מחזור חנקן: מאפיינים, מאגרים ושלבים - סביבה - 2025

מחזור החנקן הוא התהליך של תנועת חנקן בין האווירה הביוספרה. זהו אחד המחזורים הביוגיוכימיים הרלוונטיים ביותר. חנקן (N) הוא מרכיב בעל חשיבות רבה, מכיוון שהוא נדרש על ידי כל האורגניזמים לצמיחתם. זה חלק מההרכב הכימי של חומצות גרעין (DNA ו- RNA) וחלבונים.

הכמות הגדולה ביותר של חנקן בכוכב הלכת היא באטמוספירה. חנקן אטמוספרי (N ₂ ) לא יכול לשמש ישירות על ידי רוב היצורים החיים. ישנם חיידקים המסוגלים לתקן אותו ולשלב אותם באדמה או במים בדרכים בהן יכולים אורגניזמים אחרים להשתמש.

גוף מים שהוחלף על ידי העשרה בחנקן וזרחן, בליל (צפון צרפת). מחבר: F. lamiot (יצירה משלו), מתוך ויקימדיה

בהמשך, נטמע חנקן על ידי אורגניזמים אוטוטרופיים. רוב האורגניזמים ההטרוטרופיים רוכשים אותו באמצעות מזון. ואז הם משחררים את העודפים בצורה של שתן (יונקים) או צואה (ציפורים).

בשלב אחר של התהליך ישנם חיידקים שמשתתפים בהפיכת אמוניה לניטריטים וחנקות המשולבים באדמה. ובסוף המחזור, קבוצה אחרת של מיקרואורגניזמים משתמשת בחמצן הקיים בתרכובות חנקניות בהנשמה. בתהליך זה הם משחררים חנקן לאטמוספרה.

נכון לעכשיו, כמות החנקן הגדולה ביותר המשמשת בחקלאות מיוצרת על ידי בני אדם. זה הביא לעודף של יסוד זה בקרקעות ובמקורות מים, וגרם לחוסר איזון במחזור הביוגוכימי הזה.

מאפיינים כלליים

מָקוֹר

חנקן נחשב למקורו על ידי נוקלאוזינתזה (יצירת גרעינים אטומיים חדשים). כוכבים עם מסות גדולות של הליום הגיעו ללחץ והטמפרטורה הדרושים ליצירת החנקן.

כאשר מקורו של כדור הארץ, החנקן היה במצב יציב. מאוחר יותר, עם פעילות וולקנית, הפך יסוד זה למצב גזי ושולב באטמוספירה של כדור הארץ.

החנקן היה בצורה של N ₂ . ככל הנראה הצורות הכימיות המשמשות יצורים חיים (אמוניה NH ₃ ) הופיעו על ידי מחזורי חנקן בין הים והרי הגעש. באופן זה, NH ₃ היה משולב באטמוספירה ויחד עם אלמנטים אחרים מולידים מולקולות אורגניות.

צורות כימיות

חנקן מתרחש בצורות כימיות שונות, ומתייחס למצבי חמצון שונים (אובדן אלקטרונים) של יסוד זה. צורות שונות אלה משתנות הן במאפייניהן והן בהתנהגותן. גז חנקן (N ₂ ) אינו מתחמצן.

צורות מחמצנות מסווגות לאורגניות ולא אורגניות. הצורות האורגניות מופיעות בעיקר בחומצות אמינו וחלבונים. המצבים הלא-אורגניים הם אמוניה (NH ₃ ), אמוניום יון (NH ₄ ), ניטריטים (NO ₂ ) וניטרטים (NO ₃ ), בין היתר.

הִיסטוֹרִיָה

חנקן התגלה בשנת 1770 על ידי שלושה מדענים באופן עצמאי (Schele, Rutherford ו- Lavosier). בשנת 1790 הגדיר צ'פטל הצרפתי את הגז כחנקן.

במחצית השנייה של המאה ה -19 התגלה כמרכיב חיוני ברקמות של אורגניזמים חיים ובגידול צמחים. כמו כן, הוכח קיומו של זרימה קבועה בין צורות אורגניות ואורגניות.

מקורות חנקן נחשבו במקור לברק ותצהיר אטמוספרי. בשנת 1838, קבע Boussingault את הקיבוע הביולוגי של יסוד זה בקטניות. ואז, בשנת 1888, התגלה כי המיקרואורגניזמים הקשורים לשורשי הקטניות היו אחראיים לקיבוע N ₂ .

