Ammonifikaatio

Ihminen ja ammonifikaatio

Resurssit

Ammonifikaatio määritellään kemiassa kyllästymiseksi ammoniakilla tai jollakin sen yhdisteistä. Tarkkaan ottaen ammonifiointi tarkoittaa mitä tahansa kemiallista reaktiota, jossa lopputuotteena syntyy ammoniakkia (NH3) (tai sen ionista muotoa, ammoniumia, NH4+). Ammonifikaatio voi tapahtua erilaisten epäorgaanisten reaktioiden kautta tai mikro-organismien, kasvien ja eläinten aineenvaihduntatoimintojen seurauksena. Ekologisessa yhteydessä ammonifikaatiolla tarkoitetaan kuitenkin prosesseja, joissa kuolleessa biomassassa esiintyvät orgaanisesti sitoutuneet typen muodot (kuten aminohapot ja proteiinit) hapettuvat ammoniakiksi ja ammoniumiksi. Ekologisen ammonifikaatioprosessin suorittaa maaperässä ja vedessä suuri mikrobien kirjo, ja se on yksi monista kemiallisista muunnostyypeistä, joita tapahtuu kuolleen orgaanisen aineksen hajotessa.

Ammonifikaatio on keskeinen osa ekosysteemien typen kiertokulkua. Typpikierto koostuu kokonaisuudesta integroituja prosesseja, joiden avulla typpi kiertää ilmakehässä, vedessä, maaperässä ja eliöissä sijaitsevien tärkeimpien lokeroidensa välillä. Typpikierron eri vaiheissa tämä alkuaine muuntuu erilaisten orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden välillä.

Kuten kaikki typpikierron osat, ammonifikaation moitteeton toiminta on ratkaisevan tärkeää ekosysteemien terveyden kannalta. Ilman ammonifikaatiota typen orgaaniset muodot kasautuisivat suurina määrinä. Koska kasvavat kasvit tarvitsevat epäorgaanisia typpimuotoja, erityisesti ammoniumia ja nitraattia (NO3-), kuolleen biomassan orgaanisen typen hapettuminen ammonifikaation avulla on välttämätöntä lajien ja ekosysteemien tuottavuuden ylläpitämiseksi.

Ammonifikaatio

Typpi on yksi runsaimmin esiintyvistä alkuaineista kaikkien organismien kudoksissa, ja se on komponentti monissa biokemikaaleissa, erityisesti aminohapoissa, proteiineissa ja nukleiinihapoissa. Näin ollen typpi on yksi kriittisesti tärkeistä ravintoaineista, ja kaikki organismit tarvitsevat sitä suhteellisen suuria määriä. Eläimet saavat typpeä syömänsä ravinnon kautta, mutta kasvien on omaksuttava tämän ravinteen epäorgaanisia muotoja ympäristöstä.

Ympäristön tarjoama määrä epäorgaanista typpeä on kuitenkin rajallinen, ja se on yleensä vähäinen suhteessa kasvien aineenvaihdunnan tarpeisiin. Siksi epäorgaanisten typpimuotojen saatavuus on usein kasvien tuottavuutta rajoittava tekijä. Tämä on erityisen yleistä kasveille, jotka kasvavat maa- ja meriympäristöissä ja vähäisemmässä määrin makeissa vesissä (joissa fosfaatin saanti on yleensä ensisijainen rajoittava ravinne, jota seuraa nitraatti).

Kasvien, eläinten ja mikro-organismien kuollut biomassa sisältää suuria pitoisuuksia orgaanisesti sitoutunutta typpeä eri muodoissa, kuten proteiineina ja aminohappoina. Hajoamisprosessin tehtävänä on kierrättää kuolleen biomassan epäorgaaniset ainesosat ja estää niiden kertyminen suuriksi käyttökelvottomiksi määriksi. Hajoaminen tapahtuu luonnollisesti pääasiassa erilaisten bakteerien, sienten, aktinomykeettien, muiden mikro-organismien ja joidenkin eläinten aineenvaihduntatoimintojen avulla. Ammonifikaatio on orgaanisen hajoamisen monimutkaisemman prosessin erityinen osa-alue, jolla tarkoitetaan erityisesti orgaanisen typen muuntamista mikrobien avulla ammoniakiksi (NH3) tai ammoniumiksi (NH4+).

