چرخه نیتروژن در طبیعت | چرخه نیتروژن به زبان ساده

چرخه نیتروژن به زبان ساده

نیتروژن یا ازت، عنصر شماره ۷ و در گروه ۵ جدول تناوبی و نافلز گازی است. نیتروژن چهارمین عنصر فراوان بدن است که در آمینواسیدها و پروتئین ها نقش اساسی را ایفا می کند. چرخه نیتروژن نشان می دهد که چگونه مقدار نیتروژن هوا ثابت است و تغییری نمی کند و چگونه به بدن جانداران می رسد. گیاهان به رغم فراوانی این عنصر، قادر به جذب مستقیم آن نیستند. وقتی رعد و برق اتفاق می افتد، نیتروژن با اکسیژن در اثر انرژی و حرارت حاصله، ترکیب می شوند:

N2 + 2O2 = 2NO2

نیتروژن + اکسیژن = نیتروژن دی اکسید

اگر پس از رعد و برق باران بیاید، نیتروژن دی اکسید با آب باران واکنش می دهد:

H2O + 3NO2 = NO+ 2HNO3

آب + نیتروژن دی اکسید  =  نیتروژن اکسید + نیتریک اسید 

نیتریک اسید جذب خاک شده و باکتری های خاک از آن ترکیبات نیتراته می سازند. این ترکیبات جذب گیاهان شده و پروتئین های گیاهی ساخته می شوند. همچنین ممکن است که مقدار بسیار ناچیزی از نیتریک اسید به دلیل آلودگی هوا به ترکیبات نیتراته تبدیل شده و مستقیما جذب گیاهان شوند.

حیوانات گیاهخوار با خوردن گیاهان، نیتروژن را به بدن و گوشت خودشان منتقل می کنند و جانوران گوشتخوار هم نیتروژن را از گوشت آنها به دست می آورند. فضولات و مدفوع جانوران یا بقایای آنان یا گیاهان حاوی نیتروژن هستند.

بخش کوچکی از نیتروژن آنها مستقیما وارد هوا شده و بخش زیادی از آنها توسط باکتری های خاک دوباره تبدیل به ترکیبات نیتراته شده و جذب گیاهان می شوند. از گیاهانی که بیشترین نیاز و جذب نیتروژن دارند می توان به لوبیا، باقلا، نخود و عدس اشاره کرد که دارای پروتئین زیادی هم هستند. ممکن است نیتروژن مورد نیاز گیاهان پرورشی از راه کودهای نیتراته تامین شود.

چرخه اکسیژن

اکسیژن برای بیشتر موجودات زنده حیاتی و لازم است . حیوانات اکسیژن را از اتمسفر تنفس می کنند ، و گیاهان از طریق برگهایشان آن را جذب می کنند . هر دوی این موجودات از طریق مراحل تنفس برای آزاد کردن انرژی موجود در غذای مصرف شده جهت تامین فعالیتهای حیاتی ، از اکسیژن استفاده می کنند. گیاهان و حیوانات همیشه اکسیژن مصرف می کنند ، با این تفاوت که گیاهان فقط در طول شب آن را مصرف می کنند ، در روشنایی روز ، گیاهان فتوسنتزی سریعتر از زمانی که اکسیژن را مصرف می کنند ، ان را ازاد می کنند . این چرخه اکسیژن بین تنفس و فتوسنتز باعث می شود تا میزان اکسیژن در هوا ثابت بماند.

