Der Stickstoff-Zyklus ist der Prozess, durch den Stickstoff zwischen seinen verschiedenen chemischen Formen umgewandelt wird. Diese Transformation kann sowohl durch biologische als auch durch nichtbiologische Prozesse ausgeführt werden. Wichtige Prozesse im Stickstoff-Zyklus schließen Fixieren, mineralization, Nitrierung und Entstickung ein. Die Mehrheit der Atmosphäre der Erde (etwa 78 %) ist Stickstoff, es die größte Lache des Stickstoffs machend. Jedoch hat atmosphärischer Stickstoff Verfügbarkeit für den biologischen Gebrauch beschränkt, zu einer Knappheit des verwendbaren Stickstoffs in vielen Typen von Ökosystemen führend. Der Stickstoff-Zyklus ist von besonderem Interesse Ökologen, weil Stickstoff-Verfügbarkeit die Rate von Schlüsselökosystem-Prozessen, einschließlich der primären Produktion und Zergliederung betreffen kann. Menschliche Tätigkeiten wie Verbrennen des fossilen Brennstoffs, Gebrauch von künstlichen Stickstoff-Düngern und Ausgabe des Stickstoffs im Abwasser haben den globalen Stickstoff-Zyklus drastisch verändert.

Eine 2011-Studie hat gefunden, dass der Stickstoff von Felsen auch eine bedeutende Quelle des Stickstoffs sein kann, der nicht vorher eingeschlossen worden war.

Ökologische Funktion

Stickstoff ist für viele Prozesse notwendig; es ist für jedes Leben auf der Erde entscheidend. Es ist ein Bestandteil in allen Aminosäuren, die so in Proteine eingetragen sind, und ist in den Basen da, die Nukleinsäuren zusammensetzen wie DNA und RNS. In Werken wird viel vom Stickstoff in Chlorophyll-Molekülen verwendet, die für die Fotosynthese und das weitere Wachstum notwendig sind.

Obwohl die Atmosphäre der Erde eine reichliche Quelle des Stickstoffs ist, sind die meisten durch Werke relativ unbrauchbar. Chemische Verarbeitung oder natürliches Fixieren (durch Prozesse wie Bakterienkonvertierung — sehen Rhizom), ist notwendig, um gasartigen Stickstoff in durch lebende Organismen verwendbare Formen umzuwandeln, der Stickstoff einen entscheidenden Bestandteil der Nahrungsmittelproduktion macht. Der Überfluss oder die Knappheit dieser "festen" Form des Stickstoffs, (auch bekannt als reaktiven Stickstoffs), diktieren, wie viel Essen auf einem Grundstück angebaut werden kann.

Die Prozesse des Stickstoff-Zyklus

Stickstoff ist in der Umgebung in einem großen Angebot an chemischen Formen einschließlich des organischen Stickstoffs, Ammonium (NH), nitrite (NICHT), Nitrat (NICHT), Stickoxyd (NO), Stickstoffoxyd (NO) oder anorganisches Stickstoff-Benzin (N) da. Organischer Stickstoff kann in der Form eines lebenden Organismus, Humus oder in den Zwischenprodukten der organischen Sache-Zergliederung sein. Die Prozesse des Stickstoff-Zyklus gestalten Stickstoff von einer Form bis einen anderen um. Viele jener Prozesse werden von Mikroben entweder in ihrer Anstrengung ausgeführt, Energie zu ernten oder Stickstoff in einer für ihr Wachstum erforderlichen Form anzusammeln. Das Diagramm zeigt oben, wie diese Prozesse zusammen passen, um den Stickstoff-Zyklus zu bilden.

