Ammonificazione
L’uomo e l’ammonificazione
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L’ammonificazione, in chimica, è definita come la saturazione con ammoniaca o uno qualsiasi dei suoi composti. In senso stretto, l’ammonificazione si riferisce a qualsiasi reazione chimica che genera ammoniaca (NH3) come prodotto finale (o la sua forma ionica, ammonio, NH4+). L’ammonificazione può avvenire attraverso varie reazioni inorganiche o a causa delle funzioni metaboliche di microrganismi, piante e animali. Nel contesto ecologico, tuttavia, l’ammonificazione si riferisce ai processi con cui le forme di azoto organicamente legate presenti nella biomassa morta (come gli aminoacidi e le proteine) sono ossidate in ammoniaca e ammonio. Il processo ecologico di ammonificazione viene effettuato nel suolo e nell’acqua da una grande diversità di microbi ed è uno dei molti tipi di trasformazioni chimiche che avvengono durante la decomposizione della materia organica morta.
L’ammonificazione è una componente chiave nel ciclo dell’azoto degli ecosistemi. Il ciclo dell’azoto consiste in un complesso di processi integrati attraverso i quali l’azoto circola tra i suoi principali compartimenti nell’atmosfera, nell’acqua, nel suolo e negli organismi. Durante le varie fasi del ciclo dell’azoto, questo elemento viene trasformato tra i vari composti organici e inorganici.
Come per tutti i componenti del ciclo dell’azoto, il corretto funzionamento dell’ammonificazione è fondamentale per la salute degli ecosistemi. In assenza di ammonificazione, le forme organiche di azoto si accumulerebbero in grandi quantità. Poiché le piante in crescita hanno bisogno di accedere a forme inorganiche di azoto, in particolare ammonio e nitrato (NO3-), l’ossidazione dell’azoto organico della biomassa morta attraverso l’ammonificazione è necessaria per il mantenimento della produttività delle specie e degli ecosistemi.
Ammonificazione
L’azoto è uno degli elementi più abbondanti nei tessuti di tutti gli organismi ed è un componente di molte sostanze biochimiche, in particolare aminoacidi, proteine e acidi nucleici. Di conseguenza, l’azoto è uno dei nutrienti più importanti ed è richiesto in quantità relativamente grandi da tutti gli organismi. Gli animali ricevono il loro rifornimento di azoto attraverso gli alimenti che mangiano, ma le piante devono assimilare forme inorganiche di questo nutriente dal loro ambiente.
Tuttavia, la velocità con cui l’ambiente può fornire azoto inorganico è limitata e solitamente piccola rispetto alle richieste metaboliche delle piante. Pertanto, la disponibilità di forme inorganiche di azoto è spesso un fattore limitante per la produttività delle piante. Questo è un evento particolarmente comune per le piante che crescono in ambienti terrestri e marini e, in misura minore, nelle acque dolci (dove la fornitura di fosfati è di solito il nutriente limitante primario, seguito dai nitrati).
La biomassa morta di piante, animali e microrganismi contiene grandi concentrazioni di azoto legato organicamente in varie forme, come proteine e aminoacidi. Il processo di decomposizione ha il compito di riciclare i costituenti inorganici della biomassa morta ed evitare che si accumulino in grandi quantità inutilizzabili. La decomposizione è, naturalmente, per lo più effettuata attraverso le funzioni metaboliche di una serie diversificata di batteri, funghi, attinomiceti, altri microrganismi e alcuni animali. L’ammonificazione è un aspetto particolare del più complesso processo di decomposizione organica, che si riferisce specificamente alla conversione microbica dell’azoto organico in ammoniaca (NH3) o ammonio (NH4+).
L’ammonificazione avviene in condizioni di ossidazione in quasi tutti gli ecosistemi ed è effettuata da quasi tutti i microrganismi che sono coinvolti nella decomposizione della materia organica morta. In situazioni in cui l’ossigeno non è presente, una condizione indicata come anaerobica, si verificano diverse reazioni di decomposizione microbica; queste producono composti azotati noti come ammine.
I microbi ricavano una certa energia metabolicamente utile dall’ossidazione dell’azoto organico in ammonio. Inoltre, gran parte dell’ammonio viene assimilato e utilizzato come nutriente per gli scopi metabolici dei microbi. Tuttavia, se i microbi producono ammonio in quantità che superano il loro fabbisogno, come avviene di solito, l’eccedenza viene espulsa nell’ambiente (come il suolo), ed è disponibile per l’uso come nutriente da parte delle piante, o come substrato per un altro processo microbico, noto come nitrificazione (vedi sotto). Gli animali, al contrario, espellono principalmente urea o acido urico nei loro rifiuti liquidi contenenti azoto (come l’urina), insieme a diversi composti organici di azoto nelle loro feci. L’urea, l’acido urico e l’azoto organico delle feci sono tutti substrati per l’ammonificazione microbica.
