Slāpekļa cikls — kas tas ir, posmi un ietekme uz vidi
Slāpekļa cikls ir veids, kā slāpeklis dabā pārveidojas daudzās dažādās formās, ko izmanto dzīvie organismi.
Gaisā ir aptuveni 78 % slāpekļa. Slāpekļa ķīmiskās vielas ir nepieciešamas dzīvībai. Slāpeklis ir olbaltumvielu, DNS un RNS sastāvdaļa. Augiem slāpeklis ir nepieciešams fotosintēzei un augšanai. Tomēr dzīvās būtnes nevar izmantot gaisā esošo slāpekli šīm vajadzībām. Lai gaisā esošo slāpekli (N2) pārvērstu dzīvībai izmantojamā veidā, ir nepieciešama slāpekļa saistīšana. Lielāko daļu slāpekļa fiksācijas veic mikroorganismi, ko sauc par baktērijām. Šīm baktērijām ir enzīms, kas N2 apvieno ar ūdeņraža gāzi (H2), veidojot amonjaku (NH3).
Dažas no šīm baktērijām dzīvo augu (galvenokārt pākšaugu) saknēs. Šajās saknēs tās ražo amonjaku augam, un augs tām dod ogļhidrātus. Citi augi slāpekļa savienojumus no augsnes paņem caur saknēm. Viss dzīvnieku organismā esošais slāpeklis rodas, apēdot augus.
Amoniju (NH4) augsnē veido slāpekli fiksējošās baktērijas un sadalītāji - baktērijas un sēnītes, kas sašķeļ atmirušās dzīvās organismus to daļās. Šo procesu sauc par amonifikāciju. Amonijam ir pozitīvs lādiņš. Tas viegli savienojas ar augsnē esošo mālu un humusu. Amonjaks un amonijs ir indīgi zivīm un citiem dzīvniekiem. Tāpēc regulāri tiek veikti notekūdeņu un citu notekūdeņu mērījumi. Ja amonjaka līmenis ir pārāk augsts, jāveic nitrifikācija.
Nitrifikācija ir amonjaka un amonija oksidēšana, ko veic baktērijas, pārvēršot to nitrītos (NO2-) un pēc tam nitrātos (NO3-). Tā kā nitrītiem un nitrātiem ir negatīvs lādiņš, tiem nav viegli savienoties ar augsni, un lietus un apūdeņošanas laikā tie izskalojas no augsnes. Augsts nitrātu līmenis dzeramajā ūdenī ir kaitīgs zīdaiņiem un var izraisīt zilā zīdaiņa sindromu. Augsts nitrātu līmenis var izraisīt arī pārmērīgu aļģu augšanu ezeros un baseinos. Šī eitrofikācija var kaitēt zivīm un citiem ūdens dzīvniekiem. Tādēļ tiek kontrolēta mēslošanas līdzekļu lietošana.
Ja nav skābekļa, dažas baktērijas pārveido nitrātus slāpekļa gāzē (N2), lai iegūtu enerģiju. Tādējādi slāpekļa cikls sākas no jauna. Šo procesu sauc par denitrifikāciju.
Slāpekļa cikla galvenie posmi
- Slāpekļa saistīšana (fiksācija) — atmosfēriskā N2 tiek pārveidota par amonjaku vai amoniju. To veic bioloģiskā saistīšana (piem., pākšaugu sakņu mezgliņi ar baktērijām) un daļēji arī atmosfēras procesi (zibens). Cilvēks to spēcīgi pastiprina ar industriālo ražošanu (Haber–Bosch process) un sintētisko mēslojumu lietošanu.
- Amonifikācija (mineralizācija) — sadalītāji (sēnītes, baktērijas) pārveido organisko slāpekli par amonjaku/amoniju (NH3/NH4+).
- Nitrifikācija — amonjaks/amonijs tiek pakāpeniski oksidēts uz nitrītiem (NO2-) un pēc tam nitrātiem (NO3-), ko veic nitrējošās baktērijas. Nitrāti ir mobilā forma, kas viegli pārvietojas augsnē un var nokļūt ūdenstilpēs.
- Denitrifikācija — anaerobos apstākļos baktērijas reducē nitrātus atpakaļ par slāpekļa gāzi (N2) vai slāpekļa oksīdiem (piem., N2O), tā pabeidzot ciklu un izdalot slāpekli atmosfērā.
Vides un cilvēka veselības ietekme
Slāpekļa savienojumu pārmērīga klātbūtne rada vairākas problēmas:
- Eitrofikācija — pārmērīgs nitrātu un citu uzturvielu piegāde ūdenstilpēm veicina aļģu ziedēšanu, skābekļa izsīkumu un zivju bojāeju.
- Gruntsūdeņu piesārņojums — nitrāti izskalo augsnē un var nonākt dzeramajā ūdenī. Tas ir īpaši bīstami zīdaiņiem (methemoglobinēmisks stāvoklis jeb «zilā zīdaiņa sindroms»).
- Gaisa piesārņojums — degot fosilajiem kurināmajiem un intensīvas lauksaimniecības rezultātā veidojas slāpekļa oksīdi (NOx), kas veicina skābo lietu, troposfēras ozona veidošanos un elpošanas ceļu slimības.
