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Ciclo dell'azoto


Le piante richiedono un numero di elementi diversi da quelli che ottengono direttamente dall'atmosfera (carbonio e ossigeno sotto forma di anidride carbonica) e dalle acque sotterranee (idrogeno e ossigeno).

Tutti tranne uno di questi elementi proviene dalla disintegrazione delle rocce e viene catturato dalle piante dal terreno. L'eccezione è l'azoto, che rappresenta 78% dell'atmosfera terrestre.

il rocce di superficie terrestre Sono anche la fonte primaria di azoto, che penetra nel suolo, indirettamente attraverso l'atmosfera e attraverso il suolo, penetra nelle piante che vi crescono.

La maggior parte degli esseri viventi non è in grado di utilizzare azoto atmosferico per sintetizzare proteine ​​e altre sostanze organiche. A differenza del carbonio e dell'ossigeno, l'azoto è molto chimicamente non reattivo e solo certo batteri e alghe blu Hanno la capacità altamente specializzata di assimilare azoto dall'atmosfera e convertirlo in una forma che può essere utilizzata dalle cellule. La carenza di azoto utilizzabile è spesso il principale fattore limitante per la crescita delle piante.

Il processo attraverso il quale l'azoto circola attraverso le piante e il suolo attraverso l'azione degli organismi viventi è noto come ciclo dell'azoto.

Ammonificazione

Gran parte dell'azoto presente nel suolo proviene da materiali organici morti, che esistono come composti organici complessi come proteine, aminoacidi, acidi nucleici e nucleotidi. Tuttavia, questi composti azotati vengono generalmente rapidamente decomposti in sostanze più semplici dagli organismi viventi del suolo.

il batteri saprofiti e varie specie fungine sono i principali responsabili della decomposizione di materiali organici morti. Questi microrganismi utilizzano proteine ​​e aminoacidi come fonte per le proprie proteine ​​e rilasciano azoto in eccesso sotto forma di ammonio (NH4+). Questo processo è chiamato ammonificazione. L'azoto può essere fornito come ammoniaca gassosa (NH3), ma questo processo di solito si verifica solo durante la decomposizione di grandi quantità di materiali ricchi di azoto, come in una grande porzione di fertilizzante o fertilizzante. In generale, l'ammoniaca prodotta dall'ammoniaca viene dissolta nell'acqua del suolo, dove si combina con i protoni per formare lo ione ammonio.

Nitrificazione

Diverse specie di batteri che si trovano comunemente nei suoli sono in grado di ossidare ammoniaca o ammonio. Ossidazione dell'ammoniaca, nota come nitrificazioneè un processo che produce energia e l'energia rilasciata viene utilizzata da questi batteri per ridurre l'anidride carbonica, proprio come le piante autotrofe usano l'energia luminosa per ridurre l'anidride carbonica. Tali organismi sono noti come agenti autotrofi chemiosintetici (diverso dagli autotrofi fotosintetici come piante e alghe). il batteri nitrificanti chemiosintetica Nitrosomonas e Nitrosococcus ossidare l'ammoniaca in nitrito (NO2-):

2 NH 3 + 302 --------> 2 NO2- + 2 H+ + 2 H2il

(ammoniaca gas) (nitrito)

Il nitrito è tossico per le piante superiori, ma si accumula raramente nel terreno. Nitrobacter, un altro genere di batteri ossida il nitrito per formare nitrato (NO3-), sempre con rilascio di energia:

2 NO2- + O2 ---------> 2 NO3-

(nitrito) (nitrato)

Il nitrato è la forma in cui quasi tutto l'azoto si sposta dal terreno verso le radici.

Poche specie di piante sono in grado di utilizzare proteine ​​animali come fonte di azoto. Queste specie, che comprendono il piante carnivore, hanno adattamenti speciali utilizzati per attrarre e catturare piccoli animali. Digeriscono assorbendo i composti azotati e altri composti organici e minerali come potassio e fosfato. La maggior parte delle piante carnivore si trova nelle paludi, che sono generalmente fortemente acide e quindi sfavorevoli alla crescita di batteri nitrificanti.

Perdita di azoto

Come abbiamo osservato, i composti azotati delle piante di clorofillato ritornano nel terreno dopo la loro morte (o gli animali che si sono nutriti di essi), essendo ritrattati dagli organismi del suolo e dai microrganismi, assorbiti dalle radici sotto forma di nitrato disciolto nell'acqua del suolo. convertito in composti organici. Durante questo ciclo c'è sempre una "perdita" di una certa quantità di azoto, che lo rende inutilizzabile per la pianta.

Una delle principali cause di questa perdita di azoto è piante per la rimozione del suolo. I suoli coltivati ​​mostrano spesso un costante declino del contenuto di azoto. L'azoto può anche essere perso quando viene decapitato il terriccio erosione o quando la sua superficie viene distrutta da fuoco. L'azoto viene anche rimosso da lisciviazione; i nitrati e i nitriti, che sono anioni, sono particolarmente sensibili alla lisciviazione dell'acqua attraverso il suolo. In alcuni terreni, i batteri denitrificanti scindono i nitrati e rilasciano azoto nell'aria. Questo processo che fornisce ai batteri l'ossigeno necessario per la respirazione è costoso in termini di fabbisogno energetico (ad es.2 può essere ridotto più velocemente di NO3-) e si verifica ampiamente solo in terreni carenti di ossigeno, vale a dire in terreni scarsamente drenati e quindi scarsamente ventilati.