Ammonifikaatiota tapahtuu hapettavissa olosuhteissa lähes kaikissa ekosysteemeissä, ja sitä suorittavat lähes kaikki kuolleen orgaanisen aineksen hajoamiseen osallistuvat mikro-organismit. Tilanteissa, joissa happea ei ole, eli anaerobiseksi kutsutussa tilassa, tapahtuu erilaisia mikrobien hajoamisreaktioita; nämä tuottavat typpiyhdisteitä, joita kutsutaan amiineiksi.

Mikrobit saavat jonkin verran aineenvaihdunnallisesti hyödyllistä energiaa orgaanisen typen hapettumisesta ammoniumiksi. Lisäksi suuri osa ammoniumista assimiloituu ja käytetään ravinteena mikrobien aineenvaihduntatarkoituksiin. Jos mikrobit kuitenkin tuottavat ammoniumia enemmän kuin ne itse tarvitsevat, kuten yleensä tapahtuu, ylimääräinen ammonium erittyy ympäristöön (kuten maaperään) ja on käytettävissä kasvien ravinnoksi tai substraattina toisessa mikrobiprosessissa, joka tunnetaan nitrifikaationa (ks. jäljempänä). Eläimet sitä vastoin erittävät typpeä sisältävien nestemäisten jätteidensä (kuten virtsan) mukana enimmäkseen ureaa tai virtsahappoa sekä erilaisia orgaanisia typpiyhdisteitä ulosteisiinsa. Ulosteen urea, virtsahappo ja orgaaninen typpi ovat kaikki mikrobien ammonifikaation substraatteja.

Yksi ammonifikaatioreaktioista on yksinkertaisen orgaanisen ureayhdisteen (CO(NH2)2) hapettuminen ammoniakiksi ureaasiksi kutsutun mikrobien entsyymin vaikutuksesta. (Huomaa, että jokaista hapetettua urean yksikköä kohti syntyy kaksi yksikköä ammoniakkia). Urea on yleisesti käytetty lannoite maataloudessa, ja sitä käytetään antamaan ammoniakkia tai ammoniumia kasvien suoraan otettavaksi tai substraattina mikrobien nitraattituotannolle nitrifikaation kautta (ks. jäljempänä).

Ammonium on sopiva typen ottolähde monille kasvilajeille, erityisesti niille, jotka elävät happamissa maaperissä ja vesissä. Useimmat kasvit, jotka esiintyvät muussa kuin happamassa maaperässä, eivät kuitenkaan pysty hyödyntämään ammoniumia kovin tehokkaasti, ja ne tarvitsevat typen ottolähteeksi anionin nitraattia (NO3+). Nitraatti saadaan yleensä bakteerien hapettamalla ammonium nitriitiksi ja sitten nitraatiksi tärkeässä ekologisessa prosessissa, jota kutsutaan nitrifikaatioksi. Koska nitrifikaatiota harjoittavat bakteerilajit eivät siedä happamuutta, tätä prosessia ei tapahdu merkittävästi happamissa maaperissä tai vesissä. Tästä syystä happamissa elinympäristöissä kasvavat kasvit voivat luottaa vain ammoniumiin typen ravinnonsaannin lähteenä.