Una delle più elementari reazioni di ammonificazione è l’ossidazione del semplice composto organico urea (CO(NH2)2) ad ammoniaca attraverso l’azione di un enzima microbico noto come ureasi. (Si noti che vengono prodotte due unità di ammoniaca per ogni unità di urea che viene ossidata). L’urea è un fertilizzante agricolo comunemente utilizzato, usato per fornire ammoniaca o ammonio per l’assorbimento diretto da parte delle piante, o come substrato per la produzione microbica di nitrato attraverso la nitrificazione (vedi sotto).
L’ammonio è una fonte adatta di assorbimento dell’azoto per molte specie di piante, particolarmente quelle che vivono in terreni e acque acide. Tuttavia, la maggior parte delle piante che vivono in terreni non acidi non possono utilizzare l’ammonio in modo molto efficiente, e richiedono l’anione nitrato (NO3+) come fonte di assorbimento dell’azoto. Il nitrato è generalmente derivato dall’ossidazione batterica dell’ammonio a nitrito, e poi a nitrato, in un importante processo ecologico noto come nitrificazione. Poiché le specie di batteri che effettuano la nitrificazione sono estremamente intolleranti all’acidità, questo processo non si verifica a tassi significativi in terreni o acque acide. Questo è il motivo per cui le piante che crescono in habitat acidi possono contare solo sull’ammonio come fonte di nutrizione azotata.
Perché l’ammonio è un catione caricato positivamente, è trattenuto relativamente forte dalle reazioni di scambio ionico che si verificano sulle superfici dei minerali argillosi e della materia organica nei terreni. Di conseguenza, l’ammonio non è lisciviato molto efficacemente dall’acqua mentre percolano verso il basso attraverso il terreno. Questo è in contrasto con il nitrato, che è altamente solubile nell’acqua del suolo e viene lisciviato facilmente. Di conseguenza, l’inquinamento da nitrati può essere un problema importante nelle aree agricole che sono state pesantemente fertilizzate con fertilizzanti contenenti azoto.
L’uomo e l’ammonificazione
L’uomo ha una grande influenza sul ciclo dell’azoto, specialmente attraverso l’uso di fertilizzanti in agricoltura. In condizioni di limitazione dei nutrienti, gli agricoltori tentano comunemente di aumentare la disponibilità di azoto del suolo, in particolare come nitrato e, in misura minore, come ammonio. I tassi di fertilizzazione nei sistemi agricoli intensivi possono superare 446,2 lb/ac (500 kg/ha) di azoto all’anno. L’azoto nel fertilizzante può essere aggiunto come nitrato di ammonio (NO4 NH4) o come urea. Quest’ultimo composto deve essere ammonificato prima che siano presenti forme inorganiche di azoto, cioè l’ammonio e il nitrato che possono essere assorbiti dalle piante. In alcuni sistemi agricoli, il compost o altri materiali organici possono essere aggiunti al suolo come condizionatore e fertilizzante. In questi casi, l’azoto organico viene convertito in ammonio disponibile attraverso l’ammonificazione microbica, e il nitrato può essere successivamente generato attraverso la nitrificazione.
In situazioni in cui i tassi di fertilizzazione sono eccessivi, la capacità dell’ecosistema di assimilare l’input di azoto diventa sazia. Anche se l’ammonio prodotto dall’ammonificazione non si disperde facilmente, il nitrato sì, e questo può portare alla
Termini chiave
Decomposizione- La scomposizione delle molecole complesse che compongono gli organismi morti in nutrienti semplici che possono essere riutilizzati dagli organismi viventi.
Eutrofizzazione- Un processo naturale che si verifica in un lago o stagno che invecchia quando quel corpo d’acqua aumenta gradualmente la sua concentrazione di nutrienti vegetali.
Lisciviazione- Il processo di movimento delle sostanze dissolte nel suolo insieme all’acqua di percolazione.
Nutrienti- Qualsiasi sostanza chimica che è necessaria per la vita.
Inquinamento delle acque sotterranee e di superficie, come torrenti e fiumi. L’inquinamento delle acque sotterranee con nitrati comporta rischi per la salute umana, mentre le acque superficiali possono sperimentare un aumento della produttività attraverso l’eutrofizzazione.
Risorse
Libri
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Bill Freedman