Nitrogensyklus består av prosessene:
1. Ammonifisering:
organisk-N (proteiner, aminosyrer, nukleinsyrer) → ammonium (NH4+)
2. Nitrifikasjon med nitrifiserende bakterier:
Ammonium (NH4+) → nitritt (NO2-) → nitrat (NO3-)
3. Biologisk nitrogenfiksering og industriell nitrogenfiksering via Haber-Bosch:
Dinitrogen (N2) → ammonium (NH4+)
Planter og mikroorganismer assimilerer ammonium inn i organiske nitrogenforbindelser:
4. Anaerob ammoniumoksidasjon (anammoks):
Ammonium (NH4+) + nitritt (NO2-) → dinitrogen (N2) + H2O
5. Denitrifikasjon:
Nitrat (NO3-) ⇔ nitritt (NO2-) → dinitrogen (N2)
6. Dissimmilatorisk nitratreduksjon til ammonium via anerob respirasjon hos kjemoorganoheterotrofe bakterier som bruker nitrat som elektronakseptor og organisk materiale som elektrondonor:
Nitrat (NO3-) → nitritt (N2-) → ammonium (NH4+)
Til forskjell fra denitrifikasjon bevarer dissimilatorisk nitratreduksjon nitrogen i en lett tilgjengelig form.
7. Assimilatorisk nitratreduksjon i planter og bakterier hvor nitrat blir omdannet til ammonium som kan assimileres inn i aminosyrer og derfra inngår i andre nitrogenforbindelser i organismene.
Nitrat (NO3-) → nitritt (N2-) → ammonium (NH4+) → aminosyrer → andre organsike N-forbindelser (e.g. proteiner, nukleinsyrer (DNA, RNA), aminer, urea, urinsyre, pyrroler)
Planter og bakterier assimilerer ammonium inn organiske nitrogenforbindelser, mens heterotrofe dyr må skille ut overskudd av ammonium for å unngå ammoniumforgiftning.
I de fleste av prosessene i omsetning av nitrogen deltar mikroorganismer. Nitrogensyklus oppreholder tilgjengeligheten av biologisk omsettbart nitrogen for alle levende organismer på Jorden. Det er en nær tilknytning mellom nitrogensyklus og karbonsyklus grunnet biologisk støkiometri.
Nitrogensyklus blir påvirket i stor grad antropogent via industriell nitrogenfiksering i gjødselindustrien og utslipp av nitrogenoksider (NOx) i forbrenningsreaksjoner med fossilt brensel, spesielt i dieselbiler og skipstrafikk. NOx blir oksidert i atmosfæren til nitrat som avsettes via nedbøren. Flyktig ammoniakk (NH3) blir produsert ved høy pH i landbruket (jfr. Bjerrumdiagram), samt utslipp av ammoniakk fra feil i kjøleanlegg.
Ammonifisering
I organiske forbindelser finnes nitrogen i redusert form som ammonium. Når organismer dør og blir nedbrutt av sopp og bakterier blir nitrogen først frigitt som bl.a. aminosyrer og ammonium. Ammonium kan bli videre omsatt i nitrifikasjon.
Nitrifikasjon
I nitrifikasjon deltar nitrifiserende bakterier som foretar dissimilatorisk nitrogenoksidasjon av den reduserte formen av nitrogen (ammonium i pH-likevekt med ammoniakk). Den aerobe nitrifikasjonen skjer i to trinn: ammoniumoksiderende bakterier oksiderer ammonium til nitritt. Deretter oksiderer nitrittoksiderende bakterier nitritt til nitrat. I disse oksidasjonene blir det frigitt energi og reduksjonkraft som bakteriene bruker til å redusere karbonkilden karbondioksid (CO2). Begge bakteriegruppene finnes sammen og danner et næringsnett. Nitrifiserende bakterier er kjemolitoautotrofe og oksiderer uorganisk nitrogen. Nitrifikasjon skjer i aerobe økosystemer med nedbrytning av organisk stoff. Nitrifikasjon terrestrisk i jord, eller akvatisk i ferskvann (limnisk) eller saltvann (marint) har stor betydning for vekst av henholdsvis planter, alger og planteplankton. Hvis dissimilatorisk nitrifikasjonen er større enn assimilatorisk nitratreduksjon og denitrifikasjon så kan dette gi opphopning av nitrat eller nitritt i økosystemet.
