Ammonifikáció
Az ember és az ammonifikáció
Források
A kémia területén az ammóniával vagy annak bármely vegyületével való telítődés. Szigorúan véve az ammonifikáció minden olyan kémiai reakcióra vonatkozik, amelynek végtermékeként ammónia (NH3) (vagy annak ionos formája, az ammónium, NH4+) keletkezik. Ammóniásodás történhet különböző szervetlen reakciók révén vagy a mikroorganizmusok, növények és állatok anyagcsere-funkciói következtében. Ökológiai kontextusban azonban az ammonifikáció azokra a folyamatokra utal, amelyek során az elhalt biomasszában előforduló nitrogén szervesen kötött formái (például aminosavak és fehérjék) ammóniává és ammóniummá oxidálódnak. Az ammonifikáció ökológiai folyamatát a talajban és a vízben a mikrobák nagy változatossága végzi, és egyike az elhalt szerves anyagok bomlása során végbemenő sokféle kémiai átalakulásnak.
Az ammonifikáció az ökoszisztémák nitrogénciklusának egyik kulcseleme. A nitrogénciklus olyan integrált folyamatok komplexumából áll, amelyek révén a nitrogén a légkörben, a vízben, a talajban és az élőlényekben található főbb kompartmentjei között kering. A nitrogénciklus különböző fázisai során ez az elem átalakul a különböző szerves és szervetlen vegyületek között.
A nitrogénciklus minden összetevőjéhez hasonlóan az ammonifikáció megfelelő működése kritikus fontosságú az ökoszisztémák egészsége szempontjából. Az ammonifikáció hiányában a nitrogén szerves formái nagy mennyiségben halmozódnának fel. Mivel a növekvő növényeknek szükségük van a nitrogén szervetlen formáihoz, különösen az ammóniumhoz és a nitráthoz (NO3-) való hozzáférésre, az elhalt biomassza szerves nitrogénjének oxidációja az ammonifikáció révén szükséges a fajok és az ökoszisztémák termelékenységének fenntartásához.
Az ammonifikáció
A nitrogén az egyik leggyakoribb elem minden szervezet szövetében, és számos biokémiai anyag, különösen az aminosavak, fehérjék és nukleinsavak összetevője. Következésképpen a nitrogén az egyik kritikusan fontos tápanyag, és minden szervezetnek viszonylag nagy mennyiségben van szüksége rá. Az állatok az általuk elfogyasztott táplálékon keresztül jutnak nitrogénhez, a növényeknek azonban e tápanyag szervetlen formáit a környezetükből kell felvenniük.
A környezetből származó szervetlen nitrogénellátás sebessége azonban korlátozott és általában kicsi a növények anyagcsereigényéhez képest. Ezért a nitrogén szervetlen formáinak elérhetősége gyakran a növények termelékenységét korlátozó tényező. Ez különösen gyakori jelenség a szárazföldi és tengeri környezetben, valamint kisebb mértékben az édesvizekben (ahol általában a foszfátellátottság az elsődleges korlátozó tápanyag, amelyet a nitrát követ) növekvő növények esetében.
A növények, állatok és mikroorganizmusok elhalt biomasszája nagy koncentrációban tartalmaz szervesen kötött nitrogént különböző formákban, például fehérjék és aminosavak formájában. A bomlási folyamat felelős az elhalt biomassza szervetlen összetevőinek újrahasznosításáért és annak megakadályozásáért, hogy azok nagy, használhatatlan mennyiségben halmozódjanak fel. A lebontás természetesen többnyire baktériumok, gombák, aktinomiciták, egyéb mikroorganizmusok és egyes állatok változatos anyagcsere-funkciói révén valósul meg. Az ammonifikáció a szerves bomlás összetettebb folyamatának egy sajátos aspektusa, amely konkrétan a szerves nitrogén ammóniává (NH3) vagy ammóniává (NH4+) történő mikrobiális átalakítására utal.
Az ammonifikáció oxidáló körülmények között gyakorlatilag minden ökoszisztémában előfordul, és gyakorlatilag minden olyan mikroorganizmus végzi, amely részt vesz az elhalt szerves anyag bomlásában. Olyan helyzetekben, ahol nincs jelen oxigén – ezt az állapotot anaerobnak nevezik -, különböző mikrobiális bomlási reakciók játszódnak le; ezek során aminok néven ismert nitrogénvegyületek keletkeznek.
A mikrobák a szerves nitrogén ammóniává történő oxidációjából nyerik az anyagcsere szempontjából hasznos energiát. Ezenkívül az ammónium nagy részét asszimilálják és tápanyagként használják fel a mikrobák anyagcsere céljaira. Ha azonban a mikrobák a saját szükségleteiket meghaladó mennyiségben termelnek ammóniumot, mint általában, a többlet a környezetbe (például a talajba) ürül, és a növények számára tápanyagként, vagy egy másik mikrobiális folyamat, a nitrifikáció (lásd alább) szubsztrátjaként áll rendelkezésre. Az állatok ezzel szemben többnyire karbamidot vagy húgysavat választanak ki nitrogéntartalmú folyékony hulladékukkal (például vizelettel), valamint különféle szerves nitrogénvegyületeket ürítenek ürülékükben. A széklet karbamidja, húgysava és szerves nitrogénje mind szubsztrát a mikrobiális ammonifikáció számára.
