Biogeokemiallisista sykleistä typpeä tutkitaan eniten. Tarkista yhteenveto ja tiedä sen merkitys

Typpi on välttämätön kemiallinen elementti elämän olemassaololle maapallolla, koska se on osa kaikkia kehomme aminohappoja typpipitoisten emästen (jotka muodostavat DNA- ja RNA-molekyylit) lisäksi. Noin 78% hengittämästämme ilmasta koostuu ilmakehän typestä (N 2), joka on sen suurin säiliö. Yksi syy tähän on, että N2 on typen inertti muoto, toisin sanoen se on kaasu, joka ei tavallisissa tilanteissa ole reaktiivinen. Siten se on kerääntynyt ilmakehään planeetan muodostumisesta lähtien. Tästä huolimatta harvoilla elävillä olennoilla on kyky absorboida se molekyylimuodossaan (N 2). On käynyt ilmi, että typpi, kuten rauta ja rikki, osallistuu luonnolliseen kiertoon, jonka aikana sen kemiallinen rakenne muuttuu kussakin vaiheessa,toimii muiden reaktioiden perustana ja tulee siten muiden organismien saataville - tämä on typpisyklin (tai "typpisyklin") suuri merkitys.

Jotta ilmakehän typpioksidipäästöt pääsisivät maaperään ja pääsisivät ekosysteemiin, sen on mentävä läpi kiinnittymisprosessin, jonka suorittavat pienet nitrifioivien bakteerien ryhmät, jotka poistavat typpeä N2-muodossa ja sisällyttävät sen orgaanisiin molekyyleihinsä. Kun kiinnitys tapahtuu elävillä organismeilla, kuten bakteereilla, sitä kutsutaan biologiseksi kiinnitykseksi tai biofiksaatioksi. Tällä hetkellä kaupallisia lannoitteita voidaan käyttää myös typen kiinnittämiseen, mikä luonnehtii teollista kiinnitystä, maataloudessa laajalti käytettyä menetelmää. Näiden lisäksi on olemassa myös fyysinen kiinnitys, joka tapahtuu salamoilla ja sähköisillä kipinöillä, joiden kautta typpi hapetetaan ja kulkeutuu maaperään sateiden kautta, mutta tällä menetelmällä on pienempi kapasiteetti typen kiinnittämiseen,mikä ei riitä organismeille ja elämään maan päällä ylläpitämään itseään.

Kun bakteerit kiinnittävät N2: n, ne vapauttavat ammoniakin (NH3). Ammoniakki muodostaa kosketuksessa maaperän vesimolekyylien kanssa ammoniumhydroksidia, joka ionisoituna tuottaa ammoniumia (NH4) prosessissa, joka on osa typpisykliä ja jota kutsutaan ammonifikaatioksi. Luonnossa ammoniakin ja ammoniumin välillä on tasapaino, jota pH säätelee. Ympäristöissä, joissa pH on happamampi, NH 4: n muodostuminen on hallitsevaa, ja emäksisissä ympäristöissä yleisin prosessi on NH 3: n muodostuminen. Tätä ammoniumia imeytyy ja sitä käytetään pääasiassa kasveissa, joiden juuriin liittyy bakteereita (bakteereja). Kun vapaasti elävät bakteerit tuottavat tätä ammoniumia, on taipumus olla saatavilla maaperässä muiden bakteerien (nitrobakteerien) käyttöön.

Nitrobakteerit ovat kemosyntetisaattoreita, toisin sanoen ne ovat autotrofisia olentoja (jotka tuottavat omaa ruokaa), jotka poistavat selviytymiseen tarvittavan energian kemiallisista reaktioista. Saadakseen tämän energian he pyrkivät hapettamaan ammoniumin muuttamalla sen nitriitiksi (NO 2 -) ja myöhemmin nitraatiksi (NO 3 -). Tätä typpisyklin prosessia kutsutaan nitrifikaatioksi.

Nitraatti pysyy vapaana maaperässä, eikä sillä ole taipumusta kerääntyä luonnostaan ehjiin ympäristöihin, joten se kykenee kulkemaan kolmella eri polulla: kasvien imeytymään, denitrifioimaan tai päästäkseen vesistöihin. Sekä denitrifikaatiolla että nitraatin virtauksella vesistöihin on kielteisiä vaikutuksia ympäristöön.

Vaikutukset ympäristöön

Denitrifikaatio (tai denitrifikaatio) on prosessi, jonka bakteerit, nimeltään denitrifikaattorit, muuntavat nitraatin jälleen N2: ksi ja suorittavat typen paluun ilmakehään. N 2: n lisäksi muita tuotettavissa olevia kaasuja ovat typpioksidi (NO), joka yhdistyy ilmakehän happeen, mikä suosi happamien sateiden muodostumista, ja typpioksidi (N 2 O), joka on tärkeä syykaasu kasvihuoneilmiö, mikä pahentaa ilmaston lämpenemistä.

