Van de biogeochemische cycli is stikstof de meest bestudeerde. Controleer een samenvatting en ken het belang ervan
Stikstof is een essentieel chemisch element voor het bestaan van leven op aarde, aangezien het een bestanddeel is van alle aminozuren in ons lichaam, naast de stikstofhoudende basen (die de DNA- en RNA-moleculen vormen). Ongeveer 78% van de lucht die we inademen bestaat uit stikstof uit de atmosfeer (N 2), het grootste reservoir. Een van de redenen hiervoor is dat N 2 de inerte vorm van stikstof is, dat wil zeggen dat het een gas is dat in veel voorkomende situaties niet reactief is. Het hoopt zich dus op in de atmosfeer sinds de vorming van de planeet. Desondanks hebben maar weinig levende wezens het vermogen om het in zijn moleculaire vorm (N 2) op te nemen. Het blijkt dat stikstof, net als ijzer en zwavel, deelneemt aan een natuurlijke cyclus waarin de chemische structuur transformaties ondergaat in elk van de fasen,als basis dienen voor andere reacties en zo beschikbaar komen voor andere organismen - dit is het grote belang van de stikstofcyclus (of "stikstofcyclus").
Om atmosferische N 2 de bodem te bereiken en het ecosysteem binnen te gaan, moet het een proces doorlopen dat fixatie wordt genoemd, dat wordt uitgevoerd door kleine groepen nitrificerende bacteriën, die stikstof verwijderen in de vorm van N 2 en het opnemen in hun organische moleculen. Wanneer fixatie wordt uitgevoerd door levende organismen, zoals bacteriën, wordt dit biologische fixatie of biofixatie genoemd. Momenteel is het ook mogelijk om commerciële meststoffen te gebruiken voor stikstoffixatie, kenmerkend voor industriële fixatie, een methode die veel wordt gebruikt in de landbouw. Naast deze is er ook fysieke fixatie, die wordt uitgevoerd door bliksem en elektrische vonken, waardoor stikstof wordt geoxideerd en door regen naar de grond wordt gevoerd, maar een dergelijke methode heeft een verminderde capaciteit voor stikstoffixatie,wat niet genoeg is voor organismen en het leven op aarde om zichzelf in stand te houden.
Wanneer bacteriën N 2 fixeren, geven ze ammoniak (NH 3) af. Ammoniak vormt, wanneer het in contact komt met bodemwatermoleculen, ammoniumhydroxide dat, wanneer geïoniseerd, ammonium (NH 4) produceert, in een proces dat deel uitmaakt van de stikstofcyclus en ammonificatie wordt genoemd. In de natuur is er een evenwicht tussen ammoniak en ammonium, dat wordt gereguleerd door de pH. In omgevingen waar de pH zuurder is, overheerst de vorming van NH 4, en in meer basische omgevingen is de vorming van NH 3 het meest voorkomende proces. Dit ammonium wordt voornamelijk geabsorbeerd en gebruikt door planten waarbij bacteriën zijn geassocieerd met hun wortels (bacteriorrizas). Wanneer geproduceerd door vrijlevende bacteriën, is dit ammonium meestal in de bodem beschikbaar voor gebruik door andere bacteriën (nitrobacteriën).
Nitrobacteriën zijn chemosynthesizers, dat wil zeggen, het zijn autotrofe wezens (die hun eigen voedsel produceren), die de energie die nodig is voor hun overleving verwijderen uit chemische reacties. Om deze energie te verkrijgen, hebben ze de neiging ammonium te oxideren, om te zetten in nitriet (NO 2 -) en later in nitraat (NO 3 -). Dit proces van de stikstofcyclus wordt nitrificatie genoemd.
Nitraat blijft vrij in de bodem en heeft niet de neiging zich op te hopen in van nature intacte omgevingen, waardoor het drie verschillende wegen kan volgen: geabsorbeerd worden door planten, gedenitrificeerd worden of waterlichamen bereiken. Zowel denitrificatie als de doorstroming van nitraat naar waterlichamen hebben negatieve gevolgen voor het milieu.
Gevolgen voor het milieu
Denitrificatie (of denitrificatie) is een proces dat wordt uitgevoerd door bacteriën die denitrificeerders worden genoemd en die het nitraat weer in N 2 omzetten, waardoor stikstof naar de atmosfeer wordt teruggevoerd. Naast N 2 zijn andere gassen die kunnen worden geproduceerd stikstofmonoxide (NO), dat zich combineert met zuurstof uit de lucht, waardoor de vorming van zure regen wordt bevorderd, en distikstofoxide (N 2 O), dat een belangrijk veroorzakend gas is. het broeikaseffect, dat de opwarming van de aarde verergert.
