CYKL AZOTU W BIOSFERZE

CYKL AZOTU
W BIOSFERZE
Stopień utlenienia
związek
+5
N2O5
HNO3, NO3-
+4
NO2
N2O4
+3
HNO2
NO2-
+2
NO
+1
N2O
0
N2
(-1, -2)
(NH2OH, N2H4)
-3
NH3, NH4+
CH3NH2
W organizmach
Ŝywych zawsze w
formie zredukowanej
(-3)
AZOT
Azot w atmosferze
Główne formy azotu w atmosferze
forma
dopływ roczny
średnie
czas
109 kg N/rok
stęŜenie
zatrzymania
N2
200
78%
108 lat
denitryfikacja
N2O
10
0,3 ppm
100 lat
denitryfikacja
źródło
nitryfikacja
NO+NO2(NOX)
100
0,05 ppb
1 dzień
przemysł
NH3
50
<1 ppb
10 dni
biologiczne
Azot w atmosferze
O* + N2O -> 2 NO
(O3 + hv -> O2 + O*)
tworzą się tlenki azotu NOx
Azot w skorupie ziemskiej
NH4+
saletra chilijska - NaNO3
saletra potasowa, saletra indyjska - KNO3
saletra norweska - Ca(NO3)2
Azot w wodach
rozpuszczony N2
azotany
Azot w biosferze
W organizmach Ŝywych wchodzi
w skład:
białek (grupa aminowa –NH2)
nukleotydów (DNA, RNA, ATP)
witamin
glikozydów, alkaloidów
chlorofilu
Azot w biosferze
Pobieranie przez organizmy
Zwierzęta: aminokwasy
Rośliny: azotan (asymilacyjna redukcja)
rzadko: amon (mikoryza; rośliny
owadoŜerne)
Mikroorganizmy: w róŜnych formach
Wiązanie azotu: symbioza
Azot w biosferze
Wydalanie przez organizmy
Ryby kostnoszkieletowe, płazy, inne zwierzęta
wodne: amoniak („amonioteliczność”)
Ssaki, ryby chrzęstnoszkieletowe: mocznik
(„ureoteliczność”)
Owady, gady, ptaki: kwas moczowy
(„urikoteliczność”)
Cykl azotu
Cykl azotu
Cykl azotu
pobieranie i
wydalanie przez
organizmy
Cykl azotu
amonifikacja
Cykl azotu
AMONIFIKACJA
ureaza
(NH2)2CO + H2O --> 2NH3 + CO2 (Bacillus pasteuri)
mocznik
(Sporosacrina uraea)
Cykl azotu
nitryfikacja
Cykl azotu
NITRYFIKACJA
4NH4+ + 6O2 --> 4NO2- + 8H+ + 4H2O (Nitrozomonas,
Nitrobacter)
4NO2- + 2O2 --> 4NO3-
(Nitrococcus, Nitrobacter)
bakterie nitryfikacyjne – obligatoryjne chemoautotrofy
103 – 105 (108) osobników/1 g gleby
Cykl azotu
denitryfikacja
Cykl azotu
DENITRYFIKACJA
(dysymilacyjna redukcja azotanów)
5CH2O + 4NO3- + 4H+ --> 2 N2 + CO2 + 7H2O
(Bacillus, Spirillum, Thiobacillus denitrificans)
Enzymy reduktazy zawierają Fe, Mo
Cykl azotu
wiązanie azotu
atmosferycznego
WIĄZANIE AZOTU ATMOSFERYCZNEGO
Przemysł (nawozy i inne)
Spalanie
Wyładowania atmosferyczne
Razem nie biologiczne
50 -57
20
10
80 – 87
Naturalne procesy na terenach
uprawnych
Naturalne procesy w lasach
i na nieuŜytkach
Morza i oceany
Razem biologiczne
50 – 60
36
149 – 175
RAZEM
237 - 255
89
Cykl azotu
WIĄZANIE AZOTU ATMOSFERYCZNEGO
Abiotycznie:
- wyładowania atmosferyczne
- spalanie
-przemysł
Cykl azotu
WIĄZANIE AZOTU ATMOSFERYCZNEGO
Haber-Bosch
N2 + H2
150-250 atm
300-550ºC
NH3
-92,4kJ mol-1 e-
Przykłady mikroorganizmów wiąŜących azot (* organizmy fototroficzne)
Wolno Ŝyjące
Symbiozy z roślinami
tlenowe
beztlenowe
motylkowy
mi
Innymi
roślinami
Azotobacter
Beijerinckia
Klebsiella
sinice*
Clostridium
Desulfovibrio
purpurowe bakterie
siarkowe*
purpurowe bakterie
niesiarkowe*
zielone bakterie
siarkowe*
Rhizobium
Frankia
Azospirillum
WIĄZANIE AZOTU ATMOSFERYCZNEGO (10kg/ha*rok)
0,5
0,5
2-4
<3
2-4
porosty, burze
motylkowe
wolnozyjące bakterie
sinice
niemotylkowe
WIĄZANIE AZOTU ATMOSFERYCZNEGO
N2 + 8H+ + 6e- --> 2NH4+ G, + 27 kJ mol-1e(redukcja N0 do N-III)
CH2O + H2O --> CO2 + 4H+ + 4e- G, - 47 kJ mol-1e----------------------------------------------------------------CH2O + H2O + N2 + 8H+ + 6e- --> CO2 + 4H+ + 4e- + 2NH4+
G, (-47 + 27) kJ mol-1e3CH2O + 3H2O + 2N2 + 4H+ --> 3CO2 + 4 NH4+
G, -120 kJ mol-1 N2
brodawki korzeniowe z Frankia
Olsza (Alnus glutinosa)
Obieg azotu
(mln t/rok)
Formy eksportu azotu w ekosystemach leśnych
Ameryka Północna
Ameryka Południowa
transport rzeką
azot organiczny
3%
denitryfikacja 69%
transport rzeką
azotany 28%
transport rzeką
azot organiczny
80%
36,4 kg/ha*rok
wg. van Breemen 2002 zmienione
denitryfikacja 15%
transport rzeką
azotany 4%
0,4 kg/ha*rok
OBIEG AZOTU
WIĄZANIE AZOTU I DENITRYFIKACJA
TgN/rok
BILANS AZOTU
mln t/rok
SUMARYCZNY BILANS AZOTU
Depozycja azotu
(mg/m2*rok)
1860
1990
Galloway i in. 2004
Gruber i Galloway 2008
Capone i Knapp 2007
Gruber i Galloway 2008
Gruber i Galloway 2008
Fig. 2. Estimated N deposition from global total N (NOy and NHx) emissions, totaling 105 Tg N
y–1.
J N Galloway et al. Science 2008;320:889-892
Published by AAAS