Ammoniumoksiderende bakterier
Ammoniumoksiderende bakterier (AOB) oksiderer først ammonium/ammoniakk (NH4+/NH3, pKa ca. 9.2) til hydroksylamin katalysert av ammonium monooksygenase. Enzymet hydroksylamin oksidoreduktase katalyserer overgangen fra hydroksylamin til nitritt (NO2-) som frigir elektroner i en elektrontransportkjede lagret som reduksjonkraft (NADH) koblet til en protongradient og kjemiosmotisk produksjon av kjemisk energi (ATP).
NH3 + O2 → NO2- + 2e- + 3H+
Som man ser trenger AOB oksygen, dvs. det er aerobe bakterier, og siden det blir produsert H+ så skjer reaksjonen best ved høy pH. En veldrenert brunjord med god oksygentilgang og høy pH er en god lokalitet for nitrifikasjon.
Eksempler på ammoniumoksiderende bakterier er Nitrosomonas europaea og Nitrococcus oceani. Ammoniumoksiderende arkebakterier finnes i slektene Nitrosopumilus og Nitrosphaera. Ammoniumoksiderende bakterier med enzymet urease kan utnytte ammonium fra nedbrytning av urea. Nitrosomonas europaea er Gram-negativ kjemolitotrof oksiderer ammonium log ever i jord, kloakk, ferskvann og på bygningsvegger i forurensede byer
Nitrittoksiderende bakterier
Nitrittoksiderende bakterier (NOB) lever på et potensialspang på redoksskalaen når elektroner fra oksidasjonen av nitritt til nitrat blir frigitt. NOB bruker CO2 som karbonkilde i veksten.
NO2- + H2O → NO3- + 2e- + 2H+
Eksempler på nitrittoksiderende bakterier er Nitrobacter winogradsky.
Assimilatorisk nitratreduksjon i planter
Planter tar opp nitrat fra jorda via nitrat-H+ symport, både høy- og lavaffinitetsopptakssystemer. I cytoplasma i rot- eller bladceller blir nitrat oksidert til nitritt katalysert av enzymet nitrat reduktase. Nitritt blir fraktet inn i kloroplastene og videre redusert til ammonium katalysert av nitritt reduktase. Ammonium blir deretter assimilert inn i aminosyrer via enzymsystemet GS-GOGAT.
Denitrifikasjon
Dentrifiserende bakterier er heterotrofe, fakultativt anaerobe bakterier som reduserer nitrat og bruker organisk karbon som kilde til karbon, elektroner og protoner. Ved anaerob respirasjon kan nitrat fungere som elektronakseptor (nitratreduserende bakterier), men også nitritt, nitrogenmonoksid (NO), og dinitrogenoksid (N2O, lystgass) kan virke som elektronakseptor. Dentrifiserende bakterier bringer redusert nitrogen tilbake til dinitrogen (N2) i atmosfæren. Denitrifikasjon med nitratreduserende bakterier blir brukt til å redusere mengden nitrat i renseanlegg for kloakkvann, hvor prosessen er optimal hvis nitrat blir oksidert til N2, mens N2O virker som en drivhusgass. Sulfatreduserende bakterier gir anaerob korrosjon, men i oljefelt har man forsøkt å utkonkurrere de sulfatreduserende bakteriene ved å "gjødsle" oljefeltet med nitrat, noe som gir de nitratreduserende bakteriene en konkurransefordel, noe som gir mindre korrosjon og rust i installasjonene, Denitrifikasjon for eksempel i Paracoccus denitrificans eller Thiobacillus denitrificans.