- Siltumnīcefekta ietekme — daži slāpekļa savienojumi, īpaši slāpekļa oksīds (N2O), ir spēcīgas siltumnīcefekta gāzes un ietekmē klimata pārmaiņas.
Cilvēka darbības loma
Intensīvas lauksaimniecības un rūpniecības dēļ slāpekļa plūsmas dabā ir būtiski mainījušās. Sintētiskie mēslošanas līdzekļi, lopkopības kūtsmēsli un izplūdes rada pārlieku daudz viegli mobilu slāpekļa formu (piem., nitrātu), kuras augsne un ekosistēmas nespēj pietiekami ātri apstrādāt. Tā rezultātā palielinās gruntsūdeņu piesārņojums, ezeros pieaug eutrofikācija, kā arī atmosfērā nonāk vairāk NOx un N2O.
Kā mazināt negatīvo ietekmi — prakse un risinājumi
- Optimāla mēslojuma lietošana — pielāgot devu pēc augsnes analīzēm un audzēšanas mērķiem; lietot precīzu mēslošanu (precision farming).
- Integrētā audzēšana — pākšaugu iestrāde godājošos augu maiņā un izmantošana kā segkultūras, lai samazinātu nepieciešamību pēc sintētiskā slāpekļa.
- Kūtsmēslu apsaimniekošana — pareiza uzglabāšana un apstrāde (kompostēšana, anaerobā fermentationa reaktori), lai samazinātu noplūdes uz augsni un ūdeņiem.
- Mežu un buferjoslu atjaunošana — nobrieztas ripas gar strautu malām un mitrāji var aizturēt un denitrificēt pārpalikušo slāpekli.
- Notekūdeņu attīrīšana — modernās attīrīšanas metodes efektīvi samazina amonjaku un nitrātu izplūdi.
- Emisiju samazināšana — rūpniecības un transporta NOx emisiju ierobežošana palīdz mazināt gaisa piesārņojumu un tā tālākas ietekmes.
Mērījumi un uzraudzība
Regulāra gruntsūdeņu, dzeramā ūdens un notekūdeņu analīze ir svarīga, lai identificētu pārmērīgu nitrātu vai amonjaka klātbūtni. Daudzas valsts un starptautiskas organizācijas sniedz vadlīnijas par pieļaujamām nitrātu koncentrācijām dzeramajā ūdenī (piemēram, WHO vadlīnijas), taču konkrētas prasības var atšķirties pēc reģiona.
Kopsavilkums
Slāpekļa cikls ir būtisks dabas process, kas nodrošina dzīvajiem organismiem pieejamu slāpekli. Tas ietver vairākus savstarpēji saistītus posmus — saistīšanu, amonifikāciju, nitrifikāciju un denitrifikāciju. Cilvēka darbība ir ievērojami mainījusi šo ciklu, radot gan lauksaimniecības produktivitātes pieaugumu, gan vides un veselības riskus. Ilgtspējīgas prakses ieviešana — optimāla mēslošana, uzlabota kūtsmēslu apsaimniekošana, buferjoslas un notekūdeņu attīrīšana — palīdzēs samazināt negatīvās sekas un saglabāt slāpekļa līdzsvaru dabā.
Slāpekļa cikls
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir slāpekļa cikls?
A: Slāpekļa cikls ir process, kurā slāpeklis dabā pārvēršas dažādās formās, ko var izmantot dzīvi organismi.
J: Cik lielu gaisa daļu veido slāpeklis?
A: Gaisa sastāvā ir aptuveni 78 % slāpekļa.
J: Kāda nozīme ir slāpeklim dzīvās organismos?
A: Slāpeklim ir svarīga loma olbaltumvielās, DNS un RNS, kā arī augu fotosintēzē un augšanā.
J: Kā elementārais slāpeklis kļūst izmantojams dzīvībai?
A. Lai elementārais slāpeklis pārvērstos dzīvībai izmantojamās formās, ir jānotiek procesam, ko sauc par slāpekļa fiksāciju. Šajā procesā parasti iesaistītas baktērijas ar fermentu, kas apvieno N2 ar ūdeņraža gāzi (H2), veidojot amonjaku (NH3).
J: Kā augi iegūst nepieciešamo slāpekļa daudzumu?
A: Augi nepieciešamo slāpekļa daudzumu iegūst vai nu no baktērijām, kas dzīvo to saknēs, vai arī no savienojumiem, ko augi paņem no augsnes caur saknēm. Visi dzīvnieki slāpekli iegūst, ēdot augus.
J: Kādi procesi notiek, ja amonija līmenis ir pārāk augsts?
A: Ja amonija līmenis ir pārāk augsts, jānotiek procesam, ko sauc par nitrifikāciju un kas ietver amonjaka un amonija oksidāciju līdz nitrītam (NO2-) un pēc tam līdz nitrātam (NO3-), ko veic baktērijas. Augsts nitrātu līmenis var izraisīt zilā bērna sindromu, ja tas ir dzeramajā ūdenī, un pārāk lielu aļģu augšanu, ja tās ir ezeros vai baseinos.
J: Kā denitrifikācija sāk ciklu no jauna?
A Denitrifikācija notiek, kad dažas baktērijas pārvērš nitrātus slāpekļa gāzē (N2), šajā procesā atbrīvojot enerģiju, tādējādi cikls sākas no jauna.
