CICLO DELL'AZOTO: CARATTERISTICHE, SERBATOI E FASI - AMBIENTE - 2024

Il ciclo dell'azoto è il processo di movimento dell'azoto tra l'atmosfera e la biosfera. È uno dei cicli biogeochimici più rilevanti. L'azoto (N) è un elemento di grande importanza, poiché è richiesto da tutti gli organismi per la loro crescita. Fa parte della composizione chimica degli acidi nucleici (DNA e RNA) e delle proteine.

La più grande quantità di azoto del pianeta è nell'atmosfera. L'azoto atmosferico (N ₂ ) non può essere utilizzato direttamente dalla maggior parte degli esseri viventi. Esistono batteri in grado di fissarlo e incorporarlo nel suolo o nell'acqua in modi che possono essere utilizzati da altri organismi.

Specchio d'acqua eutrofizzato mediante arricchimento con azoto e fosforo, a Lille (nord della Francia). Autore: F. lamiot (opera propria), da Wikimedia Commons

Successivamente, l'azoto viene assimilato da organismi autotrofi. La maggior parte degli organismi eterotrofi lo acquisisce attraverso il cibo. Quindi rilasciano l'eccesso sotto forma di urina (mammiferi) o escrementi (uccelli).

In un'altra fase del processo ci sono batteri che partecipano alla trasformazione dell'ammoniaca in nitriti e nitrati che vengono incorporati nel terreno. E alla fine del ciclo, un altro gruppo di microrganismi utilizza l'ossigeno disponibile nei composti azotati nella respirazione. In questo processo rilasciano nuovamente azoto nell'atmosfera.

Attualmente, la maggiore quantità di azoto utilizzata in agricoltura è prodotta dall'uomo. Ciò ha comportato un eccesso di questo elemento nel suolo e nelle fonti d'acqua, provocando uno squilibrio in questo ciclo biogeochimico.

Caratteristiche generali

Origine

Si ritiene che l'azoto abbia avuto origine dalla nucleosintesi (creazione di nuovi nuclei atomici). Le stelle con grandi masse di elio hanno raggiunto la pressione e la temperatura necessarie per la formazione dell'azoto.

Quando la Terra ha avuto origine, l'azoto era allo stato solido. Successivamente, con l'attività vulcanica, questo elemento è diventato uno stato gassoso ed è stato incorporato nell'atmosfera del pianeta.

L'azoto era sotto forma di N ₂ . Probabilmente le forme chimiche utilizzate dagli esseri viventi (ammoniaca NH ₃ ) sono apparse dai cicli dell'azoto tra il mare e i vulcani. In questo modo l'NH ₃ sarebbe stato incorporato nell'atmosfera e insieme ad altri elementi avrebbe dato origine a molecole organiche.

Forme chimiche

L'azoto si presenta in varie forme chimiche, riferite a diversi stati di ossidazione (perdita di elettroni) di questo elemento. Queste diverse forme variano sia nelle loro caratteristiche che nel loro comportamento. L'azoto gassoso (N ₂ ) non è ossidato.

Le forme ossidate sono classificate in organiche e inorganiche. Le forme organiche si trovano principalmente negli amminoacidi e nelle proteine. Gli stati inorganici sono ammoniaca (NH ₃ ), ione ammonio (NH ₄ ), nitriti (NO ₂ ) e nitrati (NO ₃ ), tra gli altri.

Storia

L'azoto fu scoperto nel 1770 da tre scienziati indipendenti (Scheele, Rutherford e Lavosier). Nel 1790 il francese Chaptal chiamò il gas azoto.

Nella seconda metà del XIX secolo si è scoperto che era una componente essenziale dei tessuti degli organismi viventi e nella crescita delle piante. Allo stesso modo, è stata evidenziata l'esistenza di un flusso costante tra forme organiche e inorganiche.

