Kroženjedušika je ciklus, pri katerem dušik neprestano kroži medzrakom,prstjo,rastlinami inživalmi. Dušik je prisoten v vsakemorganizmu, saj je sestavni del in zato nujno potreben zasintezoaminokislin, ki tvorijobeljakovine, ternukleinskih kislin; osnovnih gradnikovDNK inRNK. Prisoten pa je tudi pri drugih molekulah v procesihpresnove.
Čeprav je dušik N2 glavni gradnikatmosfere (78 %), je v tej obliki praktično neuporaben za večino živih bitij, razen nekaterihbakterij inalg. Da bi organizmi prišli do dušika, se mora le-ta pretvoriti v druge kemične oblike, kot so amonijevi in nitratniioni. Rastline le te črpajo izprsti skozikorenine v svojo presnovo. Te uporabljajo živali vprehranjevalni verigi ali parazpadejo. Ravno tako živali proizvajajoodpadke, umirajo in razpadajo.Bakterije pretvorijo razpadajočeorganske snovi nazaj vamonijeve soli innitrate v prsti.
Kljub veliki aktivnosti dušikovega cikla, je dušik običajno še vedno le eden odelementov, ki so nezadostni in omejujejoproduktivnost mnogihekosistemov. Še posebno je ta problem prisoten v intenzivnempoljedelstvu. Tradicionalnokmetijstvo se poslužujegnojenja z živalskimi iztrebki (gnoj in gnojevka). Najboljši naravni gnojili pa stagvano (iz ptičjih iztrebkov) in čilskisoliter (kamenina izČila, ki je izredno bogata ssolmi NaN03).
Leta 1903 je nemški kemikF. Haber iznašel proces za umetno sintezoamonijaka s spajanjem dušika invodika.C. Bosch je leta 1909 postopek izpopolnil za množično proizvodnjo. Prvotno je bila proizvodnja amonijaka namenjena za vojaško industrijo, saj so nitrati osnovaeksplozivnih sredstev (npr.TNT). Po prvi svetovni vojni pa se je proizvodnja amonijaka preusmerila na kmetijsko področje. Tako danes 80% sintetiziranega amonijaka po Haber-Boschovem postopku uporabijo za proizvodnjo umetnih gnojil.
Vprocesudenitrifikacije bakterije pretvarjajo organskedušikove spojine nazaj v atmosferski dušik.
Dušikov ciklus je eden najpomembnejših biogeokemičnih ciklov v naravi. Toda tako amonij kot vsi nitrati so zelo topne snovi, ki se zlahkaizperejo in infiltrirajo iz prsti vvodotoke in naprej v morje. Če ne bi bilo dušikovega cikla bi ves atmosferski dušik po pretvorbi ostal raztopljen v morju. Oceani bi bili bogati z dušikom, medtem ko bi bile celine praktično brez njega spremenjene v biološkepuščave. Temu se je narava izognila z dvema obrnjenima procesoma. Eden je fiksacija dušika, kjer se iz N2 proizvaja topne spojine; drugi pa je denitrifikacija, kjer se v obliki anaerobne respiracije, iz območja bogatega z nitrati, dušik ponovno vrača v ozračje v obliki dvoatomarnegaplina. Na ta način je glavno skladišče dušika vedno v zraku kjer je njegovakoncentracija konstantno v ravnotežju. Kot pomembna skladišča dušika pa nastopajo tudi:organski dušik (rastlinski, živalski,mikrobni, talni),anorganski dušik v obliki NH4+, NO3-, NO2-, NH2OH, N2O, NO, (majhen vendar zelo aktiven rezervoar) in pasedimenti (velik neaktiven rezervoar).
pretvorba plinaste oblike v uporabno obliko, pretvorba N2 v nitrate in amonijak.Nitrati: razelektritve strel, kozmično sevanje + kisik + N2 v kombinaciji z vodo ( dežjem ) tvori dušikovo kislino ( HNO3 ), ki prispe na zemljo → 35 mg/ha/leto.Amonijak: biološka fiksacija ( 1,4–7 kg/ha/leto ) → 90% vsega fiksiranega N2N2 → 2N: za to je potrebna energija 160kcal/mol N22N + 3H2 → 2NH3; ob tem se spusti 13 kcal energije.Biološka fiksacija poteka z:
•bakterijamiRizobium, kiživijo v mutualistični povezavi zmetuljnicami (leguminoze) ali drugimi vrstami (jelše)
• prosto živečimi bakterijami (aerobniAzotobacter,anaerobniClostridium )
• cianobakterij (Nostoc,Calothrix ); tako v vodi kot na kopnem
•epifitskilišaji v tropih ( cianobakterija fiksira dušik in hkrati predstavlja algo v lišaju ).
