질소주기 특성, 공기통, 단계, 중요성

그 질소 사이클 이것은 대기와 생물권 사이의 질소 이동 과정이다. 가장 관련성이 높은 생지 화학 순환 중 하나입니다. 질소 (N)는 모든 유기체의 성장에 필요하기 때문에 매우 중요한 요소입니다. 그것은 핵산 (DNA와 RNA)과 단백질의 화학적 조성의 일부입니다.

지구상에서 가장 많은 양의 질소가 대기 중에 있습니다. 대기 중 질소 (N₂)는 대부분의 생명체가 직접 사용할 수 없습니다. 그것을 고칠 수 있고 그것을 다른 유기체가 사용할 수있는 방식으로 토양이나 물에 넣을 수있는 박테리아가 있습니다..

이어서, 질소는 독립 영양 생물에 의해 동화된다. 대부분의 종속 영양 생물은 먹이로 먹습니다. 그런 다음 그들은 소변 (포유류) 또는 배설물 (새)의 형태로 초과분을 방출합니다..

이 공정의 또 다른 단계에는 암모니아를 아질산염으로 전환시키는 박테리아와 토양에 포함되는 질산염이있다. 그리고 사이클의 끝에서, 또 다른 그룹의 미생물은 호흡에서 질소 화합물에서 이용 가능한 산소를 사용합니다. 이 과정에서 그들은 질소를 다시 대기 중으로 방출한다.

현재 농업에서 사용되는 질소의 최대량은 인간에 의해 생산됩니다. 이로 인해 토양 및 수원에이 원소가 과도하게 생성되어이 생지 화학 순환에 불균형이 발생합니다.

색인

• 1 일반적인 특성
  • 1.1 원산지
  • 1.2 화학 형태 
  • 1.3 역사
  • 1.4 생물에 대한 요구 사항
• 2 구성 요소
  • 2.1- 저수지
  • 2.2 - 참여하는 미생물
• 3 단계
  • 3.1 고정
  • 3.2 동화
  • 3.3 amonification
  • 3.4 질산화
  • 3.5 탈질 화
• 4 중요성
• 질소 순환의 변화
• 6 참고 문헌

일반적인 특성

원산지

질소는 핵 합성 (새로운 원자핵의 생성)에 기인 한 것으로 생각된다. 큰 헬륨 질량을 가진 별은 질소가 형성되는 데 필요한 압력과 온도에 도달했습니다..

지구가 시작되었을 때, 질소는 고체 상태에있었습니다. 그런 다음, 화산 활동으로이 원소는 기체 상태로 들어가고 행성의 대기로 통합되었다..

질소는 N 형태였다.₂. 아마 생명체가 사용하는 화학 형태 (암모니아 NH₃)은 바다와 화산 사이의 질소 순환에 의해 나타났다. 이러한 방식으로, NH₃ 대기로 통합되고 다른 원소와 함께 유기 분자가 생겨났다..

화학 형태

질소는 다양한 화학 형태로 발생하며이 원소의 다양한 산화 상태 (전자 손실)를 나타냅니다. 이러한 서로 다른 형태는 특성과 행동면에서 서로 다릅니다. 질소 가스 (N₂) 녹슬지 않다..

산화 된 형태는 유기 및 무기로 분류됩니다. 유기물 형태는 주로 아미노산과 단백질에 존재합니다. 무기 상태는 암모니아 (NH₃), 암모늄 이온 (NH₄), 아질산염 (NO₂) 및 질산염 (NO₃), 기타.

역사

질소는 1770 년에 세 명의 과학자에 의해 독립적으로 발견되었다 (Scheele, Rutherford and Lavosier). 1790 년 프랑스의 apt탈 (CHaptal)은 가스를 질소.

19 세기 후반에, 그것은 살아있는 유기체의 조직과 식물의 성장에 필수적인 요소로 밝혀졌습니다. 마찬가지로 유기물과 무기물 사이의 일정한 흐름의 존재가 증명되었다.

처음에는 질소원이 번개와 대기 침착으로 간주되었다. Boussingault는 1838 년 콩과 식물에서이 요소의 생물학적 고정을 결정했습니다. 그런 다음 1888 년에 콩과 식물의 뿌리와 관련된 미생물이 N을 고정시키는 역할을한다는 것을 발견했다.₂.

