της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας χημικού του 1ου Γυμνασίου Δάφνης
από τον Διονύση Σαββόπουλο
Τούτος ο κανόνας με το κανονάκι,
αν δεν είχε λόγο χαρισμένο
θα `τανε ψωμί σκουληκιασμένο.
Πούθεν έρχεται και που θε ξεχειλίζει,
μέσ’ από το ρεύμα και το χρόνο
μέσ’ απ’ τη συνήθεια και το νόμο.
Κανονάκι, κανονάκι δεν υπάρχει ορόσημο
κόβονται τα γόνατά μου στο τρελό της δόσιμο.
Είναι η χάρη που μας παίρνει, σκάει κι απογειώνεται
βρίσκει την καινούργια βία και ξανασαρκώνεται.
Εισαγωγή
Ροή ενέργειας στο φυσικό περιβάλλον, εξελικτική διαδικασία και διαμόρφωση ισορροπιών (απόσπασμα)
Η ροή και ανακύκλυση ενέργειας και ύλης γίνεται με τους βιογεωχημικούς κύκλους
Οι βιογεωχημικοί κύκλοι περιλαμβάνουν α. φυσικούς μετασχηματισμούς όπως διάλυση, κατακρήμνηση, αεριοποίηση και ενσωμάτωση
β. χημικές μετατροπές όπως βιοσύνθεση, βιοδιάσπαση, οξειδοαναγωγή και βιομετατροπές
γ. συνδυασμόυς φυσικών και χημικών μετατροπών που μπορούν να προξενίσουν μετάθεση υλικών στον χώρο όπως ιζηματοποίηση , εξαέροση κ.α.
Με τον τρόπο αυτό η παραγώμενη ενέργεια απορροφάται, μετατρέπεται και παροδικά αποθηκεύεται και διασκορπίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να συμβαίνει ενεργειακή ροή ή ροή ενέργειας που είναι απαραίτητη για την λειτουργία των οικοσυστημάτων.
Περιγράφοντας το φυσικό περιβάλλον και τους γεωβιοχημικούς κύκλους της ύλης
Οι παράγοντες που αποτελούν ένα οικοσύστημα και αλληλοεπιδρούν είναι παράγοντες ύλης και ενέργειας
Η ύλη στο γήϊνο οικοσύστημα παραμένει σχεδόν ανεπιρρέαστη εφόσον τα ποσά ύλης που δέχεται ο πλανήτης από το διάστημα (μετεωρίτες κ.α.) είναι αναλογικά πολύ μικρά. Τα χημικά στοιχεία που επικρατούν στην ζωή (άνθρακας, υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο, θείο, φωσφόρος, κ.α.) αλλά και τα άλλα σε μικρότερες αναλογίες είναι κυρίως αυτά που κυκλοφορούν σε βιοχημικούς κύκλους χημικών στοιχείων ώστε να γίνονται εκ νέου διαθέσιμα. Κύκλος του άνθρακα, κύκλος του αζώτου, κύκλος του οξυγόνου, κύκλος του θείου.
Ανακυκλώνονται επίσης αλλά με μικρότερη ένταση δευτερεύοντα στοιχεία των οργανισμών όπως μαγνήσιο, κάλιο, νάτριο και αλογόνα αλλά και ή ιχνοστοιχεία
Ο βαθμός ανάλυσης και λεπτομέριας στην ροή των κύκλων έχει ορισμένα χαρακτηριστικά όπως
η δεξαμενή αποθήκευσης (τα υλικά κινούνται αργά) η δεξαμενή ανταλλαγής (μικρότερο τμήμα ανταλλαγής συστατικών) και επίσης οι γεωβιοχημικοί κύκλοι διακρίνονται σε αέριες (υδρογόνου, οξυγόνου κ.α.) και ιζηματογενείς (φωσφόρου, θείου κ.α.)
