چرخه نیتروژن چیست و چه نقشی در زندگی دارد؟

ستاره | سرویس محتوای کمک درسی – در ابتدا نیتروژن به واسطه فرآیند گداختگی هسته‌ای موجود در قلب ستاره‌ها شکل گرفت. وقتی ستاره‌های باستانی منفجر شدند، گاز‌های حاوی نیتروژن را در سراسر کیهان منتشر کردند؛ بنابراین نیتروژن یکی از عناصر اصلی تشکیل دهنده جو زمین در زمان شکل‌گیری آن بود. امروزه نیتروژن حدود ۷۸ درصد، اکسیژن ۲۱ درصد و دیگر گاز‌ها هم حدود ۱ درصد از جو زمین را تشکیل داده‌اند. به این ترتیب جو زمین ما از تعادل ایده‌آلی برخوردار است، چون در واقع اکسیژن بیش از حد می‌تواند برای سلول‌ها سمی و نیز قابل اشتعال باشد. از سوی دیگر، گاز نیتروژن ساکن و بی ضرر است. در اینجا به توضیح نقش حیاتی نیتروژن در شیمی حیات میپردازیم، و البته نیم نگاهی هم به این موضوع که چگونه نیتروژن در جو زمین به مواد زنده انتقال یافت و مجدداً خارج شد، خواهیم داشت.

کارکرد و اهمیت چرخه نیتروژن

همانطور که می‌دانید، نیتروژن یکی از عناصر اصلی حیات محسوب می‌شود. خصوصیات متصل شیمیایی این ماده به نحوی عمل می‌کنند که موجب ایجاد ساختار‌های از قبیل نوکلئوتید‌های DNA و RNA و آمینواسید‌های سازنده پروتئین‌ها می‌شود. این مولکول‌ها بدون نیتروژن وجود نخواهند داشت. چنین دانسته می‌شود که اولین نوکلئوتید‌ها و آمینواسید‌ها در شرایط موقتی اوایل پیدایش زمین به صورت طبیعی شکل گرفته‌اند. در آن زمان منابع انرژی مانند برخورد آذرخش می‌توانست، نیتروژن و دیگر اتم‌ها را به واکنش واداشته و ساختار‌های پیچیدهای خلق کنند.

این فرآیند شاید منجر به تولید مواد شیمیایی ارگانیک خود تکثیر کننده شده باشد، اما بازتولید و تکامل حیات نیازمند درک چگونگی ایجاد ترکیبات نیتروژن بر اساس تقاضا است.

امروزه “تثبیت کنندگان نیتروژن” عبارتند از: ارگانیسم‌هایی که گاز نیتروژن را از جو زمین جذب کرده و به ترکیباتی نیتروژنی تبدیل می‌کنند که دیگر ارگانیسم‌ها می‌توانند برای تولید اسید‌های نوکلئیک، آمینواسیدها و … مورد استفاده قرار دهند. تثبیت کنندگان نیتروژن بخشی حیاتی از اکوسیستم هستند و فرآیند کشت و زرع بدون آن‌ها امکان پذیر نیست.

مردم باستان یاد گرفتند که اگر محصولات در حال رشد مصرف کننده نیتروژن را با محصولات تثبیت کننده نیتروژن جایگزین نکنند، مزارع بایر شده و قادر به پرورش گیاهان نخواهند بود. امروزه اغلب کود‌های مصنوعی حاوی ترکیبات نیتروژنی زندگی بخشی به عنوان عنصر اصلی بهره ور ساختن خاک هستند.

مراحل چرخه نیتروژن

در این بخش به بررسی مراحل اصلی چرخه نیتروژن می‌پردازیم:

۱. تثبیت نیتروژن

در فرآیند تثبیت نیتروژن، باکتری‌ها، گاز نیتروژن را از جو زمین گرفته و به آمونیاک تبدیل می‌کنند. باکتری‌های تثبیت نیتروژن، که معمولاً به نام “دیازوتروپ” شناخته می‌شوند، آنزیمی به نام “نیتروژناز” را دارا هستند. وظیفه این آنزیم ترکیب کردن اتم‌های نیتروژن با اتم‌های هیدروژن است. آمونیاک یک ترکیب نیتروژنی است که قابلیت حل شدن در آب را دارد؛ بنابراین کنش متقابل آنزیم‌های دیگر ارگانیسم‌های زنده و آمونیاک آسانتر است.

