چرخه نیتروژن چیست؟

چرخه نیتروژن یک فرآیند بیوژئوشیمیایی است که از طریق آن نیتروژن به اشکال مختلف تبدیل می شود و به طور متوالی از جو به خاک و سپس به  ارگانیسم منتقل می شود و دوباره به جو باز می گردد.این شامل چندین فرآیند مانند تثبیت نیتروژن، نیتریفیکاسیون، نیترات زدایی و پوسیدگی است.گاز نیتروژن به دو صورت آلی و معدنی وجود دارد. نیتروژن آلی در موجودات زنده وجود دارد و با مصرف موجودات زنده دیگر از طریق زنجیره غذایی عبور می کند.اشکال غیر آلی نیتروژن به وفور در جو یافت می شود. این نیتروژن توسط باکتری های همزیست در دسترس گیاهان قرار می گیرد که می توانند نیتروژن بی اثر را به شکل قابل استفاده تبدیل کنند - مانند نیتریت ها و نیترات ها. نیتروژن برای حفظ تعادل در اکوسیستم، دستخوش انواع دگرگونی می شود. علاوه بر این، این فرآیند به بیوم‌های مختلف گسترش می‌یابد که چرخه نیتروژن دریایی یکی از پیچیده‌ترین چرخه‌های بیوژئوشیمیایی است. در اینجا مراحل چرخه نیتروژن در خشکی را شرح میدهیم تا با آن بهتر آشنا شوید وسپس چرخه نیتروژن در آب را توضیح میدهیم. البته چرخه نیترژن در آب به همین منوال ، ولی کمی پیچیده تر ، انجام میشود.

مراحل چرخه نیتروژن در خشکی

فرآیند چرخه نیتروژن شامل مراحل زیر است :

1. تثبیت نیتروژن
2. نیتریفیکاسیون
3. جذب
4. آمونیفیکاسیون
5. نیتروژن زدایی

این فرآیندها در چند مرحله انجام می شود:

1.فرآیند تثبیت نیتروژن

این مرحله اولیه چرخه نیتروژن است. در اینجا، نیتروژن اتمسفر و یا محلول در آب (N2) که عمدتاً به شکل بی اثر در دسترس است، به شکل قابل استفاده - آمونیاک (NH3) تبدیل می شود.در طی فرآیند تثبیت نیتروژن، شکل بی اثر گاز نیتروژن از جو و آب های سطحی عمدتاً از طریق بارش به خاک رسوب می کند. بعداً نیتروژن دستخوش مجموعه‌ای از تغییرات می‌شود که در آن دو اتم نیتروژن از هم جدا می‌شوند و با هیدروژن ترکیب می‌شوند و آمونیاک (NH4+) تشکیل می‌دهند.کل فرآیند تثبیت نیتروژن توسط باکتری های همزیست که به نام دیازوتروف (Diazotrophs)شناخته می شوند تکمیل می شود. ازتوباکتر و ریزوبیوم (Azotobacter and Rhizobium)نیز نقش عمده ای در این فرآیند دارند. این باکتری ها از یک آنزیم نیتروژناز (nitrogenase)تشکیل شده اند که توانایی ترکیب نیتروژن گازی با هیدروژن را برای تشکیل آمونیاک دارد.

تثبیت نیتروژن می تواند توسط تثبیت اتمسفر رخ دهد ، که شامل روشن شدن یا تثبیت صنعتی با تولید آمونیاک در شرایط دما و فشار بالا است. این را می‌توان از طریق فرآیندهای ساخت بشر، عمدتاً فرآیندهای صنعتی که کودهای آمونیاک و غنی از نیتروژن ایجاد می‌کنند، برطرف کرد.

انواع تثبیت نیتروژن

1. تثبیت اتمسفر: یک پدیده طبیعی است که در آن انرژی رعد و برق نیتروژن را به اکسیدهای نیتروژن می شکند و سپس توسط گیاهان استفاده می شود.
2. تثبیت نیتروژن صنعتی: جایگزینی ساخته دست بشر است که با استفاده از آمونیاک به تثبیت نیتروژن کمک می کند. آمونیاک از ترکیب مستقیم نیتروژن و هیدروژن تولید می شود و بعداً به کودهای مختلف مانند اوره تبدیل می شود.

• تثبیت بیولوژیکی نیتروژن: ما قبلاً می دانیم که نیتروژن مستقیماً از هوا برای گیاهان و حیوانات قابل استفاده نیست. باکتری هایی مانند ریزوبیوم و جلبک های سبز آبی شکل غیرقابل استفاده نیتروژن را به ترکیبات دیگری تبدیل می کنند که به راحتی قابل استفاده هستند. این ترکیبات نیتروژن توسط این میکروب ها در خاک تثبیت می شوند.

