ข้อมูล

วัฏจักรไนโตรเจน


พืชต้องการองค์ประกอบหลายอย่างนอกเหนือจากที่ได้รับโดยตรงจากบรรยากาศ (คาร์บอนและออกซิเจนในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์) และจากน้ำใต้ดิน (ไฮโดรเจนและออกซิเจน)

ทั้งหมดนี้เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่มาจากการสลายตัวของหินและถูกจับโดยพืชจากพื้นดิน ข้อยกเว้นคือไนโตรเจนซึ่งแสดงถึง 78% ของชั้นบรรยากาศโลก.

หินผิวโลก พวกเขายังเป็นแหล่งที่มาหลักของไนโตรเจนซึ่งแทรกซึมดินผ่านทางอ้อมผ่านชั้นบรรยากาศและผ่านดินแทรกซึมพืชที่เติบโตบนมัน

สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ไม่สามารถใช้ไนโตรเจนในบรรยากาศเพื่อสังเคราะห์โปรตีนและสารอินทรีย์อื่น ๆ ซึ่งแตกต่างจากคาร์บอนและออกซิเจนไนโตรเจนเป็นสารเคมีที่ไม่ทำปฏิกิริยามากและมีเพียงบางอย่างเท่านั้น แบคทีเรีย และ สาหร่ายสีน้ำเงิน พวกเขามีความสามารถพิเศษสูงในการดูดซึมไนโตรเจนจากบรรยากาศและแปลงเป็นรูปแบบที่เซลล์สามารถใช้งานได้ การขาดไนโตรเจนที่ใช้งานได้มักเป็นปัจจัย จำกัด หลักสำหรับการเจริญเติบโตของพืช

กระบวนการที่ไนโตรเจนไหลเวียนผ่านพืชและดินผ่านการกระทำของสิ่งมีชีวิตเรียกว่าวัฏจักรไนโตรเจน

Ammonification

ไนโตรเจนส่วนใหญ่ที่พบในดินนั้นมาจากสารอินทรีย์ที่ตายแล้วซึ่งมีอยู่ในรูปของสารประกอบอินทรีย์ที่ซับซ้อนเช่นโปรตีนกรดอะมิโนกรดนิวคลีอิกและนิวคลีโอไทด์ อย่างไรก็ตามสารประกอบไนโตรเจนเหล่านี้จะถูกย่อยสลายอย่างรวดเร็วเป็นสารที่ง่ายกว่าโดยสิ่งมีชีวิตในดิน

แบคทีเรีย saprophytic และเชื้อราชนิดต่าง ๆ มีความรับผิดชอบหลักในการสลายตัวของสารอินทรีย์ที่ตายแล้ว จุลินทรีย์เหล่านี้ใช้โปรตีนและกรดอะมิโนเป็นแหล่งโปรตีนและปลดปล่อยไนโตรเจนส่วนเกินออกมาในรูปของ แอมโมเนียม (NH4)+). กระบวนการนี้เรียกว่า ammonification. ไนโตรเจนอาจจัดเป็นก๊าซแอมโมเนีย (NH3) แต่กระบวนการนี้มักจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อสลายวัสดุที่อุดมด้วยไนโตรเจนจำนวนมากเช่นในปุ๋ยหรือปุ๋ยส่วนใหญ่ โดยทั่วไปแล้วแอมโมเนียที่ผลิตได้จะถูกละลายในน้ำในดินซึ่งจะรวมกับโปรตอนเพื่อสร้างแอมโมเนียมอิออน

ไนตริฟิเค

แบคทีเรียหลายชนิดที่พบในดินมีความสามารถในการออกซิไดซ์แอมโมเนียหรือแอมโมเนียม แอมโมเนียออกซิเดชั่นหรือที่เรียกว่า ไนตริฟิเคเป็นกระบวนการที่ผลิตพลังงานและแบคทีเรียที่ปล่อยออกมาใช้เพื่อลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เช่นเดียวกับพืช autotrophic ใช้พลังงานแสงเพื่อลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ สิ่งมีชีวิตดังกล่าวเป็นที่รู้จักกันในนาม ยาเสพติด autotrophic เคมีสังเคราะห์ (แตกต่างจากออโตโทรฟสังเคราะห์แสงเช่นพืชและสาหร่าย) แบคทีเรียไนตริไฟ chemosynthetic Nitrosomonas และ Nitrosococcus ออกซิไดซ์แอมโมเนียเป็นไนไตรท์2-):