Stickstoff-Fixieren

Atmosphärischer Stickstoff muss bearbeitet oder "befestigt" werden (sieh Seite auf dem Stickstoff-Fixieren), um von Werken verwendet zu werden. Ein Fixieren kommt in Blitzschlägen vor, aber der grösste Teil des Fixierens wird von liederlichen oder symbiotischen Bakterien getan. Diese Bakterien haben das nitrogenase Enzym, das gasartigen Stickstoff mit Wasserstoff verbindet, um Ammoniak zu erzeugen, das dann weiter von den Bakterien umgewandelt wird, um ihre eigenen organischen Zusammensetzungen zu machen. Der grösste Teil biologischen Stickstoff-Fixierens kommt bei der Tätigkeit von Mo-Nitrogenase vor, der in einem großen Angebot an Bakterien und einem Archaea gefunden ist. Mo-Nitrogenase ist ein kompliziertes zwei Teilenzym, das vielfache metallenthaltende prothetische Gruppen hat. Einige Stickstoff-Befestigen-Bakterien, wie Rhizobium, leben in den Wurzelknötchen von Hülsenfrüchten (wie Erbsen oder Bohnen). Hier bilden sie eine mutualistic Beziehung mit dem Werk, Ammoniak als Entgelt für Kohlenhydrate erzeugend. Nährschlechte Böden können mit Hülsenfrüchten gepflanzt werden, um sie mit dem Stickstoff zu bereichern. Einige andere Werke können solche Symbiose bilden. Heute werden ungefähr 30 % des festen Gesamtstickstoffs in Ammoniak chemische Werke verfertigt.

Konvertierung von N

Die Konvertierung des Stickstoffs (N) von der Atmosphäre in eine Form, die sogleich für Werke und folglich für Tiere und Menschen verfügbar ist, ist ein wichtiger Schritt im Stickstoff-Zyklus, der die Versorgung dieses wesentlichen Nährstoffs verteilt. Es gibt vier Wege dem Bekehrten N (atmosphärisches Stickstoff-Benzin) in chemischer reaktive Formen:

1. Biologisches Fixieren: Einige symbiotische Bakterien (meistenteils vereinigt mit Hülsenwerken) und einige liederliche Bakterien sind im Stande, Stickstoff als organischer Stickstoff zu befestigen. Ein Beispiel von mutualistic Stickstoff-Befestigen-Bakterien ist die Bakterien von Rhizobium, die in Hülsenfrucht-Wurzelknötchen leben. Diese Arten sind diazotrophs. Ein Beispiel der liederlichen Bakterien ist Azotobacter.
2. IndustrieN-Fixieren: Unter dem großen Druck, bei einer Temperatur von 600 C, und mit dem Gebrauch eines Eisenkatalysators, können Wasserstoff (ist gewöhnlich auf Erdgas oder Erdöl zurückzuführen gewesen), und atmosphärischer Stickstoff verbunden werden, um Ammoniak (NH) im Prozess von Haber-Bosch zu bilden, der verwendet wird, um Dünger und Explosivstoffe zu machen.
3. Verbrennen von fossilen Brennstoffen: Kraftfahrzeugmotoren und Thermalkraftwerke, die verschiedene Stickstoff-Oxyde (NO) veröffentlichen.
4. Andere Prozesse: Außerdem, die Bildung NICHT von N und O wegen Fotonen und besonders Blitzes, kann Stickstoff befestigen.

Assimilation

Werke nehmen Stickstoff vom Boden, durch die Absorption durch ihre Wurzeln in der Form entweder von Nitrat-Ionen oder von Ammonium-Ionen. Der ganze von Tieren erhaltene Stickstoff kann zurück zum Essen von Werken in einer Bühne der Nahrungsmittelkette verfolgt werden.

Werke können Nitrat oder Ammonium-Ionen vom Boden über ihre Wurzelhaare absorbieren. Wenn Nitrat absorbiert wird, wird es zuerst auf nitrite Ionen und dann Ammonium-Ionen für die Integration in Aminosäuren, Nukleinsäuren und Chlorophyll reduziert. In Werken, die eine mutualistic Beziehung mit rhizobia haben, wird ein Stickstoff in der Form von Ammonium-Ionen direkt von den Knötchen assimiliert. Tiere, Fungi und andere heterotrophic Organismen erhalten Stickstoff durch die Nahrungsaufnahme von Aminosäuren, nucleotides und anderen kleinen organischen Molekülen.

Ammonification

Wenn ein Werk oder Tier sterben, oder ein Tier Verschwendung vertreibt, ist die anfängliche Form des Stickstoffs organisch. Bakterien oder Fungi in einigen Fällen, wandeln sich um der organische Stickstoff innerhalb bleibt zurück in Ammonium (NH), ein Prozess hat ammonification oder mineralization genannt.

