Back to chapter

27.9:

מחזור החנקן

JoVE Core
Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Biology
The Nitrogen Cycle

Languages

Share

מחזור החנקן כרוך במעבר אטומי החנקן בין מרכיבים ביוטיים ואביוטיים במערכת האקולוגית. מרבית החנקן שבמערכת האקולוגית נאגר N2 באטמוספירה כגז, אבל רק חיידקים מכילים אנזימים הנחוצים כדי להמיר גז חנקן לצורה שימושית עבור אורגניזמים אחרים, מושג הנקרא קיבוע חנקן. לפיכך, חנקן הוא חומר מזין מוגבל מאוד במערכת האקולוגית.ברגע שחיידקים באדמה ממירים את הגז לאמוניה, צמחים יכולים אז להמיר את החנקן לחלבונים, לדנ”א, ולמולקולות אורגניות אחרות, אשר אז נצרכים על ידי אוכלי עשב ומפורקים לחומצות אמינו. ניתן להרכיבן מחדש לחלבונים המשמשים לגדילה והתפתחות, ולתזונה עבור צרכנים. במקביל, אוכלי עשב וצרכנים מחזירים חלק מהחנקן חזרה לאדמה בתור תוצרי פסולת.גם אורגניזמים מתים וגם תוצרי פסולת מכילים חנקן בצורת החלבון, השתנן וחומצת השתן. מפרקים כגון חיידקים ופטריות, מסוגלים לפרק מולקולות אלו ולשחרר אמוניה בחזרה לאדמה, שאז יכולה להיספג על ידי צמחים, או להיות מומרת לחנקה על ידי חיידקים מחנקנים. חנקות אלו יכולות גם להיספג על ידי צמחים או, בהיעדר חמצן, להיות מומרות לגז חנקן על ידי חיידקים מבטלי חנקון.בני אדם גם כן משחררים חנקן לתוך המערכת האקולוגית באמצעות שימוש בדשנים חקלאיים. אולם, כאשר משתמשים בהם בזמן הלא נכון, או בכמויות גדולות, עודף חנקן יכול לזרום לתוך מערכות אקולוגיות מימיות ולהגביר גידול חיידקים, אצות וצמחי מים, תהליך המכונה איטרופיקציה.

27.9:

מחזור החנקן

Nitrogen atoms, present in all proteins and DNA, are recycled between abiotic and biotic components of the ecosystem. However, the primary form of nitrogen on Earth is nitrogen gas, which cannot be used by most animals and plants. Thus, nitrogen gas must first be converted into a usable form by nitrogen-fixing bacteria before it can be cycled through other living organisms. The use of nitrogen-containing fertilizers and animal waste products in human agriculture has greatly influenced the natural nitrogen cycle.

Biological Nitrogen Cycle

About 78% of the air we breathe is nitrogen gas. However, in this form, N2, few organisms are able to use it. Nitrogen makes up essential molecules in all organisms, like proteins and DNA. Unable to use the atmospheric form of nitrogen, most organisms use the byproducts of nitrogen-fixing and nitrifying prokaryotes. Nitrogen fixation converts nitrogen gas (N2) into ammonia (NH3), whereas nitrification converts NH3 into nitrites (NO2) and nitrates (NO3). Plants can directly use the ammonia and nitrates, and plant-eating organisms obtain nitrogen by ingesting plants. When these organisms die, bacteria in the soil are able to convert the organic nitrogen into ammonia in a process called ammonification. Through denitrification, aerobic bacteria can then convert ammonia into nitrogen gas that is released back into the atmosphere, completing the cycle.

Nitrogen Sinks

The primary reservoir for long-term storage of nitrogen is nitrogen gas in the atmosphere. However, there are other, smaller nitrogen sinks in the ecosystem. Nitrogen can be tied up for relatively long periods of time in swamps, marine sediments, and sedimentary rock. However, since nitrogen compounds are very soluble in water, weathering of sedimentary rock can release nitrogen back into the ecosystem.

Human Impacts on the Nitrogen Cycle

Since nitrogen is often a limiting factor for plant growth in natural environments, farmers add nitrogen to the soil as fertilizer to increase agricultural yield. Agricultural runoff into aquatic ecosystems can result in eutrophication and unnaturally rapid growth of toxic algae species. Raising large numbers of livestock can also increase the amount of nitric waste in the soil and in local water sources.

Suggested Reading

Ramakrishnan VV, Ghaly AE. “Nitrogen Sources and Cycling in the Ecosystem and Its Role in Air, Water and Soil Pollution: A Critical Review.” Journal of Pollution Effects & Control 03, no. 02 (2015). [Source]