Ammonifikacja
Ludzie i amonifikacja
Zasoby
Ammonifikacja, w chemii, jest definiowana jako nasycenie amoniakiem lub jednym z jego związków. Ściśle mówiąc, amonifikacja odnosi się do każdej reakcji chemicznej, która generuje amoniak (NH3) jako produkt końcowy (lub jego formę jonową, amon, NH4+). Amonifikacja może zachodzić w wyniku różnych reakcji nieorganicznych lub w wyniku funkcji metabolicznych mikroorganizmów, roślin i zwierząt. W kontekście ekologicznym amonifikacja odnosi się jednak do procesów, w których organicznie związane formy azotu występujące w martwej biomasie (takie jak aminokwasy i białka) są utleniane do amoniaku i amonu. Ekologiczny proces amonifikacji jest prowadzony w glebie i wodzie przez wielką różnorodność mikrobów i jest jednym z wielu rodzajów przemian chemicznych, które zachodzą podczas rozkładu martwej materii organicznej.
Ammonifikacja jest kluczowym składnikiem w cyklu azotowym ekosystemów. Cykl azotowy składa się z kompleksu zintegrowanych procesów, dzięki którym azot krąży między głównymi przedziałami w atmosferze, wodzie, glebie i organizmach. Podczas różnych faz cyklu azotowego, element ten jest przekształcany wśród różnych związków organicznych i nieorganicznych.
Jak w przypadku wszystkich składników cyklu azotowego, prawidłowe funkcjonowanie amonifikacji jest krytyczne dla zdrowia ekosystemów. W przypadku braku amonifikacji, organiczne formy azotu gromadziłyby się w dużych ilościach. Ponieważ rosnące rośliny potrzebują dostępu do nieorganicznych form azotu, zwłaszcza amonu i azotanu (NO3-), utlenianie organicznego azotu martwej biomasy poprzez amonifikację jest konieczne dla utrzymania produktywności gatunków i ekosystemów.
Amonifikacja
Atrogen jest jednym z najobficiej występujących pierwiastków w tkankach wszystkich organizmów i jest składnikiem wielu związków biochemicznych, zwłaszcza aminokwasów, białek i kwasów nukleinowych. W związku z tym, azot jest jednym z krytycznie ważnych składników odżywczych i jest wymagany w stosunkowo dużych ilościach przez wszystkie organizmy. Zwierzęta otrzymują swoje dostawy azotu poprzez pokarmy, które jedzą, ale rośliny muszą asymilować nieorganiczne formy tego składnika odżywczego z ich środowiska.
Jednakże szybkość, z jaką środowisko może dostarczyć nieorganicznego azotu jest ograniczona i zwykle mała w stosunku do metabolicznych potrzeb roślin. Dlatego dostępność nieorganicznych form azotu jest często czynnikiem ograniczającym produktywność roślin. Jest to szczególnie powszechne zjawisko dla roślin rosnących w środowisku lądowym i morskim oraz, w mniejszym stopniu, w wodach słodkich (gdzie dostarczanie fosforanów jest zwykle głównym ograniczającym składnikiem odżywczym, a następnie azotanów).
Martwa biomasa roślin, zwierząt i mikroorganizmów zawiera duże stężenia organicznie związanego azotu w różnych formach, takich jak białka i aminokwasy. Proces rozkładu jest odpowiedzialny za recykling nieorganicznych składników martwej biomasy i zapobiega gromadzeniu się ich w dużych, nieprzydatnych ilościach. Rozkład odbywa się oczywiście głównie dzięki funkcjom metabolicznym różnorodnych bakterii, grzybów, promieniowców, innych mikroorganizmów, a także niektórych zwierząt. Amonifikacja jest szczególnym aspektem bardziej złożonego procesu rozkładu organicznego, szczególnie odnosząc się do mikrobiologicznej konwersji organicznego azotu do amoniaku (NH3) lub amonu (NH4+).
Ammonifikacja występuje w warunkach utleniających w praktycznie wszystkich ekosystemach i jest przeprowadzana przez praktycznie wszystkie mikroorganizmy, które są zaangażowane w rozkład martwej materii organicznej. W sytuacjach, w których tlen nie jest obecny, stan określany jako beztlenowy, zachodzą różne reakcje rozkładu mikrobiologicznego; wytwarzają one związki azotu znane jako aminy.
Mikroby czerpią pewną ilość energii użytecznej metabolicznie z utleniania azotu organicznego do amonu. Ponadto, wiele z amonu jest asymilowane i wykorzystywane jako składnik odżywczy dla celów metabolicznych mikrobów. Jednakże, jeśli mikroby produkują amon w ilościach przekraczających ich własne zapotrzebowanie, co zwykle ma miejsce, nadwyżka jest wydalana do otoczenia (np. do gleby) i jest dostępna do wykorzystania jako składnik odżywczy przez rośliny lub jako substrat w innym procesie mikrobiologicznym, znanym jako nitryfikacja (patrz poniżej). Zwierzęta, w przeciwieństwie do nich, wydalają głównie mocznik lub kwas moczowy w swoich zawierających azot płynnych odpadach (takich jak mocz), wraz z różnymi związkami organiczno-azotowymi w swoich odchodach. Mocznik, kwas moczowy i azot organiczny w kale są substratami dla mikrobiologicznej amonifikacji.