Beteiligte Enzyme:

• GS: Gln Synthetase (Cytosolic & PLastid)
• GOGAT: Glu 2-oxoglutarate aminotransferase (Abhängiger von Ferredoxin & NADH)
• GDH: Glu Dehydrogenase:
• Geringe Rolle in der Ammonium-Assimilation.
• Wichtig im Aminosäure-Katabolismus.

Nitrierung

Die Konvertierung von Ammonium zum Nitrat wird in erster Linie von von Boden lebenden Bakterien und anderen nitrifying Bakterien durchgeführt. In der primären Bühne der Nitrierung wird die Oxydation von Ammonium (NH) von Bakterien wie die Art Nitrosomonas durchgeführt, die Ammoniak zu nitrites (NEIN) umwandelt. Andere Bakterienarten, wie Nitrobacter, sind für die Oxydation des nitrites in Nitrate (NEIN) verantwortlich. Es ist für den nitrites wichtig, zu Nitraten umgewandelt zu werden, weil angesammelte nitrites für das Pflanzenleben toxisch sind.

Wegen ihrer sehr hohen Löslichkeit können Nitrate in Grundwasser eingehen. Das Hochnitrat in Grundwasser ist eine Sorge für den Trinkwasser-Gebrauch, weil Nitrat Blutsauerstoff-Niveaus in Säuglings stören und methemoglobinemia oder Syndrom des Blue Babys verursachen kann. Wo Grundwasser Strom-Fluss wieder lädt, kann Nitrat-bereichertes Grundwasser zu eutrophication, ein Prozess beitragen, der zu hohem algal, besonders blau-grünen algal Bevölkerungen und dem Tod des Wasserlebens wegen der übermäßigen Nachfrage der Algen nach Sauerstoff führt. Während nicht direkt toxisch, um Leben wie Ammoniak zu fischen, Nitrat indirekte Effekten auf den Fisch haben kann, wenn es zu diesem eutrophication beiträgt. Stickstoff hat zu strengen eutrophication Problemen in einigen Wasserkörpern beigetragen. Seit 2006 ist die Anwendung von Stickstoff-Dünger in Großbritannien und den Vereinigten Staaten zunehmend kontrolliert worden. Das kommt entlang denselben Linien wie Kontrolle von Phosphor-Dünger vor, dessen Beschränkung normalerweise notwendig für die Wiederherstellung von eutrophied waterbodies betrachtet wird.

Entstickung

Entstickung ist die Verminderung von Nitraten zurück ins größtenteils träge Stickstoff-Benzin (N), den Stickstoff-Zyklus vollendend. Dieser Prozess wird durch Bakterienarten wie Pseudomonas und Clostridium in anaerobic Bedingungen durchgeführt. Sie verwenden das Nitrat als ein Elektronenakzeptor im Platz von Sauerstoff während der Atmung. Diese fakultativ anaerobic Bakterien können auch in aerobic Bedingungen leben.

Ammonium-Oxydation von Anaerobic

In diesem biologischen Prozess werden nitrite und Ammonium direkt in den elementaren Stickstoff (N) Benzin umgewandelt. Dieser Prozess setzt ein Hauptverhältnis der elementaren Stickstoff-Konvertierung in den Ozeanen zusammen.

