Dušikov cikel: procesi, pomen in vpliv na rastline ter ekosisteme

Dušikov cikel: spoznajte ključne procese, pomen za rastline in ekosisteme ter vplive na tla, vodo in kmetijstvo — osnovni mehanizmi, posledice in rešitve.

Dušikov krog opisuje, kako se dušik v naravi spreminja med različnimi kemijskimi oblikami in premika med ozračjem, tlemi, vodo in živimi organizmi. V zraku je približno 78 % dušika v obliki elementarnega N2, vendar večina organizmov te oblike ne more neposredno uporabiti. Dušikove spojine so ključne za življenje: dušik je sestavni del beljakovin, DNK in RNK, zato rastline in živali potrebujejo dostopen dušik za rast in presnovo.

Ključni procesi v dušikovem krogu

Fiksacija dušika: Proces, pri katerem se atmosferski N2 pretvori v oblike, ki jih lahko uporabljajo organizmi. Za to je potrebna fiksacija dušika. Večino zemeljske fiksacije opravijo mikroorganizmi, predvsem mikroorganizmi, imenovani bakterije, ki s pomočjo posebnega encima združijo N2 z vodikom (_{H2), da} nastane amoniak (NH3). Nekatere od teh bakterij so prostovoljno živeče v tleh, druge živijo v symbiozi v koreninah rastlin (predvsem stročnic), kjer rastlina daje bakterijam ogljikove hidrate v zameno za amoniak ali druge dušikove spojine.

Amonifikacija: Ko organizmi odmrejo ali izločajo odpadke, razkrojevalci — bakterije in glive — razgrajujejo organske dušikove snovi in proizvajajo amonij (NH4+). Ta proces se imenuje amonifikacija. Amonij nosi pozitiven naboj in se s pomočjo ionske izmenjave veže na glino in humusom v tleh, kar mu zmanjša izpiranje.

Nitrifikacija: Amonij v tleh lahko oksidirajo specializirane bakterije: najprej v nitrit (NO2-), nato v nitrat (NO3-). Ta dvofazni proces se imenuje nitrifikacija. Ker imata nitrit in nitrat negativen naboj, se ne vežeta močno na delce tal in se med dežjem ali namakanjem izpereta iz tal — pojav, ki poveča tveganje za onesnaženje podtalnice in površinskih voda.

Denitrifikacija: V pogojih z malo ali brez kisika nekatere bakterije namesto kisika kot elektronskega akceptorja uporabljajo nitrat in ga postopoma pretvorijo nazaj v plinasti dušik (N2) ali v vmesne pline, kot je dušikov oksid (N2O). Ta proces, imenovan denitrifikacija, zapira dušikov krog in sprošča dušik nazaj v ozračje.

Druge poti: Obstajajo še drugi pomembni procesi, npr. anammox (anaerobna oksidacija amonija), industrijska fiksacija (Haber–Bosch postopek) in atmosferske pretvorbe (strele, industrijski izpusti), ki vnašajo ali spreminjajo dušikove oblike v okolju.

Vloga rastlin in prenos v prehranski verigi

Mnoge rastline neposredno črpajo dušik v obliki nitratov (NO3-) in amonija (NH4+) skozi korene. Ves dušik v živalih izvira iz rastlin ali iz drugih živali, ki jih te živali zaužijejo. Simbiotske bakterije v koreninah rastlin (predvsem stročnic) omogočajo rastlinam, da pridobijo vezan dušik neposredno iz zraka, kar pomembno vpliva na rodovitnost tal in kmetijske prakse.

Okoljski in zdravstveni vplivi

Izpiranje in onesnaženje voda: Ker sta nitrit in nitrat negativno nabita, se med padavinami ali namakanjem zlahka izpereta iz tal v podtalnico in površinske vode. Visoka vsebnost nitratov v pitni vodi je nevarna, zlasti za dojenčke, saj lahko vodi do methemoglobinemije ali »sindrom modrikastega dojenčka«.

Evtrofikacija: Prevelika količina dostopnega dušika v vodah spodbuja rast alg in vodnih rastlin, kar lahko povzroči evtrofikacijo. To vodi v zmanjšanje kisika v vodi, kar je škodljivo za ribe in druge vodne organizme ter lahko spremeni strukturo ekosistemov. Zato je uporaba mineralnih in organskih gnojil pogosto regulirana in nadzorovana.

Emisije toplogrednih plinov: Nekateri procesi dušikovega cikla sproščajo dušikove okside (predvsem N2O), ki so močni toplogredni plini in prispevajo k podnebnim spremembam ter uničevanju ozonske plasti v višjih plasteh atmosfere.

Človekove dejavnosti in posledice

• Uporaba sintetičnih gnojil in intenzivno kmetijstvo povečujeta vnose reaktivnega dušika v okolje, kar vodi do izpiranja, zastrupitve voda in emisij N2O.
• Intenzivna reje živine povečuje količino organskega gnoja in tveganje za izlitja ter onesnaženje vodotokov.
• Industrijski procesi in izgorevanje fosilnih goriv prispevajo k atmosferskim delcem dušika, ki se lahko usedajo na tla in vode kot kisle usedline ali hranila.

Upravljanje, zmanjševanje izgub in priporočila

• Pravilno doziranje in časovno prilagajanje vnosa gnojil glede na potrebe rastlin (gnojilna bilanca in prilagoditve glede na rastno obdobje) zmanjšuje izgube z izpiranjem in emisijami.
• Uporaba pokrovnih kultur, gnojil z znižanim izpustom dušika ali počasno sproščujočih formul lahko zmanjša nalaganje nitratov v okolje.
• Učinkovito ravnanje z gnojem in odplakami ter čiščenje odpadnih voda zmanjšuje tveganje za onesnaženje površinskih in podtalnih voda.
• Zakladanje in ohranjanje mokrišč ter pasov ob vodotokih lahko zadržijo in preoblikujejo presežke dušika, preden dosežejo vode.

Merjenje in nadzor

V razlogih javnega zdravja in varovanja okolja je redno spremljanje vsebnosti amoniaka v industrijskih izpustih in odplakah pogosto obvezno. Slediti je treba tudi nitratom v pitni vodi in površinskih vodah. Kmetijski svetovalci in okoljski organi uporabljajo modele in zemljevide za ocenjevanje tveganj izpiranja in emisij ter za načrtovanje ukrepov zmanjševanja izgub.

Povzetek

Dušikov cikel je kompleksen niz biologičnih, kemijskih in fizikalnih procesov, ki zagotavljajo pretvorbo elementarnega dušika v oblike, primerne za rastline in živali, ter njegovo vračanje v ozračje. Ključni procesi vključujejo fiksacijo dušika, amonifikacijo, nitrifikacijo in denitrifikacijo. Človekove dejavnosti so močno povečale pretočnost reaktivnega dušika in s tem povzročile okoljske in zdravstvene težave (evtrofikacija, onesnaženje vode, emisije N2O). Z ustreznim upravljanjem kmetijskih praks, čiščenjem odplak in varnim ravnanjem z gnojili ter gnojem lahko zmanjšamo negativne učinke in ohranimo ravnovesje v ekosistemih.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je dušikov cikel?

V: Koliko zraka sestavlja dušik?

V: Kakšno vlogo ima dušik v živih bitjih?

V: Kako postane elementarni dušik uporaben za življenje?

V: Kako rastline dobijo potrebno količino dušika?

V: Kateri procesi potekajo, kadar je raven amonija previsoka?

V: Kako se pri denitrifikaciji cikel začne znova?

Išči po črki