KRENIE AZOTU W PRZYRODZIE CELE LEKCJI l POZNANIE

KRĄŻENIE AZOTU W PRZYRODZIE CELE LEKCJI: l. POZNANIE FUNKCJI KOMÓREK PROKARIOTYCZNYCH W KONTEKŚCIE ICH ZNACZENIA W OBIEGU PIERWIASTKÓW l. POBUDZANIE DO AKTYWNYCH POSZUKIWAŃ W KIERUNKU ZROZUMIENIA PROCESÓW EKOLOGICZNYCH CO MUSISZ UMIEĆ? • OMAWIAĆ OBIEG PIERWIASTKÓW W PRZYRODZE ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM AZOTU • WYJAŚNIAĆ ZNACZENIE PROCESÓW: NITRYFIKACJI, DENITRYFIKACJI, AMONIFIKACJI • PODAWAĆ PRZYKŁADY BAKTERII UCZESTNICZĄCYCH W OBIEGU AZOTU

CYKLE BIOGEOCHEMICZNE Cykl biogeochemiczny – krążenie pierwiastka lub związku chemicznego w obrębie całej ekosfery, łącznie z biosferą. W każdym cyklu dość łatwo można wyróżnić dwie części zasobów danego pierwiastka: l pulę zasobów (stanowi ją podstawowa część całkowitej ilości pierwiastka, która znajduje się w formie nieorganicznej poza ciałami organizmów żywych: przemiany w tej puli mają charakter abiotyczny) l pulę wymienną (stanowi ją ta część pierwiastka, która znajduje się w żywych organizmach i ich bezpośrednim środowisku: pulę tę cechują znacznie szybsze przemiany o charakterze biotycznym). Największe znaczenie mają następujące cykle: l obieg azotu w przyrodzie l obieg węgla w przyrodzie l obieg siarki w przyrodzie l cykl hydrologiczny l obieg fosforu w przyrodzie (w tym obieg fosforu w wodzie)

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE l Cykl azotowy, cykl nitryfikacyjny, obieg azotu w przyrodzie – cykl biogeochemiczny, który opisuje cyrkulację azotu i jego związków chemicznych w biosferze. Ziemska atmosfera składa się w 78% z azotu i stanowi zarówno pierwotne źródło tego pierwiastka dla biosfery, jak i jest miejscem, do którego jest on uwalniany.

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE 1. Wchłanianie azotu z atmosfery l l Gazowy azot z atmosfery przenika do biosfery na trzy sposoby: Pierwotne wchłanianie azotu przez bakterie azotowe. Proces ten można skrótowo opisać następującym równaniem: – l l Powstający amoniak jest dalej błyskawicznie przekształcany w jony amonowe (NH+4), które są stosowane bezpośrednio do syntezy kwasu glutaminowego, który jest dalej przekształcany w glutaminę. Wchłanianie to odbywa się częściowo przez wolno żyjące bakterie oraz częściowo przez bakterie brodawkowe żyjące w symbiozie z roślinami motylkowymi. Dostarczanie azotu w formie nawozów azotowych. Nawozy te produkuje się z amoniaku, który otrzymuje się w procesie Habera-Boscha: – l l N 2 + 8 H+ + 8 e− + 16 ATP → 2 NH 3 + H 2 + 16 ADP + 16 Pi N 2 + 3 H 2 → 2 NH 3 który realizuje w skali przemysłowej proces sumarycznie identyczny z tym prowadzonym przez bakterie azotowe. Wchłanianie azotynów, które powstają w wyniku naturalnych procesów atmosferycznych i geologicznych. Ilość wchłanianego tą drogą azotu jest jednak minimalna i nie liczy się w ogólnym bilansie tego pierwiastka.

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE 2. Wchłanianie azotanów z gleby i wody l Rośliny, które nie żyją w symbiozie z bakteriami azotowymi wchłaniają azot w postaci jonów azotanowych i amonowych. Jony te są obecne w wodzie i glebie na skutek procesów gnilnych, a także działania wolnożyjących bakterii azotowych. Rośliny te wchłaniają jony przez swoje systemy korzeniowe i następnie przekształcają je w aminokwasy, z których są budowane białka.

