סקירה כללית על חילוף החומרים של חנקן

החנקן הוא האלמנט החיוני ביותר לחיים, מכיוון שהוא מרכיב עיקרי של חלבונים וחומצות גרעין. זהו מקרו-נוטריאנט, ובטבע הוא ממוחזר מתרכובות אורגניות ונשמר בצורות של אמוניה, יוני אמוניום, חנקה, ניטריט או גז חנקן על ידי תהליכים מטבוליים רבים. רבים מהתהליכים המטבוליים הללו מבוצעים רק על ידי פרוקריוטים.

המאגר הגדול ביותר של חנקן הקיים במערכת האקולוגית היבשתית הוא חנקן גזי (N_2) מהאוויר, אך חנקן זה אינו זמין לשימוש על ידי צמחים, שהם היצרנים העיקריים במערכת האקולוגית. חנקן גזי הופך, או "מתקבע" לצורות זמינות יותר, כגון אמוניה (NH_3), באמצעות תהליך קיבוע החנקן. חיידקים מקבעי חנקן כוללים את אזוטובקטר באדמה ואת הציאנובקטריה הפוטוסינתטית הנמצאת בכל מקום. חלק מהחיידקים מקבעי החנקן, כמו Rhizobium, חיים בקשרים סימביוטיים בשורשי הקטניות. מקור נוסף לאמוניה הוא אמוניפיקציה, התהליך שבו משתחררת אמוניה במהלך פירוק תרכובות אורגניות המכילות חנקן. יון האמוניום מתחמצן בהדרגה על ידי מינים שונים של חיידקים בתהליך הנקרא ניטריפיקציה. תהליך הניטריפיקציה מתחיל בהפיכת האמוניום לניטריט (NO_2^-), וממשיך בהפיכת הניטריט לניטראט. ניטריפיקציה בקרקעות מתבצעת על ידי חיידקים השייכים לסוגים Nitrosomas, Nitrobacter ו- Nitrospira. רוב החנקן באדמה הוא בצורת אמוניום (NH_4^+) או חנקה (NO_3^-). צמחים יכולים להשתמש באמוניה וניטראט או להמיר אותם לצורות אחרות.

בתוך תאי הצמחים, האמוניה מתחברת עם גלוטמט לייצור גלוטמין. לאחר מכן, הגלוטמין הופך עוד יותר לחומצות אמינו ולנוקלאוטידים אחרים. מאוחר יותר, בעלי חיים צורכים את הצמחים הללו ומשתמשים בחומצות האמינו כדי לסנתז את החלבונים והנוקלאוטידים של עצמם. מכיוון שבעלי חיים אינם יכולים לאגור כמות גדולה של חומצות אמינו, חומצות האמינו הנצרכות מפורקות באופן קבוע בתוך התאים. אבל אמוניה חופשית המשתחררת במהלך קטבוליזם של חומצות אמינו רעילה מאוד לתאים. אז, עודף אמוניה הופך לצורה לא רעילה - אוריאה - באמצעות סדרה של תגובות הנקראות מחזור אוריאה. אוריאה מופרשת מהגוף דרך שתן ולבסוף חוזרת לאדמה. מאוחר יותר, חיידקי קרקע משתמשים באנזים urease כדי לפרק את האוריאה המופרשת לאמוניה, שיכולה להיספג שוב על ידי הצמחים. למעשה, כאשר צמחים ובעלי חיים מתים, תכולת החלבון שלהם מתכלה גם על ידי החיידקים כדי לייצר חומצות אמינו. המיקרובים שעוברים ניטריפיקציה שנמצאים באדמה הופכים את חומצות האמינו האלה לניטריט ולאחר מכן לחנקה. לבסוף, החיידקים שעוברים דה-ניטריפיקציה, ארכאים מסוימים ומספר מחלקות של פטריות ממירים את החנקות הללו בחזרה לחנקן גזי, וכך מחזירים חנקן לאטמוספירה.