Seestickstoff-Zyklus

Der Stickstoff-Zyklus ist ein wichtiger Prozess im Ozean ebenso. Während der gesamte Zyklus ähnlich ist, gibt es verschiedene Spieler und Weisen der Übertragung für den Stickstoff im Ozean. Stickstoff geht ins Wasser durch den Niederschlag, Entscheidungslauf, oder als N von der Atmosphäre ein. Stickstoff kann durch phytoplankton als N nicht verwertet werden, so muss es Stickstoff-Fixieren erleben, das predominately durch cyanobacteria durchgeführt wird. Ohne Bedarf des festen Stickstoffs, der in den Seezyklus eingeht, würde der feste Stickstoff in ungefähr 2000 Jahren verbraucht. Phytoplankton brauchen Stickstoff in biologisch verfügbaren Formen für die anfängliche Synthese der organischen Sache. Ammoniak und Harnstoff werden ins Wasser durch die Ausscheidung vom Plankton veröffentlicht. Stickstoff-Quellen werden von der euphotic Zone durch die Bewegung nach unten der organischen Sache entfernt. Das kann davon vorkommen, phytoplankton, des vertikalen Mischens oder Sinkens der Verschwendung von vertikalem migrators zu sinken. Das Sinken läuft auf Ammoniak hinaus, das an niedrigeren Tiefen unter der euphotic Zone wird einführt. Bakterien sind im Stande, Ammoniak zu nitrite und Nitrat umzuwandeln, aber sie werden durch das Licht gehemmt, so muss das unter der euphotic Zone vorkommen. Ammonification oder Mineralization werden von Bakterien durchgeführt, um das Ammoniak zu Ammonium umzuwandeln. Nitrierung kann dann vorkommen, um das Ammonium zu nitrite und Nitrat umzuwandeln. Nitrat kann in die euphotic Zone durch das vertikale Mischen und upwelling zurückgegeben werden, wo es durch phytoplankton aufgenommen werden kann, um den Zyklus fortzusetzen. N kann in die Atmosphäre durch die Entstickung zurückgegeben werden.

Wie man

denkt, ist NH die bevorzugte Quelle des festen Stickstoffs für phytoplankton, weil seine Assimilation keine redox Reaktion einschließt und deshalb wenig Energie verlangt. Jedoch NICHT ist reichlicher, so haben sich die meisten phytoplankton angepasst, um die Enzyme zu haben, die notwendig sind, um diese Verminderung (Nitrat reductase) zu übernehmen. Es gibt einige bemerkenswerte und wohl bekannte Ausnahmen, die Prochlorococcus und einen Synechococcus einschließen. Diese Arten können nur Stickstoff als NH aufnehmen.

Die Nährstoffe im Ozean werden nicht gleichförmig verteilt. Gebiete von upwelling stellen Bedarf des Stickstoffs von unter der euphotic Zone zur Verfügung. Küstenzonen stellen Stickstoff vom Entscheidungslauf zur Verfügung, und upwelling kommt sogleich entlang der Küste vor. Jedoch wird die Rate, an der Stickstoff durch phytoplankton aufgenommen werden kann, in oligotrophic Wasser das ganze Jahr hindurch und gemäßigtem Wasser vermindert, das im Sommer tiefer auf primäre Produktion hinausläuft. Der Vertrieb der verschiedenen Formen des Stickstoffs ändert sich überall in den Ozeanen ebenso.

Nitrat wird in Nah-Oberflächenwasser außer in upwelling Gebieten entleert. Upwelling Küstengebiete haben gewöhnlich hohes Nitrat und Chlorophyll-Niveaus infolge der vergrößerten Produktion. Jedoch gibt es Gebiete des hohen Oberflächennitrats, aber niedriges Chlorophyll, die HNLC (hoher Stickstoff, niedriges Chlorophyll) Gebiete genannt werden. Bezüglich jetzt der besten Erklärung für HNLC Gebiete bezieht sich auf die Eisenbeschränkung im Ozean. In den letzten Jahren ist Eisen ein wichtiger Spieler geworden, wenn es Ozeandynamik und Nährzyklen bespricht. Der Eingang von Eisen ändert sich durch das Gebiet und wird an den Ozean durch Staub (von Staubstürmen) geliefert und wird aus Felsen durchgefiltert. Eisen ist unter der Rücksicht als das wahre Begrenzungselement im Ozean.

NH und KEINE Show eine maximale Konzentration an 50-80 M (senken Ende der euphotic Zone), mit der abnehmenden Konzentration unter dieser Tiefe. Dieser Vertrieb kann durch die Tatsache verantwortlich gewesen werden, die NICHT und NH Zwischenarten sind. Sie werden sowohl schnell erzeugt und durch die Wassersäule verbraucht. Der Betrag von NH im Ozean ist ungefähr 3 Größenordnungen weniger als Nitrat. Zwischen NH, Nein, und Nein, hat NICHT die schnellste Umsatz-Rate. Es kann während KEINER Assimilation, Nitrierung und Entstickung erzeugt werden; jedoch wird es wieder sofort verbraucht.