2 NH 3 + 302 --------> 2 ไม่2- + 2 ชม+ + 2 ชม2

(ก๊าซแอมโมเนีย) (ไนไตรต์)

ไนไตรต์เป็นพิษต่อพืชสูง แต่ไม่ค่อยสะสมในดิน Nitrobacter, แบคทีเรียอีกชนิดหนึ่งออกซิไดซ์ไนไตรต์ให้เป็นไนเตรต (NO3-) อีกครั้งเมื่อมีการปล่อยพลังงาน:

2 ไม่2- + O2 ---------> 2 ไม่3-

(ไนไตรต์) (ไนเตรต)

ไนเตรตเป็นรูปแบบที่ไนโตรเจนเกือบทั้งหมดเคลื่อนที่จากดินไปยังราก

พืชไม่กี่ชนิดสามารถใช้โปรตีนจากสัตว์เป็นแหล่งไนโตรเจนได้ สายพันธุ์เหล่านี้ซึ่งประกอบด้วย พืชที่กินเนื้อเป็นอาหารมีการดัดแปลงพิเศษเพื่อดึงดูดและจับสัตว์เล็ก พวกมันย่อยโดยดูดซับสารประกอบไนโตรเจนและสารประกอบอินทรีย์และแร่อื่น ๆ เช่นโพแทสเซียมและฟอสเฟต พืชที่กินเนื้อเป็นอาหารส่วนใหญ่พบในหนองน้ำซึ่งโดยทั่วไปมักมีสภาพเป็นกรดสูงและไม่เอื้ออำนวยต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรียไนตริไฟ

การสูญเสียไนโตรเจน

ดังที่เราได้สังเกตเห็นสารประกอบไนโตรเจนของพืชคลอโรฟิลเลตกลับคืนสู่ดินเมื่อพวกมันตาย (หรือสัตว์ที่กินพวกมัน) โดยกระบวนการของสิ่งมีชีวิตในดินและจุลินทรีย์ดูดซับโดยรากในรูปของไนเตรทที่ละลายในน้ำดิน เปลี่ยนเป็นสารประกอบอินทรีย์ ในระหว่างรอบนี้จะมี "การสูญเสีย" ของไนโตรเจนในปริมาณที่แน่นอนเสมอทำให้พืชไม่สามารถใช้งานได้

หนึ่งในสาเหตุหลักของการสูญเสียไนโตรเจนนี้คือ พืชกำจัดดิน. ดินที่เพาะปลูกมักจะมีปริมาณไนโตรเจนลดลงอย่างต่อเนื่อง ไนโตรเจนยังสามารถหายไปได้เมื่อมีหัวชั้นดิน การกัดกร่อน หรือเมื่อพื้นผิวถูกทำลาย ไฟไหม้. ไนโตรเจนจะถูกลบออกด้วย ชะล้าง; ไนเตรตและไนไตรต์ซึ่งเป็นแอนไอออนมีความอ่อนไหวต่อการชะล้างของน้ำผ่านดิน ในดินบางแบคทีเรีย denitrifying ทำลายไนเตรตและปล่อยไนโตรเจนขึ้นสู่อากาศ กระบวนการที่ให้แบคทีเรียกับออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับการหายใจนี้มีค่าใช้จ่ายสูงในแง่ของความต้องการพลังงาน (เช่น2 สามารถลดได้เร็วกว่าไม่3-) และเกิดขึ้นอย่างกว้างขวางเฉพาะในดินที่ขาดออกซิเจนนั่นคือในดินที่มีการระบายน้ำไม่ดีและมีการระบายอากาศไม่ดี

