چرخه نیتروژن یک چرخه بیوژئوشیمیایی است که از طریق آن نیتروژن به اشکال مختلف شیمیایی تبدیل می شود و در میان جو، اکوسیستم های زمینی و دریایی گردش می کند. تبدیل نیتروژن می تواند از طریق فرآیندهای بیولوژیکی یا فیزیکی انجام شود.
فرآیندهای مهم در چرخه نیتروژن عبارتند از نیتریفیکاسیون، نیترات زدایی، تثبیت و آمونیفیکاسیون. بیشتر جو زمین از نیتروژن است. 78 درصد آن را به خود اختصاص می دهد و منبع اصلی نیتروژن است. با این حال، نیتروژن اتمسفر برای استفاده بیولوژیکی در دسترس محدود است. این منجر به کمبود نیتروژن قابل استفاده در بسیاری از انواع اکوسیستم ها می شود.
چرخه نیتروژن برای بوم شناسان بسیار مورد توجه است زیرا در دسترس بودن نیتروژن ممکن است بر سرعت فرآیندهای مهم اکوسیستم مانند تجزیه و تولید اولیه تأثیر بگذارد. فعالیت های انسانی مانند احتراق سوخت های فسیلی، استفاده از کود نیتروژن مصنوعی و انتشار نیتروژن در فاضلاب چرخه جهانی نیتروژن را تا حد زیادی تغییر داده است. تغییر چرخه جهانی نیتروژن توسط انسان می تواند بر سیستم محیط طبیعی و همچنین سلامت انسان تأثیر منفی بگذارد.
فرآیندهای چرخه نیتروژن
نیتروژن در محیط به اشکال مختلف شیمیایی مانند نیتروژن آلی، نیتریت (NO - 2 )، آمونیوم (NH 4 + )، اکسید نیتروژن (N 2 O)، نیترات (NO 3 )، گاز نیتروژن معدنی (N 2 ) یا اکسید نیتریک (NO).
نیتروژن آلی می تواند به شکل هوموس، یک موجود زنده یا محصولات واسطه ای از تجزیه مواد آلی باشد. فرآیندهای چرخه نیتروژن تبدیل نیتروژن از یک شکل به شکل دیگر است. بسیاری از این فرآیندها توسط میکروب ها در تلاش آنها برای انباشت نیتروژن یا برداشت انرژی انجام می شود. به عنوان مثال، پسماندهای نیتروژن دار موجود در ادرار حیوانات توسط باکتری های نیتریفیکاسیون در خاک برای استفاده توسط گیاهان تجزیه می شوند.
تثبیت نیتروژن
تبدیل گاز نیتروژن به نیتریت ها و نیترات ها از طریق فرآیندهای صنعتی، بیولوژیکی و جوی به عنوان تثبیت نیتروژن شناخته می شود. نیتروژن اتمسفر باید (ثابت) یا به اشکال قابل استفاده پردازش شود تا توسط گیاهان جذب شود. تثبیت را می توان با برخورد صاعقه انجام داد، اما بیشتر آن توسط باکتری های زنده یا همزیست به نام دیازوتروف انجام می شود. بیشتر تثبیت بیولوژیکی نیتروژن توسط فعالیت Mo-nitrogenase انجام می شود که در طیف گسترده ای از باکتری ها و در برخی از آرکیاها یافت می شود. نمونه ای از باکتری های زنده آزاد ازتوباکتر است. باکتری های همزیست تثبیت کننده نیتروژن مانند ریزوبیوم به طور معمول در ندول های ریشه حبوبات مانند نخود و یونجه زندگی می کنند. سپس یک رابطه متقابل با گیاه ایجاد می کنند و در ازای کربوهیدرات ها آمونیاک تولید می کنند.
ادغام
گیاهان ممکن است از طریق موهای ریشه خود آمونیوم یا نیترات را از خاک جذب کنند. در مواردی که نیترات جذب می شود، ابتدا به یون نیتریت و سپس به یون آمونیوم برای ادغام در کلروفیل، اسیدهای آمینه و اسیدهای نوکلئیک احیا می شود.
آمونیفیکاسیون
هنگامی که یک حیوان یا گیاه می میرد یا یک حیوان مواد زائد را دفع می کند، شکل اولیه نیتروژن آلی است. قارچ‌ها یا باکتری‌ها نیتروژن آلی موجود در بقایا را به آمونیوم (NH 4 + ) تبدیل می‌کنند، فرآیندی که به عنوان کانی‌سازی یا آمونیفیکاسیون شناخته می‌شود. برخی از آنزیم های درگیر عبارتند از Gln synthetase و Glu dehydrogenase.
نیتریفیکاسیون
تبدیل آمونیوم به نیترات توسط باکتری های زنده خاک و سایر باکتری های نیتریف کننده انجام می شود. باکتری هایی مانند گونه های Nitrosomonas مرحله اولیه نیتریفیکاسیون یعنی اکسیداسیون آمونیوم را انجام می دهند. این امر آمونیاک را به نیتریت تبدیل می کند. سایر گونه های باکتری مانند Nitrobacter اکسیداسیون نیتریت ها (NO 2 ) را به نیترات ها (NO - 3 ) انجام می دهند.
نیترات زدایی
نیترات زدایی به کاهش نیترات ها به گاز نیتروژن اشاره دارد. این چرخه نیتروژن را کامل می کند. این فرآیند توسط گونه های باکتریایی مانند پاراکوکوس و سودوموناس در شرایط بی هوازی انجام می شود.
سایر فرآیندها
علیرغم اینکه تثبیت نیتروژن منبع اصلی نیتروژن قابل دسترس گیاه در اکثر اکوسیستم ها است، در مناطقی که سنگ بستر غنی از نیتروژن دارند، تجزیه این سنگ نیز به عنوان منبع نیتروژن عمل می کند.