또 다른 중요한 발견은 암모니아를 아질산염으로 산화시킬 수있는 박테리아의 존재였다. 아질산염을 질산염으로 전환시킨 다른 그룹들.

1885 년에 Gayon은 다른 그룹의 미생물이 질산염을 N₂. 그런 식으로 지구의 질소 순환을 이해할 수 있었다..

유기체의 요구 사항

모든 생명체는 중요한 과정을 위해 질소를 필요로하지만, 같은 방식으로 모든 것을 사용하는 것은 아닙니다. 일부 박테리아는 대기 중의 질소를 직접 사용할 수 있습니다. 다른 이들은 질소원 한 화합물을 산소 원으로 사용합니다..

Autotrophic 생물은 질산염의 형태로 공급이 필요합니다. 그들의 많은 부분을 위해, 많은 종속 영양 세균은 자신의 음식에서 얻는 아미노 그룹의 형태로만 이것을 사용할 수 있습니다.

구성 요소

-저수지

가장 큰 천연 질소 공급원은이 원소의 78 %가 기체 형태 (N₂), 일부 미량의 아산화 질소와 일산화 질소.

퇴적암은 약 21 %가 매우 천천히 방출된다. 나머지 1 %는 유기 물질에 포함되어 있으며 해양은 유기 질소, 질산염 및 암모니아의 형태로 함유되어 있습니다.

-참여 미생물

질소 순환에 참여하는 세 가지 유형의 미생물이 있습니다. 이들은 정착액, 질화 제 및 탈질 제입니다..

N- 결착 박테리아₂

그들은 고정 과정에 관여하는 질소 산화물 효소의 복합체를 암호화합니다. 이 미생물의 대부분은 식물의 근권을 식민지화하고 조직 내에서 발생합니다.

가장 일반적인 유형의 고정 박테리아는 Rhizobium, 이는 콩과 식물의 뿌리와 관련이있다. 다른 장르가 있습니다. 프랭키, 노스토크 및 Pasasponia 다른 식물 군의 뿌리와 공생한다..

자유 형태의 시아 노 박테리아는 수생 환경에서 대기 중의 질소를 고칠 수있다.

질산균

질산화 과정에 관련된 세 가지 유형의 미생물이 있습니다. 이 박테리아는 암모니아 또는 토양에 존재하는 암모늄 이온을 산화시킬 수 있습니다. 그들은 chemolithotrophic 유기체 (무기 물질을 에너지 원으로 산화 할 수있다).

다른 속 (genera)의 박테리아가 그 과정에서 순차적으로 개입한다.. Nitrosoma와 Nitrocystis NH3 및 NH4를 아질산염으로 산화시킨다. 그런 다음 니트로 박터 및 니트로 소 코코스 이 화합물을 질산염으로 산화시킨다..

2015 년에이 과정에 관여하는 다른 그룹의 박테리아가 발견되었습니다. 그들은 암모니아를 질산염으로 직접 산화 할 수 있고 속 속에있다 니트로 스피라. 일부 진균은 또한 암모니아를 질산화 할 수있다..

탈질 화 박테리아

50 개 이상의 다른 속균이 질산염을 N으로 감소시킬 수 있다고 지적되어왔다.₂. 이것은 혐기성 조건 (산소 없음).

가장 일반적인 탈질 속은 다음과 같습니다. 알칼리 게 네스, 파라 코커스, 슈도모나스, Rhizobium, Thiobacillus 및 Thiosphaera. 이 그룹의 대다수는 종속 영양.

2006 년에 박테리아가 발견되었습니다 (Methylomirabilis oxyfera) 호기성이다. 이것은 메탄 트로픽 (탄소와 메탄 에너지를 얻음)이며 탈질 과정에서 산소를 얻을 수있다..

무대

질소 순환은 행성 전역에 걸친 동원에서 여러 단계를 거친다. 이러한 단계는 다음과 같습니다.

고정

이것은 대기 중 질소를 반응성으로 간주되는 형태로 전환시키는 것입니다 (생명체가 사용할 수 있음). N 분자를 포함하는 세 개의 결합이 끊어짐₂ 그것은 많은 양의 에너지가 필요하며 두 가지 방법으로 발생할 수 있습니다 : 비 생물 적 또는 생물 적.

