Transcript ος αζώτου_ΤΕΛΙΚΟ

Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ
ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ –N
Η ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΓΙΑ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

ΒΙΟ-ΓΕΩ-ΧΗΜΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ

ΑΙΤΙΑ ΔΙΑΤΑΡΑΞΗΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ

ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗ ΔΙΑΤΑΡΑΞΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ
ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ

ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΑΡΑΞΗΣ
ΤΟΥ ΚΎΚΛΟΥ ΤΟΥ

Πηγές Αζώτου






Κεραυνοί
Ανόργανα λιπάσματα
Αφομοίωση του αζώτου
Απεκκρίσεις ζώων
Υπολείμματα καλλιεργειών
Οργανικά λιπάσματα
Πηγές (Μορφές) Αζώτου







Ατμοσφαιρικό (δι)άζωτο N2 78% του αέρα
Οργανικό N
Αμμωνιακά ιόντα  NH4+
Νιτρικά ιόντα  NO3+Αμμωνία  NH3 (αέριο)
Νιτρώδη ιόντα  NO2Ουρία  CO(NH2)2
Παγκόσμιες δεξαμενές Ν
Δεξαμενή
Αζώτου
Τόνοι
αζώτου
Ενεργή
ανακύκλωση
Ατμόσφαιρα
3.9*1015
Όχι
Ωκεανοί 
διαλυτά άλατα
Βιομάζα
6.9*1011
5.2*108
Ναι
Ναι
1.1*1011
Αργή
2.5*1010
Ναι
Ξηρά 
οργανική ουσία
εδάφους
 Οργανισμοί
Ο ρόλος του αζώτου



Τα φυτά και τα βακτήρια χρησιμοποιούν το
άζωτο στις μορφές NH4+ ή NO3Είναι αποδέκτης ηλεκτρονίων σε αναερόβια
περιβάλλοντα
Συχνά είναι σε περιορισμένη αναλογία σε
εδάφη και νερά περιορίζοντας την ανάπτυξη
όλων των οργανισμών που εξαρτώνται από
αυτό (συμπεριλαμβανομένων των φυτών που
είναι θρεπτικό μακροστοιχείο)
Το άζωτο είναι ένα βασικό
στοιχείο ακόμη για:



τα αμινοξέα
τα νουκλεϊκά οξέα (purine, pyrimidine)
Τα συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων
των βακτηρίων (NAM).
ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ –N
•
ΧΡΗΣΕΙΣ ΑΖΩΤΟΥ
–
–
–
Διατήρηση των τροφών
ασφαλές κάλυμμα υγρών εκρηκτικών
παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και ανοξείδωτου
χάλυβα
ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ –N
Μέρη του κύκλου του Ν





Αμμωνικοποίηση/ανοργανοποίηση
Ακινητοποίηση
Βιολογική αφομοίωση
Νιτροποίηση
Απονιτροποίηση
Τα νιτρικά είναι απαραίτητα για την
ανάπτυξη των φυτών
Πρωτεΐνες
φυτών
Πρόσληψη
από τις
ρίζες
Νιτρικά
NO3-
Τα νιτρικά ανακυκλώνονται από τα
μικρόβια
Ζωική
πρωτεΐνη
Οργανικό άζωτο εδάφους
Αμμωνικοποίηση
Αμμωνιακά NH4+
Φυτική
πρωτεΐνη
Πρόσληψη
από τις
ρίζες
Νιτρωδοποίηση
ΝιτρώδηNO2
-
Νιτρικοποίηση
Νιτρικά
NO3-
Αμμωνικοποίηση

Το άζωτο εισάγεται στο χώμα από την
αποσύνθεση νεκρής οργανικής ύλης
Αμινοξέα + 11/2O2  CO2 + H2O + NH3

+ 736kJ
Αυτή η διαδικασία αποδίδει πολύ ενέργεια
που μπορούν να εκμεταλλευτούν
σαπροφυτικά μικρόβια
Νιτροποίηση
Περιλαμβάνει δυο στάδια οξείδωσης
 Η αμμωνία που παράγεται κατά την
αμμωνικοποίηση είναι ένα υ΄ψηλής ενέργειας
υπόστρωμα για τα βακτήρια Nitrosomas
Έτσι την οξειδώνουν σε νιτρώδη:

