Unter den biogeochemischen Kreisläufen wird Stickstoff am häufigsten untersucht. Überprüfen Sie eine Zusammenfassung und kennen Sie ihre Bedeutung
Stickstoff ist ein wesentliches chemisches Element für die Existenz des Lebens auf der Erde, da er neben den stickstoffhaltigen Basen (die die DNA- und RNA-Moleküle bilden) Bestandteil aller Aminosäuren in unserem Körper ist. Ungefähr 78% der Luft, die wir atmen, besteht aus Stickstoff aus der Atmosphäre (N 2), dem größten Reservoir. Ein Grund dafür ist, dass N 2 die inerte Form von Stickstoff ist, dh es ist ein Gas, das in üblichen Situationen nicht reaktiv ist. Somit hat es sich seit der Entstehung des Planeten in der Atmosphäre angesammelt. Trotzdem haben nur wenige Lebewesen die Fähigkeit, es in seiner molekularen Form (N 2) aufzunehmen. Es stellt sich heraus, dass Stickstoff wie Eisen und Schwefel an einem natürlichen Kreislauf beteiligt ist, in dem sich seine chemische Struktur in jeder der Stufen umwandelt.als Grundlage für andere Reaktionen dienen und somit anderen Organismen zur Verfügung stehen - dies ist die große Bedeutung des Stickstoffkreislaufs (oder "Stickstoffkreislaufs").
Damit atmosphärisches N 2 in den Boden gelangt und in das Ökosystem gelangt, muss es einen als Fixierung bezeichneten Prozess durchlaufen, der von kleinen Gruppen nitrifizierender Bakterien durchgeführt wird, die Stickstoff in Form von N 2 entfernen und in ihre organischen Moleküle einbauen. Wenn die Fixierung von lebenden Organismen wie Bakterien durchgeführt wird, spricht man von biologischer Fixierung oder Biofixierung. Gegenwärtig können kommerzielle Düngemittel auch zur Stickstofffixierung verwendet werden, was die industrielle Fixierung charakterisiert, eine in der Landwirtschaft weit verbreitete Methode. Zusätzlich zu diesen gibt es auch eine physikalische Fixierung, die durch Blitzschlag und elektrische Funken durchgeführt wird, durch die Stickstoff oxidiert und durch Regen in den Boden transportiert wird. Ein solches Verfahren hat jedoch eine verringerte Kapazität zur Stickstofffixierung.Das ist nicht genug für Organismen und das Leben auf der Erde, um sich selbst zu erhalten.
Wenn Bakterien N 2 fixieren, setzen sie Ammoniak (NH 3) frei. Ammoniak bildet bei Kontakt mit Bodenwassermolekülen Ammoniumhydroxid, das bei Ionisierung Ammonium (NH 4) erzeugt. Dieser Prozess ist Teil des Stickstoffkreislaufs und wird als Ammonifizierung bezeichnet. In der Natur besteht ein Gleichgewicht zwischen Ammoniak und Ammonium, das durch den pH-Wert reguliert wird. In Umgebungen, in denen der pH-Wert saurer ist, überwiegt die Bildung von NH 4, und in basischeren Umgebungen ist der häufigste Prozess die Bildung von NH 3. Dieses Ammonium wird hauptsächlich von Pflanzen absorbiert und verwendet, deren Wurzeln mit Bakterien assoziiert sind (Bakteriorrizas). Wenn dieses Ammonium von frei lebenden Bakterien produziert wird, steht es im Boden tendenziell zur Verwendung durch andere Bakterien (Nitrobakterien) zur Verfügung.
Nitrobakterien sind Chemosynthesizer, dh sie sind autotrophe Wesen (die ihre eigene Nahrung produzieren), die die für ihr Überleben notwendige Energie aus chemischen Reaktionen entfernen. Um diese Energie zu erhalten, neigen sie dazu, Ammonium zu oxidieren und es in Nitrit (NO 2 -) und später in Nitrat (NO 3 -) umzuwandeln. Dieser Prozess des Stickstoffkreislaufs wird als Nitrifikation bezeichnet.
Nitrat bleibt im Boden frei und neigt nicht dazu, sich in natürlich intakten Umgebungen anzusammeln. Dadurch kann es drei verschiedene Wege gehen: von Pflanzen aufgenommen, denitrifiziert oder Gewässer erreicht werden. Sowohl die Denitrifikation als auch der Nitratfluss in Gewässer haben negative Auswirkungen auf die Umwelt.
Auswirkungen auf die Umwelt
Denitrifikation (oder Denitrifikation) ist ein Prozess, der von Bakterien namens Denitrifikatoren durchgeführt wird, die das Nitrat wieder in N 2 umwandeln und die Rückführung von Stickstoff in die Atmosphäre durchführen. Neben N 2 können auch Stickoxide (NO) erzeugt werden, die sich mit Luftsauerstoff verbinden und die Bildung von saurem Regen begünstigen, sowie Lachgas (N 2 O), ein wichtiges verursachendes Gas der Treibhauseffekt, der die globale Erwärmung verschlimmert.
