تعتمد دورة النيتروجين على البكتيريا ودورها الرئيسي في تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي ، وانتشار أو إزهار الطحالب algal blooms عن طريق الاستخدام المفرط للأسمدة المحتوية على النيتروجين.
النقاط الرئيسية
- النيتروجين مكون رئيسي في أجسام الكائنات الحية، وتوجد ذراته في جميع البروتينات والحمض النووي.
- يعرف النيتروجين بـ N2 ويوجد في الغلاف الجوي. في عملية “تثبيت النيتروجين” تقوم البكتيريا بتحويله إلى أمونيا، وهو مركب يمكن للنباتات استخدامه، وبهذا تحصل الحيوانات عليه عن طريق التغذية على النباتات.
- يعرف النيتروجين على أنه من المغذيات المحدودة limiting nutrient في الطبيعة والزراعة، والمغذيات المحدودة هي ذات المصادر القليلة ولا تنمو أو تنتشر بكثرة.
- عندما تتسرب الأسمدة المحتوية على النيتروجين أو الفسفور إلى البحيرات والأنهار، يؤدي ذلك إلى إنتشار الطحالب في عملية تعرف بإغناء الماء أو التخثث eutrophication.
المقدمة
ينتشر النيتروجين في كل مكان حتى أنه يشكل تقريبًا ٧٨٪ من الغلاف الجوي، بعكس الاعتقاد الشائع أن الأكسجين هو الهواء.
ومن اللازم معرفة أن كثرة تواجد النيتروجين من حولنا لا تعني بالضرورة إمكانية الاستفادة منه، فأجسادنا وأجساد الحيوانات والنباتات لا تملك الإمكانية لتحويل النيتروجين إلى شكل يمكن الاستفادة منه، ليس لدينا الإنزيمات المناسبة لالتقاط أو تثبيت النيتروجين من الغلاف الجوي.
مع ذلك يحتوي حمضنا النووي DNA والبروتينات على الكثير من النيتروجين، فمن أين يأتي؟ يأتي من البكتيريا في نظامنا الطبيعي.
تلعب البكتيريا دورًا رئيسيًا في دورة النيتروجين
تقوم البكتيريا وغيرها من أحاديات الخلية مثل بدائيات النوى prokaryotes بإدخال النيتروجين إلى عالمنا عن طريق عملية تثبيت النيتروجين nitrogen fixation التي تحول النيتروجين من الغلاف الجوي إلى أشكال قابلة للاستخدام بيولوجيًا. بعض أنواع البكتيريا هذه تعيش بحرية في التربة أو الماء، بينما الأنواع الأخرى تتعايش بشكل تكافلي داخل النباتات.
الكائنات الدقيقة microorganisms المثبتة للنيتروجين تلتقطه من الغلاف الجوي وتحوله إلى الأمونيا NH3 التي يمكن للنبات استخدامها وتحويلها إلى مركبات أو جزيئات عضوية، ثم تنتقل للحيوانات عندما يتم أكل هذه النباتات، وهنا تندمج في جسم الحيوان وتتفكك فيما بعد على شكل نفايات مثل اليوريا urea الموجودة في البول.
لا يستقر النيتروجين في أجسام الكائنات الحية إلى الأبد، بل يتحول من النيتروجين العضوي إلى غاز الـ N2 عن طريق البكتيريا، تتضمن هذه العملية العديد من المراحل ضمن النظام البيئي الأرضي، حيث تحوّل المركبات النيتروجينية إلى الأمونيا NH3 من الحيوانات الميتة أو النفايات، ثم تحوّل الأمونيا إلى النترات nitrates والنتريت nitrites. في النهاية تقوم بدائيات النوى بعملية نزع النيتروجين denitrifying وتعيد إرجاع النترات إلى غاز الـN2.
دورة النيتروجين في النظم البيئية البحرية
بعيدًا عن دورة النيتروجين الطبيعية في النظم البيئية الأرضية تحدث خطوات مماثلة تقريبًا في دورة النيتروجين البحرية، هناك: توليد الأمونيا ammonification، والنترجة nitrification أو عملية أكسدة الأمونيا وتحويلها إلى نترات ونزع النيتروجين denitrification تتم كل هذه العمليات عن طريق البكتيريا والعوالق البحرية.
تسقط بعض المركبات التي تحتوي على النيتروجين في قاع المحيطات على شكل ترسبات، وعلى مدى فترات طويلة من الزمن تتحول هذه الترسبات إلى صخور رسوبية sedimentary rock، وفيما بعد قد يؤدي الرفع الجيولوجي أو الزيادة الجيولوجية geological uplift إلى تحريك الصخور الرسوبية إلى سطح الأرض. لم يكن العلماء في الماضي على علم بأهمية هذه الصخور للأنظمة البيئية الأرضية كمصدر غني بالنيتروجين. تشير دراسة جديدة إلى أهمية إطلاق النيتروجين بشكل تدريجي للنباتات عبر تفتت هذه الصخور أو تفاعلها مع الطقس.