NH3 + 11/2O2  NO2- + H2O
+ 276kJ
Αυτά αποτελούν υπόστρωμα για τα βακτήρια
Nitrobacter που οξειδώνουν τα νιτρώδη σε νιτρικά:
NO3- + 1/2O2  NO3-


+ 73 kJ
Αυτή η ενέργεια είναι η μόνη πηγή ενέργειας για
αυτούς τους προκαρυωτικούς οργανισμούς
Αυτοί ονομάζονται χημειοαυτότροφοι
Άζωτο από την ατμόσφαιρα
Εξαέρωση
Ατμοσφαιρική
αφομοίωση
Ατμοσφαιρικό άζωτο
4 000 000 000 Gt
Φυτική
πρωτεΐνη
Βιολογική
αφομοίωση
Οργανικό άζωτο
εδάφους
Πρόσληψη
από τις ρίζες
Νιτρικά NO3-
Ατμοσφαιρική αφομοίωση (δέσμευση)
αζώτου



Καταιγίδες
Οι κεραυνοί παρέχουν αρκετή ενέργεια για να
διασπάσουν το δεσμό μεταξύ δυο ατόμων
αζώτου στο N2,
Σχηματίζονται οξείδια αζώτου NOx
[ΝΟ και NO2 ]
Ατμοσφαιρική ρύπανση






Αυτή η αντίδραση συμβαίνει επίσης στο εσωτερικό
των κινητήρων εσωτερικής καύσης των αυτοκινήτων
Οι εκπομπές καυσαερίων από τα αυτοκίνητα
συμβάλλουν πολύ στην ατμοσφαιρική ρύπανση με
τη μορφή των NOx
Οι ενώσεις αυτές σχηματίζουν φωτοχημικό νέφος
Είναι αέρια του θερμοκηπίου
Διαλύονται στη βροχή σε μορφή νιτρικού οξέος και
συμβάλουν στην όξινη βροχή
Η βροχή που πέφτει στο έδαφος και τρέχει στα
ποτάμια μπορεί να συμβάλλει στον ευτροφισμό των
υδάτινων αποδεκτών
Βιολογική δέσμευση του αζώτου
Επεμβάσεις
Απόδοση / g
Βρώμη
Χωρίς νιτρικά & αποστειρωμένο έδαφος
Με νιτρικά & αποστειρωμένο έδαφος
Χωρίς νιτρικά & μη αποστειρωμένο
έδαφος
Με νιτρικά & μη αποστειρωμένο έδαφος
Μπιζέλια
0.6
0.8
12.0
12.9
0.7
16.4
11.6
15.3
Συμπέρασμα




Η προσθήκη λιπάσματος νιτρικών βοηθά σαφώς την
ανάπτυξη των δύο φυτών
Η παρουσία των μικροβίων επιτρέπει στα μπιζέλια
να αναπτυχθούν πολύ καλύτερα από ό, τι η βρώμη
Τα μπιζέλια μεγαλώνουν καλύτερα με την παρουσία
μικροβίων από ό, τι όταν προστίθενται αζωτούχα
λιπάσματα
Η διαφορά αυτή οφείλεται στη παρουσία
συμβιωτικών βακτηρίων που αφομοιώνουν το
άζωτο και ζουν στις ρίζες του μπιζελιού.
Κόνδυλοι ριζών
Alafalfa (Medicago sativa)
USDA - ARS
University of Sydney
Μόνο προκαρυωτικοί οργανισμοί
εμφανίζουν την ικανότητα αφομοίωσης Ν



Αυτοί οι οργανισμοί διαθέτουν το nif γονίδιο το οποίο κωδικοποιεί
πρωτεΐνες, όπως το ένζυμο της νιτρογενάσης, που
χρησιμοποιείται στην καθήλωση του αζώτου
Η νιτρογενάση είναι μία μεταλλοπρωτεΐνη, με υπομονάδες
πρωτεΐνης που συνδέονται με σίδηρο, θείο και ένα σύμπλοκο
μολυβδενίου
Η αντίδραση περιλαμβάνει διάσπαση μορίων του αερίου αζώτου
και την προσθήκη του υδρογόνου για τη δημιουργία αμμωνίας
N2  2N
2N + 8H+  NH3 + H2