무증상 고정

질산염은 대기 중 고 에너지 고정에 의해 얻어진다. 그것은 번개와 우주 방사선의 전기 에너지에서 오는 것입니다.

N₂ 그것은 산소와 결합하여 NO (이산화질소) 및 NO (산화 질소)와 같은 산화 된 형태의 질소를 발생시킨다.₂ (아산화 질소). 이어서, 이들 화합물은 비에 의해 지표면에 질산 (HNO₃).

고 에너지 고정은 질소 순환 중에 존재하는 질산염의 약 10 %를 포함합니다.

생물학적 고정

그것은 토양 미생물에 의해 수행됩니다. 일반적으로 이러한 박테리아는 식물의 뿌리와 관련이 있습니다. 질소의 연간 생물학적 고정은 연간 약 2 억 톤.

대기 중의 질소는 암모늄으로 변환됩니다. 반응의 제 1 단계에서, N₂ NH로 환원된다₃ (암모니아). 이 방법으로 그것은 아미노산.

이 과정에서 다양한 옥시 - 환원 센터를 갖는 효소 복합체가 관여한다. 이 질소 산화물 복합체는 환원 효소 (전자를 제공함)와 질소 분해 효소로 구성됩니다. 후자는 전자를 사용하여 N을 감소시킨다.₂ NH로₃. 이 과정에서 다량의 ATP가 소비됩니다..

질소 산화물 복합체는 고농축 O의 존재 하에서 비가 역적으로 저해된다.₂. 급진적 인 결절에서는 O 함량을 매우 낮게 유지하는 단백질 (레그 헤모글로빈)이 존재합니다₂. 이 단백질은 뿌리와 박테리아 사이의 상호 작용에 의해 생성됩니다..

동화

N 고정 세균과 공생 관계가없는 식물₂, 그들은 토양에서 질소를 가져옵니다. 이 원소의 흡수는 뿌리를 통해 질산염의 형태로 이루어집니다..

일단 질산염이 식물에 들어가면, 일부는 뿌리 세포에 의해 사용됩니다. 또 다른 부분은 목초에 의해 식물 전체에 분포한다..

그것이 사용될 때, 질산염은 세포 질에서 아질산염으로 감소된다. 이 과정은 효소 질산 환원 효소에 의해 촉진된다. 아질산염은 엽록체 및 기타 플라 스티드로 이동하여 암모늄 이온 (NH₄).

대량의 암모늄 이온은 식물에게 유독합니다. 따라서 탄산염 골격에 빠르게 통합되어 아미노산과 다른 분자를 형성합니다..

소비자의 경우 질소는 식물이나 다른 동물로부터 직접 먹임으로써 얻어진다..

암논

이 과정에서 토양에 존재하는 질소 화합물은 더 간단한 화학 형태로 분해됩니다. 질소는 우레아 (포유류의 소변) 또는 요산 (새의 배설물)과 같은 고사 유기물 및 폐기물에 포함되어 있습니다..

이들 물질에 함유 된 질소는 복잡한 유기 화합물의 형태이다. 미생물은 이들 물질에 포함 된 아미노산을 사용하여 단백질을 생산합니다. 이 과정에서 그들은 암모니아 또는 암모늄 이온의 형태로 과량의 질소를 방출한다.

이들 화합물은 토양에서 다른 미생물이 순환의 다음 단계에서 작용할 수 있도록 이용 가능합니다.

질산화

이 단계에서 토양 박테리아는 암모니아와 암모니아 이온을 산화시킵니다. 이 과정에서 박테리아가 신진 대사에 사용하는 에너지가 방출됩니다.

첫 번째 부분에서 속의 nitrosifying 박테리아 니트로 소메 암모니아 및 암모늄 이온을 아질산염으로 산화시킨다. 이러한 미생물의 막에는 효소 인 암모니아 모록 제나 사이 (ammonia mooxigenasa)가있다. 이것은 NH₃ 히드 록실 아민은 세균의 페리 플라 즘에서 아질산염으로 산화된다.

이어서, 질 화균은 효소 아질산염 산화 환원 효소를 사용하여 아질산염을 질산염으로 산화시킨다. 질산염은 식물에 흡수 될 수있는 토양에서 이용 가능합니다..