תגלית חשובה נוספת הייתה קיומם של חיידקים שהיו מסוגלים לחמצן אמוניה לניטריטים. כמו גם קבוצות אחרות שהפכו ניטריטים לחנקות.

כבר בשנת 1885, קבע גאון כי לקבוצה אחרת של מיקרואורגניזמים הייתה היכולת להפוך חנקות ל- N ₂ . בצורה כזו, שניתן היה להבין את מחזור החנקן בכוכב הלכת.

דרישת סוכנות

כל היצורים החיים דורשים חנקן לתהליכים החיוניים שלהם, אך לא כולם משתמשים בהם באותה צורה. יש חיידקים המסוגלים להשתמש ישירות בחנקן אטמוספרי. אחרים משתמשים בתרכובות חנקן כמקור לחמצן.

אורגניזמים אוטוטרופיים דורשים אספקה ​​בצורה של חנקות. מצדם, הטרוטרופים רבים יכולים להשתמש בה רק בצורה של קבוצות אמינו שהם משיגים מהמזון שלהם.

רכיבים

-שמירה

המקור הטבעי הגדול ביותר לחנקן הוא האטמוספרה, בה 78% מרכיב זה נמצא בצורת גזים (N ₂ ), עם כמה עקבות של תחמוצת החנקן וחנקן חד חמצני.

סלעי משקע מכילים כ 21% שמשתחררים לאט מאוד. 1% הנותרים כלולים בחומר אורגני ובאוקיינוסים בצורה של חנקן אורגני, חנקות ואמוניה.

-השתתפות מיקרואורגניזמים

ישנם שלושה סוגים של מיקרואורגניזמים שמשתתפים במחזור החנקן. אלה חומרים מקבעיים, מזיקים ומכנימים מזהמים.

חיידקים מקבעים N

הם מקודדים קומפלקס של אנזימים של ניטראזז המעורבים בתהליך הקיבוע. מרבית המיקרואורגניזמים הללו מתיישבים את קצב הטבע של הצמחים ומתפתחים ברקמותיהם.

הסוג השכיח ביותר לתיקון חיידקים הוא Rhizobium, הקשור לשורשי קטניות. ישנן סוגים אחרים כמו פרנקיה, נוסטוק ופאסספוניה שעושים סימביוזה עם שורשים של קבוצות אחרות של צמחים.

ציאנו-בקטריה בצורה חופשית יכולה לתקן חנקן אטמוספרי בסביבות מימיות

חיידקים מרגיזים

ישנם שלושה סוגים של מיקרואורגניזמים המעורבים בתהליך nitrification. חיידקים אלה מסוגלים לחמצן אמוניה או את יון האמוניום הקיים באדמה. הם אורגניזמים כימוליטרופיים (המסוגלים לחמצן עניינים אורגניים כמקור אנרגיה).

חיידקים מסוגים שונים מתערבים בתהליך ברצף. ניטרוסומה וניטרוציסטיס מחמצנות את NH3 ו- NH4 לניטריטים. Nitrobacter ו- Nitrosococcus ואז מחמצנים תרכובת זו לחנקות.

בשנת 2015 התגלה קבוצה נוספת של חיידקים שמתערבת בתהליך זה. הם מסוגלים לחמצן ישירות אמוניה לחנקות ונמצאים בסוג ניטרוסירה. חלק מהפטריות מסוגלות גם להזניק אמוניה.

חיידקים מכחישים

הוצע כי למעלה מ- 50 סוגים שונים של חיידקים יכולים להפחית את החנקות ל- N ₂ . זה מתרחש בתנאים אנאירוביים (היעדר חמצן).

הז'אנרים הנפוצים ביותר המכחישים הם Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus ו- Thiosphaera. רוב הקבוצות הללו הן הטרוטרופים.

בשנת 2006 התגלה חיידק (Methylomirabilis oxyfera) שהוא אירובי. זה מתנוטרופי (הוא משיג פחמן ואנרגיה ממתאן) והוא מסוגל להשיג חמצן מתהליך הדמיטריפיקציה.

שלבים

מחזור החנקן עובר שלבים שונים בהתגייסותו ברחבי כדור הארץ. שלבים אלה הם:

קיבוע

זהו המרה של חנקן אטמוספרי לצורות שנחשבות תגוביות (שיכולות לשמש יצורים חיים). שבירת שלושת הקשרים הכלולים במולקולת N ₂ דורשת כמות גדולה של אנרגיה ויכולה להתרחש בשני אופנים: אביוטי או ביוטי.