النيتروجين عنصر مغذٍ محدود
العديد من العمليات مثل الإنتاج الأولي أو التخليق primary production والتحلل decomposition في النظم البيئية الطبيعية مرتبطة بحجم إمدادات النيتروجين المتاحة. هذا يعني أن النيتروجين الذي هو من المغذيات المحدودة وقليلة المصادر يتحكم بنمو الكائنات الحية والسكان.
كيف يُعرف ما إذا كانت المغذيات محدودة؟
يتم ذلك عن طريق الاختبارات التالية:
- عندما تكون المغذيات محدودة ستكون عملية النمو أقوى بحال زيادتها، مثال: تصبح النباتات أطول من حالتها الطبيعية إذا أضيف المغذي.
- عندما تكون المغذيات غير محدودة لا تغير اضافتها من النمو، مثال: لا يزيد طول النبات بحال إضافة المغذي.
على سبيل المثال: عندما نضيف النيتروجين إلى نصف محصول الفاصولياء ولاحظنا زيادة في نموه عن باقي المحصول فنستنتج أن عنصر النيتروجين محدود، أما إذا لم نلاحظ فرقًا يذكر فذلك يعني أن النيتروجين ليس محدودًا وهناك عناصر أخرى محدودة أو ناقصة. النيتروجين والفسفور هما عناصر محدودة في النظم البيئية الطبيعية، لذلك نلاحظ وجود الكثير منهما في عبوات الأسمدة.
النشاط البشري له تأثير على دورة النيتروجين
قد لا نكون قادرين على تحويل النيتروجين بيولوجيًا، لكننا نحن البشر أوجدنا الطريقة صناعيًا. عملية هابر بوش Haber-Bosch هي طريقة صناعية لإنتاج النشادر من النيتروجين والهيدروجين، وهي الطريقة الرئيسية في إنتاج الأمونيا NH3 وتتم عن طريق اتحاد ثلاثة جزيئات من الهيدروجين مع جزيء من النيتروجين تحت درجات حرارة مرتفعة جدًا.
ينتج حوالي ٤٥٠ مليون طن متري (كل ١طن متري = ١٠٠٠كغ) من النيتروجين الثابت أو المعالج عن طريق هذه العملية الكيميائية الهامة ويتم الاستفادة من هذه الكميات في الأسمدة المستخدمة للحقول الزراعية والمروج وغيرها.
يساهم النشاط البشري بنشر النيتروجين في البيئة من خلال عمليتين:
استخدام الأسمدة المحتوية على النيتروجين في الزراعة وأيضًا حرق الوقود الأحفوري.
تزيد كلتا العمليتين من حجم المواد النيتروجينية في الغلاف الجوي. عدا عن غاز النيتروجين N2، ترتبط زيادة حجم المركبات النيتروجينية في الغلاف الجوي بالتأثيرات الضارة مثل: الأمطار الحمضية acid rain كحمض النتريك أو حمض الآزوت HNO3، والمساهمة في زيادة تأثير البيت الزجاجي أو ما يعرف بالاحتباس الحراري greenhouse effect عن طريق أكسيد النيتروز nitrous oxide N2O.
بالنسبة للأسمدة التي تحتوي على النيتروجين والفسفور والمستخدمة في الزراعة، فإن لها تأثيرات ضارة أيضًا، إذ يؤدي جريان المياه السطحية surface run off إلى تسرب كميات من هذه المواد إلى الأنهار والبحيرات ما يسبب إغناء الماء أو التخثث eutrophication في المياه العذبة، هذا يؤدي إلى نمو مفرط أو إزهار الطحالب bloom أو الكائنات الحية الدقيقة. قبل هذا كان نمو هذه الكائنات مرتبطًا بمحدودية مصادر النيتروجين.
تؤدي عملية التخثث هذه إلى إنقاص كميات الأكسجين الموجودة في الماء خاصةً أثناء الليل، حيث تستهلك الطحالب والكائنات الدقيقة الأخرى أو البكتيريا كميات كبيرة من الأكسجين في عملية تسمى التنفس الخلوي cellular respiration ما يؤدي إلى تناقص أعداد كائنات أخرى في النظم البيئية المتأثرة مثل: السمك والروبيان، فتتكون مناطق تدعى مستنفذة من الأنواع أو ما يعرف بالمناطق الميتة dead zones.
اقرأ أيضًا:
معلومات وحقائق عن عنصر النيتروجين
ماذا سيحصل لو اختفى النيتروجين من على الارض ؟
تطور الحياة على الأرض: دراسة جديدة تستبعد تأثير النيتروجين
تقدم مذهل: تقنية جديدة تسمح للمحاصيل باخذ النيتروجين من الهواء
ترجمة: عمر النبواني
تدقيق: حسام التهامي