บางครั้งสัดส่วนไนโตรเจนสูงในดินไม่สามารถใช้ได้กับพืช การตรึงนี้เกิดขึ้นเมื่อมีคาร์บอนมากเกินไป เมื่อสารอินทรีย์ที่อุดมด้วยคาร์บอน แต่มีไนโตรเจนไม่ดีฟางเป็นตัวอย่างที่ดีหากมีความอุดมสมบูรณ์ในดินจุลินทรีย์ที่โจมตีสารเหล่านี้จะต้องใช้ไนโตรเจนมากกว่าที่มีอยู่เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากคาร์บอนได้อย่างเต็มที่ เป็นผลให้พวกเขาไม่เพียง แต่ใช้ไนโตรเจนที่มีอยู่ในฟางข้าวหรือวัสดุที่คล้ายกัน แต่ยังรวมถึงเกลือไนโตรเจนที่มีอยู่ในดิน ดังนั้นความไม่สมดุลนี้มีแนวโน้มที่จะกลับสู่ภาวะปกติเมื่อคาร์บอนถูกจัดให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์จากการหายใจของจุลินทรีย์และเมื่ออัตราส่วนของไนโตรเจนต่อคาร์บอนในดินเพิ่มขึ้น

ดำเนินการต่อหลังจากการโฆษณา

การตรึงไนโตรเจน

อย่างที่เราเห็นหากไนโตรเจนทั้งหมดที่ถูกลบออกจากพื้นดินไม่ได้รับการเติมเต็มอย่างต่อเนื่องการให้ชีวิตบนโลกใบนี้จะหายไปในที่สุด ไนโตรเจนถูกเติมเข้าไปในดินด้วย ตรึงไนโตรเจน การตรึงไนโตรเจนเป็นกระบวนการที่ก๊าซไนโตรเจนในอากาศถูกรวมเข้าไปในสารประกอบอินทรีย์ไนโตรเจนและจึงนำเข้าสู่วัฏจักรไนโตรเจน การตรึงก๊าซนี้ซึ่งสามารถทำได้ในระดับที่มากโดยแบคทีเรียและสาหร่ายสีน้ำเงินเพียงไม่กี่ตัวเป็นกระบวนการที่สิ่งมีชีวิตทุกวันนี้ต้องพึ่งพาเช่นเดียวกับที่พวกเขาต้องพึ่งพาการสังเคราะห์แสงในท้ายที่สุด การได้รับพลังงาน

ไนโตรเจนหนึ่งถึงสองร้อยล้านเมตริกตันถูกเพิ่มเข้าไปในพื้นผิวโลกในแต่ละปีด้วยระบบชีวภาพ มนุษย์ผลิต 28 ล้านเมตริกตันซึ่งส่วนใหญ่ใช้เป็นปุ๋ย อย่างไรก็ตามกระบวนการนี้ดำเนินการด้วยต้นทุนพลังงานสูงในแง่ของเชื้อเพลิงฟอสซิล ปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ต้องการสำหรับการผลิตปุ๋ยแอมโมเนียมในปัจจุบันคาดว่าจะเทียบเท่ากับ 2 ล้านบาร์เรลต่อวัน ที่จริงแล้วมีการประเมินว่าค่าใช้จ่ายในการปฏิสนธิไนโตรเจนถึงจุดที่ผลกำไรลดลง พืชดั้งเดิมในพื้นที่เช่นอินเดียไม่ได้ผลผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโดยใช้ปุ๋ยไนโตรเจน แต่มีความต้องการไนโตรเจนต่ำ แต่ตอนนี้ถูกแทนที่ด้วย“ ธัญพืชมหัศจรรย์” และพืชอื่น ๆ ที่ไม่ได้ผลิตด้วยการปฏิสนธิไนโตรเจน - อย่างแม่นยำในเวลาที่การรักษาดังกล่าวมีราคาแพงมาก

ในหลาย ๆ ประเภทของสิ่งมีชีวิตที่ตรึงไนโตรเจนนั้นแบคทีเรีย symbiotic นั้นมีความสำคัญที่สุดในแง่ของจำนวนไนโตรเจนทั้งหมดที่ได้รับการแก้ไข แบคทีเรียตรึงไนโตรเจนที่พบมากที่สุดคือ ไรโซเบียมซึ่งเป็นแบคทีเรียชนิดหนึ่งที่บุกรุกรากของพืชตระกูลถั่ว (angiosperms ของตระกูล) ซี้อี้ หรือ Leguminosae) เช่นโคลเวอร์, ถั่ว, ถั่ว, vetches และอัลฟัลฟา