Fiksiran dušik uporabijo rastline za sintezo organskih spojin živih tkiv. Dušik v odmrlih tkivih ni dostopen rastlinam, ampak mora biti transformiran z dekompozitorji v anorgansko oziroma mineralno obliko.
Nastanekanorganske oblike dušika iz organske oblike imenujemomineralizacija. Vir organskega dušika soproteini odmrlih rastlin, živali in bakterij. Ker v večini primerov nastaneamonijak, proces imenujemo tudiamonifikacija.
Za nastanek amonijaka so potrebni ekstracelularni in intracelularni encimi. Gonilna sila za mineralizacijo dušika je mineralizacija ogljika. Mikroorganizmi razgradijo organsko snov, pri tem pa se sprostijo tudi ostali elementi, med katerimi je tudi dušik.Dušik je prisoten v mnogih organskih in anorganskih spojinah. V komunalni odpadni vodi izvira pretežno iz človeškegametabolizma beljakovin. V sveži odpadni komunalni vodi je približno 60 % dušika v organski obliki in 40 % v anorganski. Organski dušik izvira iz aminokislin, beljakovin inuree, anorganski dušik izvira iz amonijevega iona. V kanalizacijskem sistemu, razen v iztoku specifičnih odpadnih voda industrije, se nitritni in nitratni ioni ne pojavljajo. S hidrolizo uree nastaja amonijev ion in ogljikov dioksid.
Biološki proces nitrifikacije je pretvorba ali oksidacija amonijevih ionov vnitrit in nato v nitratneione. Nitrifikacija poteka zavtotrofnimimikroorganizmi, proces pa poteka v dveh stopnjah. Najprej seamonijak v procesunitricije oksidira v nitrit s pomočjobakterijNitrosomonas. Nato se nitrit v procesunitracije oksidira z organizmiNitrobacter do nitrata. Čeprav je več organizmov, ki so sposobni oksidirati amonijeve in nitritne ione, pa sta ti dve vrsti bakterij, ki sta posebno specializirani za nitrifikacijski proces in dosežeta celo do 10000x učinkovitejšo nitrifikacijo, kot to dosežejo drugi mikroorganizmi.Pomembno je, da se nitriti v čim večji meri pretvorijo v nitratne ione, ker je akumulacija nitritov toksična za rastline. Tudi previsoka koncentracija nitrata v podtalnici je škodljive, kar posledično lahko vpliva npr. tudi na raven kisika v krvi pri dojenčkih.Proces nitrifikacije je odkril ruskimikrobiolog Sergei Winogradsky.
Kemijski proces nitrifikacije
jeproces, pri kateremmikroorganizmi pretvarjajonitrat v atmosferski dušik (N2). Aktivni mikroorganizmi so večinomaheterotrofi, ki v procesu predelave porabljajo razpoložljiv (atmosferski) kisik, ali pa ga črpajo iznitrata. Pogoj za izvedbodenitrifikacije je predhodni procesnitrifikacije.Postopek denitrifikacije se izvaja v več stopnjah, do končne pretvorbe nitratnega iona v elementarni dušik. V samem postopku denitrifikacije nastajajo vmesni strupeni produkti, kot sonitrit (NO2),dušikov oksid (NO) indidušikov oksid (N2O).S procesom denitrifikacije se zaključi kroženje dušika v naravi z vrnitvijo elementarnega dušika nazaj v atmosfero.Denitrifikacija je bistvenega pomena za vračanje dušika nazaj v ozračje. Je edini način za zagotavljanje vsebnosti dušika v morju in kopnem. S tem je preprečeno, da bi se ves dušik iz atmosfere raztopil v morju, kar bi pomenilo onemogočenje življenja na kopnem. Danes se denitrifikacija uporablja kot tehnični postopek nadzorovanega ekološkega čiščenja odpadne vode in odstranjevanja nitratov, katerih prisotnost spodbuja evtrofikacijo in zmanjšanje pitnosti vode. Kot smo že omenili je bistvenega pomena prehod dušika nazaj v ozračje, kar je edini način da se pot dušika ne bo končala. Denitrifikacija je zahteven tehnični postopek nadzorovanega čiščenja odpadne vode.
