Οι Κύκλοι του Αζώτου & του Νερού
Αζωτοδέσμευση, νιτροποίηση, απονιτροποίηση, λιπάσματα, αμειψισπορά, εξάτμιση, διαπνοή, κατακρημνίσεις
Ζεις βυθισμένος σε άζωτο: το 78% του αέρα που αναπνέεις είναι άζωτο. Κι όμως, ούτε εσύ ούτε κανένα φυτό μπορεί να το χρησιμοποιήσει έτσι όπως είναι. Χωρίς κάποια μικροσκοπικά βακτήρια στις ρίζες των φασολιών, δεν θα υπήρχαν πρωτεΐνες στο πιάτο σου. Και ο αγρότης που εναλλάσσει σιτάρι με ρεβίθια το ήξερε αιώνες πριν από την επιστήμη.
Ο κύκλος του αζώτου
Το άζωτο είναι συστατικό των νουκλεϊκών οξέων και των πρωτεϊνών. Αν και αποτελεί το 78% κ.ό. της ατμόσφαιρας, οι παραγωγοί δεν μπορούν να αξιοποιήσουν το μοριακό άζωτο.
1. Αζωτοδέσμευση: μετατροπή του ατμοσφαιρικού αζώτου σε μορφές αξιοποιήσιμες από τους παραγωγούς.
- Ατμοσφαιρική (10%): το άζωτο αντιδρά με υδρατμούς (→ αμμωνία) ή με οξυγόνο (→ νιτρικά ιόντα), με ενέργεια από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις (αστραπές, κεραυνοί)· τα προϊόντα πέφτουν με τη βροχή.
- Βιολογική (90%): από ελεύθερους ή συμβιωτικούς μικροοργανισμούς· σημαντικότερα τα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια που ζουν συμβιωτικά σε εξογκώματα (φυμάτια) των ριζών των ψυχανθών (τριφύλλι, μπιζελιά, φασολιά, φακή, σόγια) και δίνουν νιτρικά ιόντα στο φυτό — γι' αυτό τα όσπρια είναι πλούσια σε πρωτεΐνες.
2. Τα φυτά χρησιμοποιούν τα νιτρικά ιόντα για να συνθέσουν πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα· το άζωτο περνά με τις τροφικές αλυσίδες στους καταναλωτές.
3. Αποικοδόμηση: νεκρή οργανική ύλη και αζωτούχα προϊόντα μεταβολισμού (ουρία, ουρικό οξύ, περιττώματα) διασπώνται από τους αποικοδομητές σε αμμωνία.
4. Νιτροποίηση: τα νιτροποιητικά βακτήρια του εδάφους μετατρέπουν την αμμωνία σε νιτρικά ιόντα, που παίρνουν ξανά τα φυτά.
5. Απονιτροποίηση: τα απονιτροποιητικά βακτήρια μετατρέπουν νιτρικά ιόντα σε μοριακό άζωτο, που επιστρέφει στην ατμόσφαιρα.
Ποια βακτήρια επιστρέφουν το άζωτο στην ατμόσφαιρα;
Η παρέμβαση του ανθρώπου στον κύκλο του αζώτου
Ο άνθρωπος προσθέτει αζωτούχα λιπάσματα για να αυξήσει την παραγωγικότητα των αγρών. Παλιότερα: κοπριά, κουτσουλιές περιστεριών (περιστεριώνες της Τήνου), γκουανό (Χιλή). Μετά την ανακάλυψη της παραγωγής λιπασμάτων από το ατμοσφαιρικό άζωτο, χρησιμοποιούνται βιομηχανικά λιπάσματα σε τεράστιες ποσότητες.
Όμως λιγότερο από το 1/3 προσλαμβάνεται από τα φυτά· το υπόλοιπο παρασύρεται από τη βροχή σε γλυκά ή θαλασσινά νερά και προκαλεί ευτροφισμό.
Οικολογικοί τρόποι εμπλουτισμού του εδάφους σε άζωτο: αγρανάπαυση και αμειψισπορά (εναλλαγή σιτηρών και ψυχανθών).