Jedną z najbardziej elementarnych reakcji amonifikacji jest utlenianie prostego związku organicznego mocznika (CO(NH2)2) do amoniaku poprzez działanie enzymu mikrobiologicznego znanego jako ureaza. (Należy zauważyć, że na każdą jednostkę mocznika, która jest utleniana, produkowane są dwie jednostki amoniaku). Mocznik jest powszechnie stosowanym nawozem rolniczym, używanym do dostarczania amoniaku lub amonu do bezpośredniego pobrania przez rośliny, lub jako substrat do mikrobiologicznej produkcji azotanu poprzez nitryfikację (patrz poniżej).
Amoniak jest odpowiednim źródłem pobierania azotu dla wielu gatunków roślin, szczególnie tych, które żyją w kwaśnych glebach i wodach. Jednak większość roślin, które występują w glebach niekwaśnych nie może wykorzystać amonu bardzo skutecznie, a oni wymagają anionu azotanu (NO3+) jako ich źródło absorpcji azotu. Azotan jest generalnie uzyskiwany poprzez bakteryjne utlenianie amonu do azotynów, a następnie do azotanów, w ważnym procesie ekologicznym zwanym nitryfikacją. Ponieważ gatunki bakterii przeprowadzające nitryfikację nie tolerują kwasowości, proces ten nie zachodzi w znacznym stopniu w kwaśnych glebach lub wodach. Jest to powód, dla którego rośliny rosnące w kwaśnych siedliskach mogą polegać jedynie na amonie jako źródle odżywiania azotem.
Ponieważ amon jest dodatnio naładowanym kationem, jest on utrzymywany stosunkowo silnie przez reakcje wymiany jonowej zachodzące na powierzchniach minerałów ilastych i materii organicznej w glebach. W związku z tym, amon nie jest bardzo skutecznie wymywany przez wodę, która przesącza się w dół przez glebę. Inaczej jest z azotanem, który jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie glebowej i łatwo ulega wymywaniu. W rezultacie, zanieczyszczenie azotanami może być ważnym problemem w obszarach rolniczych, które były silnie nawożone nawozami zawierającymi azot.
Ludzie i amonifikacja
Ludzie mają duży wpływ na cykl azotu, zwłaszcza poprzez stosowanie nawozów w rolnictwie. W warunkach ograniczonych składników odżywczych, rolnicy powszechnie starają się zwiększyć dostępność azotu w glebie, szczególnie w postaci azotanu, a w mniejszym stopniu w postaci amonu. Stawki nawożenia w intensywnych systemach rolniczych mogą przekraczać 446,2 lb/ac (500 kg/ha) azotu rocznie. Azot w nawozie może być dodawany jako azotan amonu (NO4 NH4) lub jako mocznik. Ten ostatni związek musi zostać poddany amonifikacji, zanim pojawią się nieorganiczne formy azotu, czyli amon i azotan, które mogą być pobierane przez rośliny. W niektórych systemach rolniczych kompost lub inne materiały organiczne mogą być dodawane do gleby jako środek użyźniający i nawóz. W takich przypadkach, azot organiczny jest przekształcany w dostępny amon poprzez amonifikację mikrobiologiczną, a azotan może być następnie generowany poprzez nitryfikację.
W sytuacjach, w których wskaźniki nawożenia są nadmierne, zdolność ekosystemu do asymilacji azotu staje się nasycona. Chociaż amon wytwarzany w procesie amonifikacji nie jest łatwo wymywany, to azotan tak, a to może prowadzić do
KEY TERMS
Decomposition- Rozkład złożonych cząsteczek tworzących martwe organizmy na proste składniki odżywcze, które mogą być ponownie wykorzystane przez organizmy żywe.
Eutrofizacja – naturalny proces, który zachodzi w starzejącym się jeziorze lub stawie, ponieważ w tym zbiorniku wodnym stopniowo wzrasta stężenie składników odżywczych dla roślin.
Wyługowanie – proces przemieszczania się substancji rozpuszczonych w glebie wraz z przesiąkającą wodą.
Składnik odżywczy – każdy związek chemiczny, który jest niezbędny do życia.
Zanieczyszczenie wód gruntowych i powierzchniowych, takich jak strumienie i rzeki. Zanieczyszczenie wód gruntowych azotanami stanowi ryzyko dla zdrowia ludzkiego, podczas gdy wody powierzchniowe mogą doświadczyć zwiększonej produktywności poprzez eutrofizację.
Źródła
Książki
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., and Ray R. Weil. The Nature and Properties of Soils. 13th ed. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 2001.
Leadbetter, Jared R., editor. Mikrobiologia środowiskowa. Amsterdam, Holandia, i Boston, MA: Elsevier Academic Press, 2005.
McArthur, J. Vaun. Microbial Ecology: An Evolutionary Approach. Amsterdam, Holandia, i 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
.