Ο βιοχημικός κύκλος του αζώτου στην φύση
Γενικά: Αν και το άζωτο βρίσκεται σε μεγάλη αφθονία στην ατμόσφαιρα δεν είναι πολύ εύκολο να εισαχθεί στο οικοσύστημα . Η εισάγωγή και η κυκλοφορία του αζώτου σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με τους μικροοργανισμούς.
Το ζητούμενο λοιπόν είναι να εισαχθεί το άφθονο αέριο άζωτο της ατμόσφαιρας στις τροφικές αλυσίδες των οικοσυστημάτων (αζωτοδέσμευση)
.jpg){kind=small}
πράγμα το οποίο απαιτεί ενέργεια. Το άζωτο είναι ένα αδρανές αέριο και για να ενωθεί και αν δεσμευθεί πρέπει να ενεργοποιηθεί
Η διαδικασία της αζωτοδέσμευσης
γίνεται με τους εξης τρόπους
α. Δέσμευση του ατμοσφαιρικού αζώτου με την ενέργεια των κεραυνών (1)
Το δεσμευόμενο άζωτο στην ατμόσφαιρα αποτελεί το 10% συνολικού δεσμευόμενου και αποδίδεται σε μορφή αμμωνίας ή νιτρικών ιόντων
Στο μόριο του αζώτου έχουμε 3 ομοιοπολικούς δεσμούς που απαιτείται μεγάλη ενέργεια για την διάσπασή τους. Αφού συμβεί αυτό το άζωτο συνήθως ι ενώνεται με το υδρογόνο ή το οξυγόνο των υδρατμών
N2 + 3H2 (ηλεκτρική ενέργεια κεραυνών ) -->>2 ΝΗ3 (5)
ή
α . N2 + Ο2 (υψηλές θερμοκρασίες κατά την ηλεκτρική ενέργεια κεραυνών ) -->>2 ΝΟ (13)
ιβ. 2ΝΟ + Ο2 → 2ΝΟ2
Τα κατιόντα αμμωνίου που προκύπτουν από την μετατροπή του αζώτου της ατμόσφαιρας απορροφώνται από το έδαφος διότι το κατιόν αμμωνίου
είναι κατιόν ανταλλάξιμο. Ανταλλαγή γίνεται σε αργιλλώδη εδάφη σε αρνητικά φορτισμένες αργίλλους και οργανικά κολλοειδή του εδάφους. Σε ορισμένες περιπτώσεις δεσμεύεται σταθερά σε άλλες όχι.
Δεσμεύεται σε ορισμένους κρυστάλλους όπως (βερμικουλίτες) που επιτρέπουν αφού εισέλθει στο εσωτερικό διπλοστοιβαδικών επιφανειών τους.
Οι ιλλίτες παρουσιάζουν μικρή προσροφητικότητα,
ενώ τα αργιλικά πετρώματα τύπου καολίνη που μεταξύ των στρωμάτων του αναπτύσσονται ισχυροί δεσμοί δεν ανταλλάζουν αμμωνιακά ιόντα
β. Ελεύθερη βιολογική αζωτοδέσμευση στο έδαφος με μικροοργανισμούς που περιέχουν το ένζυμο νιτρογενάση
κατά 90%. Αυτό συμβαίνει με ελεύθερα βακτήρια που εμπλουτίζουν το έδαφος με άλατα του αζώτου και με συμβιωτικά βακτήρια που παρέχουν άζωτο της ατμόσφαιρας σε μορφή νιτρικών και νιτρωδών ιόντων στις ρίζες ορισμένων φυτών.
