วัฏจักรไนโตรเจน เป็นวัฏจักรชีวธรณีเคมีซึ่งไนโตรเจนถูกแปลงเป็นรูปแบบทางเคมีต่างๆ ขณะที่หมุนเวียนอยู่ในชั้นบรรยากาศ ระบบนิเวศบนบกและในท้องทะเล การแปลงไนโตรเจนสามารถทำได้ผ่านกระบวนการทางชีวภาพหรือทางกายภาพ
กระบวนการที่สำคัญในวัฏจักรไนโตรเจน ได้แก่ ไนตริฟิเคชัน เดไนตริฟิเคชัน การตรึง และแอมโมนิฟิเคชัน บรรยากาศส่วนใหญ่ของโลกเป็นไนโตรเจน มีสัดส่วนถึง 78% ทำให้เป็นแหล่งไนโตรเจนชั้นนำ อย่างไรก็ตาม ไนโตรเจนในบรรยากาศมีอยู่อย่างจำกัดสำหรับการใช้งานทางชีวภาพ สิ่งนี้นำไปสู่การขาดแคลนไนโตรเจนที่ใช้ในระบบนิเวศหลายประเภท
วัฏจักรไนโตรเจนเป็นที่สนใจของนักนิเวศวิทยาเป็นอย่างมาก เนื่องจากการมีอยู่ของไนโตรเจนอาจส่งผลต่ออัตราของกระบวนการที่สำคัญในระบบนิเวศ เช่น การสลายตัวและการผลิตเบื้องต้น กิจกรรมของมนุษย์ เช่น การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล การใช้ปุ๋ยไนโตรเจนเทียม และการปล่อยไนโตรเจนในน้ำเสียได้เปลี่ยนแปลงวัฏจักรไนโตรเจนทั่วโลกอย่างมาก การเปลี่ยนแปลงของวัฏจักรไนโตรเจนทั่วโลกโดยมนุษย์อาจส่งผลเสียต่อระบบของสิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติและต่อสุขภาพของมนุษย์ด้วย
กระบวนการของวัฏจักรไนโตรเจน
ไนโตรเจนมีอยู่ในสิ่งแวดล้อมในรูปแบบทางเคมีที่แตกต่างกัน เช่น ไนโตรเจนอินทรีย์ ไนไตรท์ (NO - 2 ) แอมโมเนียม (NH 4 + ) ไนตรัสออกไซด์ (N 2 O) ไนเตรต (NO 3 ) ก๊าซอนินทรีย์ไนโตรเจน (N 2 ) หรือ ไนตริกออกไซด์ (NO)
ไนโตรเจนอินทรีย์สามารถอยู่ในรูปของฮิวมัส สิ่งมีชีวิต หรือผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของการสลายตัวของสารอินทรีย์ กระบวนการวัฏจักรไนโตรเจนคือการเปลี่ยนรูปไนโตรเจนจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง หลายกระบวนการเหล่านี้ดำเนินการโดยจุลินทรีย์ เพื่อพยายามสะสมไนโตรเจนหรือเก็บเกี่ยวพลังงาน ตัวอย่างเช่น ของเสียประเภทไนโตรเจนในปัสสาวะของสัตว์จะถูกย่อยสลายโดยแบคทีเรียไนตริไฟอิงในดินเพื่อให้พืชนำไปใช้
การตรึงไนโตรเจน
การเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนเป็นไนไตรต์และไนเตรตผ่านกระบวนการทางอุตสาหกรรม ชีวภาพ และบรรยากาศเรียกว่าการตรึงไนโตรเจน ไนโตรเจนในบรรยากาศจะต้อง (คงที่) หรือผ่านกระบวนการให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้ เพื่อให้พืชนำไปใช้ได้ การตรึงสามารถทำได้โดยการฟาดด้วยสายฟ้า แต่ส่วนใหญ่ทำได้โดยแบคทีเรียที่มีชีวิตอิสระหรืออยู่ร่วมกันที่เรียกว่าไดอาโซโทรฟ การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากกิจกรรมของ Mo-nitrogenase ที่พบในแบคทีเรียหลากหลายชนิดและในอาร์เคียบางชนิด ตัวอย่างของแบคทีเรียที่มีชีวิตอิสระคือ Azotobacter แบคทีเรียที่ตรึงไนโตรเจนได้ทางชีวภาพ เช่น ไรโซเบียม มักอาศัยอยู่ตามก้อนรากของพืชตระกูลถั่ว เช่น ถั่วลันเตาและหญ้าชนิตหนึ่ง จากนั้นพวกมันจะสร้างความสัมพันธ์ซึ่งกันและกันกับพืช โดยผลิตแอมโมเนียเพื่อแลกกับคาร์โบไฮเดรต
การดูดซึม
พืชอาจดูดซับแอมโมเนียมหรือไนเตรตจากดินผ่านทางขนราก ในกรณีที่ไนเตรตถูกดูดซับ ขั้นแรกจะถูกรีดิวซ์เป็นไนไตรต์ไอออนและแอมโมเนียมไอออนเพื่อรวมตัวเป็นคลอโรฟิลล์ กรดอะมิโน และกรดนิวคลีอิก
แอมโมนิฟิเคชั่น
เมื่อสัตว์หรือพืชตายหรือสัตว์ขับถ่ายของเสีย รูปแบบเริ่มต้นของไนโตรเจนจะเป็นสารอินทรีย์ เชื้อราหรือแบคทีเรียเปลี่ยนไนโตรเจนอินทรีย์ในซากสัตว์ให้กลับไปเป็นแอมโมเนียม (NH 4 + ) ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการทำให้เป็นแร่หรือแอมโมนิฟิเคชัน เอนไซม์บางตัวที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ Gln synthetase และ Glu dehydrogenase
ไนตริฟิเคชัน
การเปลี่ยนแอมโมเนียมเป็นไนเตรตทำได้โดยแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในดินและแบคทีเรียไนตริไฟเออร์อื่นๆ แบคทีเรียเช่น Nitrosomonas ดำเนินการขั้นตอนแรกของไนตริฟิเคชัน ซึ่งเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันของแอมโมเนียม สิ่งนี้จะเปลี่ยนแอมโมเนียเป็นไนไตรต์ แบคทีเรียชนิดอื่นๆ เช่น Nitrobacter ทำปฏิกิริยาออกซิเดชันของไนไตรต์ (NO 2 ) ให้เป็นไนเตรต (NO - 3 )
การรับรองความถูกต้อง
เดไนตริฟิเคชันหมายถึงการลดไนเตรตกลับเป็นก๊าซไนโตรเจน ทำให้วัฏจักรไนโตรเจนสมบูรณ์ กระบวนการนี้ดำเนินการโดยแบคทีเรียหลายชนิด เช่น Paracoccus และ Pseudomonas ภายใต้สภาวะไร้อากาศ
กระบวนการอื่นๆ
แม้ว่าการตรึงไนโตรเจนจะเป็นแหล่งหลักของไนโตรเจนที่มีอยู่ในพืชในระบบนิเวศส่วนใหญ่ แต่ในพื้นที่ที่มีชั้นหินที่อุดมด้วยไนโตรเจน การสลายตัวของหินนี้ยังทำหน้าที่เป็นแหล่งไนโตรเจนอีกด้วย
