窒素循環特性、貯水池、段階、重要性



の 窒素サイクル それは大気と生物圏の間の窒素の移動の過程です。それは最も関連性のある生物地球化学的サイクルの一つです。窒素（Ｎ）は、その成長のために全ての生物によって必要とされるので、非常に重要な要素である。それは核酸（DNAとRNA）とタンパク質の化学組成の一部です.

地球上の最大量の窒素は大気中にあります。大気中の窒素（N2）ほとんどの生物によって直接使用することはできません。それを固定し、他の有機体によって使用されることができる方法でそれを土壌または水に組み込むことができる細菌があります.

その後、窒素は独立栄養生物によって同化される。ほとんどの従属栄養生物は摂食によってそれを獲得する。それからそれらは尿（哺乳類）または排泄物（鳥）の形で過剰を解放します.

プロセスの別の段階では、アンモニアの亜硝酸塩への変換と土壌に取り込まれる硝酸塩に関与する細菌があります。そしてサイクルの終わりに、別のグループの微生物は呼吸の窒素化合物で利用可能な酸素を使います。この過程で彼らは窒素を大気中に放出します。.

現在、農業で使用されている窒素の最大量は人間によって生産されています。これにより、土壌や水源にこの元素が過剰になり、この生物地球化学的サイクルに不均衡が生じます。.

索引

  • 1一般的な特徴
    • 1.1起源
    • 1.2化学形態 
    • 1.3歴史
    • 1.4生物に対する要求
  • 2つの部品
    • 2.1 - 貯水池
    • 2.2 - 参加している微生物
  • 3段階
    • 3.1固定
    • 3.2同化
    • 3.3検証
    • 3.4硝化
    • 3.5脱窒
  • 4重要性
  • 5窒素循環の変化
  • 6参考文献

一般的な特徴

起源

窒素は核合成（新しい原子核の生成）に由来すると考えられています。大きなヘリウム質量を持つ星は窒素が形成するのに必要な圧力と温度に達しました.

地球が始まったとき、窒素は固体状態でした。それから、火山活動によってこの元素はガス状態に入り、惑星の大気に組み込まれました.

窒素はＮの形であった。2. 恐らく生き物が使っている化学形（アンモニアNH3海と火山の間の窒素循環によって現れた。このように、NH3 大気中に取り込まれたと思われ、他の元素と一緒に有機分子を生み出しました。.

化学形態

窒素は、この元素のさまざまな酸化状態（電子の損失）を指すさまざまな化学形態で発生します。これらの異なる形式は、その特性とその動作の両方において異なります。窒素ガス（N2）さびていない.

酸化型は有機と無機に分類されます。有機形態は主にアミノ酸およびタンパク質に存在する。無機状態はアンモニア（NH）3）、アンモニウムイオン（NH）4）、亜硝酸塩（NO）2）と硝酸塩（NO）3、とりわけ.

歴史

窒素は1770年に独立して3人の科学者によって発見された（Scheele、RutherfordおよびLavosier）。 1790年、フランス人チャプターがガスを窒素と名付けました。.

19世紀の後半に、それは生きている生物の組織と植物の成長の不可欠な構成要素であることがわかりました。同様に、有機形態と無機形態との間の一定の流れの存在が証明された。.

当初、窒素源は落雷と大気沈着であると考えられていました。 1838年、Boussingaultはマメ科植物におけるこの元素の生物学的固定を決定した。それから、1888年に、マメ科植物の根に関連する微生物がNを固定する原因であることが発見されました2.

もう一つの重要な発見は、アンモニアを亜硝酸塩に酸化する能力がある細菌の存在でした。亜硝酸塩を硝酸塩に変えた他のグループと同様に.

1885年には早くも、Gayonは別の微生物群が硝酸塩をNに変換する能力を持っていると判断した。2. このようにして、地球上の窒素循環は理解できたでしょう。.

生物の要求

すべての生き物はその重要な過程のために窒素を必要としますが、すべてが同じようにそれを使うわけではありません。一部の細菌は大気中の窒素を直接使用することができます。他の人たちは酸素源として窒素化合物を使う.

独立栄養生物は硝酸塩の形での供給を必要とする。彼らの側では、多くの従属栄養生物は彼らが彼らの食物から得たアミノ基の形でしかそれを使用することができない.