Kolmas polku, jossa nitraatti saavuttaa vesimuodostumat, aiheuttaa ympäristöongelman, jota kutsutaan rehevöitymiseksi. Tätä prosessia luonnehtii ravinteiden (pääasiassa typpiyhdisteiden ja fosforin) pitoisuuksien nousu järven tai padon vesillä. Tämä ravinteiden ylimäärä suosii levien lisääntynyttä lisääntymistä, mikä lopulta estää valon kulkua ja tasapainottaa vesiympäristöä. Toinen tapa saada tämä ylimääräinen ravintoaine vesiympäristössä on vapauttaa jätevettä siihen ilman asianmukaista käsittelyä.

Toinen huomioitava asia on se, että typpi voi myös olla haitallista kasveille, kun sitä on läsnä määrinä, jotka ylittävät niiden assimilaatiokyvyn. Siten maaperään kiinnittynyt ylimääräinen typpi voi rajoittaa kasvin kasvua ja vahingoittaa kasveja. Täten hiili / typpi-suhde on otettava huomioon myös kompostointiprosesseissa, jotta hajoamisprosessiin osallistuvien mikro-organismien pesäkkeiden metaboliat ovat aina aktiivisia.

Typen imeytyminen ihmisillä

Ihmisillä ja muilla eläimillä on pääsy nitraattiin nauttimalla kasveja, jotka ovat absorboineet kyseisen aineen, tai ravintoketjun mukaan muiden eläinten, jotka ovat ruokkineet näitä kasveja, nauttimisesta. Tämä nitraatti palaa sykliin jonkin organismin (orgaaninen aine) kuoleman jälkeen tai erittymällä (urea tai virtsahappo, useimmissa maaeläimissä ja ammoniakki, kalan ulosteissa), joka sisältää typpiyhdisteitä. Siten hajoavat bakteerit vaikuttavat orgaaniseen aineeseen, joka vapauttaa ammoniakkia. Ammoniakki voidaan myös muuttaa nitriiteiksi ja nitraateiksi samoilla nitrobakteereilla, jotka muuttavat ammoniumia integroitumalla syklin kanssa.

Vaihtoehto lannoitteille

Kuten olemme nähneet, typen kiinnittyminen maaperään voi tuottaa positiivisia vaikutuksia, mutta prosessi tapahtuu liikaa, voi aiheuttaa kielteisiä seurauksia ympäristölle. Ihmiskunnan puuttuminen typpisykliin tapahtuu teollisen kiinnityksen kautta (lannoitteiden avulla), mikä lisää kiinnitettävän typen pitoisuutta aiheuttaen edellä mainittuja ongelmia.

Vaihtoehto lannoitteiden käytölle olisi viljelykierto, typpisidostavien ja kiinnittymättömien kasvien viljelmien vuorottelu. Typpisidoskasveja ovat kasvit, joiden juuriin liittyy bakteereja ja muita kiinnittäviä organismeja, kuten palkokasveissa (kuten pavuissa ja soijapavuissa). Vuorottelu suosisi typen kiinnittymistä turvallisempina määrinä kuin lannoitteiden käyttö, tarjoten kasvien omaksumiskyvyn kanssa yhteensopivia ravintoaineita, edistäen niiden kehitystä ja vähentäen vesistöihin saapuvien ravinteiden määrää. Vastaavaa prosessia, jota kutsutaan vihreäksi lannaksi, voidaan käyttää myös lannoitteiden korvaamiseen.

Tämä prosessi koostuu typpeä sitovien kasvien viljelystä ja harjaamisesta ennen siementen tuottamista, jättäen ne paikoilleen multaa, jotta myöhemmin voidaan tehdä muita lajeja. Alla on kuva, joka tuo yhteenvedon artikkelissa nähdystä:

ANAMMOX

Lyhenne englanniksi (tarkoittaa ammoniakin anaerobista hapettumista) nimittää innovatiivisen biologisen prosessin ammoniakin poistamiseksi vedestä ja kaasuista.

Se koostuu pikakuvakkeesta, koska ammoniakkia ei tarvitse nitrifioida nitriitiksi ja nitraatiksi denitrifioimiseksi takaisin N2-muotoon. ANAMMOX-prosessilla ammoniakki muuttuisi suoraan typpikaasuksi (N2). Ensimmäinen laajamittainen asema asennettiin vuonna 2002 Hollantiin, ja vuonna 2012 toiminnassa oli jo 11 laitosta.

Tehokasta ja kestävää ANAMMOX-prosessia voidaan käyttää poistamaan ammoniakki jätevesistä yli 100 mg / l pitoisuuksina. Reaktorien sisällä nitrifioivat bakteerit ja ANAMMOX esiintyvät rinnakkain, missä ensimmäiset muuttavat noin puolet ammoniakista nitrideiksi (kemiallisiksi yhdisteiksi, joissa on typpeä), ja ANAMMOX-bakteerit toimivat muuttamalla nitridit ja ammoniakki typpikaasuksi.

Ammoniakin anaerobisen hapettumisen on osoitettu olevan lupaavaa, ja se löytyy jo teollisista prosesseista, kuten jätevedenpuhdistuksesta, orgaanisesta kiinteästä jätteestä, elintarviketeollisuudesta, lannoitteista.