Neu gegen den regenerierten Stickstoff

Stickstoff, der in die euphotic Zone eingeht, wird neuen Stickstoff genannt, weil es kürzlich von der Außenseite der produktiven Schicht angekommen wird.

Der neue Stickstoff kann unter der euphotic Zone oder von der Außenseite Quellen herkommen. Wie man betrachtet, sind Außenquellen upwelling von tiefem Wasser oder durch das Stickstoff-Fixieren. Wenn die organische Sache gegessen wird, geliefert an das Wasser als Ammoniak geatmet hat, und sich in die organische Sache durch phytoplankton wiedervereinigt hat, wird es betrachtet hat Produktion wiederverwandt/regeneriert.

Neue Produktion ist ein wichtiger Bestandteil der Seeumgebung. Ein Grund besteht darin, dass nur der dauernde Eingang des neuen Stickstoffs die Gesamtkapazität des Ozeans bestimmen kann, eine nachhaltige Fischernte zu erzeugen. Das Ernten des Fisches von regenerierten Stickstoff-Gebieten wird zu einer Abnahme im Stickstoff und deshalb einer Abnahme in der primären Produktion führen. Das wird eine negative Wirkung auf das System haben. Jedoch, wenn Fische von Gebieten des neuen Stickstoffs geerntet werden, wird der Stickstoff wieder gefüllt.

Menschliche Einflüsse auf den Stickstoff-Zyklus

Infolge der umfassenden Kultivierung von Hülsenfrüchten (besonders Sojabohne, Luzerne und Klee), Gebrauch des Prozesses von Haber-Bosch in der Entwicklung von chemischen Düngern und Verschmutzung anbauend, die durch Fahrzeuge und Industriewerke ausgestrahlt ist, haben Menschen mehr als die jährliche Übertragung des Stickstoffs in biologisch verfügbare Formen verdoppelt. Außerdem haben Menschen zur Übertragung von Stickstoff-Spur-Benzin von der Erde bis die Atmosphäre, und vom Land bis Wassersysteme bedeutsam beigetragen. Menschliche Modifizierungen zum globalen Stickstoff-Zyklus sind in entwickelten Ländern und in Asien am intensivsten, wo Fahrzeugemissionen und Industrielandwirtschaft am höchsten sind.

Stickoxyd (NO) hat sich in der Atmosphäre infolge landwirtschaftlicher Fruchtbarmachung, Biomasse-Brennens, Viehs und Weiden und Industriequellen erhoben. NICHT hat schädliche Effekten in der Stratosphäre, wo sie zusammenbricht und als ein Katalysator in der Zerstörung des atmosphärischen Ozons handelt. In der Atmosphäre ist Stickoxyd ein Treibhausgas, und ist zurzeit der dritte größte Mitwirkende zur Erderwärmung, nach dem Kohlendioxyd und Methan. Während nicht so reichlich in der Atmosphäre wie Kohlendioxyd es für eine gleichwertige Masse ist, die in seiner Fähigkeit fast 300mal stärker ist, den Planeten zu wärmen.

Ammoniak (NH) in der Atmosphäre hat sich als das Ergebnis von menschlichen Tätigkeiten verdreifacht. Es ist ein Reaktionspartner in der Atmosphäre, wo es als ein Aerosol handelt, Luftqualität vermindernd und sich an Wassertröpfchen festhaltend, schließlich auf Stickstoffsäure (HNO) hinauslaufend, der sauren Regen erzeugt. Atmosphärisches Ammoniak und saure Stickstoffschaden-Respirationsapparaten.

Alle Formen des Hoch-Temperaturverbrennens haben zu einer 6 oder 7 Falte-Zunahme im Fluss NICHT zur Atmosphäre beigetragen. Seine Produktion ist eine Funktion der Verbrennen-Temperatur - je höher die Temperatur, desto mehr NICHT erzeugt werden. Verbrennen des fossilen Brennstoffs ist ein primärer Mitwirkender, aber ist auch Bio-Treibstöffe und sogar das Brennen von Wasserstoff. Die höhere Verbrennen-Temperatur von Wasserstoff erzeugt mehr NICHT als Erdgas-Verbrennen. Die sehr hohe Temperatur des Blitzes erzeugt kleine Beträge Nein, NH und HNO.