コンポーネント

-貯水池

窒素の最大の天然源は大気であり、この元素の78％は気体の形で存在します（N2）、微量の亜酸化窒素と一酸化窒素.

堆積岩は非常にゆっくりと放出される約21％を含んでいます。残りの1％は有機窒素、硝酸塩、アンモニアの形で有機物と海洋に含まれています.

-参加微生物

窒素循環に参加する微生物は3種類あります。これらは定着剤、硝化剤、脱窒剤です.

N固定バクテリア2

それらは固定過程に関与するニトロゲナーゼ酵素の複合体をコードしている。これらの微生物の大部分は植物の根圏にコロニーを形成し、それらの組織内で発生します.

最も一般的な種類の固定化細菌は リゾビウム, これはマメ科植物の根に関連しています。のような他のジャンルがあります フランキア, ノストック そして パサポニア 他の植物群の根と共生するもの.

自由形式のシアノバクテリアは、水生環境で大気中の窒素を固定することができる

硝化細菌

硝化プロセスに関与する微生物は3種類あります。これらの細菌は土壌中に存在するアンモニアまたはアンモニウムイオンを酸化することができます。それらは化学栄養性生物（エネルギー源として無機物質を酸化することができる）である.

その過程で異なる属の細菌が逐次的に侵入する. ニトロソーマとニトロシスティス NH 3とNH 4を亜硝酸に酸化する。それから ニトロバクター そして ニトロソコッカス この化合物を硝酸塩に酸化する.

2015年には、この過程に関与する別の細菌群が発見されました。それらはアンモニアを硝酸塩に直接酸化することができ、属にあります ニトロスピラ. いくつかの真菌もアンモニアを硝化することができます.

脱窒細菌

50以上の異なる属の細菌が硝酸塩をNに還元できることが指摘されている2. これは嫌気性条件下で起こります（酸素の不在）.

最も一般的な脱窒属属は アルカリゲネス, パラコッカス, シュードモナス, リゾビウム, チオバチルス そして チオスファエラ. これらのグループの大多数は従属栄養性です。.

2006年に細菌が発見されました（メチルオムラビリスオキシフェラこれは好気性です。それはメタノ栄養性であり（炭素およびメタンエネルギーを得る）そして脱窒プロセスから酸素を得ることができる。.

ステージ

窒素循環は、惑星中の動員においていくつかの段階を経ます。これらのフェーズは次のとおりです。

固定

それは大気中の窒素を反応性のあると考えられる形態に変換することです（それは生物によって使用されることができます）。 N分子を含む3つの結合の切断2 それは大量のエネルギーを必要とし、２つの方法で起こり得る：非生物的または生物的.

非生物的固定

硝酸塩は、大気中での高エネルギー固定によって得られます。それは稲妻と宇宙放射線の電気エネルギーから来ています.

N2 それは酸素と結合して、NO（二酸化窒素）やNOのような酸化型の窒素を生成します。2 （亜酸化窒素）。その後、これらの化合物は雨として硝酸（HNO）として地球の表面に運ばれます。3）.

高エネルギー固定は、窒素サイクルに存在する硝酸塩の約10％を取り込む.

生物固定

それは土壌微生物によって行われます。一般的にこれらの細菌は植物の根に関連しています。窒素の年間生物的固定量は年間約2億トンであると推定されている.

大気中の窒素はアンモニウムに変換されます。反応の第一段階では、2 NHに還元される3 （アンモニア）。このようにしてアミノ酸に組み込まれます.

このプロセスでは、様々な酸化還元中心を持つ酵素複合体が関与しています。このニトロゲナーゼ複合体はレダクターゼ（電子を供給する）とニトロゲナーゼからなる。後者はNを減らすために電子を使う2 NHへ3. その過程で大量のATPが消費されます.

ニトロゲナーゼ複合体は高濃度のOの存在下で不可逆的に阻害される2. 根本的結節には、O含有量を非常に低く抑えるタンパク質（レグヘモグロビン）が存在します。2. このタンパク質は根とバクテリアの相互作用によって産生されます.

同化

N固定細菌と共生関係のない植物2, 彼らは土から窒素を奪う。この元素の吸収は根を通して硝酸塩の形で行われます.

硝酸塩が植物に入ると、一部は根の細胞によって使用されます。他の部分は木部によって植物全体に分配される.