Anammoks er en anaerob ammoniumoksidasjon:
NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O
De uorganiske formene i nitrogensyklus er gassformig dinitrogen (N2), nitrogendioksid (NO2), nitrogenmonoksid (NO), ammoniakk (NH3) og lystgass (N2O), samt ikke-flyktig nitrat (NO3-), nitritt (NO2-), ammonium (NH4+), i pH-likevekt med NH3). Organiske former av nitrogen er urea, urinsyre, aminer, protein, aminosyrer, nukleinsyrer, alkaloider, hem og klorofyll samt andre organiske nitrogenforbindelser. Nitrogen omsettes via oksidasjoner og reduksjoner i biologiske systemer, nitrogenfiksering, ammonifisering, nitrat- og ammoniumassimilasjon, nitrifikasjon og denitrifikasjon. Luft inneholder 78% N2, men de tre bindingene mellom nitrogenatomene i N2 , trippelbindingen, gjør at molekylet er stabilt og lite reaktivt (bindingsenergi 930 kJ mol-1. N2 kan bli fiksert ved biologisk- eller industriell nitrogenfiksering. Nitrogen er vanligvis en begrensende faktor for plantevekst. Tidligere brukte man guano, husdyrgjødsel og chilesalpeter, men i 1905 startet man syntetisk produksjon av nitrogengjødsel, først etter Birkeland-Eides energikrevende lysbueprosess som dannet oksidert nitrogen. Denne ble erstattet av den mer effektive energikrevende Haber-Bosch-prosessen - katalyttisk ved høyt trykk og temperatur ble det laget redusert nitrogen:
N2 +3H2 → 2NH3
Nitrogen kommer fra destillasjon av luft. Hydrogen ble først laget ved elektrolyse av vann, men ble seinere erstattet med metan som hydrogenkilde. En ny antropogen nitrogenkilde er NOx (NO2 og NO) fra forbrenningsreaksjoner i motorer som blir oksidert i atmosfæren til nitrat. Dette sammen med kunstgjødsel gir en nitrogengjødsling av økosystemene uten like gjennom jordens historie, og med uanede konsekvenser. Nitrogenoksider bidrar også til forsuring. Nitrogenoksider inngår også i ozonsyklus i troposfæren.
Urea er et avfallsprodukt fra nitrogenmetabolismen hos mange dyr, men kan også brukes som nitrogengjødsel, spesielt hos ris. Krypdyr og fugl skiller ut nitrogen som tungtløselig urinsyre. Ureagjødsel kan lages syntetisk fra ammoniakk og karbondioksid ved høyt trykk og temperatur. I jorda omdannes urea til ammonium og nitrat. Plantene kan i tillegg ta opp urea gjennom røtter og blader.
Nitrofile planter foretrekker områder med god tilgang på nitrogen, fra kvisthauger eller nitrogenrik avrenning f.eks. brennesle (Urtica dioica), melde, dauvnesle, bringebær, geitrams, stolt-Henrik, klengemaure, vassarv, hundekjeks, rødhyll, gulldå og vrangdå. På mer fuktige områder trives mjødurt som også er nitrofil. Røsslyng (Calluna vulgaris) og andre lyngarter, samt gran og furu trives best med ammonium og organisk nitrogen som nitrogenkilder. Nitrogentapet i et økosystem som forstyrres er ofte større enn tapet av andre næringssalter. Nitrat har få bindingsseter i jorda og vaskes derfor lett ut og gir nitratavrenning til bekker, elver og sjøer. Siden utvasking av basekationer er avhengig av mobile anioner kan nitrattap gi økt tap av kationer.
Den viktige rollen til nitrogen i plantene skyldes at N er en vesentlig bestanddel i puriner, pyrimidiner, aminosyrer og polymerer av disse, urea, klorofyll, hem og sekundære stoffskifteprodukter. Tar plantene opp nitrogen i form av nitrat må det først reduseres med elektroner (e-) og protoner (H+):
NO3- + 8H+ + 8e- → NH3 + 2H2O + OH-
78 % av atmosfæren er nitrogengass, men plantene kan ikke utnytte dette direkte. Total nitrogenmengde på jorda anslås til 3.9 109 Tg (T=tera=1012 hvor ca. 99.9 % er N2. De resterende ca. 0.04 % fordeler seg på ca. 57 % organisk og ca. 43 % uorganisk nitrogen. Det organiske nitrogenet fordeler seg med ca. 37 % i det terrestriske og ca. 63 % i det akvatiske systemet. Det uorganiske fordeler seg med ca.0.2 % i atmosfæren, ca. 21.8 % i det terrestriske og ca.78 % i det akvatiske økosystemet. N-innholdet i jorda er fra 0.02 - 0.4 %.. I intensivt jordbruk brukes 100-400 kg N ha-1. Tålegrense for N-følsomme økosystemer (ombrotrofe myrer, alpine områder) er 10-15 kg N ha-1 år-1.