Δέσμευση από Από ελεύθερα βακτήρια που εμπλουτίζουν το έδαφος με άλατα του αζώτου : (4)
Οσον αφορά την ελεύθερη δέσμευση, υπάρχουν οργανισμοί που έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν το άζωτο Είναι τα κυανοφύκη, και βακτήρια που διαθέτουν το ένζυμο νιτρογενάση που διασπά τον τριπλό δεσμό του αζώτου και τελικά αυτό υδρογονώνεται και δίνει αμίνες των αμινοξέων
N2 -->NH4+ (καταλύεται από το ένζυμο νιτρογενάση και απαιτεί ενέργεια 15 μόρια ATP)
Η άλλη περίπτωση είναι στην αμμωνία να επιδρούν αυτότροφα βακτήρια ώστε αυτή οξειδώνεται σε νιτρώδη ιόντα και μετά σε νιτρικά. Σαν νιτρικά ιόντα απορροφάται και αφομοιώνεται από όλους σχεδόν τους φυτικούς οργανισμούς
η που το χρησιμοποιούν για να φτιάξουν το δικό τους οργανικό υλικό
στην συνέχεια οργανοποιείται το μεγαλύτερο ποσοστό
NH4+ --> Αμίνες των αμινοξέων
Κατηγορίες από Βακτήρια της βιολογικής αζωτοδέσμευσης
Υπάρχουν 15 είδη βακτηρίων που κάνουν αζωτοδέσμευση όπως azotobacter, beijerinchia, spirillum, enterbacter, klebsiella...
Τα βακτήρια αυτά τρέφονται από οργανικά μόρια που βρίσκουν στο έδαφος και δεσμεύουν ατμοσφαιρικό άζωτο μόνο όταν το χρειάζονται γιατί η δέσμευση έχει ενεργειακό κόστος (δέσμευση μη συνεχής) .
Στα βακτήρια αυτά το άζωτο που δεσμεύεται έτσι, χρησιμοποιείται για κατασκευή ιστών και είναι το 90% του συνολικά δεσμευμένου.
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ
γ. Η συμβιωτική αζωτοδέσμευση (9)
Οσον αφορά την συμβιωτική δέσμευση υπάρχουν Βακτήρια όπως τα rhizobium , bradyrhizobium, azorhizobium που επίσης δεσμεύουν το ατμοσφαιρικό άζωτο. Τα βακτήρια αυτά, κάτω υπό ορισμένες συνθήκες εισβάλλουν με χημειοτακτισμό στις ρίζες ορισμένων φυτών , όπως τα ψυχανθή (σόγια, μπιζέλια, φασόλια, φακές) (9) και συμβιώνουν με τα φυτά αυτά.
και αναπτύσουν σχέσεις αμοιβαίας συμβίωσης. Τα φυτά χρησιμοποι το άζωτο της ατμόσφαιρας σε μορφή νιτρικών και νιτρωδών ιόντων απευθείας από τους μικροοργανισμούς και όχι από τα διαλυμένα στο νερό νιτρικά και νιτρώδη άλατα του εδάφους. Τα φυτά προμηθεύουν στα βακτήρια ζάχαρα.
Η αζωτοδέσμευση των συμβιοτικών βακτηρίων είναι πολλαπλάσια αυτής των ελεύθερων βακτηρίων του εδάφους
Η διαδικασία της Νιτροποιησης.
Μετατροπές του αζώτου στο έδαφος σε Νιτρικά και αμμωνιακά άλατα
Τα βακτήρια που μετατρέπουν την αμμωνία σε νιτρώδη και νιτρικά ιόντα είναι κυρίως δύο τα nitrobacter και nitrosomonas που είναι αυτότροφα.
Τα αυτότροφα βακτήρια εκτελούν αναεροβική αναπνοή και χρησιμοποιούν τα νιτρικά αντί για οξυγόνο.
Αν υπάρχουν στο έδαφος νιτρώδη ιόντα, που είναι τοξικα για τις ρίζες των φυτών, τα βακτήρια nitrbacter τα μετατρέπουν σε νιτρικά
Άζωτο φτάνει στο έδαφος
1. από την ατμόσφαιρα με μετατροπή του αερίου αζώτου σε κατιόντα αμμωνίου και νιτρικά και νιτρώδη ανιόντα (6)
που γίνεται με δυο ομάδς βακτηρίων τα nitrosomonas που μετατρέπουν τα αμμωνιακά σε νιτρώδη
ΝΗ4+ + 1,5 Ο2 → ΝΟ2- + Η2Ο + ενέργεια (Dg = -66kcal)
και τα nitrobacter που μετατρέπουν τα νιτρώδη σε νιτρικά
ΝΟ2- + 0,5 Ο2 → ΝΟ3- DG= -17,5 Kcal
Τα νιτρώδη είναι τοξικά και μετατρέπονται σε νιτρικά ιόντα και αυτό λέγεται νιτροποίηση και ευνοείται από το χαμηλό PH την υγρασία, τον αερισμό και τα νιτροποιητικά βακτήρια. Τα νιτρικά χρησιμοποιούνται περισσότερο από τα αμμωνακά. Τα ιόντα αυτά μπορούν να διαλυθούν στο νερό και να παραληφθούν από τις ρίζες των φυτών.
