نیتروژن، این عنصر حیاتی، در سراسر طبیعت در حال چرخش است و نقشی اساسی در حیات ایفا می‌کند. نیتروژن جزء اصلی اسیدهای آمینه، پروتئین‌ها و مواد ژنتیکی است و تقریباً 78% از جو زمین را تشکیل می‌دهد. اما نیتروژن گازی به خودی خود قابل استفاده برای موجودات زنده نیست و باید به شکل‌های دیگری تثبیت شود. در ادامه به بررسی مراحل اصلی این چرخه حیاتی می‌پردازیم.

تثبیت نیتروژن: آغاز چرخه حیات

تثبیت نیتروژن فرآیندی است که طی آن نیتروژن گازی (N2) به ترکیبات قابل استفاده برای موجودات زنده تبدیل می‌شود. این فرآیند به دو روش اصلی انجام می‌گیرد:

• تثبیت نیتروژن توسط رعد و برق: انرژی حاصل از رعد و برق باعث ترکیب نیتروژن (N2) و آب (H2O) شده و آمونیاک (NH3) و نیترات‌ها (NO3) تولید می‌شوند. بارش باران، آمونیاک و نیترات‌ها را به سطح زمین منتقل می‌کند، جایی که گیاهان می‌توانند آن‌ها را جذب کنند.
• تثبیت بیولوژیکی نیتروژن: حدود 90% از تثبیت نیتروژن توسط باکتری‌ها انجام می‌شود. سیانوباکتری‌ها نیتروژن را به آمونیاک و آمونیوم تبدیل می‌کنند. این آمونیاک می‌تواند مستقیماً توسط گیاهان مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، آمونیاک و آمونیوم ممکن است در فرآیند نیتریفیکاسیون بیشتر واکنش دهند. این فرآیند نقش بسیار مهمی در فراهم آوردن نیتروژن برای گیاهان و در نتیجه، برای کل زنجیره غذایی دارد.

نیتریفیکاسیون: تبدیل آمونیاک به نیترات

جویدن علف" width="1500" height="1000" loading="lazy" />

نیتریفیکاسیون فرآیندی حیاتی در چرخه نیتروژن است که طی آن آمونیاک و آمونیوم به نیتریت و سپس نیترات تبدیل می‌شوند. این فرآیند در دو مرحله اصلی انجام می‌پذیرد:

مرحله اول: تبدیل آمونیاک به نیتریت توسط باکتری‌های هوازی (به اکسیژن نیاز دارند):

2 NH3 + 3 O2 → 2 NO2- + 2 H+ + 2 H2O

مرحله دوم: تبدیل نیتریت به نیترات توسط باکتری‌های هوازی:

2 NO2- + O2 → 2 NO3-

باکتری‌هایی مانند Nitrosomonas آمونیاک را به نیتریت (NO2-) تبدیل می‌کنند و سپس باکتری‌های Nitrobacter نیتریت را به نیترات (NO3-) تبدیل می‌کنند. نیترات، فرمی از نیتروژن است که به راحتی توسط گیاهان جذب می‌شود. برخی از باکتری‌ها نیز در یک رابطه همزیستی با گیاهان (مانند حبوبات) زندگی می‌کنند و به طور مستقیم نیترات را در اختیار آن‌ها قرار می‌دهند. در نهایت، حیوانات با خوردن گیاهان یا حیوانات گیاه‌خوار، نیتروژن مورد نیاز خود را تامین می‌کنند. این فرآیند نیتریفیکاسیون باعث می‌شود نیتروژن تثبیت شده در دسترس گیاهان و حیوانات قرار بگیرد.

آمونیاک‌سازی: بازگشت نیتروژن به چرخه

هنگامی که گیاهان و حیوانات می‌میرند، باکتری‌ها مواد مغذی نیتروژنی موجود در آن‌ها را به نمک‌های آمونیوم و آمونیاک تبدیل می‌کنند. این فرآیند تبدیل، آمونیاک‌سازی نامیده می‌شود و نقش مهمی در بازگرداندن نیتروژن به خاک و قابل دسترس کردن آن برای سایر موجودات زنده دارد.

همچنین، باکتری‌های بی‌هوازی می‌توانند از طریق فرآیند دی‌نیتریفیکاسیون، آمونیاک را به گاز نیتروژن تبدیل کنند:

NO3- + CH2O + H+ → ½ N2O + CO2 + 1½ H2O

دی‌نیتریفیکاسیون، نیتروژن را به جو بازمی‌گرداند و به این ترتیب، چرخه نیتروژن را کامل می‌کند. این فرآیند تعادلی بین تثبیت و بازگشت نیتروژن به اتمسفر برقرار می‌کند.