2.نیتریفیکاسیون

در این فرآیند، آمونیاک با نوعی باکتری در خاک به نیترات تبدیل می شود. نیتریت ها از اکسیداسیون آمونیاک با کمک گونه های باکتری نیتروسوموناس (Nitrosomonas )تشکیل می شوند. بعداً نیتریت های تولید شده توسط نیتروباکتر  Nitrobacter  به نیترات تبدیل می شوند. این تبدیل بسیار مهم است زیرا گاز آمونیاک برای گیاهان سمی است. باکتری های نیتروسوموناس و نیتروباکتر از خانواده باکتری های هوازی هستند و برای انجام فرایند تجزیه حتما به اکسیژن نیاز دارند.

واکنش درگیر در فرآیند نیتریفیکاسیون به شرح زیر است:

2NH4+ + 3O2 → 2NO2– + 4H+ + 2H2O

2NO2– + O2 → 2NO3–

3.جذب

گیاهان با کمک ریشه خود ترکیبات نیتروژنی را از خاک دریافت می کنند که به صورت آمونیاک، یون نیتریت، یون نیترات یا یون آمونیوم موجود است و در تشکیل پروتئین های گیاهی و حیوانی استفاده می شود. به این ترتیب، زمانی که مصرف کنندگان اولیه (حیوانات گیاه خوار) گیاهان را می خورند، وارد شبکه غذایی می شود.

4.آمونیفیکیشن

هنگامی که گیاهان یا حیوانات می میرند، نیتروژن موجود در مواد آلی دوباره به خاک آزاد می شود.(البته در مورد آبزیان، این مواد آلی در داخل آب پخش میشود که برای آب های محدود مثل آکواریوم و یا حتی برکه های کوچک و تالابها میتواند بسیار خطرناک باشد و باعث مرگ بیشتر آبزیان در کمترین زمان ممکن شود) . تجزیه کننده ها، یعنی باکتری ها یا قارچ های موجود در خاک و آب، مواد آلی را دوباره به آمونیوم تبدیل می کنند. این فرآیند تجزیه، آمونیاک تولید می کند که بیشتر برای سایر فرآیندهای بیولوژیکی استفاده می شود.

5.نیترات زدایی

نیترات زدایی فرآیندی است که در آن ترکیبات نیتروژن با تبدیل نیترات (NO3-) به نیتروژن گازی (N) راه خود را به جو باز می کنند. این فرآیند چرخه نیتروژن مرحله نهایی است و در نبود اکسیژن رخ می دهد. نیترات زدایی توسط گونه های باکتریایی نیترات زدایی انجام می شود . کلستریدیوم و سودوموناس(Clostridium and Pseudomonas)، نیترات را برای به دست آوردن اکسیژن مصرف می کنند و گاز نیتروژن آزاد را به عنوان یک محصول فرعی تولید می کند.

چرخه نیتروژن در اکوسیستم دریایی

فرآیند چرخه نیتروژن در اکوسیستم دریایی به همان روشی که در اکوسیستم زمینی است ، رخ می دهد. تنها تفاوت این است که توسط باکتری های دریایی انجام می شود.ترکیبات حاوی نیتروژن در اتمسفر با فشرده شدن رسوبات در دوره های طولانی و تشکیل سنگ های رسوبی به اقیانوس وارد میشوند که البته خود آبزیان هم تولید کننده این ترکیبات هستند. به دلیل متعادل کردن رویه زمین شناسی، این سنگ های رسوبی به سمت خشکی حرکت می کنند (به دلیل سایز بسیار کوچک توسط جریان امواج ). در ابتدا مشخص نبود که این سنگ های رسوبی حاوی نیتروژن منبع ضروری نیتروژن هستند. اما تحقیقات اخیر ثابت کرده است که نیتروژن حاصل از این سنگ‌ها در اثر فرسایش سنگ‌ها وارد اتمسفر زمین و سپس گیاهان می‌شود.(گفتم کمی پیچیده است)

اهمیت چرخه نیتروژن

اهمیت چرخه نیتروژن به شرح زیر است:

• به گیاهان کمک می کند تا کلروفیل را از ترکیبات نیتروژن سنتز کنند.
• از طریق فرآیند بیوشیمیایی به تبدیل گاز نیتروژن بی اثر به شکل قابل استفاده برای گیاهان کمک می کند.
• در فرآیند آمونیفیکاسیون، باکتری ها به تجزیه مواد حیوانی و گیاهی کمک می کنند که به طور غیر مستقیم به پاکسازی محیط کمک می کند.
• نیترات ها و نیتریت ها در خاک آزاد می شوند که به غنی سازی خاک با مواد مغذی لازم برای کشت کمک می کند.
• نیتروژن جزء جدایی ناپذیر سلول است و بسیاری از ترکیبات حیاتی و مولکول های زیستی مهم را تشکیل می دهد.
• نیتروژن همچنین توسط فعالیت های انسانی مانند احتراق سوخت و استفاده از کودهای نیتروژن ،وارد چرخه می شود. این فرآیندها باعث افزایش سطح ترکیبات نیتروژن دار در جو می شود. کودهای حاوی نیتروژن در دریاچه ها و رودخانه ها شسته می شوند و منجر به اوتروفیکاسیون می شوند.
• در مبحث تصفیه آب های محدود مانند اکوسیستم های کوچک همچون آکواریوم و تالابها و برکه بسیار مهم و موثر است.

