ძირითადი მასალა

კურსი: ბიოლოგია > თემა 23

გაკვეთილი 7: ბიოგეოქიმიური ციკლები

აზოტის წრებრუნვა

Google–ის საკლასო ოთახი

მიკრობების საკვანძო როლი აზოტის ფიქსაციაში. როგორ იწვევს აზოტის შემცველი სასუქების ჭარბი გამოყენება „წყლის ყვავილობას“.

საკვანძო საკითხები

აზოტი ცოცხალი ორგანიზმების სხეულების საკვანძო კომპონენტია. აზოტის ატომები ყველა ცილისა და $დნმ$ ‍-ის ნაწილია.
აზოტი ატმოსფეროში აირის, $N_{2}$ ‍-ის, სახით არსებობს. აზოტფიქსაციის დროს ბაქტერიები $N_{2}$ ‍-ს ამიაკად გარდაქმნიან — აზოტის იმ ფორმად, რომელსაც მცენარეები იყენებენ. როდესაც ცხოველები მცენარეებს ჭამენ, ისინი იღებენ აზოტის გამოყენებად ნაერთებს.
აზოტი შემზღუდველი (საკვები) ნივთიერებაა ბუნებასა და სოფლის მეურნეობაში. შემზღუდველი ნივთიერება ის საკვები ნივთიერებაა, რომელიც შეზღუდული რაოდენობით მოიპოვება და ზღუდავს ზრდას.
როდესაც აზოტისა და ფოსფორის შემცველი სასუქები ჭარბად ჩაედინება ტბებსა და მდინარეებში, ეს იწვევს წყალმცენარეების ყვავილობას (წყლის ყვავილობას) — ევტროფიკაციას.

შესავალი

აზოტი ყველგანაა! მეტიც, აირი

N_{2}

დედამიწის ატმოსფეროს მოცულობის 78%-ს შეადგენს და რაოდენობრივად ძლიერ აღემატება

O_{2}

-ს, რომელიც ხშირად „ჰაერად“ წარმოგვიდგენია.

^{1}

აზოტის ახლომახლო არსებობა ერთია, მაგრამ სულ სხვაა მისი გამოყენების შესაძლებლობა. თქვენს სხეულს და სხვა მცენარეთა თუ ცხოველთა სხეულებს არ შეუძლიათ

N_{2}

-ის გარდაქმნა გამოყენებად ფორმად. ჩვენ, ცხოველებს — და ჩვენს თანამოძმე მცენარეებს — უბრალოდ, არ გვაქვს ის ფერმენტები, რომელთა მეშვეობითაც ხდება ატმოსფერული აზოტის მიტაცება, ანუ ფიქსაცია.

და მაინც, ჩვენი

დნმ

და ცილები საკმაო ოდენობის აზოტს შეიცავს. საიდან მოდის ეს აზოტი? ბუნებაში მის წყაროს ბაქტერიები წარმოადგენენ!

აზოტის წრებრუნვაში ბაქტერია მთავარ როლს ასრულებს.

აზოტი ცოცხალ სამყაროში ბაქტერიებისა და ერთუჯრედიანი პროკარიოტების მეშვეობით აღწევს. ისინი ატმოსფერულ აზოტს —

N_{2}

-ს —ბიოლოგიურად გამოყენებად ფორმებად გარდაქმნიან იმ პროცესში, რომელსაც აზოტფიქსაცია ეწოდება. აზოტის მაფიქსირებელი ბაქტერიების ზოგიერთი სახეობა ნიადაგში ან წყალში ბინადრობს, სხვები კი სასარგებლო სიმბიონტები არიან, რომლებიც მცენარეებში ცხოვრობენ.

ფოტოსინთეზური ციანობაქტერია წყლის იმ სიტემების უმრავლესობაში გვხვდება, რომლებიც მზის სინათლეს იღებენ. იგი საკვანძო როლს ასრულებს აზოტის ფიქსაციაში.