Τα φυτά προσροφούν αμμωνιακά .και νιτρικά άλατα.
2. από την αμμωνιοποίηση οργανικών μορίων (πρωτείνες, πουρίνες, πυριμιδίνες) (12)
Από την αποδόμηση των οργανικών ουσιων από ζώα και φυτά, παράγεται αμμωνία που μετατρέπεται στο έδαφος με την επίδραση βακτηρίων και μυκήτων σε αμμωνιακά άλατα
Aυτό μπορεί να γίνει σε τρία στάδια: 1. μετατροπή τους σε αμίνες (αμινοποίηση) πρωτεϊνη --> RNH2 2 .Σχηματισμός αμμωνίας από το άζωτο των αμινών (αμμωνιοποίηση) RNH2 + H2O --> N2 + ROH + ενέργεια
Η αμμωνία από τα οργανικά μόρια ακολουθει την πορεία με αυτην της αμμωνίας που προέρχονται από το άζωτο της ατμόσφαιρας.
Μετά από κόψιμο δάσους και καθαρισμό του εδάφους παρατηρήθηκα αύξηση των νιτροποιητικών βακτηρίων
αλλά ισχύει και το αντίστροφο
Κάτω από ορισμένη βλάστηση, (φυτικές ταννίνες , φαινολικά οξέα και φαινολικά γλυκοζίδια) η νιτροποίηση αναστέλλεται
Αφ ετέρου ένα μέρος των αζωτούχων οργανικών αυτών συστατικών παραμένει αδιάσπαστο και αποτελεί τα χουμικά συστατικά του εδάφους (16)
Η Ακινητοποιηση ή στερέωση του αζώτου στο έδαφος με την σύνθεση μεγάλων οργανικών μορίων (7)
Γίνεται με την βοήθεια βακτηρίων ή μικροβίων , από άλγη των νερών, που χρησιμοποιείται για την σύνθεση κυτταρικού υλικού
Ακόμη τα φυτά απορροφούν τα ευδιάλυτα νιτρικά ιόντα από το έδαφος και τα μετατρέπουν σταδιακά σε μεγάλα σύμπλοκα όπως πρωτεϊνες και μοριακά οξέα
Τα φυτά σε αυτήν την περίπτωση δεν μπορούν να απορροφήσουν τα μεγάλα αζωτουχα οργανικά μόρια των βακτηρίων, παρά μόνο εάν αυτά πεθάνουν και αποσυντεθούν
Η ακινητοποίηση του αζώτου εξαρτάται από την αναλογία ανθρακα/ άζωτο στο έδαφος. Αν το κλάσμα που προσδιορίζει την αναλογία είναι C/N είναι μεγάλο, ευνοείται η ακινητοποίηση του αζώτου.
Η Αμμωνιοποίηση του δεσμευμένου αζώτου (5)
α. Αμμωνιοποίηση του αζώτου των ανόργανων ιόντων νιτρωδών και νιτρικών
Τα νιτρώδη είναι τοξικά και μετατρέπονται σε νιτρικά ιόντα και αυτό λέγεται νιτροποίηση και ευνοείται από το χαμηλό PH την υγρασία, τον αερισμό και τα νιτροποιητικά βακτήρια. Τα νιτρικά χρησιμοποιούνται περισσότερο από τα αμμωνακά. Τα ιόντα αυτά μπορούν να διαλυθούν στο νερό και να παραληφθούν από τις ρίζες των φυτών.
