبار نیتروژن موجود اضافی تولید می کند که می تواند توسط گیاهان از طریق سیستم ریشه آنها جذب شود.

مرحله چهارم چرخه نیتروژن بی حرکتی است که گاهی اوقات به عنوان معکوس کانی سازی توصیف می شود. این دو فرآیند با هم میزان نیتروژن موجود در خاک را کنترل می کنند. دقیقاً مانند گیاهان ، میکروارگانیسم ها ، یک موجود زنده یا موجود زنده ، بسیار ریز است که بدون میکروسکوپ مانند باکتری دیده نمی شود. زندگی در خاک به نیتروژن به عنوان منبع انرژی نیاز دارد. این میکروارگانیسم های خاک زمانی نیتروژن را از خاک بیرون می کشند که بقایای گیاهان در حال تجزیه نیتروژن کافی نداشته باشند. 

هنگامی که میکروارگانیسم ها آمونیوم (NH4 +) و نیترات (NO3−) دریافت می کنند ، این اشکال نیتروژن دیگر در دسترس گیاهان نیست و ممکن است باعث کمبود نیتروژن یا کمبود نیتروژن شود. بنابراین بی حرکتی ، نیتروژن را در میکروارگانیسم ها متصل می کند. با این حال ، بی حرکتی از این جهت مهم است که با گره خوردن آن یا بی حرکتی نیتروژن در میکروارگانیسم ها ، به کنترل و تعادل مقدار نیتروژن در خاک کمک می کند.

در مرحله پنجم چرخه نیتروژن ، در اثر تبدیل نیترات به نیتروژن جوی (N2) توسط باکتری ها از طریق فرآیندی که ما آن را denitrification می نامیم ، نیتروژن به هوا برمی گردد. این منجر به از دست رفتن کلی نیتروژن از خاک می شود ، زیرا شکل گازی نیتروژن به جو منتقل می شود ، جایی که ما داستان خود را شروع کردیم.

مراحل چرخه نیتروژن:چرخه نیتروژن به چرخه اتم های نیتروژن از طریق سیستم های زنده و غیر زنده کره زمین اشاره دارد. چرخه نیتروژن برای حیات در کره زمین حیاتی است. از طریق چرخه ، نیتروژن جو به شکلی تبدیل می شود که گیاهان می توانند آن را در پروتئین های جدید قرار دهند.

 دانستن چگونگی چرخه نیتروژن گیاه و خاک می تواند به ما کمک کند تا تصمیمات بهتری در مورد اینکه چه محصولاتی را پرورش دهیم و کجا را پرورش دهیم ، بدست آوریم.

آگاهی از چرخه نیتروژن همچنین می تواند به ما در کاهش آلودگی ناشی از افزودن کود زیاد به خاک کمک کند. بعضی از گیاهان می توانند نیتروژن یا مواد مغذی دیگری مانند فسفر ، کود دیگر جذب کنند و حتی می توانند به عنوان "بافر" یا فیلتر مورد استفاده قرار گیرند تا از ورود کود زیاد به آبراه ها جلوگیری کند.

 به عنوان مثال ، مطالعه انجام شده توسط هایكوك و پینای نشان داد كه درختان صنوبر (Populus italica) به عنوان بافر استفاده می شود كه 99٪ از نیترات ورودی به جریان آب زیرزمینی را در طول زمستان نگه داشته است ، در حالی كه منطقه حاشیه رودخانه پوشیده از چمن خاص است (Lolium perenne L.) تا 84٪ نیترات را نگه داشته و از ورود آن به رودخانه جلوگیری می کند.

همانطور که مشاهده کردید ، نیتروژن کافی در خاک گیاهان را گرسنه می کند ، در حالی که یک چیز خوب می تواند بد باشد: نیتروژن اضافی می تواند گیاهان و حتی دامها را مسموم کند! آلودگی منابع آب ما توسط مازاد نیتروژن و سایر مواد مغذی یک مشکل بزرگ است ، زیرا حیوانات دریایی از تجزیه شکوفه های جلبک های مرده خفه می شوند. 

کشاورزان و جوامع باید تلاش کنند تا جذب مواد مغذی اضافه شده توسط محصولات را بهبود بخشند و پسماندهای کود حیوانی را به درستی تصفیه کنند. ما همچنین باید از مناطق طبیعی بافر گیاهان محافظت کنیم که می توانند روان اب نیتروژن را قبل از رسیدن به اجسام آب اشغال کنند. اما ، الگوی فعلی  در پاکسازی درختان برای ایجاد جاده ها و سایر ساخت و سازها این مشکل را بدتر می کند ، زیرا گیاهان کمتری برای جذب مواد مغذی اضافی باقی مانده است. 

با تلاش برای درک کامل تر چرخه نیتروژن و سایر چرخه های بازی در سیستم های طبیعی به هم پیوسته زمین ، می توان درک کرد که چگونه از منابع طبیعی ارزشمند زمین بهتر محافظت کنیم.