ผลประโยชน์ของพืชตระกูลถั่วในดินมีความชัดเจนจนจำได้เมื่อหลายร้อยปีก่อน Theophrastus ที่อาศัยอยู่ในศตวรรษที่สามเขียนว่าชาวกรีกใช้พืชถั่วเพื่อเสริมสร้างดิน ในกรณีที่พืชตระกูลถั่วเติบโตจะมีไนโตรเจน“ พิเศษ” จำนวนหนึ่งสามารถถูกปล่อยลงสู่ดินได้ ในการเกษตรสมัยใหม่มันเป็นเรื่องธรรมดาที่จะเลือกพืชที่ไม่ใช่พืชตระกูลถั่วเช่นข้าวโพดกับพืชตระกูลถั่วเช่นอัลฟัลฟา จากนั้นพืชตระกูลถั่วจะถูกเก็บเกี่ยวเพื่อกำจัดหญ้าที่มีรากที่อุดมด้วยไนโตรเจนหรือดีกว่าไปไถในทุ่งนา พืชที่ดีของหญ้าชนิตหนึ่งซึ่งย้ายไปอยู่ที่พื้นสามารถให้ไนโตรเจนได้ 450 กิโลกรัมต่อเฮกตาร์ การประยุกต์ใช้องค์ประกอบโคบอลต์และโมลิบดีนัมที่แบคทีเรียต้องการจะเพิ่มการผลิตไนโตรเจนอย่างมากหากองค์ประกอบเหล่านี้มีปริมาณ จำกัด เช่นเดียวกับในประเทศออสเตรเลีย

จุลินทรีย์ที่ตรึงไนโตรเจนได้ฟรี

แบคทีเรียที่ไม่เกี่ยวกับชีวภาพของจำพวก Azotobacter และ Clostridium สามารถแก้ไขไนโตรเจนได้ Azotobacter แอโรบิกในขณะที่ Clostridium ไม่ใช้ออกซิเจน ทั้งสองเป็นแบคทีเรีย saprophytic ทั่วไปที่พบในดิน คาดว่าจะจัดหาไนโตรเจนประมาณ 7 กิโลกรัมต่อเฮกตาร์ต่อปี อีกกลุ่มที่สำคัญ ได้แก่ แบคทีเรียสังเคราะห์แสงจำนวนมาก สาหร่ายสีน้ำเงินที่มีชีวิตอิสระยังมีบทบาทสำคัญในการตรึงไนโตรเจน พวกเขามีความสำคัญสำหรับการเพาะปลูกข้าวซึ่งเป็นอาหารหลักของประชากรมากกว่าครึ่งหนึ่งของโลก สาหร่ายสีน้ำเงินยังมีบทบาทสำคัญต่อระบบนิเวศในการตรึงไนโตรเจนในมหาสมุทร

ความแตกต่างระหว่างการตรึงไนโตรเจนโดยสิ่งมีชีวิตอิสระและสิ่งมีชีวิตแบบชีวภาพอาจไม่เข้มงวดอย่างที่คิด จุลินทรีย์บางชนิดเกิดขึ้นเป็นประจำในดินรอบ ๆ รากพืชที่ทำลายคาร์โบไฮเดรตโดยการบริโภคสารเหล่านี้และในเวลาเดียวกันก็ให้ไนโตรเจนแก่พืชทางอ้อม ความสัมพันธ์ทางชีวภาพระหว่างแบคทีเรียที่มีชีวิตปกติเช่น Azotobacterและเซลล์พืชที่สูงขึ้นในการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อทำให้เกิดการเจริญเติบโตในอาหารเทียมที่ปราศจากไนโตรเจน

เนื้อหาถัดไป: พยากรณ์อากาศ

วีดีโอ: เรองวฏจกรของไนโตรเจน ชนมธยมศกษาปท 3 หนวยการเรยนร : ระบบนเวศ (กรกฎาคม 2020).