Τα φυτά προσροφούν αμμωνιακά .και νιτρικά άλατα.
β. Αμμωνιοποήση του οργανικού αζώτου (11,12)
Το άζωτο στην συνέχεια κυκλοφορεί στη βιόσφαιρα μέσα σε βιολογικές ενώσεις που κατασκευάζονται και αστην συνέχεια κυκλοφορούν στην βιόσφαιρα σε εσωτερικούς κύκλους και σε κάπROHοιες περιπτώσεις, μετά τον θάνατό τους αποσυντίθενται και καταλήγουν σε αμμωνία και αμμωνιακά ιόντα αλλά μόνο σε αλκαλικά εδάφη και πλεονάζουσες ποσότητες οργανικού αζώτου
Ο σχηματισμός αμμωνίας στους ετeρότροφους από πρωτεϊνες γίνεται ως εξής
πρωτείνες --> RΝΗ2 + CO2 + ενέργεια + λοιπά προϊόντα
RNH2 + H2O -> NH3 +
Στην αμμωνιοποίηση συμμετέχουν μια μεγάλη ποικιλία βακτηρίων και μυκήτων υπό αερόβιες κυρίως συνθήκες. Οι πουρίνες και οι πυριμιδίνες μεταβολίζονται έως το ουρικό οξύ και στην συνέχεια σε ουρία ή αμμωνία
από την σελίδα της ΕΕΧ https://195.134.76.37/chemicals/chem_uricacid.htm
Οι οργανισμοί, ανάλογα με το τρόπο με τον οποίο αποβάλλουν το περίσσευμα του αζώτου, που προέρχεται από τις απαμινώσεις κατά τον μεταβολισμό των αμινοξέων της τροφής τους, διακρίνονται σε:
(α) αμμωνιοτελικούς (ammonotelic), που αποβάλλουν το περίσσευμα του αζώτου ως αμμωνία (ψάρια και άλλοι υδρόβιοι οργανισμοί),
(β) ουριοτελικούς (ureotelic), που το αποβάλλουν το περίσσευμα του αζώτου ως ουρία (άνθρωπος, θηλαστικά, πολλά αμφίβια και ορισμένα ψάρια) και
(γ) ουρικοτελικούς (uricotelic), που το αποβάλλουν το περίσσευμα του αζώτου ως ουρικό οξύ (έντομα, πτηνά, ερπετά)
Εδώ βλέπουμε την καταβολική (οξειδώσεις) και την αναβολική οδό (αναγωγές)των πουρινών από τον μεταβολισμό κυτταρικών πυρήνων
Απομάκρυνση του δεσμευμένου αζώτου από το έδαφος
Η διαδικασία της Απονιτροποίησης (14, 15)
Είναι μια αναγωγική διαδικασία μετατροπής του δεσμευμένου αζώτου του εδάφους σε ελεύθερο ατμοσφαιρικό άζωτο σε αναερόβιες συνθήκες .
22 γένη βακτηρίων όπως (Clostidium, Bacillus, Arthrobacter, Rhizobium κ.α.) μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα νιτρικά ιόντα σαν δέκτη ηλεκτρονίων στη θέση του οξυγόνου
5CH2O + 4NO3- + 4H+ --> 2N2 + 5CO2 + 7H2O
Η σειρά των αναγωγικών αντιδράσεων είναι η εξής:
ΝΟ3- -->ΝΟ2- --->Ν2Ο----> Ν2-.