A volte un'alta percentuale di azoto nel terreno non è disponibile per le piante. Questa immobilizzazione si verifica quando c'è un eccesso di carbonio. Quando le sostanze organiche ricche di carbonio ma povere di azoto, la paglia è un buon esempio, se sono in abbondanza nel terreno, i microrganismi che attaccano queste sostanze avranno bisogno di più azoto di quello che contengono per sfruttare appieno il carbonio presente. Di conseguenza, utilizzeranno non solo l'azoto presente nella paglia o materiale simile, ma anche tutti i sali di azoto disponibili nel terreno. Di conseguenza, questo squilibrio tende a normalizzarsi quando il carbonio viene fornito come anidride carbonica dalla respirazione microbica e all'aumentare del rapporto azoto-carbonio nel suolo.

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Fissazione dell'azoto

Come possiamo vedere, se tutto l'azoto che viene rimosso dal terreno non fosse costantemente reintegrato, praticamente dare la vita su questo pianeta alla fine scomparirebbe. L'azoto viene reintegrato nel terreno da fissazione dell'azoto. La fissazione dell'azoto è il processo mediante il quale l'azoto gassoso nell'aria viene incorporato nei composti organici azotati e quindi introdotto nel ciclo dell'azoto. La fissazione di questo gas, che può essere fatto in misura considerevole solo da pochi batteri e alghe blu, è un processo da cui dipendono tutti gli organismi viventi oggi, così come alla fine dipendono tutti dalla fotosintesi per ottenere energia.

Una o duecento milioni di tonnellate di azoto vengono aggiunte ogni anno alla superficie terrestre dai sistemi biologici. L'uomo produce 28 milioni di tonnellate, la maggior parte delle quali utilizzate come fertilizzanti; Tuttavia, questo processo viene eseguito con costi energetici elevati in termini di combustibili fossili. La quantità totale di energia richiesta per la produzione di fertilizzanti a base di ammonio è attualmente stimata equivalente a 2 milioni di barili di petrolio al giorno. In effetti, si stima che i costi della fecondazione dell'azoto stiano raggiungendo il punto di diminuire i profitti. Le colture tradizionali in aree come l'India non ottengono rese significativamente maggiori usando fertilizzanti azotati ma hanno bassi fabbisogni di azoto, ma ora vengono sostituite da "cereali miracolosi" e altre colture che non producono più con la fertilizzazione con azoto. - proprio in un momento in cui tale trattamento sta diventando proibitivamente costoso.

Tra le varie classi di organismi che fissano l'azoto, i batteri simbiotici sono di gran lunga i più importanti in termini di quantità totali di azoto fissate. Il batterio azotato più comune è Rhizobium, che è un tipo di batterio che invade le radici dei legumi (angiosperme della famiglia Fabaceae o Leguminose) come trifoglio, piselli, fagioli, vecce e erba medica.

Gli effetti benefici dei legumi sul suolo sono così evidenti che sono stati riconosciuti centinaia di anni fa. Teofrasto, che visse nel terzo secolo a.C., scrisse che i Greci usavano le colture di fagioli per arricchire il suolo. Dove crescono i legumi, una certa quantità di azoto “extra” può essere rilasciata nel terreno, dove diventa disponibile per altre piante. Nell'agricoltura moderna è pratica comune alternare un raccolto non leguminoso come il mais con un legume come l'erba medica. I legumi vengono quindi raccolti per il fieno lasciando le radici ricche di azoto, o ancora meglio, arate di nuovo sul campo. Un buon raccolto di erba medica, che viene trasferito a terra, può fornire 450 chilogrammi di azoto per ettaro. L'applicazione degli oligoelementi cobalto e molibdeno richiesti dai batteri simbiotici aumenta notevolmente la produzione di azoto se questi elementi sono presenti in quantità limitata, come in gran parte dell'Australia.

Microrganismi a fissaggio libero di azoto

Batteri non simbiotici di generi Azotobacter e Clostridium sono in grado di riparare l'azoto. Azotobacter è aerobico, mentre Clostridium è anaerobico; Entrambi sono batteri saprofitici comuni trovati nel terreno. Si stima che probabilmente forniranno circa 7 chilogrammi di azoto per ettaro di terreno all'anno. Un altro gruppo importante comprende molti batteri fotosintetici. Anche le alghe blu a vita libera svolgono un ruolo importante nella fissazione dell'azoto. Sono fondamentali per la coltivazione del riso, che è la dieta principale di oltre la metà della popolazione mondiale. Le alghe blu possono anche svolgere un importante ruolo ecologico nella fissazione dell'azoto negli oceani.

La distinzione tra fissazione dell'azoto da parte di organismi viventi e simbiotici potrebbe non essere così rigorosa come si pensava tradizionalmente. Alcuni microbi si verificano regolarmente nel terreno attorno alle radici di alcune piante che riducono i carboidrati consumando questi composti e allo stesso tempo fornendo indirettamente azoto alle piante. Associazioni simbiotiche tra batteri normalmente liberi come Azotobactere cellule vegetali più elevate nelle colture di tessuti hanno indotto la loro crescita in un mezzo artificiale privo di azoto.

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