それが使用されようとしているとき、硝酸塩は細胞質内で亜硝酸塩に還元されます。この過程は酵素硝酸レダクターゼによって触媒される。亜硝酸塩は葉緑体や他の色素体に運ばれ、そこでアンモニウムイオン（NH）に還元される。4）.

アンモニウムイオンは大量に植物に有毒です。それで、それはすぐに炭酸塩骨格に組み込まれて、アミノ酸と他の分子を形成します.

消費者の場合、窒素は植物または他の動物から直接供給することによって得られる.

確認

この過程で、土壌中に存在する窒素化合物はより単純な化学形態に分解されます。窒素は尿素（哺乳類の尿）や尿酸（鳥類の排泄物）などの有機物や廃棄物に含まれています。.

これらの物質に含まれる窒素は複雑な有機化合物の形をしています。微生物はこれらの物質に含まれるアミノ酸を使ってタンパク質を作ります。このプロセスで彼らはアンモニアまたはアンモニウムイオンの形で過剰な窒素を放出する.

これらの化合物は、他の微生物が周期の次の段階で作用するために土壌中で利用可能です。.

硝化

この段階の間に、土壌バクテリアはアンモニアとアンモニウムイオンを酸化します。その過程で、それらの代謝においてバクテリアによって使われるエネルギーが放出されます.

最初の部分では、属のニトロソ化細菌 ニトロソソーム アンモニアとアンモニウムイオンを亜硝酸塩に酸化する。これらの微生物の膜には酵素アンモニアmooxigenasaがあります。これはNHを酸化する3 その後、細菌のペリプラズム内で亜硝酸に酸化されるヒドロキシルアミンへ.

続いて、ニトロ化細菌は、酵素亜硝酸オキシドレダクターゼを用いて亜硝酸塩を硝酸塩に酸化する。硝酸塩は土壌に含まれているため、植物に吸収される可能性があります。.

脱窒

この段階で、酸化された形の窒素（亜硝酸塩と硝酸塩）は再びNに変換されます。2 そしてより少ない程度で亜酸化窒素.

このプロセスは、呼吸中に電子受容体として窒素化合物を使用する嫌気性細菌によって行われます。脱窒速度は、利用可能な硝酸塩、土壌の飽和度、温度などのいくつかの要因によって異なります。.

土が水で飽和すると、2 それはすぐには利用できず、バクテリアはNOを使用します3 電子受容体として。温度が非常に低いとき、微生物はプロセスを実行することができません.

この段階は、窒素が生態系から除去される唯一の方法です。このように、N2 固定されたそれは大気に戻り、この要素のバランスは維持されます.

意義

このサイクルは大きな生物学的関連性があります。先に説明したように、窒素は生物の重要な部分です。このプロセスを通してそれは生物学的に使用可能になります.

作物の開発において、窒素の利用可能性は生産性に対する主な制約の1つです。農業が始まって以来、土壌はこの元素で強化されてきました.

土壌の品質を改善するためのマメ科植物の栽培は一般的な方法です。同様に、浸水土壌へのイネの植栽は、窒素の使用に必要な環境条件を促進します.

19世紀の間、グアノ（鳥の排泄物）は作物の窒素の外部源として広く使われていました。しかし、今世紀末までには、食料生産を増やすには不十分でした.

19世紀の終わりにドイツの化学者フリッツ・ハーバーは、後にカルロ・ボッシュによって販売されたプロセスを開発しました。これはNを反応させることを含む2 そして水素ガスがアンモニアを生成する。これはHaber-Boschプロセスとして知られています.

この形態の人工アンモニアは、生物が利用可能な主要な窒素源の一つです。世界の人口の40％がこれらの肥料に頼っていると考えられている.

窒素サイクルの変化

現在の人為的アンモニア生産量は年間約85トンです。これは窒素循環に悪影響を及ぼす。.

化学肥料が多用されているため、土壌や帯水層が汚染されています。この汚染の50％以上がHaber-Bosch合成の結果であると考えられています.

過剰な窒素は、水域の富栄養化（栄養分の豊富化）につながります。人為的な栄養化は非常に早く、主に藻類の成長を加速させます.

これらは大量の酸素を消費し、毒素を蓄積する可能性があります。酸素が不足しているため、生態系に存在する他の生物は死に至る.

さらに、化石燃料を使用すると、大量の亜酸化窒素が大気中に放出されます。これはオゾンと反応して酸性雨の成分の一つである硝酸を形成します.

参考文献

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