Obieg azotu w przyrodzie – wiązanie, nitryfikacja i denitryfikacja

Żyjemy w oceanie azotu. Ponad trzy czwarte powietrza, którym oddychamy, to cząsteczki N₂, a jednak ani my, ani rośliny nie potrafimy z niego bezpośrednio skorzystać. Azot jest niezbędny do budowy białek i kwasów nukleinowych – bez niego nie byłoby DNA ani enzymów. Przez to w wielu ekosystemach to właśnie azot jest pierwiastkiem, którego brakuje najbardziej. Jak więc trafia z powietrza do żywych organizmów? Odpowiedzią jest obieg azotu w przyrodzie – cykl, w którym najważniejszą robotę wykonują bakterie.

Dlaczego azot z powietrza jest „niedostępny”?

Dwa atomy azotu w cząsteczce N₂ łączy wiązanie potrójne – jedno z najtrwalszych wiązań w chemii. Rozerwanie go wymaga dużej energii. Rośliny pobierają więc azot głównie w postaci jonów: azotanowych(V) NO₃⁻ i amonowych NH₄⁺. Zwierzęta i grzyby otrzymują go w gotowych związkach organicznych, zjadając inne organizmy. Cały obieg sprowadza się więc do przemian, które przenoszą azot między tymi formami.

Etap 1: wiązanie azotu atmosferycznego

Wiązanie azotu to przekształcanie N₂ w amoniak (NH₃), który w wodzie i glebie występuje głównie jako jon amonowy. W przyrodzie potrafią to robić wyłącznie niektóre prokarionty – bakterie i archeony – dzięki enzymowi nitrogenazie. Reakcja pochłania bardzo dużo energii w postaci ATP, a nitrogenaza jest wrażliwa na tlen, więc organizmy wiążące azot muszą ją przed nim chronić.

Bakterie brodawkowe i rośliny motylkowe

Najbardziej znanym przykładem jest symbioza roślin bobowatych (motylkowych), takich jak koniczyna, łubin, groch czy soja, z bakteriami z rodzaju Rhizobium i pokrewnych. Bakterie wnikają do korzeni, a roślina tworzy wokół nich brodawki korzeniowe. Roślina dostarcza bakteriom cukrów z fotosyntezy, a bakterie oddają jej związany azot. W brodawkach występuje leghemoglobina – białko podobne do hemoglobiny, które wiąże tlen i chroni nitrogenazę. To dlatego świeżo przecięta, aktywna brodawka ma różowe wnętrze.

Rolnicy wykorzystują to od wieków: uprawa roślin motylkowych w płodozmianie wzbogaca glebę w azot dla kolejnych upraw.

Wolno żyjące bakterie i sinice

Azot wiążą też bakterie żyjące samodzielnie w glebie, np. Azotobacter i Clostridium, oraz sinice. U nitkowatych sinic, takich jak Anabaena, wiązanie azotu zachodzi w specjalnych komórkach – heterocystach – w których nie przebiega fotosynteza wytwarzająca tlen. Sinice są głównym źródłem związanego azotu w oceanach i na polach ryżowych.

Wiązanie bez udziału organizmów

Niewielkie ilości azotu wiążą się podczas wyładowań atmosferycznych, gdy energia błyskawicy rozbija cząsteczki N₂ i powstają tlenki azotu. Od początku XX wieku działa też potężne źródło przemysłowe – synteza amoniaku metodą Habera-Boscha, z której produkuje się nawozy azotowe. Szacuje się, że bez niej nie dałoby się wyżywić mniej więcej połowy dzisiejszej ludzkości.

Etap 2: amonifikacja – powrót azotu z martwej materii

Gdy organizmy obumierają albo wydalają produkty przemiany materii (mocznik, kwas moczowy), bakterie i grzyby rozkładają związki organiczne zawierające azot. Uwalnia się amoniak, który w glebie przechodzi w jony amonowe. Ten proces nazywamy amonifikacją. Dzięki niemu azot nie jest „uwięziony” w martwych szczątkach, tylko wraca do obiegu. Rolę bakterii w przyrodzie szerzej opisujemy w artykule Czynności życiowe bakterii oraz ich rola.