Het derde pad, waar nitraat de waterlichamen bereikt, veroorzaakt een milieuprobleem dat eutrofiëring wordt genoemd. Dit proces wordt gekenmerkt door een toename van de concentratie van nutriënten (voornamelijk stikstofverbindingen en fosfor) in het water van een meer of dam. Deze overmaat aan voedingsstoffen bevordert de versnelde vermenigvuldiging van algen, wat uiteindelijk de doorgang van licht belemmert en het watermilieu uit balans brengt. Een andere manier om dit teveel aan voedingsstoffen in een aquatisch milieu te leveren, is door er rioolwater in te laten lopen zonder de juiste behandeling.
Een ander probleem waarmee rekening moet worden gehouden, is het feit dat stikstof ook schadelijk kan zijn voor planten als het aanwezig is in hoeveelheden die hun assimilatiemogelijkheden te boven gaan. Zo kan een teveel aan stikstof dat in de grond wordt gefixeerd, de groei van de plant beperken en de gewassen schaden. De koolstof / stikstof-verhouding moet dus ook in aanmerking worden genomen bij composteringsprocessen, zodat het metabolisme van de kolonies van micro-organismen die bij het afbraakproces betrokken zijn altijd actief is.
Stikstofopname door mensen
Mensen en andere dieren hebben toegang tot nitraat door planten te eten die die stof hebben opgenomen of, volgens de voedselketen, door andere dieren te eten die zich met deze planten hebben gevoed. Dit nitraat keert terug naar de cyclus na de dood van een organisme (organisch materiaal) of door uitscheiding (ureum of urinezuur, bij de meeste landdieren en ammoniak, in uitwerpselen van vissen) dat stikstofverbindingen bevat. Aldus zullen ontbindende bacteriën inwerken op het organische materiaal, waarbij ammoniak vrijkomt. Ammoniak kan ook worden omgezet in nitrieten en nitraten door dezelfde nitrobacteriën die ammonium omzetten en integreren met de cyclus.
Een alternatief voor kunstmest
Zoals we hebben gezien, kan stikstoffixatie in de bodem positieve effecten hebben, maar vindt het proces overmatig plaats, het kan negatieve gevolgen hebben voor het milieu. De inmenging van de mensheid in de stikstofcyclus is te wijten aan industriële fixatie (door het gebruik van kunstmest), waardoor de concentratie van te fixeren stikstof toeneemt, waardoor problemen ontstaan zoals hierboven genoemd.
Een alternatief voor het gebruik van kunstmest is vruchtwisseling, afwisselende culturen van stikstofbindende en nietbindende planten. Stikstofbindende planten zijn planten waarbij bacteriën en andere fixerende organismen aan hun wortels zijn gekoppeld, zoals bij vlinderbloemige planten (zoals bonen en sojabonen). De rotatie zou de fixatie van stikstof in veiligere hoeveelheden bevorderen dan het gebruik van kunstmest, waardoor voedingsstoffen worden geleverd die compatibel zijn met het assimilatievermogen van de planten, hun ontwikkeling bevorderen en de hoeveelheid voedingsstoffen die de waterlichamen bereiken, verminderen. Een soortgelijk proces genaamd "groenbemester" kan ook worden toegepast om meststoffen te vervangen.
Dit proces bestaat uit het kweken van stikstofbindende planten en ze te borstelen voordat ze zaden produceren, ze op hun plaats laten als mulch, zodat latere culturen van andere soorten kunnen worden gemaakt. Hieronder zien we een afbeelding die ons een samenvatting geeft van wat er in het artikel te zien was:
ANAMMOX
De afkorting in het Engels (wat anaërobe oxidatie van ammoniak betekent) noemt een innovatief biologisch proces voor het verwijderen van ammoniak uit water en gassen.
Het bestaat uit een snelkoppeling, aangezien de ammoniak niet hoeft te worden genitrificeerd tot nitriet en nitraat om weer gedenitrificeerd te worden in de vorm van N 2. Met het ANAMMOX-proces zou de ammoniak direct worden omgezet in stikstofgas (N 2). Het eerste grootschalige station werd in 2002 in Nederland geplaatst en in 2012 waren er al 11 installaties in bedrijf.
Het ANAMMOX-proces is efficiënt en duurzaam en kan worden gebruikt om ammoniak uit effluenten te verwijderen in concentraties hoger dan 100 mg / l. Binnen de reactoren bestaan nitrificerende bacteriën en ANAMMOX naast elkaar, waar de eerste ongeveer de helft van de ammoniak omzetten in nitriden (chemische verbindingen met stikstof in hun samenstelling), en de ANAMMOX-bacteriën werken door de nitriden en ammoniak om te zetten in stikstofgas.
Anaërobe oxidatie van ammoniak is veelbelovend gebleken en kan al worden aangetroffen in industriële processen zoals afvalwaterzuivering, organisch vast afval, voedingsindustrieën, meststoffen, onder andere.