מחזור חנקן. הוחלף על ידי YanLebrel מתמונה של הסוכנות להגנת הסביבה: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, באמצעות Wikimedia Commons

קיבעון אביוטי

חנקות מתקבלות על ידי קיבוע אנרגיה גבוהה באטמוספרה. זה בא מהאנרגיה החשמלית של ברק וקרינה קוסמית.

N ₂ משלב עם חמצן ליצירת צורות מחמצנות של חנקן כמו NO (חנקן דו חמצני) ו- NO ₂ (תחמוצת החנקן). מאוחר יותר, תרכובות אלה מועברות על פני כדור הארץ על ידי גשם כחומצה חנקתית (HNO ₃ ).

קיבוע באנרגיה גבוהה משלב כ -10% מהניטראטים המצויים במחזור החנקן.

קיבוע ביוטי

זה מתבצע על ידי מיקרואורגניזמים באדמה. חיידקים אלה קשורים בדרך כלל לשורשי הצמחים. קיבוע החנקן הביוטי השנתי מוערך בכ -200 מיליון טון בשנה.

חנקן אטמוספרי הופך לאמוניה. בשלב הראשון של התגובה, N ₂ מצטמצם ל- NH ₃ (אמוניה). בצורה זו היא משולבת בחומצות אמינו.

בתהליך זה מעורב קומפלקס אנזימטי עם מרכזים שונים להפחתת חמצון. מתחם חנקן זה מורכב מצמצום (מספק אלקטרונים) ומחנקן. האחרון משתמש באלקטרונים כדי להפחית את N ₂ ל- NH ₃ . בתהליך נצרכת כמות גדולה של ATP.

קומפלקס החנקן מעכב באופן בלתי הפיך בנוכחות ריכוזים גבוהים של O ₂ . בנודולים רדיקליים קיים חלבון (leghemoglobin) השומר על תוכן O ₂ נמוך מאוד . חלבון זה מיוצר על ידי האינטראקציה בין השורשים לחיידקים.

הַטמָעָה

צמחים שאין להם קשר סימביוטי עם חיידקים _{מקובעים} N ₂ מוציאים חנקן מהאדמה. ספיגת אלמנט זה מתבצעת בצורה של חנקות דרך השורשים.

ברגע שנייטראט נכנס לצמח, חלק ממנו משמש בתאי השורש. חלק אחר מופץ על ידי הקסילם לצמח כולו.

כאשר יש להשתמש בו, החנקה מצטמצמת לניטריט בציטופלזמה. תהליך זה מזרז את האנזים חנקה רדוקטאז. החנקות מועברות לכלורופלסטים ופלסטידים אחרים, שם הם מצטמצמים ליון האמוניום (NH ₄ ).

יון האמוניום בכמויות גדולות רעיל לצמח. אז זה משולב במהירות בשלדי פחמתי ליצירת חומצות אמינו ומולקולות אחרות.

במקרה של צרכנים, חנקן מתקבל על ידי הזנה ישירה מצמחים או מבעלי חיים אחרים.

אמוניפיקציה

בתהליך זה, התרכובות החנקניות הקיימות באדמה מתפרקות לצורות כימיות פשוטות יותר. החנקן מכיל חומר אורגני מת ופסולת כמו אוריאה (שתן של יונקים) או חומצת שתן (הפרשת ציפורים).

החנקן הכלול בחומרים אלה הוא בצורת תרכובות אורגניות מורכבות. מיקרואורגניזמים משתמשים בחומצות האמינו הכלולות בחומרים אלה כדי לייצר את החלבונים שלהם. בתהליך זה הם משחררים עודף חנקן בצורה של אמוניה או יון אמוניום.

תרכובות אלה זמינות באדמה עבור מיקרואורגניזמים אחרים לפעול בשלבים הבאים של המחזור.

ניטרציה

בשלב זה חיידקי אדמה מחמצנים אמוניה ואת היון האמוניום. בתהליך משוחרר אנרגיה המשמשת את החיידקים במטבוליזם שלהם.

בחלק הראשון, חיידקים nitrosifying של הסוג ניטרוסומה מחמצנים אמוניה ויון אמוניום לניטריט. האנזים אמוניה mooxygenase נמצא בקרום של מיקרואורגניזמים אלה. זה מחמצן את NH ₃ להידרוקסילאמין, שמתחמצן אז לניטריט בפריפלזמה של החיידק.

בהמשך חיידקי החנקה מחמצנים את החנקות לחנקות באמצעות האנזים ניטריט אוקסדורקטוקטאז. חנקות נשארות זמינות באדמה, שם הן יכולות להיספג על ידי צמחים.