Etap 3: nitryfikacja – bakterie, które „żywią się” amoniakiem

W dobrze napowietrzonej glebie jony amonowe są utleniane w dwóch krokach przez bakterie nitryfikacyjne:

1. bakterie z rodzaju Nitrosomonas utleniają NH₄⁺ do azotanów(III), czyli azotynów (NO₂⁻);
2. bakterie z rodzaju Nitrobacter utleniają NO₂⁻ do azotanów(V) (NO₃⁻).

Bakterie nitryfikacyjne to chemoautotrofy: energię potrzebną do wiązania CO₂ czerpią właśnie z utleniania związków azotu, a nie ze światła. To klasyczny przykład chemosyntezy, którą opisaliśmy w tekście Przebieg i produkty chemosyntezy. Nowsze badania pokazały, że niektóre bakterie z rodzaju Nitrospira potrafią przeprowadzić oba etapy samodzielnie – zjawisko nazwano komammoksem.

Etap 4: asymilacja – azot w roślinach i zwierzętach

Rośliny pobierają korzeniami jony azotanowe(V) i amonowe. Azotany redukują w komórkach do amoniaku i wbudowują w aminokwasy, a z nich budują białka, kwasy nukleinowe, chlorofil i wiele innych związków. Zwierzęta otrzymują azot w gotowych związkach organicznych z pokarmem. W ten sposób azot krąży w łańcuchach pokarmowych, aż znów trafi do gleby w szczątkach lub wydalinach.

Etap 5: denitryfikacja – zamknięcie cyklu

W warunkach beztlenowych – w podmokłych glebach, osadach dennych, zbitej ziemi – bakterie denitryfikacyjne (m.in. z rodzajów Pseudomonas i Paracoccus) wykorzystują azotany zamiast tlenu do oddychania. Redukują je stopniowo do azotu cząsteczkowego N₂ (a częściowo do podtlenku azotu N₂O), który ucieka do atmosfery. Denitryfikacja zamyka obieg, ale z punktu widzenia rolnika oznacza straty azotu z gleby. W oczyszczalniach ścieków celowo się ją wykorzystuje do usuwania nadmiaru azotanów. W ostatnich dekadach odkryto też proces anammox – beztlenowe utlenianie amoniaku z udziałem azotynów, które bezpośrednio daje N₂.

Człowiek a obieg azotu

Działalność człowieka – produkcja nawozów, uprawa roślin motylkowych na wielką skalę i spalanie paliw – mniej więcej podwoiła ilość azotu wprowadzanego do obiegu na lądach w porównaniu z warunkami naturalnymi. Nadmiar azotanów spływa z pól do rzek i jezior, powodując eutrofizację: zakwity glonów i sinic, a potem niedobory tlenu i przyduchy. Podtlenek azotu z gleb jest z kolei silnym gazem cieplarnianym. Właściwe dawkowanie nawozów i ochrona stref buforowych wzdłuż cieków to dziś jedne z ważniejszych wyzwań rolnictwa.

Najczęstsze pytania

Czym różni się nitryfikacja od denitryfikacji?

Nitryfikacja to utlenianie jonów amonowych do azotanów w warunkach tlenowych – azot zostaje w glebie w formie dostępnej dla roślin. Denitryfikacja to redukcja azotanów do N₂ w warunkach beztlenowych – azot ucieka do atmosfery.

Dlaczego rośliny owadożerne łapią owady?

Rosną zwykle na glebach ubogich w azot, np. na torfowiskach. Owady są dla nich dodatkowym źródłem azotu i fosforu, a nie podstawowym źródłem energii – tę wciąż czerpią z fotosyntezy.

Do matury przyda się też zestaw Bakterie – zadania otwarte i przewodnik Wirusy, bakterie, protisty i grzyby.

Źródła

• J. N. Galloway i in., „Transformation of the Nitrogen Cycle: Recent Trends, Questions, and Potential Solutions”, Science 320: 889–892 (2008), doi:10.1126/science.1136674.
• J. W. Erisman i in., „How a century of ammonia synthesis changed the world”, Nature Geoscience 1: 636–639 (2008), doi:10.1038/ngeo325.

Zdjęcie wyróżniające: Brodawki korzeniowe rośliny motylkowej – tu bakterie wiążą azot z powietrza. Fot. Terraprima, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons; kadrowanie Biomist.