Le sorgenti di azoto erano originariamente considerate fulmini e deposizione atmosferica. Nel 1838 Boussingault determinò la fissazione biologica di questo elemento nei legumi. Poi, nel 1888, si scoprì che i microrganismi associati alle radici dei legumi erano responsabili della fissazione di N ₂ .

Un'altra importante scoperta è stata l'esistenza di batteri in grado di ossidare l'ammoniaca in nitriti. Così come altri gruppi che hanno trasformato i nitriti in nitrati.

Già nel 1885 Gayon stabilì che un altro gruppo di microrganismi aveva la capacità di trasformare i nitrati in N ₂ . In modo tale da poter comprendere il ciclo dell'azoto sul pianeta.

Requisito dell'agenzia

Tutti gli esseri viventi richiedono azoto per i loro processi vitali, ma non tutti lo usano allo stesso modo. Alcuni batteri sono in grado di utilizzare direttamente l'azoto atmosferico. Altri usano composti di azoto come fonte di ossigeno.

Gli organismi autotrofi richiedono una fornitura sotto forma di nitrati. Da parte loro, molti eterotrofi possono usarlo solo sotto forma di gruppi amminici che ottengono dal loro cibo.

componenti

-Reserves

La più grande fonte naturale di azoto è l'atmosfera, dove il 78% di questo elemento si trova in forma gassosa (N ₂ ), con alcune tracce di protossido di azoto e monossido di azoto.

Le rocce sedimentarie contengono circa il 21% che viene rilasciato molto lentamente. Il restante 1% è contenuto nella materia organica e negli oceani sotto forma di azoto organico, nitrati e ammoniaca.

-Microrganismi partecipanti

Esistono tre tipi di microrganismi che partecipano al ciclo dell'azoto. Questi sono fissativi, nitrificanti e denitrificanti.

Batteri fissatori di azoto

Codificano un complesso di enzimi nitrogenasi coinvolti nel processo di fissazione. La maggior parte di questi microrganismi colonizza la rizosfera delle piante e si sviluppa all'interno dei loro tessuti.

Il genere più comune di batteri fissanti è il Rhizobium, che è associato alle radici dei legumi. Esistono altri generi come Frankia, Nostoc e Pasasponia che fanno simbiosi con le radici di altri gruppi di piante.

I cianobatteri in forma libera possono fissare l'azoto atmosferico negli ambienti acquatici

Batteri nitrificanti

Esistono tre tipi di microrganismi coinvolti nel processo di nitrificazione. Questi batteri sono in grado di ossidare l'ammoniaca o lo ione ammonio presente nel terreno. Sono organismi chemolittrofici (capaci di ossidare materiali inorganici come fonte di energia).

I batteri di vari generi intervengono nel processo in modo sequenziale. Nitrosoma e Nitrocystis ossidano NH3 e NH4 in nitriti. Nitrobacter e Nitrosococcus ossidano quindi questo composto in nitrati.

Nel 2015 è stato scoperto un altro gruppo di batteri che interviene in questo processo. Sono in grado di ossidare direttamente l'ammoniaca in nitrati e si trovano nel genere Nitrospira. Alcuni funghi sono anche in grado di nitrificare l'ammoniaca.

Batteri denitrificanti

È stato suggerito che più di 50 diversi generi di batteri possono ridurre i nitrati a N ₂ . Ciò si verifica in condizioni anaerobiche (assenza di ossigeno).

I generi denitrificanti più comuni sono Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus e Thiosphaera. La maggior parte di questi gruppi sono eterotrofi.

Nel 2006 è stato scoperto un batterio (Methylomirabilis oxyfera) che è aerobico. È metanotrofico (ricava carbonio ed energia dal metano) ed è in grado di ottenere ossigeno dal processo di denitrificazione.

fasi

Il ciclo dell'azoto attraversa varie fasi della sua mobilitazione in tutto il pianeta. Queste fasi sono:

Fissazione

È la conversione dell'azoto atmosferico in forme considerate reattive (che possono essere utilizzate dagli esseri viventi). La rottura dei tre legami contenuti nella molecola di N ₂ richiede una grande quantità di energia e può avvenire in due modi: abiotico o biotico.

