Ciclul azotului

Azotul este necesar viețuitoarelor pentru a construi substanțe precum proteinele și materialul genetic. În aer există mult azot sub formă de gaz, dar plantele nu îl pot folosi direct în această formă. Ele absorb din sol mai ales forme dizolvate, precum nitrații. Animalele primesc azotul mâncând plante sau alte animale. Astfel, atomii de azot trec prin mai multe organisme.

Azotul nu rămâne pentru totdeauna într-o plantă ori într-un animal. Când organismele elimină resturi sau mor, microorganismele transformă substanțele care conțin azot. Alte microorganisme modifică formele azotului din sol, iar unele readuc azotul în atmosferă. Acest drum repetat între aer, sol, apă și organisme se numește ciclul azotului. Fără transformările făcute de microorganisme, plantele ar avea mai puține forme de azot pe care să le poată absorbi.

Într-o grădină, frunzele căzute nu sunt doar „gunoi”: prin descompunere, o parte din substanțele lor reintră în sol. Totuși, prea mult îngrășământ cu azot poate ajunge în apă și poate schimba echilibrul unui lac. De aceea este importantă atât circulația naturală a azotului, cât și felul în care oamenii folosesc solul. Pentru o schemă simplă, urmărește sensul: mediu → plantă → animal → resturi → mediu.

În ciclul azotului, fixarea transformă $N_2$ atmosferic în compuși accesibili prin procese biologice sau abiotice. Amonificarea eliberează forme amoniacale din materia organică; nitrificarea produce nitriți și apoi nitrați; denitrificarea poate transforma nitrații în $N_2$. Aceste procese nu sunt realizate de același organism. Plantele asimilează azot mineral și îl includ în molecule organice, care circulă prin relațiile trofice. Îngrășămintele adaugă azot reactiv și pot contribui la eutrofizarea apelor când sunt folosite excesiv.

Azotul se găsește în atmosferă ca $N_2$ (aproximativ 78% din volumul aerului), dar este inert pentru majoritatea organismelor. Fixarea biologică este realizată de bacterii: Rhizobium, simbiont în nodozitățile rădăcinilor leguminoaselor (fasole, soia, trifoi, lucernă), și bacterii libere din sol, precum Azotobacter, sau cianobacterii precum Nostoc. Fixarea abiotică are loc la descărcările electrice din atmosferă și în industrie (procesul Haber–Bosch pentru îngrășăminte). Amonificarea este realizată de descompunători, care transformă proteinele și ureea din resturi în amoniu ($N{H}_4^{+}$). Nitrificarea are două trepte, ambele aerobe: bacteriile Nitrosomonas oxidează amoniul la nitriți, iar Nitrobacter oxidează nitriții la nitrați:

Denitrificarea este realizată în soluri neaerate de bacterii precum Pseudomonas, care folosesc nitrații drept acceptor de electroni și eliberează $N_2$. Plantele absorb nitrații și amoniul și îi încorporează în aminoacizi. Animalele primesc azotul prin hrană, iar descompunătorii readuc amoniul în sol. Astfel, azotul din aer ajunge, după fixare și nitrificare, în proteinele plantelor și, prin lanțurile trofice, în cele ale animalelor.

Exemplu rezolvat 1: asolamentul cu leguminoase. Un fermier cultivă grâu un an, apoi lucernă doi ani, apoi din nou grâu.

1. Lucerna găzduiește bacterii Rhizobium în nodozități și fixează $N_2$ în amoniu.
2. După ce lucerna este cosită sau încorporată în sol, resturile ei se descompun și eliberează azot în sol.
3. Grâul care urmează găsește mai mult azot mineral și are nevoie de mai puțin îngrășământ chimic.

Exemplu rezolvat 2: eutrofizarea unui lac. Din terenurile fertilizate excesiv, ploile spală nitrații în lac.

1. Nitrații în exces stimulează înmulțirea algelor la suprafață.
2. Algele mor, iar bacteriile aerobe le descompun și consumă oxigenul apei.
3. Peștii din apa cu oxigen puțin mor sau pleacă. Prevenirea înseamnă doze de îngrășământ calculate, fâșii de vegetație pe malul apei și neaplicarea îngrășămintelor înaintea ploilor.

Circuitul este echilibrat în ecosistemele naturale, unde fixarea și denitrificarea se compensează aproximativ. Agricultura intensivă îl dezechilibrează, deoarece adaugă mai mult azot reactiv decât pot folosi culturile; surplusul ajunge în ape ca nitrați sau în atmosferă ca oxizi de azot.

Azotul din aer este inert chimic din cauza legăturii triple dintre cei doi atomi, de aceea fixarea lui cere mult ATP la bacteriile fixatoare sau temperaturi și presiuni mari în procedeele industriale.

Greșeli frecvente

• Greșit: Plantele folosesc direct tot azotul gazos din aer.
  Corect: Ele absorb mai ales compuși cu azot din sol; fixarea azotului gazos necesită procese speciale.
• Greșit: Descompunătorii doar „distrug” materia.
  Corect: Ei contribuie la transformarea și reciclarea substanțelor.
• Greșit: Nitrificarea este procesul prin care bacteriile transformă nitrații în azot gazos.
  Corect: Nitrificarea oxidează amoniul la nitriți și apoi la nitrați; transformarea nitraților în azot gazos este denitrificarea.

Înainte și după