Η απονιτροποίηση ευνοείται από σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, οι ιδανικές είναι γύρω στους 60ο C
Σε όξινα εδάφη η διαδικασία της απονιτροποίησης γίνεται με χημικό τρόπο. (ευνοείται η απομάκρυνση ΝΟ3- από το έδαφος)
ΚΑΠΟΙΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ
Οι βιογεωχημικοί κύκλοι είναι στην πραγματικότητα πολύ λεπτομερέστεροι από όσο μπορούν να περιγραφούν εδώ και βέβαια υπάρχουν μηχανισμοί διατήρησης της ισορροπίας τους και αποκατάστασης των εκτροπών από αυτήν. Κάποια σημεία που μπορεί να θεωρηθούν σαν τέτοια αναφέρω στην συνέχεια:
στην αμμωνιοποίηση :Τα βακτήρια αυτά τρέφονται από οργανικά μόρια που βρίσκουν στο έδαφος και δεσμεύουν ατμοσφαιρικό άζωτο μόνο όταν το χρειάζονται γιατί η δέσμευση έχει ενεργειακό κόστος (δέσμευση μη συνεχής) .
στην νιτροποίηση :
1.Στα περισσότερα γεωργικά εδάφη ο εφοδιασμός τους με ανόργανο άζωτο εξαρτάται από την ταχύτητα μετατροπής του σε νιτρώδη, νιτρικά, αμμωνιακά . Τον ρυθμό της νιτροποίησης επιρρεάζουν παράγοντες που μπορεί να παίξουν ρόλο στην διατήρηση της ισορροπίας του κύκλου. Οι εξής: Ποικιλία βακτηρίων, Ph, αερισμός, υγρασία, ποσότητα διαθέσιμων νιτρικών αλάτων.
2.Μετά από κόψιμο δάσους και καθαρισμό του εδάφους παρατηρήθηκα αύξηση των νιτροποιητικών βακτηρίων
στην απονιτροποίηση: 1.Ο ρυθμός της απονιτροποίησης αυξάνεται σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου και περίσσειας νιτρικών και ενέργειας (οργανικές ενώσεις)
2. Σε όξινα εδάφη η διαδικασία της απονιτροποίησης γίνεται με χημικό τρόπο. (ευνοείται η απομάκρυνση ΝΟ3- από το έδαφος)
στην αζωτοδέσμευση
τα κωνοφόρα δένδρα περιέχουν και ανακυκλώνουν το λιγότρα άζωτο λόγω που όμως το χρησιμοποιούν πολύ αποτελεσματικά. Οι λόγοι είναι τα φτωχά αμμώδη εδάφη που φυτρώνουν και οι τερψίνες και πολυφαινόλες που είναι τοξικές για τα βακτήρια. Ως εκ τούτου αναπτύσουν συμβιωτικές σχέσεις στις ρίζες τους με τους μικροοργανισμούς rhizobium οι οποίοι δεσμεύουν ατμοσφαιρικό άζωτο για λογαριασμό των δένδρων
ΟΡΙΣΜΕΝΕΣ ΠΑΡΕΜΒΑΣΕΙΣ ΣΤΟΝ ΚΥΚΛΟ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΑΠΟ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ
Στην νιτροποίηση:
Εδάφη που χρησιμοποιούνται εντομοκτόνα ή παρασιτοκτόνα εμφανίζουν μικρή νιτροποίηση και οξινο PH λόγω μείωσης του αριθμού των βακτηρίων
Κατά την χρήση νιτρωδών λιπασμάτων:
Έχουμε αυξημένη παραγωγή αερίου Ν2Ο το οποίο στην ατμόσφαιρα μετατρέπεται φωτοχημικά σε ΝΟ που στην συνέχεια διασπά το όζον Ο3-->Ο2
Δήμητρα Σπανού
ΠΗΓΕΣ
ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ :ΣΤΑΜΑΤΗΣ ΣΤΑΜΑΤΙΑΔΗΣ
ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ: ΜΙΧΑΗΛ ΑΓΓΕΛΙΔΗΣ
https://en.wikipedia.org/wiki/Purine
κύκλος+του+αζώτου+αζωτο+στην+ατμόσφαιρα,+αζωτο+στο+έδαφος+αζωτο+στους+οργανισμούς+διαγραμμα&sxsrf
https://www.researchgate.net/figure/Possible-purine-catabolic-pathway-in-E-coli_fig2_12336550