Ciclo dell'azoto. Rifatto da YanLebrel da un'immagine dell'Agenzia per la protezione ambientale: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, tramite Wikimedia Commons

Fissazione abiotica

I nitrati si ottengono mediante fissazione ad alta energia nell'atmosfera. Proviene dall'energia elettrica dei fulmini e delle radiazioni cosmiche.

L'N _{2 si} combina con l'ossigeno per formare forme ossidate di azoto come NO (biossido di azoto) e NO ₂ (protossido di azoto). Successivamente, questi composti vengono trasportati sulla superficie terrestre dalla pioggia come acido nitrico (HNO ₃ ).

La fissazione ad alta energia incorpora circa il 10% dei nitrati presenti nel ciclo dell'azoto.

Fissazione biotica

È effettuato da microrganismi nel terreno. Questi batteri sono generalmente associati alle radici delle piante. Si stima che la fissazione biotica annuale dell'azoto sia di circa 200 milioni di tonnellate all'anno.

L'azoto atmosferico si trasforma in ammoniaca. In una prima fase della reazione, N ₂ viene ridotto a NH ₃ (ammoniaca). In questa forma è incorporato negli amminoacidi.

In questo processo è coinvolto un complesso enzimatico con vari centri di riduzione dell'ossidazione. Questo complesso nitrogenasi è costituito da una riduttasi (fornisce elettroni) e una nitrogenasi. Quest'ultimo utilizza gli elettroni per ridurre N ₂ a NH ₃ . Durante il processo viene consumata una grande quantità di ATP.

Il complesso nitrogenasi è inibito irreversibilmente in presenza di alte concentrazioni di O ₂ . Nei noduli radicali è presente una proteina (legemoglobina) che mantiene il contenuto di O ₂ molto basso . Questa proteina è prodotta dall'interazione tra le radici e i batteri.

Assimilazione

Le piante che non hanno un'associazione simbiotica con i batteri che fissano l'N ₂ prendono l'azoto dal terreno. L'assorbimento di questo elemento viene effettuato sotto forma di nitrati attraverso le radici.

Una volta che i nitrati entrano nella pianta, alcuni di essi vengono utilizzati dalle cellule della radice. Un'altra parte è distribuita dallo xilema all'intera pianta.

Quando deve essere utilizzato, il nitrato viene ridotto a nitrito nel citoplasma. Questo processo è catalizzato dall'enzima nitrato reduttasi. I nitriti vengono trasportati a cloroplasti e altri plastidi, dove vengono ridotti allo ione ammonio (NH ₄ ).

Lo ione ammonio in grandi quantità è tossico per la pianta. Quindi viene rapidamente incorporato negli scheletri carbonatici per formare amminoacidi e altre molecole.

Nel caso dei consumatori, l'azoto si ottiene nutrendosi direttamente di piante o altri animali.

ammonificazione

In questo processo, i composti azotati presenti nel suolo vengono scomposti in forme chimiche più semplici. L'azoto è contenuto nella materia organica morta e nei rifiuti come l'urea (urina dei mammiferi) o l'acido urico (escrementi di uccelli).

L'azoto contenuto in queste sostanze è sotto forma di composti organici complessi. I microrganismi utilizzano gli amminoacidi contenuti in queste sostanze per produrre le loro proteine. In questo processo, rilasciano azoto in eccesso sotto forma di ammoniaca o ione ammonio.

Questi composti sono disponibili nel suolo affinché altri microrganismi agiscano nelle fasi successive del ciclo.

nitrificazione

Durante questa fase, i batteri del suolo ossidano l'ammoniaca e lo ione ammonio. Nel processo viene rilasciata energia che viene utilizzata dai batteri nel loro metabolismo.