דניטריזציה

בשלב זה, צורות מחומצן של חנקן (ניטריטים וחנקות) מומרים בחזרה ל- N ₂ ובמידה פחותה לתחמוצת החנקן.

התהליך מתבצע על ידי חיידקים אנאירוביים המשתמשים בתרכובות חנקניות כמקבלי אלקטרונים בזמן הנשימה. קצב הדניטריזציה תלוי בכמה גורמים, כמו חנקה זמינה ורוויה וטמפרטורה באדמה.

כאשר האדמה רוויה במים, O ₂ כבר אינו זמין וחיידקים משתמשים ב- NO ₃ כמקבל אלקטרונים. כאשר הטמפרטורות נמוכות מאוד, מיקרואורגניזמים אינם יכולים לבצע את התהליך.

שלב זה הוא הדרך היחידה להוצאת החנקן ממערכת אקולוגית. באופן זה, ה- N ₂ שהיה קבוע חוזר לאטמוספרה ונשמר האיזון של אלמנט זה.

חֲשִׁיבוּת

למחזור זה רלוונטיות ביולוגית רבה. כפי שהסברנו קודם, חנקן הוא חלק חשוב מאורגניזמים חיים. בתהליך זה הוא הופך לשימוש ביולוגי.

בפיתוח גידולים, זמינות החנקן היא אחת המגבלות העיקריות בפריון. מאז תחילת החקלאות, האדמה מועשרת באלמנט זה.

טיפוח קטניות לשיפור איכות האדמה הוא נוהג נפוץ. באופן דומה, נטיעת אורז בקרקעות מוצפות מקדמת את התנאים הסביבתיים הנחוצים לשימוש בחנקן.

במהלך המאה ה -19 נעשה שימוש נרחב בגואנו (הפרשת ציפורים) כמקור חיצוני לחנקן בגידולים. עם זאת, בסוף מאה זו לא היה די בכדי להגדיל את ייצור המזון.

הכימאי הגרמני פריץ הבר, בשלהי המאה ה -19, פיתח תהליך שהוסמך לאחר מכן על ידי קרלו בוש. זה מורכב מתגובה N ₂ וגז מימן ליצירת אמוניה. זה ידוע כתהליך הבר-בוש.

צורה זו של ייצור מלאכותי של אמוניה היא אחד המקורות העיקריים לחנקן שיכולים לשמש יצורים חיים. זה נחשב כי 40% מאוכלוסיית העולם תלויה בדשנים אלה למזונם.

הפרעות במחזור החנקן

הייצור האנתרופי הנוכחי של אמוניה הוא כ 85 טון בשנה. יש לכך השלכות שליליות על מחזור החנקן.

בגלל השימוש הרב בדשנים כימיים יש זיהום של קרקעות ואקוויפרים. נחשב שיותר מ- 50% מזיהום זה הוא תוצאה של סינתזת הבר-בוש.

עודף חנקן מוביל להרגעה (העשרה בחומרים מזינים) של גופי מים. הפיכה אנתרופית מהירה מאוד וגורמת לצמיחה מואצת בעיקר של אצות.

הם צורכים הרבה חמצן ויכולים לצבור רעלים. בגלל מחסור בחמצן, שאר האורגניזמים המצויים במערכת האקולוגית בסופו של דבר גוססים.

בנוסף, השימוש בדלקים מאובנים משחרר אטמוספרה כמות גדולה של תחמוצת החנקן. זה מגיב עם אוזון ויוצר חומצה חנקתית, שהיא אחד המרכיבים של גשם חומצי.

הפניות

1. Cerón L ו- A Aristizábal (2012) דינמיקה של מחזור החנקן והזרחן בקרקעות. הכומר קולומב. ביוטכנולוג. 14: 285-295.
2. Estupiñan R ו- B Quesada (2010) תהליך הבר-בוש בחברה האגרו-תעשייתית: סכנות ואלטרנטיבות. מערכת Agrifood: סחורה, מאבקים והתנגדות. ILSA עריכה. בוגוטה קולומביה. 75-95
3. Galloway JN (2003) מחזור החנקן העולמי. בתוך: שלזינגר W (עורכת) מסה על גיאוכימיה. Elsevier, ארה"ב. עמ '557-583.
4. Galloway JN (2005) מחזור החנקן העולמי: עבר, הווה ועתיד. מדע בסין Ser C מדעי החיים 48: 669-677.
5. Pajares S (2016) מפל החנקן הנגרם כתוצאה מפעילות אנושית. אויקוס 16: 14-17.
6. שטיין L ו- M Klotz (2016) מחזור החנקן. ביולוגיה נוכחית 26: 83-101.