탈질 화

이 단계에서, 산화 된 형태의 질소 (아질산염 및 질산염)는 다시 N₂ 보다 적게는 아산화 질소.

이 과정은 호흡 중에 전자 수용체로서 질소 화합물을 사용하는 혐기성 박테리아에 의해 수행됩니다. 탈질율은 이용 가능한 질산염 및 토양 포화도 및 온도와 같은 여러 요소에 따라 달라집니다.

토양이 물로 포화되면, O₂ 쉽게 이용할 수 없으며 박테리아는 NO를 사용합니다.₃ 전자 수용체로서. 온도가 매우 낮 으면 미생물은 처리를 수행 할 수 없습니다.

이 단계는 질소가 생태계에서 제거되는 유일한 방법입니다. 이 방식으로, N₂ 고정되어 있던 원소가 대기로 되돌아와이 원소의 균형이 유지된다..

의의

이 사이클은 훌륭한 생물학적 관련성을 가지고 있습니다. 이전에 설명했듯이, 질소는 살아있는 유기체의 중요한 부분입니다. 이 과정을 통해 생물학적으로 이용 가능해진다..

작물의 개발에서 질소의 이용 가능성은 생산성에 대한 주요 제약 중 하나이다. 농업이 시작된 이래로 토양은이 요소로 풍부 해졌습니다..

토양의 질을 향상시키기위한 콩과 식물의 재배가 일반적입니다. 마찬가지로 침수 된 토양에 벼를 심는 것은 질소 사용에 필요한 환경 조건을 촉진시킨다..

19 세기 동안 구아노 (조류 배설물)는 작물의 외부 질소 공급원으로 널리 사용되었습니다. 그러나 금세기 말까지 식량 생산을 늘리는 것은 불충분했습니다..

독일 화학자 프리츠 하버 (Fritz Haber)는 19 세기 말에 카를로 보쉬 (Carlo Bosch)가 나중에 판매 한 프로세스를 개발했습니다. N 반응 만들기₂ 및 암모니아를 형성하는 가스상 수소. 하버 - 보쉬 공정으로 알려져 있습니다..

인공 암모니아의이 형태는 살아있는 존재가 사용할 수있는 질소의 주요 공급원 중 하나입니다. 세계 인구의 40 %가이 비료에 의존한다고합니다..

질소 순환의 변화

현재의 인위적 암모니아 생산량은 연간 약 85 톤이다. 이것은 질소 순환에서 부정적인 결과를 가져온다..

화학 비료를 많이 사용하기 때문에 토양과 대수층이 오염되었습니다. 이러한 오염의 50 % 이상이 Haber-Bosch 합성의 결과라고 간주됩니다.

과잉의 질소는 부영양화 (영양분이 풍부함)로 이어집니다. 인위적 정화 작용은 매우 빠르며 주로 조류의 성장을 가속시킨다..

이들은 많은 양의 산소를 소비하고 독소를 축적 할 수 있습니다. 산소가 부족하기 때문에 생태계에 존재하는 다른 생물들은 결국 죽어 간다..

또한, 화석 연료의 사용은 다량의 아산화 질소를 대기로 방출한다. 이것은 오존과 반응하여 산성비의 성분 중 하나 인 질산을 형성합니다.

참고 문헌

1. Cerón L and A Aristizábal (2012) 토양에서의 질소와 인의주기의 동역학. 콜롬 목사. 바이오 테크놀로지 14 : 285-295.
2. Estupiñan R and B Quesada (2010) 농업 산업 사회에서의 Haber-Bosch 과정 : 위험과 대안. Agroalimentary System : 상품화, 투쟁과 저항. ILSA 사설. 콜롬비아 보고타 75-95
3. Galloway JN (2003) 세계적인 질소 순환. 에서 : Schelesinger W (ed.) Geochemistry에 대한 논문. Elsevier, 미국. p 557-583.
4. Galloway JN (2005) 세계적인 질소 순환 : 과거, 현재 그리고 미래. 중국의 과학 Ser C 생명 과학 48 : 669-677.
5. Pajares S (2016) 인간 활동으로 인한 질소 캐스케이드. 오이 코스 16 : 14-17.
6. Stein L and M Klotz (2016) 질소 순환. 현재 생물학 26 : 83-101.