เข้าใจวัฏจักรไนโตรเจน

ในบรรดาวัฏจักรชีวธรณีเคมี ไนโตรเจนเป็นการศึกษาที่กว้างขวางที่สุด ตรวจสอบสรุปและทราบความสำคัญ

วัฏจักรไนโตรเจน

ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่จำเป็นสำหรับการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนโลก เนื่องจากเป็นส่วนประกอบของกรดอะมิโนทั้งหมดในร่างกายของเรา นอกเหนือจากฐานไนโตรเจน (ซึ่งประกอบเป็นโมเลกุล DNA และ RNA) ประมาณ 78% ของอากาศที่เราหายใจเข้าไปประกอบด้วยไนโตรเจนในบรรยากาศ (N 2 ) ซึ่งเป็นแหล่งกักเก็บน้ำที่ใหญ่ที่สุด สาเหตุหนึ่งคือ N 2 เป็นรูปแบบเฉื่อยของไนโตรเจน กล่าวคือ เป็นก๊าซที่ไม่เกิดปฏิกิริยาในสถานการณ์ทั่วไป ดังนั้นจึงมีการสะสมในชั้นบรรยากาศตั้งแต่การก่อตัวของดาวเคราะห์ อย่างไรก็ตาม สิ่งมีชีวิตเพียงไม่กี่ชนิดสามารถดูดซับได้ในรูปโมเลกุล (N 2 ) ปรากฎว่าไนโตรเจนเช่นเหล็กและกำมะถันมีส่วนร่วมในวัฏจักรธรรมชาติในระหว่างที่โครงสร้างทางเคมีของมันผ่านการเปลี่ยนแปลงในแต่ละขั้นตอนซึ่งทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับปฏิกิริยาอื่น ๆ และกลายเป็นสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ - นี่คือความสำคัญอย่างยิ่งของ วัฏจักรไนโตรเจน (หรือ "วัฏจักรไนโตรเจน")

เพื่อให้บรรยากาศ N 2 ไปถึงดิน เข้าสู่ระบบนิเวศ จะต้องผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการตรึง ซึ่งดำเนินการโดยแบคทีเรียไนตริไฟดิ้งกลุ่มเล็กๆ ซึ่งกำจัดไนโตรเจนในรูปของ N 2 และรวมเข้ากับโมเลกุลอินทรีย์ของพวกมัน เมื่อทำการตรึงโดยสิ่งมีชีวิตเช่นแบคทีเรีย จะเรียกว่าการตรึงทางชีวภาพหรือการตรึงทางชีวภาพ ปัจจุบัน ยังสามารถใช้ปุ๋ยเชิงพาณิชย์สำหรับการตรึงไนโตรเจน การกำหนดลักษณะการตรึงทางอุตสาหกรรม ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเกษตร นอกจากนี้ยังมีการตรึงทางกายภาพซึ่งดำเนินการโดยฟ้าผ่าและประกายไฟฟ้าซึ่งไนโตรเจนถูกออกซิไดซ์และถูกส่งไปยังดินผ่านสายฝน แต่วิธีนี้มีความสามารถในการตรึงไนโตรเจนลดลงซึ่งไม่เพียงพอสำหรับสิ่งมีชีวิต และชีวิตบนโลกเพื่อดำรงตนอยู่

แบคทีเรีย เมื่อทำการตรึง N 2 ให้ปล่อยแอมโมเนีย (NH 3 ) แอมโมเนียเมื่อสัมผัสกับโมเลกุลของน้ำในดินจะเกิดแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ซึ่งเมื่อแตกตัวเป็นไอออนแล้วจะผลิตแอมโมเนียม (NH 4 ) ในกระบวนการที่เป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรไนโตรเจนและเรียกว่าแอมโมเนีย ในธรรมชาติมีความสมดุลระหว่างแอมโมเนียและแอมโมเนียซึ่งควบคุมโดย pH ในสภาพแวดล้อมที่ pH เป็นกรดมากกว่า การก่อตัวของ NH 4 มีอิทธิพลเหนือ และในสภาพแวดล้อมพื้นฐาน กระบวนการทั่วไปที่สุดคือการก่อตัวของ NH 3 แอมโมเนียมนี้มักจะถูกดูดซึมและใช้งานโดยพืชที่มีแบคทีเรียที่เกี่ยวข้องกับรากของมันเป็นหลัก เมื่อผลิตโดยแบคทีเรียที่มีชีวิตอิสระ แอมโมเนียมนี้มีแนวโน้มที่จะมีอยู่ในดินเพื่อใช้กับแบคทีเรียอื่น (ไนโตรแบคทีเรีย)