Az ammonifikációs reakciók közül az egyik legelemibb az egyszerű szerves vegyület, a karbamid (CO(NH2)2) ammóniává oxidációja egy ureáz nevű mikrobiális enzim hatására. (Megjegyzendő, hogy az oxidált karbamid minden egyes egységére két egység ammónia keletkezik). A karbamid általánosan használt mezőgazdasági műtrágya, amelyet ammónia vagy ammónium biztosítására használnak a növények közvetlen felvétele céljából, vagy szubsztrátként a nitrifikáció révén történő mikrobiális nitráttermeléshez (lásd alább).
Az ammónium számos növényfaj számára megfelelő nitrogénfelvételi forrás, különösen azok számára, amelyek savas talajokban és vizekben élnek. A nem savanyú talajokban előforduló növények többsége azonban nem tudja az ammóniumot nagyon hatékonyan hasznosítani, és a nitrát (NO3+) anionját igénylik nitrogénfelvételi forrásként. A nitrátot általában az ammónium nitritté, majd nitráttá történő bakteriális oxidációjával nyerik, egy fontos ökológiai folyamat során, amelyet nitrifikációnak neveznek. Mivel a nitrifikációt végző baktériumfajok rendkívül intoleránsak a savassággal szemben, ez a folyamat savas talajokban vagy vizekben nem játszódik le jelentős mértékben. Ez az oka annak, hogy a savas élőhelyeken növő növények nitrogén-táplálékforrásként csak az ammóniumra támaszkodhatnak.
Mivel az ammónium pozitív töltésű kation, a talajban az agyagásványok és a szerves anyagok felületén lejátszódó ioncsere-reakciók viszonylag erősen megkötik. Következésképpen az ammóniumot a talajban lefelé szivárgó víz nem nagyon hatékonyan oldja ki. Ez ellentétben áll a nitráttal, amely jól oldódik a talajvízben, és könnyen kioldódik. Ennek eredményeként a nitrátszennyezés jelentős problémát jelenthet a nitrogéntartalmú műtrágyákkal erősen trágyázott mezőgazdasági területeken.
Az ember és az ammonifikáció
Az ember jelentős hatással van a nitrogén körforgására, különösen a mezőgazdaságban használt műtrágyák révén. Tápanyag-korlátozott körülmények között a gazdálkodók általában megpróbálják növelni a talaj nitrogénjének hozzáférhetőségét, különösen nitrát, és kisebb mértékben ammónium formájában. Az intenzív mezőgazdasági rendszerekben a műtrágyázás mértéke meghaladhatja az évi 446,2 lb/ak (500 kg/ha) nitrogént. A műtrágyában lévő nitrogén ammónium-nitrát (NO4 NH4) vagy karbamid formájában kerülhet a talajba. Ez utóbbi vegyületet ammóniává kell alakítani, mielőtt a nitrogén szervetlen formái, azaz a növények által felvehető ammónium és nitrát jelenne meg. Egyes mezőgazdasági rendszerekben komposztot vagy más szerves anyagokat adnak a talajhoz kondicionálóként és műtrágyaként. Ilyen esetekben a szerves nitrogén mikrobiális ammonifikáció révén átalakul elérhető ammóniummá, és ezt követően nitrifikáció révén nitrát keletkezhet.
Ahol a műtrágyázás mértéke túlzott, ott az ökoszisztéma képessége a bejuttatott nitrogén asszimilálására telítődik. Bár az ammonifikáció során keletkező ammónium nem mosódik ki könnyen, a nitrát viszont igen, és ez
KULCSTERMEK
Bomlás- Az elhalt szervezeteket alkotó összetett molekulák lebontása egyszerű, az élő szervezetek által újrahasznosítható tápanyagokká.
Eutrofizáció- Természetes folyamat, amely egy öregedő tóban vagy tóban játszódik le, amikor a víztest fokozatosan növeli a növényi tápanyagok koncentrációját.
Leaching- A talajban oldott anyagok mozgásának folyamata a beszivárgó vízzel együtt.
Tápanyag- Bármilyen vegyi anyag, amely az élethez szükséges.
A talajvíz és a felszíni vizek, például patakok és folyók szennyezése. A talajvíz nitráttal való szennyezése kockázatot jelent az emberi egészségre, míg a felszíni vizekben az eutrofizáció révén megnövekedhet a termelékenység.
Források
KÖNYVEK
Atlas, R. M., and R. Bartha. Mikrobiális ökológia. Menlo Park, CA: Benjamin/Cummings, 1987.
Biondo, Ronald J. Introduction to Plant & Soil Science and Technology. Danville, IL: Interstate Publishers, 2003.
Brady, Nyle C., and Ray R. Weil. A talajok természete és tulajdonságai. 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. Mikrobiális ökológia: An Evolutionary Approach. Amsterdam, Netherlands, and Boston, MA: Elsevier/AP, 2006.
Smil, Vaclay. A Föld gazdagítása. Cambridge, MA: MIT Press, 2001.
Spearks, Donald L. Environmental Soil Chemistry. 2nd ed. New York: Academic Press, 2002.
Bill Freedman
.