چرخه نیتروژن

نیتروژن یک بخش اساسی در ساختمان همه موجودات زنده است. نیتروژن در پروتئین ها، واحدهای ساختاری و شیمیایی همه موجودات زنده ، و در مولکولهای DNA ، که دستورات راهنمای ضروری برای همه فعالیتهای زندگی را حمل می کنند،یافت می شود.
هر چند نیتروژن ۸۰ درصد اتمسفر را تشکیل می دهد ، حیوانات و گیاهان نمی توانند مستقیماَ از آن استفاده کنند . باکتریهای موجود در خاک در رابطه با چرخه مجدد نیتروژن از طریق تبدیل آن به شکلی که برای موجودات زنده دیگر قابل استفاده باشد ، نقش حیاتی بازی می کنند. هنگامی که گیاهان و حیوانات می میرند ، باقیمانده اجساد انها بوسیله موجودات ذره بینی موجود در خاک ، تجزیه می شود و ترکیبات نیتروژن درست می شود.

این ترکیبات همچنین توسط رعدوبرق درهواایجاد می شوند.این ترکیبات به هنگام باران در آب حل شده ، و در خاک جذب می شوند . دردرون خاک،باکتریهای نیترات کننده این ترکیبات نیتروژنی را به نیترات تبدیل می کنند،که توسط گیاهان ازطریق ریشه جذب می شوند حیوانات با خوردن گیاهان نیتروژن بدست می آورند باکتریهای تجزیه کننده نیتروژن ،نیتروژن را مستقیماَ از هوا دریافت کرده و نیترات درست می کند.

انها ازریشه نخود فرنگی لوبیا و گیاهان دیگر تغذیه می کنند باکتریهای تجزیه کننده نیترات این مراحل را بر عکس انجام می دهند . انها برای تامین انرژی از نیترات استفاده می کنند و نیتروژن را مجددا به هوا باز می گردانند. تثبیت نیتروژن ۷۹ درصد از هوای پیرامون ما را نیتروژن تشکیل می‌دهد. این عنصر ، برای ایجاد آمینو اسیدها و پروتئین‌ها عنصری ضروری است. نیتروژن به عنوان یکی از گازهای تشکیل‌دهنده جو ، خنثی است و بیشتر از آن که این گاز در دسترس گیاهان یا گونه‌های حیوانات قرار گیرد، باید به صورت ترکیبی شیمیایی تثبیت شود.

عوامل موثر در تثبیت نیتروژن

نیتروژن در طبیعت می‌تواند به کمک تابش کیهانی ، از بقایای شهاب‌سنگها ، یا بر اثر انرژی فراوان آذرخش که برای اتصال سریع مولکولها ضرورت دارد، با اکسیژن یا هیدروژن آب ترکیب شود. بعضی موجودات زنده دریایی و تعدادی از میکرو ارگانیسمها از لحاظ توانایی تثبیت نیتروژن آزاد ، استثنایی هستند و بسیاری از گیاهان خانواده نخود ، بر روی ریشه‌های خود واجد گروههایی هستند که میکرو ارگانیسمهایی از جنس ریزوبیوم در آنها قرار دارد. ریزوبیوم ، ترکیبات نیتروژن‌دار محرک رشد را برای گیاهان سبز فراهم می‌آورد.

اهمیت نیتروژن

نیتروژن شالوده نیترو سلولز (Nitrocelluose) ، جسم پنبه‌ای که از تاثیر اسید سولفوریک و اسید نیتریک بر سلولز حاصل می‌شود و در تهیه مواد منفجره ، کلوئیدها و پلاستیکها بکار می‌رود، نیترو گلیسرین (Nitroglocerine) ، مایع زرد کم رنگی که بر اثر ضربه یا تماس ناگهانی منفجر می‌شود و در تهیه دینامیت و ژلاتین انفجاری بکار می‌رود و در پزشکی از آن به عنوان عامل باز کننده رگها استفاده می‌شود ، تری‌نیترو تولوئن (TNT یا Tri nitro toluene) ، ترکیب متلبور زرد کم رنگی که به عنوان ماده منفجره به کار می‌رود را تشکیل می‌دهد.