ბაქტერიის კიდევ ერთ ტიპი, Rhizobium, სიმბიოზურად ცხოვრობს პარკოსანი მცენარეების — მაგალითად, ბარდების, ლობიოებისა და არაქისების (მიწის თხილების) — ფესვებში და მათ ფიქსირებული აზოტით ამარაგებს.

აზოტობაქტერის გვარის წარმომადგენელი ბაქტერიები აგრეთვე მნიშვნელოვანი აზოტის მაფიქსირებლები არიან ხმელეთის ეკოსისტემებში.

აზოტის მაფიქსირებელი მიკროორგანიზმები ატმოსფერულ აზოტს იტაცებენ მის ამიაკად —

{NH}_{3}

-ად — გარდაქმნის გზით. მცენარეებს შეუძლიათ ამიაკის მიღება და ორგანული მოლეკულების დასამზადებლად გამოყენება. მცენარეების შეჭმისას აზოტის შემცველი მოლეკულები ცხოველებს გადაეცემა. ისინი ან ცხოველთა სხეულებში შეინახება, ან დაიშლება და ნარჩენების სახით გამოიყოფა, მაგალითად, შარდში არსებული შარდოვანას სახით.

სურათის წყარო: სახეცვლილია აზოტის წრებრუნვიდან, იოჰან დრეო (CC BY-SA 3,0); სახეცვლილი სურათი ვრცელდება CC BY-SA 3,0 ლიცენზიით

აზოტი ცოცხალი ორგანიზმების სხეულებში სამუდამოდ არ რჩება. ნაცვლად ამისა, იგი ორგანული აზოტიდან ისევ აირად

N_{2}

-ად გარდაიქმნება ბაქტერიების მიერ. ეს პროცესი ხშირად რამდენიმესაფეხურიანია ხმელეთის ეკოსისტემებში. მკვდარი ორგანიზმებისა თუ ნარჩენების აზოტშემცველი ნაერთები ამიაკად —

{NH}_{3}

-ად — გარდაიქმნება ბაქტერიების მიერ, ამიაკი კი, თავის მხრივ, ნიტრიტებად და ნიტრატებად. საბოლოოდ, დენიტრიფიკატორი პროკარიოტები ნიტრატებს ისევ აირად

N_{2}

-ად გარდაქმნიან.

აზოტის წრებრუნვა ზღვის ეკოსისტემებში

აქამდე ხმელეთის ეკოსისტემებში მიმდინარე აზოტის ბუნებრივ წრებრუნვას განვიხილავდით, თუმცა ეს პროცესი დიდწილად იმავე საფეხურებისგან შედგება წყლის ეკოსისტემებშიც. აქ ამონიფიკაციას, ნიტრიფიკაციასა და დენიტრიფიკაციას ზღვის ბაქტერიები და არქეები აწარმოებენ.

ეს ილუსტრაცია აზოტის წრებრუნვას გვიჩვენებს. ატმოსფეროში არსებულ აირად აზოტს ორგანულ აზოტად აფიქსირებენ აზოტის მაფიქსირებელი ბაქტერიები. ეს ორგანული აზოტი ხმელეთის კვებით ქსელებში შედის და მათ ნიადაგში არსებული აზოტოვანი ნარჩენების სახით ტოვებს. ნიადაგში ბაქტერიებისა და სოკოების მიერ აზოტოვანი ნარჩენების ამონიფიკაცია ორგანულ აზოტს ამონიუმის იონად — NH4 პლუსად — გარდაქმნის. ნიტრიფიკატორი ბაქტერიები ამონიუმს ჯერ ნიტრიტად — NO2 მინუსად — გარდაქმნიან, შემდეგ კი ნიტრატად — NO3 მინუსად. დენიტრიფიკატორი ბაქტერიები ნიტრატს აირადი აზოტის ფორმაში აბრუნებენ, რომელიც შემდეგ ხელახლა შედის ატმოსფეროში. ჩამონადენებსა და სასუქებში არსებული აზოტი ოკეანეში ხვდება, სადაც იგი ზღვის კვებით ქსელებში შედის. ორგანული აზოტის ნაწილი ოკეანის ფსკერზე ეცემა დანალექის სახით. ოკეანეში არსებული დანარჩენი ორგანული აზოტი ნიტრიტებისა და ნიტრატების იონებად გარდაიქმნება, რომლებიც შემდეგ აირად აზოტად გარდაიქმნებიან იმ პროცესში, რომელიც ხმელეთზე მიმდინარის ანალოგიურია.