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE 3. Wtórne generowanie amoniaku l Amoniak jest wtórnie generowany w trakcie procesów gnilnych, które są realizowane przez wyspecjalizowane bakterie i grzyby. Jest też generowany przez zwierzęta w wyniku rozkładu mocznika, jednego z podstawowych produktów ich metabolizmu. Powstający amoniak, a właściwie jony amonowe, mogą być od razu pożytkowane przez bakterie nitryfikacyjne lub są uwalniane do otoczenia. Gdy procesy gnilne są w równowadze z procesami nitryfikacji układ znajduje się w równowadze ekologicznej. Zbyt dużo jonów amonowych w środowisku powoduje, że staje się ono nadmiernie zasadowe, co przyspiesza gnicie organizmów żywych, rozwój gnicia i dalszy wzrost zasadowości środowiska.

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE 4. Nitryfikacja Pojawiający się w środowisku amoniak – czy to w wyniku procesów geologiczno-atmosferycznych, czy też w wyniku procesów gnilnych i dostarczany przez azobakterie jest przekształcany w jony azotanowe przez bakterie nitryfikacyjne. Proces ten polega w wielkim uproszczeniu na utlenianiu amoniaku do jonów azotynowych i dalej do azotanów. l NH 3 + O 2 → NO 2− + 3 H+ + 2 e− l NO 2− + H 2 O → NO 3− + 2 H+ + 2 e−

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE Denitryfikacja i proces anammox l Denitryfikacja jest procesem przekształcania nadmiaru azotanów pochodzących z procesu nitryfikacji do gazowego azotu. Jest ona realizowana przez liczne mikroorganizmy, żyjące głównie w wodzie, takie jak bakterie Pseudomonas fluorescens. Sumarycznie proces ten można opisać w następujący sposób: – l l 2 NO 3− + 10 e− + 12 H+ → N 2 + 6 H 2 O Analogicznym, niedawno odkrytym procesem jest anammox (ang. anaerobic ammonium oxidation), który prowadzi do bezpośredniego utleniania nadmiarowych ilości jonów amonowych do gazowego azotu. Proces Anammox również jest realizowany przez bakterie żyjące głównie w wodzie. W skali globalnej oba te procesy prowadzą do ustalania się równowagi obiegu azotu w biosferze i warunkują też utrzymywanie składu atmosfery ziemskiej. Istnieją liczne dyskusje naukowe na temat tego, który z tych procesów jest dominujący.

OBIEG AZOTU W PRZYRODZIE Cykl azotowy w akwariach l l Źródłem azotu dla akwariów jest w zasadzie wyłącznie pokarm (1) dla ryb i innych zwierząt tworzących jego faunę. W ramach swojego metabolizmu ryby wydalają do wody amoniak, a dokładniej jony amonowe, które zwiększają p. H wody (2). Drugim źródłem amoniaku są gnijące szczątki na ściankach i dnie akwarium (7). Wydalane jony amonowe są przekształcane w jony azotynowe i azotanowe przez bakterie z rodzaju Nitrosomonas (3) i Nitrosospira (4). Azotany, a zwłaszcza azotyny są dla żyjących w akwarium organizmów jeszcze bardziej zabójcze od amoniaku. Za dopuszczalne stężenie azotynów przyjmuje się 0, 5 mg/l, a azotanów 50 mg/l. Jony te są jednak łatwo absorbowane przez rośliny wodne, dla których stanowią rodzaj naturalnego nawozu. Oprócz tego rośliny absorbują dwutlenek węgla (9) i wydalają tlen (8) potrzebny do życia wszystkim organizmom, co jednak nie jest częścią cyklu azotowego

PODSUMOWANIE Obieg azotu w przyrodzie jest jednym z cykli biogeochemich l Azot występuje w aminokwasach tworzących białka, w zasadach azotowych nukleotydów wchodzących w skład DNA i RNA. W roślinach znaczna część azotu jest wbudowana w chlorofil biorący udział w procesie fotosyntezy l Uwaga prezentacja zawiera sformułowania których nie używa się we współczesnej chemii np. jony azotynowe NO 2 - zamiast jony azotanowe III l

DZIĘKJĘ ZA UWAGĘ