Nella prima parte, i batteri nitrosificanti del genere Nitrosomas ossidano l'ammoniaca e lo ione ammonio in nitrito. L'enzima ammoniaca moossigenasi si trova nella membrana di questi microrganismi. Questo ossida NH ₃ in idrossilammina, che viene quindi ossidata in nitrito nel periplasma dei batteri.

Successivamente, i batteri nitranti ossidano i nitriti in nitrati utilizzando l'enzima nitrito ossidoreduttasi. I nitrati rimangono disponibili nel terreno, dove possono essere assorbiti dalle piante.

denitrificazione

In questa fase, le forme ossidate di azoto (nitriti e nitrati) vengono riconvertite in N ₂ e in misura minore in protossido di azoto.

Il processo viene eseguito da batteri anaerobici, che utilizzano composti azotati come accettori di elettroni durante la respirazione. Il tasso di denitrificazione dipende da diversi fattori, come i nitrati disponibili e la saturazione e la temperatura del suolo.

Quando il suolo è saturo d'acqua, l'O _{2 non è} più immediatamente disponibile ei batteri usano l'NO ₃ come accettore di elettroni. Quando le temperature sono molto basse, i microrganismi non possono eseguire il processo.

Questa fase è l'unico modo in cui l'azoto viene rimosso da un ecosistema. In questo modo l'N ₂ che era stato fissato ritorna nell'atmosfera e l'equilibrio di questo elemento viene mantenuto.

Importanza

Questo ciclo ha una grande rilevanza biologica. Come abbiamo spiegato in precedenza, l'azoto è una parte importante degli organismi viventi. Attraverso questo processo diventa biologicamente utilizzabile.

Nello sviluppo delle colture, la disponibilità di azoto è uno dei principali limiti della produttività. Dall'inizio dell'agricoltura, il suolo si è arricchito di questo elemento.

La coltivazione di legumi per migliorare la qualità del suolo è una pratica comune. Allo stesso modo, la semina del riso in terreni allagati favorisce le condizioni ambientali necessarie per l'utilizzo dell'azoto.

Durante il XIX secolo, il guano (escrementi di uccelli) era ampiamente utilizzato come fonte esterna di azoto nelle colture. Tuttavia, alla fine di questo secolo non era sufficiente aumentare la produzione alimentare.

Il chimico tedesco Fritz Haber, alla fine del XIX secolo, sviluppò un processo che fu successivamente commercializzato da Carlo Bosch. Consiste nel far reagire N ₂ e idrogeno gassoso per formare ammoniaca. È noto come processo Haber-Bosch.

Questa forma di produzione artificiale di ammoniaca è una delle principali fonti di azoto che possono essere utilizzate dagli esseri viventi. Si ritiene che il 40% della popolazione mondiale dipenda da questi fertilizzanti per il proprio cibo.

Disturbi del ciclo dell'azoto

L'attuale produzione antropica di ammoniaca è di circa 85 tonnellate all'anno. Ciò ha conseguenze negative sul ciclo dell'azoto.

A causa dell'elevato utilizzo di fertilizzanti chimici, c'è contaminazione di suoli e falde acquifere. Si ritiene che oltre il 50% di questa contaminazione sia una conseguenza della sintesi Haber-Bosch.

Gli eccessi di azoto portano all'eutrificazione (arricchimento con sostanze nutritive) dei corpi idrici. L'euutrificazione antropica è molto rapida e provoca una crescita accelerata principalmente delle alghe.

Consumano molto ossigeno e possono accumulare tossine. A causa della mancanza di ossigeno, gli altri organismi presenti nell'ecosistema finiscono per morire.

Inoltre, l'uso di combustibili fossili rilascia una grande quantità di protossido di azoto nell'atmosfera. Questo reagisce con l'ozono e forma l'acido nitrico, che è uno dei componenti delle piogge acide.

Riferimenti

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