Kemijski proces denitrifikacije:
Kot rezultat obsežnega gojenja stročnic (predvsem soje, lucerne in detelje) in vse obsežnejše uporabe Haber-Boschevega procesa pri izdelavi umetnih gnojil, ter onesnaževanja, ki ga povzročata promet in industrija, smo ljudje prispevali več kot dvojni letni prirastek dušika v naravnibiološki sistem. Poleg tega smo tudi bistveno prispevali k prenosu dušika iz površine Zemlje v ozračje, in do vodnih sistemov. Največ dušika se sprošča v gosto naseljenih ter industrijsko in kmetijsko razvitih državah, npr. vAziji.Emisije dušikovega oksida (N2O) se povečujejo v ozračju tudi kot posledica zgorevanja biomase, govedoreje, ter zaradi drugih industrijskih virov. Dušikov oksid ima škodljive učinke vstratosferi, kjer se razgradi in deluje kotkatalizator, ki uničuje atmosferskiozon. Dušikov oksid v ozračju je t. i.toplogredni plin, in je trenutno tretji največji povzročiteljglobalnega segrevanja, takoj za ogljikovem dioksidom inmetanom. Čeprav dušikov oksid ni tako nasičen v atmosferi kot ogljikov dioksid, pa pri enaki masi NO povzroča do 300krat večji učinek segrevanja planeta kot ogljikov dioksid.
Tudi amonijak (NH3) vozračju se je potrojil kot posledica človekovih dejavnosti. V ozračju deluje kotreaktant inaerosol, zmanjšuje kakovost zraka in se spaja z vodnimi kapljicami, ter sčasoma povzročikisel dež. Zaradi zgorevanjafosilnih goriv pa se je izpust NOx v ozračje povečal kar za 6 ali celo 7-krat. NO2 ali dušikov dioksid aktivno spremeninja atmosfersko kemijo, preprečuje nastanek ozona in prispeva k ustvarjanjusmoga, kislega dežja, in posledično povečuje količino dušika v vsehekosistemih.Ekosistemske procese do neke mere lahko izboljšamo s povečanim gnojenjem z dušikom, vendar paumetna gnojila lahko povzročijo tudizasičenost dušika, ki nazadnje zmanjšaproduktivnost in lahko uniči rastline. Rezultat manjšanjabiotske raznovrstnosti lahko povzroči tudi, da je na razpolago preveč dušika, zato se rastline (kot so trava) prilagodijo in posledično zahtevajo še več dušika ter s tem povzročijo nestabilnost različnih drugih, od dušika odvisnih vrst.
Objekti za odplake, kot so greznice in zadrževalni objekti, sproščajo velike količine dušika v okolje z odtekanjem skozi cevovode v tla. Mikrobne aktivnosti razgrajajo dušik in druge onesnaževalce vodpadnih vodah po naravni poti, če količina ali koncentracija ne presegata zmogljivosti okolja.
Vendar pa na nekaterih področjih zemlja ni primerna za razgrajevanje vse odpadne vode, zato tam pogosto prihaja do okužbpodtalnice in zemlje ... Odpadna voda, ki jo zemlja oz.mikrobi niso zmogli očistiti, se kopiči in na koncu konča vpitni vodi. Eden največjih onesnaževalcev pitne vode je dušik v obliki nitratov. Trenutna zakonska omejitev koncentracija nitratov v pitni vodi je 10 ppm, ali 10 mikrogramov na liter. Tipično gospodinjstvo pa lahko proizvede od 20-85 mikrogramov na liter odpadnih voda.
Zdravstveno tveganje, povezano z nitratno kontaminacijo pitne vode (več kot 10 ppm nitrata) je ključno za razvoj "methemoglobinemije" oz. po angleško (blue baby sindrom). Številne države že nekaj časa izvajajo programe za uvedbo naprednih sistemov čiščenja odpadnih voda. Rezultat teh sistemov je skupno znižanje dušika in drugih onesnaževalcev v odpadnih vodah.
Dodatna tveganja, ki ga predstavlja povečanje fiksnega dušika v vodnih sistemih, se odraža v hitri rastievtrofitnih jezer in oceanskih mrtvih con,cvetenja morja inhipoksije.
Obseg in posledice antropogeno povzročene podvojitve biološko dosegljivega dušika v tleh, vodah, zraku in zemlji v preteklem stoletju še vedno ni dokončno raziskano.
| Mednarodno | |
|---|---|
| Nacionalno | |
| Drugo | |