در نمودار فوق ، از روز اول راه اندازی یک آکواریوم آبشور به صورت هر روزه از آب آکواریوم تست گرفته شده و مقادیر آمونیاک ، نیتریت و نیترات را ثبت کردیم.نمودار به شکل کاملا دقیق به شما نشان میدهد که چگونه در ابتدای راه اندازی مقدار آمونیاک آب رو به افزایش است و در روز ششم به مقدار مرگبار 5 میلی گرم در لیتر میرسد . این در حالیست که مقدار 0.5 میلی گرم آمونیاک در آب برای بسیاری از موجوات آبزی مرگبار بوده و اگر این مقدار به یک میلی گرم برسد به طور قطع هیچ موجود زنده ای توانایی تحمل این مقدار سم آمونیاک را در آب ندارد.اما با استفاده از باکتری های موجود در بازار که ما از باکتری شرکت سیچم استفاده کردیم (از روز اول) روند کم شدن دوز آمونیاک در آب رفته رفته کم شده و در روز 12 به صفر میرسد. حال زمانی که آمونیاک در آب وجود داشته باشد باکتری های تجزیه کننده آمونیاک آن را به نیتریت تبدیل میکند و از روز سوم ، روند افزایش نیتریت در اکوسیستم شروع میشود.

روند افزایش نیتریت در آب ، روز هجدهم به اوج خود رسیده و باز هم با شروع تجزیه نیتریت توسط باکتری های مفید و تبدیل آن به نیترات از روز سیزدهم ، روند رو به رشد نیترات در نمودار دیده میشود.آمونیاک که در روز دوازدهم به صفر میرسد و خطر آن از بین میرود ولی همچنان نیتریت به عنوان یک سم کشنده ، جایگزین آمونیاک شده و تا روز سی و یکم خود را در آب حفظ میکند ولی با افزایش آهسته آهسته باکتری های خانواده نیتروسوموناس ، این سم خطرناک نیز از آب حذف میشود و به نیترات تبدیل میشود.

نیترات کشنده نیست ولی یک ماده غذایی بسیار مناسب برای جلبک های مزاحم است و با شروع روند تولید نیترات در آب ، کمی جلبکزایی و دیاتوم در آب آکواریوم شروع میشود . از روز 30 شروع چرخه ، ورود آبزیان با یک ماهی دمسل به این آکواریوم آغاز شد و همانطور که می بینید روند نزولی نیترات بخاطر ورود ماهی کمی تغییر کرد چرا که موجودات زنده با ادرار و مدفوع وضعیت سیکل را تغییر میدهند و دقیقا به همین دلیل ورود تعداد زیاد آبزیان را توصیه نمی کنیم و بهتر است بین ورود هر ماهی چند روزی فاصله باشد مگر اینکه یک سیستم قدیمی و جا افتاده داشته باشید که این شوک برای سیکل ازت آکواریوم تاثیر چندانی را نداشته باشد. تقریبا بعد از سه ماه شما یک سیستم کامل و قوی دارید البته به شرط اینکه تزریق باکتری و مواد تقویت کننده باکتری های چرخه ازت را فراموش نکنید.

نتیجه

• نیتروژن در جو فراوان است، اما برای گیاهان یا حیوانات غیرقابل استفاده است مگر اینکه به ترکیبات نیتروژن تبدیل شود.
• باکتری های تثبیت کننده نیتروژن نقش مهمی در تثبیت نیتروژن اتمسفر به ترکیبات نیتروژنی دارند که می توانند توسط گیاهان استفاده شوند.
• گیاهان از طریق ریشه، ترکیبات نیتروژن قابل استفاده را از خاک جذب می کنند. سپس از این ترکیبات نیتروژن برای تولید پروتئین و سایر ترکیبات در سلول استفاده می شود.
• حیوانات با مصرف این گیاهان یا سایر حیواناتی که حاوی نیتروژن هستند، نیتروژن را جذب می کنند. انسان ها پروتئین های این گیاهان و حیوانات را مصرف می کنند و سپس نیتروژن به سیستم ما جذب می شود.
• در طی مراحل پایانی چرخه نیتروژن، باکتری ها و قارچ ها به تجزیه مواد آلی کمک می کنند، جایی که ترکیبات نیتروژنی در خاک حل می شوند و دوباره توسط گیاهان استفاده می شود.
• سپس برخی از باکتری ها این ترکیبات نیتروژنی را در خاک تبدیل کرده و آن را به گاز نیتروژن تبدیل می کنند. در نهایت به جو برمی گردد.
• این مجموعه فرآیندها به طور مداوم تکرار می شوند و در نتیجه درصد نیتروژن موجود در جو را حفظ می کنند.
• در کلیه تصفیه خانه های آب که به شکل بیولژیکی عمل میکنند مانند آکواریوم ها ، همه مراحل فوق جهت پایین آوردن سطح نیتروژن محلول در آب صورت میگیرد تا از بروز تلفات و جلبک زایی فراوان خانواده نیتروژن جلوگیری شود.