Organiske planterester omdannes i jorden til en mikrobiell biomasse. N-mineralisering gir ammonium som er den mest reduserte formen av nitrogen (-3). Ved aminofisering frigis aminosyrer:
Organisk stoff → R-NH2 + CO2 + energi
Ammonifisering i jorda utført av mikroorganismer frigir ammonium fra organiske stoffer:
R-NH2 + 2H2O → NH4+ + CO2 +HCO3-
Ammonium omdannes til nitrat ved nitrifikasjon utført av to grupper med nitrifiserende kjemotrofe bakterier som benytter seg av energiinnholdet som frigis når ammonium oksideres i to trinn. Først omdannes ammonium til nitritt av bakterier f.eks. Nitrosomonas:
2NH4+ + 2HCO3- +3O2 → 2NO2- +2H+ +4H2O + 2CO2 +energi (-276 kJ mol-1)
Nitritt (+3) omdannes videre til nitrat (+5) katalysert av bakterier f.eks. Nitrobacter:
2NO2- + O2 → 2NO3- + energi (-75 kJ mol-1)
Reaksjonene hemmes av lav oksygenkonsentrasjon og lav pH dvs. i sur jord og kald jord med mye vann (podsolprofiler) hvor det bare er sopp som omsetter tungt nedbrytbart råhumus. Nitrifikasjonen går effektivt i varm godt gjennomluftet moldjord pH 5-8 (moldjord, brunjord). Dette betyr at i en varmekjær løvskog finnes nitrogenet mest som nitrat og plantene er nitratspesialister , og i en sur barskog befinner det meste av nitrogenet seg som ammonium og plantene er ammoniumspesialister. Siden nitrifikasjonen er avhengig av oksygen går den dårlig ved anaerobe forhold, hvilket betyr at i oversvømt jord befinner nitrogenet seg som ammonium. Ris som vokser i oversvømt anaerob jord er en ammoniumspesialist. Ved pH >8 hemmes Nitrobacter mer enn Nitrosomonas som gir mulighet for opphopning av nitritt.
Når nitrat (NO3- ) tas opp av planterøttene tas det opp samtidig med protoner (H+) i samtransport (symport) og gjør jorda i rotsonen mer basisk. Når ammonium (NH4+) tas opp av røttene byttes det mot H+ (antiport) og jorda i rotsonen blir mer sur. Dette siste er en form for naturlig forsuring. Nedbrytning av surt strøfall fra bartrær bidrar også til naturlig forsuring. Antropogen forsuring skyldes sur nedbør som kommer fra oksidasjon av svoveldioksid og nitrogenoksider i atmosfæren. Sur nedbør gir skadelige effekter på jord og innsjøer på berggrunn med liten bufferkapasitet i østlige deler av USA og Canada, Kina og Norge.
Siden opptaket av nitrogen er stort har hvilken form av nitrogen som tas opp (nitrat eller ammonium) betydning for pH i sur lite buffret jord.
Denitrifikasjon, også kalt dissimilatorisk nitratreduksjon, er en anaerob mikrobiell prosess i jorda hvor nitrat er elektronakseptor i stedet for oksygen. Det er da mulig å få dannet (oksidasjonstrinn i parentes) dinitrogen (N2) (0) som går tilbake til atmosfæren som nitrogentap, lystgass (N2O) (+1) som virker som en drivhusgass og nitrogenmonoksid (NO) (+2). Prosessen kalles dissimilasjon fordi energi frigis fra organiske stoffer ved oksidasjon. Bakterier innen slektene Pseudomonas, Thiobacillus og Micrococcus kan utføre denitrifikasjon. Det er bare under basiske forhold nitrogen kan tapes i form av ammoniakk til atmosfæren i den pH-avhengige likevekten med ammonium. Under pH 7.5 er det bare ubetydelig fordampning av ammoniakk. Denitrifikasjon kan imidlertid representere et større nitrogentap.
Nitrat lagres i vakuolen eller reduseres til nitritt i røtter og blader katalysert av det lys- og substrat-induserte enzymet nitrat reduktase. Nitritt transporteres inn i plastidene i røttene eller til kloroplastene i bladene hvor det reduseres til ammonium katalysert av nitritt reduktase. Ammonium kan deretter assimileres inn i aminosyrene glutamat og glutamin.
Gjødselindustrien produserer 140 millioner tonn gjødsel per år, ca. 23.1 kg per innbygger på jorda. Nitrogen i form av nitrat er lett flyttbart og nitrat til vassdrag til algevekst, kommer ned i grunnvannet.
Aerob og anaerob nitrogenomsetning
Assimilativ og dissimilativ nitrogenomsetning
itteratur
Wikipedia