روز پایان جهان

در پایان قرن نوزدهم ، سر ویلیام کروکز ، شیمیدان بریتانیایی ، تصویری از روز پایان جهان ترسیم کرد که در آن ، به دلیل فقدان نیتروژن تثبیت شده ، تولید مواد غذایی مقدور نبود. این موضوع مربوط به دورانی بود که ذخایر نیتروژن شیلی ، به عنوان منبع اصلی کودهای شیمیایی و مواد منفجره به مصرف رسید و تمام شد. این ذخایر که از فضولات تعداد کثیری پرندگان دریایی آن قسمت از جهان بوجود آمده است، به شدت مورد بهره برداری قرار گرفت و کروکز پیش‌بینی می‌کرد که با تلاشهایی که برای تغذیه جمعیت رو به افزایش کشورهای صنعتی به عمل می‌آید، ذخایر نیترات آلی شیلی تمام خواهد شد. تثبیت نیتروژن به کمک کاتالیزور

باقیمانده منواکسید کربن به متان تبدیل می‌شود. سپس نیتروژن و هیدروژن در دما و فشار زیاد و در مجاورت کاتالیزوری که از یک اکسید فلزی تشکیل یافته است، آمونیاک تشکیل می‌دهد و آمونیاک بر اثر واکنش با اکسیژن ، اسید نیتریک تولید می‌کند. اسید نیتریک حاصل ، بر اثر ترکیب با آمونیاک ، نیترات آمونیم بوجود می‌آورد. ماده اخیر به عنوان کود ، مصرف فراوانی دارد. از طرف دیگر ، موجود ذره‌بینی مستقر در گروگیا و نخودی ، همه عملیات اخیر را برای گیاه انجام می‌دهد و نیترات آمونیم در اختیار آن قرار می‌دهد.
باکتری تثبیت کننده نیتروژن ، به کمک آنزیمی به نام نیتروژناز (Nitrogenase) ، کاری را که از دیدگاه مهندسی شیمی مستلزم وجود گرمای صد درجه و هزاران پوند فشار است، می‌تواند در دما و فشار معمولی انجام دهد.

شرایط تثبیت نیتروژن

تثبیت نیتروژن مستلزم سرمایه‌گذاری در زمینه انرژی است. ابتدا هر مولکول نیتروژن باید متلاشی و به دو اتم نیتروژن تبدیل شود و با شش اتم هیدروژن دو مولکول آمونیاک (NH3) را بوجود می‌آورد. برای انجام این دو عمل اخیر ، ۱۴۷ کیلوکالری انرژی خالص ضروری است که از نظر صنعتی به معنی مصرف ۶۰۰۰ کیلوکالری انرژی به ازای تثبیت هر کیلوگرم نیتروژن است.

آزمایشهای انجام شده بر روی محصولات کشاورزی ، نشان می‌دهد که افزایش محصول به کمک مصرف هر کیلوگرم کود نیتروژن‌دار ، معادل همان مقدار کالری مصرف شده برای تهیه کود ، کالری غذا را افزایش می‌دهد.

تولیدکنندگان غیر صنعتی نیتروژن تثبیت شده تولیدکنندگان عمده غیر صنعتی نیتروژن تثبیت شده ، نخودیان یا گیاهان بنشنی هستند که عبارتند از باقلا ، لوبیای روغنی و یونجه. چنین گیاهانی با باکتریهای مستقر در گره‌های ریشه خود مشارکت کرده‌اند. تثبیت نیتروژن به طریق همزیستی و مشارکت از نوع یاد شده ، به عناصر کمیاب از قبیل مولیبدن یا کبالت ( که تقریبا همان نقش کاتالیزور فلزی اکسیده در تولید صنعتی را به عهده دارند ) نیاز ویژه دارد. در ترکیب آنزیم نیتروژناز علاوه بر باکتریهای همزیست ، باکتریهای مستقلی نظیر آزتو باکتر (Azeto bacter) هم وجود دارند که نیتروژن تثبت شده را در اختیار چمنزارها قرار می‌دهد. در محیط آبزیان ، کار تثبیت نیتروژن توسط جلبک سبز- آبی انجام می‌شود.