სურათის წყარო: ბიოგეოქიმიური ციკლები, სურათი 4 ავტორი ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია, CC BY 4,0. John M. Evans-ისა და Howard Perlman-ის ნამუშევარზე დაყრდნობით, USGS

ზოგიერთი აზოტშემცველი ნაერთი ოკეანის ფსკერზე ეცემა დანალექის სახით. დროის ხანგრძლივი მონაკვეთების განმავლობაში დანალექები იკუმშება და დანალექ ქანებს წარმოქმნის. საბოლოოდ, აზევებას (ტექტონიკური ფილების ამაღლებას) დანალექი ქანები ხმელეთზე ააქვს. ძველად, მეცნიერებს არ მიაჩნდათ, რომ აზოტით მდიდარი დანალექი ქანები აზოტის მნიშვნელოვან წყაროს წარმოადგენდნენ ხმელეთის ეკოსისტემებისთვის. მიუხედავად ამისა, ახალი კვლევა ვარაუდობს, რომ დანალექი ქანები საკმაოდ მნიშვნელოვანია — ქანების გამოფიტვისას აზოტი თანდათანობით გამოთავისუფლდება და მცენარეებს ამარაგებს.

^{2}

აზოტი, როგორც შემზღუდველი საკვები ნივთიერება

ბუნებრივ ეკოსისტემებში მრავალი პროცესი, მათ შორის პირველადი პროდუქცია და დაშლა, აზოტის ხელმისაწვდომი მარაგითაა შეზღუდული. სხვაგვარად თუ ვიტყვით, ხშირად აზოტი შემზღუდველი საკვები ნივთიერებაა, ანუ ის საკვები ნივთიერება, რომელიც შეზღუდული რაოდენობით მოიპოვება და, შესაბამისად, ზღუდავს ორგანიზმებისა თუ პოპულაციების ზრდას.

საიდან ვიცით, რომ რომელიმე საკვები ნივთიერება შემზღუდველია? ამის გასარკვევად ხშირად შემდეგ ტესტირებებს ვიყენებთ:

^{3}

როდესაც საკვები ნივთიერება შემზღუდველია, მისი დამატება ზრდის ორგანიზმთა ზომისა და მასის მატებას — მაგ., მისი დამატებისას მცენარე უფრო მაღალი გაიზრდება, ვიდრე იმ შემთხვევაში, არაფერი რომ არ დაგვემატებინა.
მის ნაცვლად თუ არაშემზღუდველ საკვებ ნივთიერებას დავამატებთ, მას არავითარი ეფექტი არ ექნება — მაგ., მცენარე ერთისა და იმავე სიმაღლის გაიზრდება იმის მიუხედავად, დავუმატებთ თუ არა მას ამ საკვებ ნივთიერებას.

მაგალითად, თუკი საკვები ნივთიერება დავუმატეთ ბაღში ამოსული ლობიოს მცენარეების ნახევარს და აღმოვაჩინეთ, რომ მცენარეების ეს ნაწილი უფრო მაღალი გაიზარდა, ვიდრე სხვები, ეს იმაზე მეტყველებს, რომ აზოტი შემზღუდველი ნივთიერებაა. თუმცა, თუკი ჩვენი ექსპერიმენტისას ვერ აღმოვაჩინეთ განსხვავებები მცენარეთა ზრდაში, ესე იგი შემზღუდველი რაიმე სხვა საკვები ნივთიერებაა და არა - აზოტი.

