چرخه نیتروژن

چرخۀ نیتروژن (nitrogen cycle)

(یا: چرخۀ ازت) همۀ موجودات زنده در چرخۀ نیتروژن سهیم‌اند، چرخه‌ای که دربرگیرندۀ فرآیندها و واکنش‌های شیمیایی است که در تولید نیتروژن آلی از نیتروژن معدنی دخالت دارند و پس از آن نیتروژن آلی را تجزیه می‌کنند و به شکل معدنی برمی‌گردانند. نیتروژن عنصری نسبتاً بی‌اثر است و به‌آسانی با عناصر دیگر ترکیب نمی‌شود. هرچند مقدار کمی از آن به‌طور طبیعی در ترکیب‌هایی یافت می‌شود که پوستۀ کرۀ زمین را تشکیل می‌دهند، اما قسمت اعظم آن به حالت گازی است، و ۷۸ درصد جوّ را تشکیل می‌دهد.

آمونیاکی‌کردن. چرخۀ آمونياکي‌کردن وقتی آغاز می‌شود که نیتروژن و هیدروژنِ موجود در جوّ باهم ترکیب می‌شوند و آمونیاک تشکیل می‌دهند؛ انرژی برقیِ آذرخش این واکنش را به‌وجود می‌آورد. آمونیاک با آب باران ترکیب می‌شود و به‌صورت اسید نیتریک رقیق در دسترس گیاهان سبز قرار می‌گیرد. آمونیاک از فروپاشی پروتئین‌هایی نیز استخراج می‌شود که یاخته‌های گیاهی و جانوری را می‌سازند. این مادّۀ شیمیایی، پس از ترکیب‌شدن با فرآورده‌های نورساخت (فتوسنتز)، به‌صورت اسیدهای آمینه مصرف می‌شود که مؤلفه‌های اساسی پروتئین‌های گیاهی به‌شمار می‌آیند. جانوران پروتئین‌های گیاهی را می‌خورند. درخلال فرآیند گوارش، آن‌ها را تجزیه و به اسیدهای آمینه تبدیل می‌کنند، و آن‌ها را باز ترکیب می‌کنند تا صورت‌های ویژۀ پروتئین خود را تشکیل دهند تا بافت‌ها و اندام‌هایشان را بسازند.

نیترات‌زدایی. بعضی از باکتری‌های خاک ترکیب‌های حاوی نیتروژن را به آمونیاک و نیتروژن جوّی تبدیل می‌کنند؛ این فرآیند را نیترات‌زدایی می‌نامند. این باکتری‌ها، به نام باکتری‌های نیترات‌زدا، نه‌تنها از طریق تجزیۀ ترکیب‌های نیتروژن‌داری چون اوره و اسید اوریک که از حیوانات زنده دفع می‌شوند انرژی خود را تأمین می‌کنند، بلکه از ترکیب‌های نیتروژن‌دار حاصل از تلاش و فساد مواد آلی نیز انرژی به‌دست می‌آورند.

نیترات‌سازی. چندین جنس از باکتری‌ها، که در خاک هم زنده‌اند، در فرآیند نیترات‌سازی دخیل‌اند. جنس‌های باکتریایی مانند نیتروسوموناها و نیتروسوکوکوها آمونیاک را به نیتریت‌ها تبدیل می‌کنند. گونه‌های نیتروباکترها نیتریت‌ها را به نیترات‌ها تبدیل می‌کنند، و سپس گیاهان سبز از نیترات‌ها برای تولید اسیدهای آمینو بهره می‌گیرند. دو جنس شایع دیگر باکتری‌های خاک، کلوستریدیوم بی‌هوازی و آزوتوباکتر هوازی، از نیتروژن آزاد نیتریت و نیترات تولید می‌کنند.

تثبیت نیتروژن. چندین جنس از باکتری‌ها، قارچ‌ها، و جلبک‌های سبز ـ آبی در فرآیند تثبیت نیتروژن دخیل‌اند. این سازواره‌ها نیتروژن آلی را به آمونیاک تبدیل می‌کنند، که گیاهان عالی برای تولید ترکیب‌های پیچیدۀ حاوی نیتروژن آن را به مصرف می‌رسانند. یکی از جنس‌های مهم باکتری‌های تثبیت‌کنندۀ نیتروژن، ریزوبیوم است که غده، یا گره‌های کوچک، روی ریشۀ حبوبات را تشکیل می‌دهند. این باکتری‌ها از گیاهان سبز غذا دریافت می‌کنند، و حبوبات مقادیر فراوانی ترکیب‌های نیتروژن قابل استفاده از این باکتری‌ها می‌گیرند؛ این امر نمونه‌ای از همزیستی است که هر دو سازواره از آن بهره‌مند می‌شوند. به همین دلیل، اعضای این خانواده و خانواده‌هایی چون شبدر، یونجه، حبوبات، و انواع بادام‌زمینی منابع سرشار پروتئین به‌شمار می‌روند. امروزه باغبانان در هنگام کاشتن حبوبات و بقولات، برای برداشت محصولی فراوان و مرغوب، خاک را از گونه‌های مناسب ریزوبیوم انباشته می‌کنند. رابطۀ همزیستی دیگری بین یکی از گونه‌های جلبک‌های سبز ـ‌ آبیِ تثبیت‌کنندۀ نیتروژن، یعنی آنابانا، و سرخس آبی، آزولاپیناتا، یافت می‌شود. کشاورزان ناحیۀ تای، واقع در بخش شمالی ویتنام، این دو سازواره را کشت می‌کنند و کلنی‌های آغازگر را به برنجکاران می‌فروشند. بازده محصول مزارع برنجی که با این ترکیب به زیرکشت بروند، پنجاه تا صددرصد افزایش می‌یابد.

کودهای ازت. در ۱۹۰۲، چارلز برادلی و جسی لاوجوی از طریق عبوردادن هوا از یک قوس الکتریکی قوی به دو برابر کردن یکی از فرآیندهای طبیعی برای تولید ترکیب نیتروژن‌دار توفیق یافتند. فریتس هابِر و کارل بوش روشی را برای سنتزکردن (تولید مصنوعی) آمونیاک از هیدروژن و نیتروژن ابداع کردند؛ تولید آمونیاک به کمک فرآیند هابر ـ بوش در ۱۹۱۱ آغاز شد. از این روش‌ها برای تولید کودهای ازت، که کمبودهای ترکیب خاک را جبران می‌کنند بهره گرفته شده است.

 

---