جالب توجه است که آنزیم نیتروژناز تنها در غیاب اکسیژن عمل می‌کند. در نتیجه، ارگانیسم‌های استفاده کننده باید محفظه‌های عاری از اکسیژنی تولید کنند تا بتوانند فرآیند تثبیت نیتروژن را در آن انجام دهند.

نمونه‌های معمول محفظه‌های عاری از نیتروژن، دانه‌های ریزوبیم یافته شده در ریشه گیاهان خوردنی تثبیت کننده نیتروژن هستند. به این ترتیب که پوسته سخت این دانه‌ها اکسیژن را بیرون نگه می‌دارد، یعنی جایی که باکتری‌های ریزوبیم وظیفه ارزشمند تبدیل گاز نیتروژن به آمونیاک را انجام می‌دهند.

۲. تولید نیترات – نیترات زایی

در طی مراحل تولید نیترات، گروه باکتری‌های خاکی در تبدیل آمونیاک به نیترات (شکلی از نیتروژن که گیاهان و حیوانات می‌توانند استفاده کنند) مشارکت دارند. این فرآیند از دو مرحله که توسط دو نوع متفاوت از باکتری‌ها انجام می‌شود، تشکیل شده است. در وهله نخست یک باکتری خاکی از قبیل نیتروسوموناز یا نیتروکوکوس، آمونیاک را به دی اکسید نیتروژن تبدیل می‌کند. سپس نوع دیگری از باکتری خاکی به نام نیتروباکتر اتم سوم (اکسیژن) را جهت ساخت نیترات، تولید و اضافه می‌کند.

باکتری‌ها سازنده‌های شیمیایی هستند که انرژی خود را از مواد شیمیایی موقتی کسب می‌کنند. آن‌ها با متابولیزه کردن نیتروژن همراه با اکسیژن انرژی لازم را برای نیروبخشی به فرآیند‌های حیات خود به دست می‌آورند.

 این فرآیند را می‌توان چنین تشریح کرد: یک شباهت ناهموار (و بی عارضه) بین تنفس سلولی حیوانات، که انرژی را از گروه‌های هیدروژنی – کربنی استخراج کرده و از اکسیژن به عنوان پذیرای الکترون استفاده می‌کند و در مرحله پایانی دی اکسید کربن را حاصل می‌آورد.

نیترات، محصول نهایی زنجیره حیاتی واکنش‌های باکتریایی را می‌توان به صورت مصنوعی ساخت. این ماده عنصر اصلی تشکیل دهنده بسیاری از کود‌های خاکی است. احتمالاً شنیده باشید که این نوع کود را “کود نیتراتی” می‌نامند. اگر خاک را کاملاً با نیترات پوشش دهید، گیاهان بسیار سریعتر رشد خواهند کرد و از وابستگی به عمل باکتری‌های تثبیت کننده نیتروژن رها می‌شوند.

جالب توجه است که محیط‌های دارای انرژی فراوان از قبیل: آذرخش و فوران های آتشفشانی می‌توانند گاز نیتروژن را مستقیماً به نیترات تبدیل کنند، اما وقایعی از این دست برای سالم نگه داشتن اکوسیستم مدرن کافی نیست.

۳. ادغام

۴. تولید آمونیاک

اکنون نیتروژن از جو زمین به سلول‌های گیاهان و حیوانات انتقال یافته است. البته به دلیل فراوانی نیتروژن در جو زمین شاید چنین به نظر برسد که مراحل این فرآیند در این نقطه پایان می‌یابد. اما موجودی نیتروژن جو زمین نامحدود نیست، و ماندن نیتروژن در سلول‌های گیاهان و حیوانات به سرانجامی غیر از پیدایش تغییرات بزرگ در خاک، جو زمین و اکوسیستم ما نخواهد انجامید.

خوشبختانه واقعیت امر چیز دیگری است. در هر اکوسیستم تنومندی، هر وقت انرژی صرف ساخت یک ماده شیمیایی ارگانیک شود، شکل دیگری از حیات نیز وجود دارد که در انتظار استخراج انرژی تولید شده از طریق شکستن آن گروه از مواد شیمیایی است.