Ammoniak und Stickoxyde verändern aktiv atmosphärische Chemie. Sie sind Vorgänger von tropospheric (niedrigere Atmosphäre) Ozon-Produktion, die zu Smog, und saurem Regen, Schaden-Werken und Zunahme-Stickstoff-Eingängen zu Ökosystemen beiträgt. Ökosystem-Prozesse können mit der Stickstoff-Fruchtbarmachung zunehmen, aber anthropogener Eingang kann auch auf Stickstoff-Sättigung hinauslaufen, die Produktivität schwächt und die Gesundheit von Werken, Tieren, Fisch und Menschen beschädigen kann.

Abnahmen in der Artenvielfalt können auch resultieren, wenn höhere Stickstoff-Verfügbarkeit Stickstoff fordernde Gräser vergrößert, eine Degradierung von mit dem Stickstoff schlechten, Arten verschiedener heathlands verursachend.

Abwasser-Behandlung

Vor-Ort-Abwasser-Möglichkeiten wie Faulräume und haltende Zisternen veröffentlichen große Beträge des Stickstoffs in die Umgebung durch die Entladung durch einen drainfield in den Boden. Mikrobische Tätigkeit verbraucht den Stickstoff und die anderen Verseuchungsstoffe im Abwasser.

Jedoch, in bestimmten Gebieten, ist der Boden unpassend, und einige oder das ganze Abwasser, mit den Verseuchungsstoffen, gehen in den aquifers ein. Diese Verseuchungsstoffe wachsen an und enden schließlich in Trinkwasser. Einer der am meisten betroffenen Verseuchungsstoffe darüber ist Stickstoff in der Form von Nitraten. Eine Nitrat-Konzentration von 10 ppm (Teile pro Million) oder 10 Milligramme pro Liter ist die EPA aktuelle Grenze für Trinkwasser, und typisches Haushaltsabwasser kann eine Reihe von 20-85 ppm erzeugen.

Eine Gesundheitsgefahr, die mit Trinkwasser (mit> 10 ppm Nitrat) vereinigt ist, ist die Entwicklung von methemoglobinemia und ist gefunden worden, Syndrom des Blue Babys zu verursachen. Mehrere amerikanische Staaten haben jetzt Programme angefangen, um fortgeschrittene Abwasser-Behandlungssysteme in die typischen Vor-Ort-Abwasser-Möglichkeiten einzuführen. Das Ergebnis dieser Systeme ist die gesamte Verminderung des Stickstoffs, sowie anderen Verseuchungsstoffe im Abwasser.

Umwelteinflüsse

Zusätzliche Gefahren, die durch die vergrößerte Verfügbarkeit des anorganischen Stickstoffs in Wasserökosystemen aufgestellt sind, schließen Wasseransäuerung ein; eutrophication von frischen und Salzwassersystemen; und Giftigkeit kommt für Tiere einschließlich Menschen heraus. Eutrophication führt häufig, um aufgelöste Sauerstoff-Niveaus in der Wassersäule, einschließlich hypoxic und anoxic Bedingungen zu senken, die Ursache-Tod der Wasserfauna herbeiführen können. Relativ festgewachsene benthos oder in Boden wohnende Wesen, sind wegen ihres Mangels an der Beweglichkeit besonders verwundbar, obwohl großer Fisch tötet, sind ziemlich üblich. Ozeanische tote Zonen in der Nähe vom Mund der Mississippi im Golf Mexikos sind wohl bekannte Beispiele der Algenblüte-veranlassten Hypoxie.

New York Adirondack Seen, Catskills, Hochländer von Hudson, Plateau von Rensselaer und Teile der Langen Insel zeigt den Einfluss der sauren Stickstoffregenabsetzung, auf die Tötung des Fisches und vieler anderer Wasserarten hinauslaufend.

Ammoniak (NH) ist für den Fisch hoch toxisch, und das Niveau von von Abwasser-Behandlungsmöglichkeiten entladenem Ammoniak muss nah kontrolliert werden. Um Fischtodesfälle zu verhindern, ist die Nitrierung über die Lüftung vor der Entladung häufig wünschenswert. Landanwendung kann eine attraktive Alternative zur Lüftung sein.