- 669 kJ
+ 54 kJ
Αυτή η αντίδραση είναι εξαιρετικά δαπανηρή σε ενέργεια
απαιτώντας 16 μόρια ATP για κάθε μόριο αζώτου που
καθηλώνεται
Τα μικρόβια που καθηλώνουν το άζωτο χρειάζονται μια καλή
πηγή ενέργειας
Αφομοιωτές αζώτου




Cyanobacteria καθηλώνουν τόσο το άζωτο
όσο και τον άνθρακα (είναι φωτοσυνθετικά)
Τα Rhizobium βακτήρια είναι συμβιωτικά
με συγκεκριμένα φυτικά είδη π.χ. Όσπρια
Αναπτύσσονται σε κονδύλους ριζών
Τα είδη Azotobacter είναι τα βακτήρια που
σχετίζονται με τη ζώνη της ρίζας (στη
ριζόσφαιρα) των φυτών σε λιβάδια
Η ανθρώπινη επίδραση
Ατμοσφαιρικό άζωτο
Ατμοσφαιρική
καθήλωση
εξαέρωση
Βιομηχανική
καθήλωση
Πρωτεΐνη
φυτών
Βιολογική
καθήλωση
Οργανικό άζωτο
εδάφους
Αμμωνιακά
NH4+
Νιτρικά NO3-
Βιομηχανική αφομοίωση N






Η διεργασία Haber-Bosch Process
N2 + 3H2  2NH3
- 92kJ
Η διαδικασία Haber χρησιμοποιεί έναν
καταλύτη σιδήρου
Υψηλές θερμοκρασίες (500°C)
Υψηλές πιέσεις (250 atmospheres)
Η ενέργεια που απαιτείται παράγεται από την
καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακα,
βενζίνης ή πετρελαίου)
Το υδρογόνο παράγεται από φυσικό αέριο
(μεθάνιο) ή κάποιον άλλο υδρογονάνθρακα
Διαφορετικές πηγές αφομοιώσιμου Ν
Πηγές καθηλωμένου αζώτου
Παραγωγή / M tonnes a-1
Βιολογικές
175
Βιομηχανικές
50
Εσωτερικής καύσης
20
Ατμοσφαιρικές
10
© 2008 Paul Billiet ODWS
Ευτροφισμός







Τα θρεπτικά εμπλουτίζουν τους υδατοαποδέκτες
Τα νιτρικά και η αμμωνία είναι πολύ διαλυτά στο νερό
Ξεπλένονται εύκολα (από την καθείσδυση υδάτων)
από την ελεύθερη αποστράγγιση των εδαφών
Τα εδάφη αυτά τείνουν να είναι φτωχά σε άζωτο
Όταν λίπασμα προστίθεται σε αυτά τα εδάφη επίσης,
θα ξεπλένεται σε άλλα υδατικά συστήματα
Υπάρχει όφελος στα φύκη (άλγη) από το επιπλέον
άζωτο
Αυτό οδηγεί σε μια σοβαρή μορφή της ρύπανσης των
υδάτων
Ευτροφισμός
Λιπάσματα εκπλύνονται μέσα σε
ποταμούς ή λίμνες
Λύματα ή άλλα
οργανικά
απόβλητα
Νέος περιοριστικός παράγοντας
επιβάλλεται
Κάνοντας τα πράγματα χειρότερα!
Ζεστό νερό
από τις
βιομηχανίες
(Θερμική
ρύπανση)
Αυξημένο Βιοχημικά
Απαιτούμενο Οξυγόνο
(BOD)
Μείωση διαλυτού O2
Ρύπανση από
πετρέλαιο ή
απορρυπαντικά
Ο θάνατος μια λίμνης
Μείωση του διαλυτού O2
Αυξάνονται τα
επίπεδα νιτρωδών
NO3-  NO2-
Θάνατος /
μετανάστευση της
πανίδας του
γλυκού νερού
Μεθαιμοσφαιριναιμία σε βρέφη
Σύνδεση με καρκίνο του στομάχου
(όριο του WHO για τα νιτρικά 10mg
dm-3)
Το μέλλον της βιομηχανικής αφομοίωσης Ν