در این مورد، فرآیندی به نام “تولید آمونیاک” توسط باکتری‌های خاکی که گیاهان و حیوانات مرده را تجزیه می‌کنند، انجام می‌گیرد. تجزیه کنندگان در طی این مراحل آمینواسیدها و اسید‌های نوکلئیک را به نیترات و آمونیاک تبدیل کرده و این ترکیبات را به خاک باز می‌گردانند. سپس ممکن است آمونیاک دوباره توسط گیاهان و باکتری‌های نیتروژن ساز جذب شود.

۵. نیترات زدایی

در مرحله پایانی چرخه نیتروژن، باکتری‌های بی‌هوازی می‌توانند نیترات را دوباره به گاز نیتروژن تبدیل کنند. این فرآیند، مانند مراحل تبدیل گاز نیتروژن به آمونیاک، باید در غیاب اکسیژن صورت گیرد. به همین دلیل نیترات زدایی در اعماق خاک یا محیط‌های خیسی که گل و لجن اکسیژن را دور نگه می‌دارند، اتفاق می‌افتد.

در برخی از اکوسیستم‌ها، فرآیند نیترات زدایی برای جلوگیری از انباشت مخاطره آمیز ترکیبات نیتروژن در خاک بسیار ارزشمند است.

خطر فراوانی بیش از حد نیتروژن

• در حالی که شاید چنین به نظر برسد که فراوانی چنین ماده‌ای، با وجود اهمیت نیتروژن برای زیست گیاهی و حیوانی، در سطح مخاطره آمیزی افزایش نخواهد یافت، اما در واقع انباشت بیش از حد نیترات در خاک موجب پیدایش خطراتی خواهد شد.
• غلظت فراوان ترکیبات نیتروژن مانند هر ماده دیگری می‌تواند زهرآلود باشد. همانطور که اکسیژن بیش از حد برای تنفس کنندگان هوا زهرآلود است، احتمال می‌رود که گیاهان نیز، به واسطه مصرف بیش از حد نیتروژن، دچار عوارض جبران ناپذیری شوند.
• از سوی دیگر، مصرف بیش از حد نیترات در غذا و آب می‌تواند مستقیماً نقش سم را برای انسان داشته باشد. نیترات می‌تواند خطر ابتلا به سرطان را افزایش داده و با ناتوان‌سازی خون در حمل مناسب اکسیژن در خون همراه باشد.
• “سندرم آبی رنگ” یکی از عوارض جانبی دیده شده در افرادی است که نیترات فراوانی از طریق مصرف غذا و آب به بدنشان وارد شده است. یکی از نگرانی حاد دیگر عبارت است از خطر ایجاد اختلال در تعادل اکوسیستم! درست است که برخی از ارگانیسم‌ها می‌توانند ترکیبات نیتروژن را برای رشد سریعتر مورد استفاده قرار دهند (به این معنی که در صورت وجود نیتروژن فراوان، ارگانیسم‌ها می‌توانند رشد بسیار سریعی داشته باشند)، اما این قضیه می‌تواند به دیگر ارگانیسم‌های پیرامونی آسیب برساند.
• یکی از نگرانی‌های حاصل از استفاده از کود‌های نیتراتی مصنوعی این است که وارد رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و حتی اقیانوس می‌شوند و موجب رشد زیست گیاهی آن نواحی می‌گردند.
• شاید حیات گیاهی وسیع‌تر پدیده مطلوبی به نظر برسد، اما نه هنگامی که گیاهانی آبزی از قبیل خزه دریایی را نیز شامل شود. خزه دریایی می‌تواند مانع رسیدن نور خورشید و اکسیژن به دیگر ارگانیسم‌های آبزی شود و حتی سم‌های خطرناکی را برای انسان و حیوانات تولید می‌کند.

دانشمندان هنوز هم در حال تحقیق برای یافتن این پرسش هستند که چگونه می‌توان بدون استفاده از کود‌های نیتراتی مزارع را حاصلخیز نگه داشت و انسان‌های گرسنه را تغذیه کرد؟ امیدواریم که ممارست‌های پایدار استفاده از گیاهان طبیعی یا گیاهانی که به صورت ژنتیکی و مهندسی شده نیتروژن آن‌ها تثبیت شده است، روزی به بار نشسته و کشاورزان را قادر سازد محصولات باکیفیتی را بدون اضافه کردن غلظت فراوان نیترات‌های مصنوعی به خاک به تولید برسانند.