აზოტი და ფოსფორი ორი ყველაზე ხშირი შემზღუდველი საკვები ნივთიერებაა ბუნებრივ ეკოსისტემებსა და სოფლის მეურნეობაში. სწორედ ამიტომ, სასუქის შეფუთვას თუ დააკვირდებით, აღმოაჩენთ, რომ ის უამრავ აზოტსა და ფოსფორს შეიცავს.

ადამიანთა აქტივობა ზემოქმედებს აზოტის წრებრუნვაზე.

მართალია, ადამიანებს ბიოლოგიურად არ შეგვიძლია აზოტის ფიქსაცია, თუმცა ამას ნამდვილად ვახერხებთ ინდუსტრიულად! ყოველწლიურად დაახლოებით 450 მილიონი ტონა ფიქსირებული აზოტი წარმოიქმნება იმ ქიმიური მეთოდის გამოყენებით, რომელსაც ჰაბერ-ბოშის პროცესი ეწოდება და რომლის დროსაც

N_{2}

მაღალ ტემპერატურაზე ურთიერთქმედებს წყალბადთან —

H_{2}

-თან.

^{4}

ამ ფიქსირებული აზოტის დიდი ნაწილი ხმარდება სასუქებს, რომლებსაც გაზონებზე, ბაღებსა და სასოფლო-სამეურნეო მიწებზე ვიყენებთ.

ზოგადად, ადამიანთა აქტივობა აზოტს ორი ძირითადი გზით ათავისუფლებს გარემოში: წიაღისეული საწვავის წვითა და სოფლის მეურნეობაში აზოტის შემცველი სასუქების გამოყენებით. ორივე პროცესი ზრდის აზოტის შემცველი ნაერთების დონეს ატმოსფეროში. ატმოსფერული აზოტის —

N_{2}

-ის გარდა — მაღალი დონე უკავშირდება ისეთ საზიანო ეფექტებს, როგორებიცაა მჟავური წვიმა — აზოტმჟავის,

{HNO}_{3}

-ის, სახით — და სათბურის ეფექტი — აზოტის ქვეოქსიდის,

N_{2} O

-ის, სახით.

გარდა ამისა, როდესაც აზოტისა და ფოსფორის შემცველი სასუქები გამოიყენება სოფლის მეურნეობაში, ჭარბი სასუქი ზედაპირის ჩამონადენის სახით ჩაედინება ტბებში, ნაკადულებსა და მდინარეებში. ჩამონადენი სასუქის მთავარი ეფექტი არის მარილიანი და მტკნარი წყლის ევტროფიკაცია. ამ პროცესის დროს საკვები ნივთიერებების ჩამონადენი იწვევს წლამცენარეებისა და სხვა მიკროორგანიზმების ჭარბ ზრდას, „ყვავილობას“. საკვები ნივთიერებების ჩამონადენის გარეშე ისინი შეზღუდულნი იყვნენ ზრდაში, ვინაიდან უფრო მცირე რაოდენობით იყო ხელმისაწვდომი აზოტი თუ ფოსფორი.

ევტროფიკაცია ამცირებს წყალში ჟანგბადის ხელმისაწვდომობას ღამით, რადგან წყალმცენარეები და მიკროორგანიზმები, რომლებიც ჟანგბადით იკვებებიან, მის დიდ ნაწილს უჯრედული სუნთქვის დროს მოიხმარენ. ამის გამო ამ ეკოსისტემაში არსებული ცოცხალი ორგანიზმები, მაგალითად, თევზები და კრევეტები, იხოცებიან და წარმოქმნიან ჟანგბადის დაბალი შემცველობის მქონე, სახეობებისგან დაცლილ უბნებს, რომლებსაც მკვდარი ზონები ეწოდება.