Der dritte Weg, auf dem Nitrat in Gewässer gelangt, verursacht ein Umweltproblem, das als Eutrophierung bezeichnet wird. Dieser Prozess ist durch eine Erhöhung der Konzentration von Nährstoffen (hauptsächlich Stickstoffverbindungen und Phosphor) in den Gewässern eines Sees oder Damms gekennzeichnet. Dieser Nährstoffüberschuss begünstigt die beschleunigte Vermehrung von Algen, die den Lichtdurchgang behindert und die aquatische Umwelt aus dem Gleichgewicht bringt. Eine andere Möglichkeit, diesen Nährstoffüberschuss in Gewässern bereitzustellen, besteht darin, Abwasser ohne angemessene Behandlung in das Abwasser abzugeben.
Ein weiteres zu berücksichtigendes Problem ist die Tatsache, dass Stickstoff auch für Pflanzen schädlich sein kann, wenn er in Mengen vorhanden ist, die über ihre Assimilationsfähigkeit hinausgehen. Ein im Boden fixierter Stickstoffüberschuss kann daher das Wachstum der Pflanze begrenzen und die Pflanzen schädigen. Daher muss das Kohlenstoff / Stickstoff-Verhältnis auch bei Kompostierungsprozessen berücksichtigt werden, damit die Metabolismen der Kolonien von Mikroorganismen, die am Zersetzungsprozess beteiligt sind, immer aktiv sind.
Stickstoffaufnahme durch den Menschen
Menschen und andere Tiere haben Zugang zu Nitrat, wenn sie Pflanzen essen, die diese Substanz aufgenommen haben, oder gemäß der Nahrungskette andere Tiere essen, die sich von diesen Pflanzen ernährt haben. Dieses Nitrat kehrt nach dem Tod eines Organismus (organische Substanz) oder durch Ausscheidung (Harnstoff oder Harnsäure bei den meisten Landtieren und Ammoniak bei Fischausscheidungen), die Stickstoffverbindungen enthält, in den Kreislauf zurück. Zersetzende Bakterien wirken also auf die organische Substanz und setzen Ammoniak frei. Ammoniak kann auch von denselben Nitrobakterien, die Ammonium umwandeln, in Nitrite und Nitrate umgewandelt werden und sich in den Zyklus integrieren.
Eine Alternative zu Düngemitteln
Wie wir gesehen haben, kann die Fixierung von Stickstoff im Boden positive Auswirkungen haben, aber der Prozess tritt im Übermaß auf und kann negative Folgen für die Umwelt haben. Die Störung der Menschheit im Stickstoffkreislauf ist auf die industrielle Fixierung (durch Verwendung von Düngemitteln) zurückzuführen, die die zu fixierende Stickstoffkonzentration erhöht und Probleme wie die oben genannten verursacht.
Eine Alternative für die Verwendung von Düngemitteln wäre die Fruchtfolge, abwechselnde Kulturen von stickstofffixierenden und nicht fixierenden Pflanzen. Stickstofffixierende Pflanzen sind solche, deren Wurzeln Bakterien und andere fixierende Organismen aufweisen, wie sie bei Hülsenfrüchten (wie Bohnen und Sojabohnen) vorkommen. Die Rotation würde die Fixierung von Stickstoff in sichereren Mengen als die Verwendung von Düngemitteln begünstigen, Nährstoffe liefern, die mit der Assimilationskapazität der Pflanzen vereinbar sind, ihre Entwicklung begünstigen und die Nährstoffraten verringern, die die Gewässer erreichen. Ein ähnliches Verfahren, das als "Gründüngung" bezeichnet wird, kann auch angewendet werden, um Düngemittel zu ersetzen.
Dieser Prozess besteht darin, stickstofffixierende Pflanzen zu züchten und zu bürsten, bevor sie Samen produzieren, und sie als Mulch an Ort und Stelle zu belassen, damit spätere Kulturen anderer Arten hergestellt werden können. Unten sehen wir ein Bild, das uns eine Zusammenfassung dessen bringt, was im gesamten Artikel gesehen wurde:
ANAMMOX
Das englische Akronym (anaerobe Oxidation von Ammoniak) bezeichnet ein innovatives biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniak aus Wasser und Gasen.
Es besteht aus einer Abkürzung, da das Ammoniak nicht in Nitrit und Nitrat nitrifiziert werden müsste, um wieder in die Form von N 2 denitrifiziert zu werden. Mit dem ANAMMOX-Verfahren würde das Ammoniak direkt in Stickstoffgas (N 2) umgewandelt. Die erste Großstation wurde 2002 in den Niederlanden installiert, und 2012 waren bereits 11 Anlagen in Betrieb.
Das ANAMMOX-Verfahren ist effizient und nachhaltig und kann verwendet werden, um Ammoniak in Konzentrationen von mehr als 100 mg / l aus Abwässern zu entfernen. In den Reaktoren koexistieren nitrifizierende Bakterien und ANAMMOX, wobei erstere etwa die Hälfte des Ammoniaks in Nitride (chemische Verbindungen mit Stickstoff in ihrer Zusammensetzung) umwandeln und die ANAMMOX-Bakterien die Nitride und Ammoniak in Stickstoffgas umwandeln.
Die anaerobe Oxidation von Ammoniak hat sich als vielversprechend erwiesen und ist bereits in industriellen Prozessen wie Abwasserbehandlung, organischen festen Abfällen, Lebensmittelindustrie und Düngemitteln zu finden.