Η παραγωγή τροφίμων εξαρτάται σε μεγάλο
βαθμό από τα συνθετικά λιπάσματα που για να
γίνουν καταναλώνεται πολύ ενέργεια από τα
ορυκτά καύσιμα
Η παραγωγή τροφίμων θα γίνει πιο ακριβή
Τα αζωτοδεσμευτικά μικρόβια, χρησιμοποιώντας
ένα ενζυμικό σύστημα, κάνουν την ίδια
διαδικασία στη συνήθη θερμοκρασία και πιέση
ουσιαστικά χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια
Πιθανή λύση στην παραγωγή Ν: Η γενετική
μηχανική μπορεί να αυξήσει τη βιολογική
καθήλωση του αζώτου;
Καλυτερεύοντας τα πράγματα






Η ανάγκη για συνθετικά λιπάσματα μπορεί να μειωθεί με
τις ακολουθούμενες αγροτικές πρακτικές
Αποφεύγοντας τη χρήση υδατοδιαλυτών λιπασμάτων σε
αμμώδη εδάφη (που έχουν καλή αποστράγγιση),
αποτρέπεται η έκπλυση
Εφαρμόζοντας εναλλασσόμενες καλλιέργειες που
επιτρέπουν στο έδαφος να ανακάμψει από απαιτητικές σε
άζωτο καλλιέργειες (π.χ. σιτάρι)
Προσθέτοντας μια καλλιέργεια για τον καθορισμό του
αζώτου στον κύκλο περιστροφής
Το όργωμα αερίζει το έδαφος και μειώνει την
απονιτροποίηση
Η ξήρανση του κορεσμένου σε νερό εδάφους βοηθά στη
μειώση της απονιτροποίησης
Επιστροφή στην ατμόσφαιρα:
Απονιτροποίση
Τα νιτρώδη και τα νιτρικά μπορούν να
χρησιμοποιηθούν ως πηγή οξυγόνου για τα
βακτηριακά είδη Pseudomonas
 Βέλτιστες συνθήκες: ψυχρά κορεσμένα σε
νερό (αναερόβια) εδάφη
2NO3-  3O2 + N2που παρέχει έως 2385kJ
2NO2-  2O2 + N2 
 Το απελευθερωμένο οξυγόνο
χρησιμοποιείται ως δέκτης ηλεκτρονίων στις
διαδικασίες που οξειδώνουν οργανικά μόρια,
όπως η γλυκόζη
 Αυτά τα μικρόβια είναι λοιπόν, ετερότροφα

Ατμοσφαιρικό άζωτο
4 000 000 000 Gt
Ατμοσφαιρικ
ή καθήλωση
εξαέρωση
Βιομηχανική
καθήλωση
Βιολογική
καθήλωση
Ζωική
πρωτεΐνη
Οργανικό άζωτο του
εδάφους 9500 Gt
Αμμωνικοποίηση
Πρωτεΐνη
φυτών
3500 Gt
Απονιτροποίηση
Πρόσληψη
από τις
ρίζες
Διαλυμένο στο νερό
6000 Gt
Αμμωνιακά NH4+
Νιτροδοποίη
ση
Νιτρώδη
NO2-
Νιττικοποίη
ση
Νιτρικά
NO3-
Απορροή
Ιζήματα 10 Gt
Μέρη του κύκλου του Ν με
χημικές αντιδράσεις





Αμμωνικοποίηση/ανοργανοποίηση
Ακινητοποίηση
Βιολογική αφομοίωση
Νιτροποίηση
Απονιτροποίηση
N2
N2O
NH4
NO2
R-NH2
NO
NO2
NO3
Αμμωνικοποίηση /
Ανοργανοποίηση
N
2
N2O
NH4
NO2
R-NH2
NO
NO2
NO3
Αμμωνικοποίηση /
ανοργανοποίηση
Αποικοδομητές: γεωσκώληκες, τερμίτες,
γυμνοσάλιαγκες, σαλιγκάρια, βακτήρια, μύκητες
 Χρησιμοποιούν εξωκυττάρια ένζυμα
 Εκκινούν την αποδόμηση φυτικών πολυμερών
 Οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν:
 Ένζυμα, πρωτεάσες λυσοζύμες νουκλεάσες για
να αποδομήσουν τις αζωτούχες ενώσεις