^{5}

ატრიბუცია

მოდიფიცირებული სტატიის თავდაპირველი ვერსიებია:

„ბიოგეოქიმიური ციკლები", რობერტ ბირი, დევიდ რინტული, ბრიუს სნაიდერი, მართა სმიტ-კალდასი, კრისტოფერ ჰერენი და ევა ჰორნი, CC BY 4,0; ჩამოტვირთეთ ორიგინალი სტატია უფასოდ აქ: http://cnx.org/contents/db89c8f8-a27c-4685-ad2a-19d11a2a7e2e@24,18
„ბიოგეოქიმიური ციკლები", ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგიის კონცეფციები, CC BY 4,0; ჩამოტვირთეთ ორიგინალი სტატია უფასოდ აქ: http://cnx.org/contents/b3c1e1d2-839c-42b0-a314-e119a8aafbdd@9,10.

სახეცვლილი სტატია ვრცელდება CC BY-NC-SA 4,0 ლიცენზიით.

ციტირებული შრომები

„დედამიწის ატმოსფერო", Wikipedia, ბოლოს შეიცვალა 9 ივნისს, 2016, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth.
Scott L. Morford, Benjamin Z. Houlton, and Randy A. Dahlgren, “Increased Forest Ecosystem Carbon and Nitrogen Storage from Nitrogen Rich Bedrock,” Nature 477, no. 7362 (2011): 78–81.
„Limiting Nutrient", მოძიების თარიღია 10 ივნისი, 2016, https://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/GrowPresent/limiting.htm.
„Haber Process", Wikipedia, ბოლოს შეიცვალა 10 ივნისს, 2016, https://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process.
„Eutrophication", Wikipedia, ბოლოს შეიცვალა 6 ივნისს, 2016, https://en.wikipedia.org/wiki/Eutrophication.

წყაროები

Abedon, Stephen T. „Limiting nutrient." Biology as Poetry: Ecology. http://www.biologyaspoetry.com/terms/limiting_nutrient.html.

"აზოტობაქტერია". Wikipedia. ბოლოს შეიცვალა 7 ივნისს, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Azotobacter

"დედამიწის ატმოსფერო". Wikipedia. ბოლოს შეიცვალა 9 ივნისს, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth.

"ევტროფიკაცია". Wikipedia. ბოლოს შეიცვალა 6 ივნისს, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Eutrophication.

"Haber Process". Wikipedia. ბოლოს შეიცვალა 10 ივნისს, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process.

Hu, S., F. S. Chapin, III, M. K. Firestone, C. B. Field, and N. R. Chiariello. „Nitrogen Limitation of Microbial Decomposition in a Grassland Under Elevated

{CO}_{2}

." Nature 409 (2001): 188-191. http://dx.doi.org/10,1038/35051576.

"Limiting Nutrient". მოძიების თარიღია 10 ივნისი, 2016. https://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/GrowPresent/limiting.htm.

Morford, Scott L., Benjamin Z. Houlton, and Randy A. Dahlgren. “Increased Forest Ecosystem Carbon and Nitrogen Storage from Nitrogen Rich Bedrock.” Nature 477, no. 7362 (2011): 78–81. http://dx.doi.org/10,1038/nature10415.

"აზოტფიქსაცია". Wikipedia. ბოლოს შეიცვალა 10 ივნისს, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_fixation.

"Nitrous Oxide Emissions." United States Environmental Protection Agency. ბოლოს შეიცვალა 26 მაისს, 2016. https://www3.epa.gov/climatechange/ghgemissions/gases/n2o.html.

"Phosphorous Cycle". Wikipedia. ბოლოს შეიცვალა 20 მაისს, 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphorus_cycle.

Purves, William K., David E. Sadava, Gordon H. Orians, and H. Craig Heller. „Prokaryotes Are Important Players in Nutrient Cycling." In Life: The Science of Biology, 531. 7th ed. Sunderland: Sinauer Associates, 2003.

Purves, William K., David E. Sadava, Gordon H. Orians, and H. Craig Heller. „Prokaryotes Have Exploited Many Metabolic Possibilities." In Life: The Science of Biology, 529-531. 7th ed. Sunderland: Sinauer Associates, 2003.

Raven, Peter H., George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, and Susan R. Singer. „Biogeochemical Cycles." In Biology, 1209-1211. 10th ed., AP ed. York: McGraw-Hill, 2014.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.