Koska ammonium on positiivisesti varautunut kationi, se pysyy suhteellisen vahvasti kiinni maaperän savimineraalien ja orgaanisen aineksen pinnoilla tapahtuvissa ioninvaihtoreaktioissa. Näin ollen vesi ei huuhtele ammoniumia kovin tehokkaasti, kun se kulkeutuu maaperän läpi alaspäin. Tämä on ristiriidassa nitraatin kanssa, joka liukenee hyvin maaperän veteen ja huuhtoutuu helposti. Tämän seurauksena nitraatin aiheuttama pilaantuminen voi olla merkittävä ongelma maatalousalueilla, joita on lannoitettu runsaasti typpeä sisältävillä lannoitteilla.

Ihminen ja ammonifikaatio

Ihmisellä on suuri vaikutus typen kiertokulkuun, erityisesti lannoitteiden käytön kautta maataloudessa. Ravinnepulaolosuhteissa maanviljelijät pyrkivät yleisesti lisäämään maaperän typen saatavuutta erityisesti nitraattina ja vähäisemmässä määrin ammoniumina. Tehomaatalouden lannoitusmäärät voivat ylittää 446,2 lb/ac (500 kg/ha) typpeä vuodessa. Lannoitteen typpi voidaan lisätä ammoniumnitraattina (NO4 NH4) tai ureana. Jälkimmäinen yhdiste on ammonifioitava, ennen kuin typen epäorgaaniset muodot eli ammonium ja nitraatti ovat kasveille käyttökelpoisia. Joissakin maatalousjärjestelmissä maaperään voidaan lisätä kompostia tai muuta orgaanista ainesta maanparannusaineeksi ja lannoitteeksi. Tällöin orgaaninen typpi muuttuu mikrobien ammonifikaation kautta käytettävissä olevaksi ammoniumiksi, ja nitraattia voi myöhemmin syntyä nitrifikaation kautta.

Tilanteissa, joissa lannoitusmäärät ovat liiallisia, ekosysteemin kyky assimiloida syötettyä typpeä kyllästyy. Vaikka ammonifikaatiossa syntyvä ammonium ei huuhtoutuukaan helposti, nitraatti huuhtoutuu, ja tämä voi johtaa

KESKEISET TERMIT

Hajoaminen- Kuolleiden organismien monimutkaisten molekyylien hajoaminen yksinkertaisiksi ravinteiksi, joita elävät organismit voivat käyttää uudelleen.

Rehevöityminen- Luonnollinen prosessi, joka tapahtuu vanhenevassa järvessä tai lammessa, kun kyseisen vesimuodostuman kasviravinteiden pitoisuus kasvaa vähitellen.

Liuotus- Prosessi, jossa liuenneet aineet kulkeutuvat maaperässä kulkeutuvan veden mukana.

Ravintoaine- Mikä tahansa elämälle välttämätön kemiallinen aine.

Pohjavesien ja pintavesien, kuten purojen ja jokien, saastuminen. Pohjaveden pilaantuminen nitraatilla aiheuttaa riskejä ihmisten terveydelle, kun taas pintavesien tuottavuus voi lisääntyä rehevöitymisen myötä.

Resurssit

KIRJAT

Atlas, R. M., and R. Bartha. Microbial Ecology. Menlo Park, CA: Benjamin/Cummings, 1987.

Biondo, Ronald J. Introduction to Plant & Soil Science and Technology. Danville, IL: Interstate Publishers, 2003.

Brady, Nyle C., ja Ray R. Weil. The Nature and Properties of Soils. 13th ed. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 2001.

Leadbetter, Jared R., editor. Environmental Microbiology. Amsterdam, Netherlands, and Boston, MA: Elsevier Academic Press, 2005.

McArthur, J. Vaun. Microbial Ecology: An Evolutionary Approach. Amsterdam, Netherlands, and Boston, MA: Elsevier/AP, 2006.

Smil, Vaclay. Enriching the Earth. Cambridge, MA: MIT Press, 2001.

Spearks, Donald L. Environmental Soil Chemistry. 2nd ed. New York: Academic Press, 2002.

Bill Freedman

.