ไนโตรแบคทีเรียเป็นเคมีสังเคราะห์ กล่าวคือ พวกมันเป็นสิ่งมีชีวิต autotrophic (ที่ผลิตอาหารของตัวเอง) ซึ่งดึงพลังงานที่จำเป็นสำหรับการอยู่รอดของพวกมันจากปฏิกิริยาเคมี เพื่อให้ได้พลังงานนี้ พวกมันมักจะออกซิไดซ์แอมโมเนียม เปลี่ยนเป็นไนไตรต์ (NO 2 - ) และต่อมาเป็นไนเตรต (NO 3 - ) กระบวนการของวัฏจักรไนโตรเจนนี้เรียกว่าไนตริฟิเคชั่น

ไนเตรตยังคงเป็นอิสระในดิน และไม่มีแนวโน้มที่จะสะสมในสภาพแวดล้อมที่ไม่บุบสลายตามธรรมชาติ ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้เส้นทางที่แตกต่างกันสามทาง: ถูกดูดซึมโดยพืช ถูกกำจัดออก หรือเข้าถึงแหล่งน้ำ ทั้งการดีไนตริฟิเคชั่นและการไหลของไนเตรตสู่แหล่งน้ำส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

Denitrification (หรือ denitrification) เป็นกระบวนการที่ดำเนินการโดยแบคทีเรียที่เรียกว่า denitrifiers ซึ่งเปลี่ยนไนเตรตเป็น N 2 อีกครั้งโดยคืนไนโตรเจนสู่ชั้นบรรยากาศ นอกจาก N 2 แล้ว ก๊าซอื่นๆ ที่สามารถผลิตได้ ได้แก่ ไนตริกออกไซด์ (NO) ซึ่งรวมเข้ากับออกซิเจนในบรรยากาศ ทำให้เกิดฝนกรด และไนตรัสออกไซด์ (N 2 O) ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจกของก๊าซ ที่ทำให้โลกร้อนขึ้น

เส้นทางที่สามซึ่งเป็นเส้นทางที่ไนเตรตไปถึงแหล่งน้ำทำให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เรียกว่ายูโทรฟิเคชั่น กระบวนการนี้มีลักษณะเฉพาะโดยการเพิ่มความเข้มข้นของสารอาหาร (ส่วนใหญ่เป็นสารประกอบไนโตรเจนและฟอสฟอรัส) ในน้ำของทะเลสาบหรือเขื่อน สารอาหารที่มากเกินไปนี้เอื้อต่อการเพิ่มจำนวนสาหร่ายอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะขัดขวางการผ่านของแสง ทำให้สภาพแวดล้อมทางน้ำไม่สมดุล อีกวิธีหนึ่งในการจัดหาสารอาหารที่มากเกินไปในสภาพแวดล้อมทางน้ำคือการปล่อยสิ่งปฏิกูลลงสู่สิ่งแวดล้อมโดยไม่ได้รับการบำบัดอย่างเพียงพอ

อีกประเด็นที่ต้องพิจารณาคือความจริงที่ว่าไนโตรเจนสามารถเป็นอันตรายต่อพืชได้เมื่อมีปริมาณที่เกินกว่าความสามารถในการดูดซึม ดังนั้นไนโตรเจนส่วนเกินที่ตรึงอยู่ในดินสามารถจำกัดการเจริญเติบโตของพืชและเป็นอันตรายต่อพืชผล ดังนั้น จึงต้องพิจารณาอัตราส่วนคาร์บอน/ไนโตรเจนในกระบวนการทำปุ๋ยหมัก เพื่อให้การเผาผลาญอาหารของโคโลนีของจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการย่อยสลายมีการใช้งานอยู่เสมอ

การดูดซึมไนโตรเจนโดยมนุษย์

มนุษย์และสัตว์อื่น ๆ สามารถเข้าถึงไนเตรตได้โดยการกินพืชที่ดูดซับสารนี้หรือตามห่วงโซ่อาหารโดยการบริโภคสัตว์อื่น ๆ ที่กินพืชเหล่านี้ ไนเตรตนี้จะกลับสู่วัฏจักรจากการตายของสิ่งมีชีวิต (อินทรียวัตถุ) หรือการขับถ่าย (ของยูเรียหรือกรดยูริก ในสัตว์บกส่วนใหญ่ และแอมโมเนียในอุจจาระของปลา) ซึ่งประกอบด้วยสารประกอบไนโตรเจน ดังนั้นการย่อยสลายของแบคทีเรียจะทำหน้าที่เกี่ยวกับสารอินทรีย์ที่ปล่อยแอมโมเนีย แอมโมเนียยังสามารถแปลงเป็นไนไตรต์และไนเตรตได้ด้วยไนโตรแบคทีเรียชนิดเดียวกันที่เปลี่ยนแอมโมเนีย รวมกันเป็นวัฏจักร