Τα φυτά πεθαίνουν ή τα βακτηριακά κύτταρα
λύονται αποδεσμεύεται οργανικό άζωτο
Το οργανικό άζωτο μετατρέπεται σε
ανόργανο άζωτο (NH3)

Όταν το pH<7.5, η παραπάνω μορφή
μετατρέπεται γρήγορα σε NH4

Παράδειγμα:
Ουρία
NH3 + 2 CO2
Ακινητοποίηση






Το αντίθετο της ανοργανοποίησης
Συμβαίνει όταν η ποσότητα του αζώτου είναι
περιορισμένη στο περιβάλλον
Ο περιορισμός σε άζωτο καθορίζεται από την
αναλογία C/N
Η αναλογία C/N τυπικά για μικροβιακή
βιομάζα είναι 20
C/N < 20 Ανοργανοποίηση
C/N > 20 Ακινητοποίηση
Αφομοίωση (καθήλωση) αζώτου
N2
N2O
NH4
NO2
R-NH2
NO
NO2
NO3
Αφομοίωση αζώτου

Ενεργειακά απαιτητική διαδικασία :

N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP  2NH3 + H2 +
16ADP + 16 Pi
Επιτελείται από συγκεκριμένα βακτήρια και
ακτινομήκυτες
 Επιτελείται από συγκεκριμένα φυτικά είδη
(π.χ. ψυχανθή μπιζέλι, σόγια)

Μικροοργανισμοί με ικανότητα
αφομοίωσης





Azobacter
Beijerinckia
Azospirillum
Clostridium
Cyanobacteria



Απαιτούν το ένζυμο
νιτρογενάση
Αναστέλλονται από Ο
Αναστέλλονται από την
αμμωνία (τελικό προϊόν)
Ταχύτητες αφομοίωσης Ν
Σύστημα αφομοίωσης
N2
Rhizobium-legume
Αφομοίωση αζώτου
(kg N/εκτάριο/έτος)
200-300
Cyanobacteria- moss
30-40
Rhizosphere
associations
Free- living
2-25
1-2
Εφαρμογή σε υγρότοπους





Συμβαίνουν σε υπερκείμενα ύδατα
Αερόβια εδάφη
Αναερόβια εδάφη
Στη ριζόσφαιρα
Σε φύλλα ή στελέχη επιφανειών των φυτών
Βακτηριακή Καθήλωση



Occurs mostly in salt marshes
Is absent from low pH peat of northern bogs
Cyanobacteria found in waterlogged soils
Νιτροποίηση
N2
N2O
NH4
NO2
R-NH2
NO
NO2
NO3
Νιτροποίηση
Διαδικασία δυο αντιδράσεων που συμβαίνουν
ταυτόχρονα:

1ο βήμα που καταλύεται από Nitrosomonas
2 NH4+ + 3 O2  2 NO2- +2 H2O+ 4 H+

2ο βήμα που καταλύεται από Nitrobacter
2 NO2 + O2  2 NO3


Το βέλτιστο pH είναι μεταξύ 6.6-8.0

Εάν pH < 6.0  η αντίδραση καθυστερεί

Εάν pH < 4.5  η αντίδραση αναστέλλεται
Σε ποιο είδος υγρότοπων
νομίζεις ότι η νιτροποίηση
λαμβάνει χώρα?
Απονιτροποίηση
N2
N2O
NH4
NO2
R-NH2
NO
NO2
NO3
Απονιτροποίηση






Removes a limiting nutrient from the
environment
4NO3 + C6H12O6 2N2 + 6 H20
Inhibited by O2
Not inhibited by ammonia
Microbial reaction
Nitrate is the terminal electron acceptor
Κοιτώντας τον κύκλο του
Αζώτου μέσα από τις
περιπέτειες των NH4