ทางเลือกแทนปุ๋ย

ดังที่เราได้เห็นแล้ว การตรึงไนโตรเจนในดินสามารถส่งผลในเชิงบวก แต่กระบวนการนี้เกิดขึ้นมากเกินไป มันสามารถส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมได้ การรบกวนของมนุษยชาติในวัฏจักรไนโตรเจนเกิดขึ้นจากการตรึงทางอุตสาหกรรม (โดยการใช้ปุ๋ย) ซึ่งเพิ่มความเข้มข้นของไนโตรเจนให้คงที่ ทำให้เกิดปัญหาดังที่กล่าวไว้ข้างต้น

อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับการใช้ปุ๋ยคือการปลูกพืชหมุนเวียน การสลับวัฒนธรรมของพืชตรึงไนโตรเจนและพืชที่ไม่ตรึงไนโตรเจน พืชตรึงไนโตรเจนคือพืชที่มีแบคทีเรียและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับรากของพวกมัน เช่นเดียวกับพืชตระกูลถั่ว (เช่น ถั่วและถั่วเหลือง) การหมุนจะสนับสนุนการตรึงไนโตรเจนในปริมาณที่ปลอดภัยกว่าการใช้ปุ๋ย โดยให้สารอาหารที่เข้ากันได้กับความสามารถในการดูดซึมของพืช เอื้อต่อการพัฒนา และลดระดับของสารอาหารที่ไปถึงแหล่งน้ำ กระบวนการที่คล้ายกันที่เรียกว่า "ปุ๋ยพืชสด" สามารถใช้แทนปุ๋ยได้

กระบวนการนี้ประกอบด้วยการปลูกพืชตรึงไนโตรเจนและตัดหญ้าก่อนที่จะผลิตเมล็ด ปล่อยให้เป็นวัสดุคลุมดินเพื่อนำไปเพาะในสายพันธุ์อื่นในภายหลัง ด้านล่างเราสามารถตรวจสอบภาพที่นำบทสรุปของสิ่งที่เห็นในบทความมาให้เรา:

วัฏจักรไนโตรเจน

ANAMMOX

ตัวย่อในภาษาอังกฤษ (ซึ่งหมายถึงการออกซิเดชันแบบไม่ใช้ออกซิเจนของแอมโมเนีย) ตั้งชื่อกระบวนการทางชีวภาพที่เป็นนวัตกรรมใหม่สำหรับการกำจัดแอมโมเนียออกจากน้ำและก๊าซ

เป็นทางลัด เนื่องจากแอมโมเนียไม่จำเป็นต้องถูกทำให้เป็นไนตริไฟด์ ให้เป็นไนไตรต์และไนเตรตเพื่อถูกดีไนตริไฟเออร์กลับเป็นฟอร์ม N 2 ด้วยกระบวนการ ANAMMOX แอมโมเนียจะถูกเปลี่ยนโดยตรงเป็นก๊าซไนโตรเจน (N 2 ) สถานีขนาดใหญ่แห่งแรกได้รับการติดตั้งในปี 2545 ในประเทศเนเธอร์แลนด์ และภายในปี 2555 มีโรงงานที่ดำเนินการไปแล้ว 11 แห่ง

มีประสิทธิภาพและยั่งยืน กระบวนการ ANAMMOX สามารถใช้ในการกำจัดแอมโมเนียจากของเสียที่มีความเข้มข้นมากกว่า 100 มก./ลิตร ภายในเครื่องปฏิกรณ์ มีแบคทีเรียไนตริไฟดิ้งและ ANAMMOX อยู่ร่วมกัน โดยที่อดีตจะเปลี่ยนแอมโมเนียประมาณครึ่งหนึ่งเป็นไนไตรด์ (สารประกอบทางเคมีที่มีไนโตรเจนในองค์ประกอบ) และแบคทีเรีย ANAMMOX ทำหน้าที่เปลี่ยนไนไตรด์และแอมโมเนียให้เป็นก๊าซไนโตรเจน

วัฏจักรไนโตรเจน

การออกซิเดชันแบบไม่ใช้ออกซิเจนของแอมโมเนียได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีแนวโน้มดี และสามารถพบได้ในกระบวนการทางอุตสาหกรรม เช่น การบำบัดน้ำเสีย ขยะอินทรีย์ ในอุตสาหกรรมอาหารและปุ๋ย เป็นต้น