Ο κύκλος του νερού
Το νερό οριοθετεί τα υδάτινα οικοσυστήματα, είναι το μέσο με το οποίο τα θρεπτικά κυκλοφορούν στους αυτότροφους, αποτελεί το 75% του νωπού βάρους των ιστών, συμβάλλει στη θερμορρύθμιση και χρησιμοποιείται στη φωτοσύνθεση.
Η κυκλοφορία του στηρίζεται στην εξάτμιση, στη διαπνοή των φυτών και στις κατακρημνίσεις (βροχή, χιόνι, χαλάζι).
- Επιδερμική εξάτμιση: εξάτμιση από την επιφάνεια των φύλλων.
- Διαπνοή: απομάκρυνση νερού μέσω των στομάτων (πόρων της επιδερμίδας των φύλλων). Τα στόματα εξυπηρετούν και την ανταλλαγή αερίων. Η διαπνοή είναι η «κινητήρια δύναμη» για τη μεταφορά θρεπτικών στοιχείων μέσα στα φυτά, άρα συνδέεται με όλους τους βιογεωχημικούς κύκλους που «μπαίνουν» από τα φυτά.
Στους ωκεανούς ο κύκλος είναι απλός (εξάτμιση – κατακρημνίσεις). Στην ξηρά το νερό μπορεί να: εξατμιστεί, να εισχωρήσει στο υπέδαφος (υπόγεια ύδατα), να προσληφθεί από τα φυτά και να φύγει με τη διαπνοή, ή να απομακρυνθεί με επιφανειακή απορροή. Όπου αφαιρέθηκαν όλα τα δέντρα, το επιφανειακό νερό αυξήθηκε πάνω από 200% και κατέληξε στη θάλασσα. Τα επιφανειακά νερά μεταφέρουν θρεπτικά στους αποδέκτες — γι' αυτό τα δέλτα των ποταμών έχουν πολύ υψηλή παραγωγικότητα.
Τα τρία βακτήρια του αζώτου με τα «ονόματά» τους: Αζωτοδεσμευτικά = Από τον αέρα στο έδαφος· Νιτροποιητικά = αμμωνία σε Νιτρικά· Απονιτροποιητικά = Αποχαιρετούν το άζωτο προς τον αέρα. Και: «το φασόλι κάνει φυμάτια» (Φ–Φ).
Πώς ονομάζεται η απομάκρυνση νερού από τα φυτά μέσω των στομάτων;
Μέθοδος: ποια διαδικασία ποιου κύκλου;
- Γράψε από τι σε τι μετατρέπεται το στοιχείο ή πού μετακινείται το νερό.
- Άζωτο: αξιοποιήσιμες μορφές = αζωτοδέσμευση· οργανική ύλη → αμμωνία = αποικοδόμηση· αμμωνία → νιτρικά = νιτροποίηση· νιτρικά → = απονιτροποίηση.
- Νερό: επιφάνεια → ατμόσφαιρα = εξάτμιση (από φύλλα: επιδερμική εξάτμιση ή διαπνοή από στόματα)· ατμόσφαιρα → επιφάνεια = κατακρημνίσεις.
- Ποιος οργανισμός κάνει τη μετατροπή (βακτήρια, φυτά) ή είναι φυσική διαδικασία (κεραυνός, ήλιος);
Άσκηση: Να εξηγήσεις γιατί η αμειψισπορά εμπλουτίζει το έδαφος σε άζωτο.
Λύση:
Στην αμειψισπορά εναλλάσσονται σιτηρά και ψυχανθή. Τα ψυχανθή φέρουν στα φυμάτια των ριζών τους αζωτοδεσμευτικά βακτήρια, που μετατρέπουν το ατμοσφαιρικό άζωτο σε νιτρικά ιόντα. Έτσι το έδαφος εμπλουτίζεται με άζωτο και δεν εξασθενεί για την επόμενη καλλιέργεια σιτηρών.
Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: (α) Γιατί το ατμοσφαιρικό άζωτο, αν και άφθονο, δεν αξιοποιείται άμεσα από τα φυτά; (β) Να διακρίνεις την ατμοσφαιρική από τη βιολογική αζωτοδέσμευση. (γ) Πώς η υπερβολική χρήση αζωτούχων λιπασμάτων επηρεάζει τα υδάτινα οικοσυστήματα;
Λύση:
(α) Βρίσκεται ως μοριακό άζωτο, μορφή που οι παραγωγοί δεν μπορούν να αξιοποιήσουν· χρειάζεται πρώτα αζωτοδέσμευση.
(β) Ατμοσφαιρική (10%): το άζωτο αντιδρά με υδρατμούς ή οξυγόνο με ενέργεια από ηλεκτρικές εκκενώσεις (αμμωνία, νιτρικά ιόντα που πέφτουν με τη βροχή). Βιολογική (90%): από ελεύθερους ή συμβιωτικούς μικροοργανισμούς, κυρίως βακτήρια στα φυμάτια των ψυχανθών.
(γ) Λιγότερο από το 1/3 των λιπασμάτων προσλαμβάνεται από τα φυτά· το υπόλοιπο παρασύρεται στα νερά και προκαλεί ευτροφισμό.
Η βιομηχανική μέθοδος παραγωγής αμμωνίας από το ατμοσφαιρικό άζωτο (μέθοδος Haber–Bosch) αναπτύχθηκε στις αρχές του 20ού αιώνα· ο Fritz Haber πήρε γι' αυτήν το Νόμπελ Χημείας το 1918. Υπολογίζεται ότι περίπου τα μισά άτομα αζώτου στις πρωτεΐνες των ανθρώπων σήμερα έχουν περάσει από λιπάσματα που φτιάχτηκαν με αυτή τη μέθοδο.
Ένας αγρότης ρίχνει 300 kg αζωτούχου λιπάσματος σε ένα χωράφι. (α) Με βάση το βιβλίο, πόσα kg το πολύ προσλαμβάνουν τα φυτά και πόσα τουλάχιστον καταλήγουν στα νερά; (β) Αν αντί γι' αυτό καλλιεργούσε ένα χρόνο φακές, από ποια διαδικασία θα εμπλουτιζόταν το έδαφος με άζωτο και γιατί δεν θα κινδύνευε η γειτονική λίμνη με τον ίδιο τρόπο;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Λιγότερο από το 1/3: kg — τα φυτά παίρνουν λιγότερο από 100 kg, άρα περισσότερα από 200 kg παρασύρονται από τη βροχή στα νερά.
(β) Από τη βιολογική αζωτοδέσμευση των βακτηρίων στα φυμάτια των ψυχανθών (η φακή είναι ψυχανθές). Το άζωτο δεσμεύεται σταδιακά μέσα στο φυτό και στο έδαφος, όχι ως μεγάλη ποσότητα διαλυτού λιπάσματος που ξεπλένεται από τη βροχή — άρα ο κίνδυνος ευτροφισμού είναι πολύ μικρότερος.
Ποιο ποσοστό της συνολικής αζωτοδέσμευσης είναι βιολογικό;
- Νιτροποίηση = αζωτοδέσμευση. Η αζωτοδέσμευση ξεκινά από το της ατμόσφαιρας· η νιτροποίηση από την αμμωνία του εδάφους.
- Η ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση είναι η κυριότερη. Είναι μόνο 10%· το 90% είναι βιολογική.
- Διαπνοή = επιδερμική εξάτμιση. Διαπνοή: μέσω στομάτων· επιδερμική: από την επιφάνεια των φύλλων.
- Η αποψίλωση δεν επηρεάζει τον κύκλο του νερού. Αυξάνει την επιφανειακή απορροή (>200%) και μειώνει τη διαπνοή.
- Άζωτο: 78% της ατμόσφαιρας αλλά μη αξιοποιήσιμο· αζωτοδέσμευση ατμοσφαιρική (10%, κεραυνοί) και βιολογική (90%, φυμάτια ψυχανθών).
- Αποικοδόμηση → αμμωνία → (νιτροποιητικά) → νιτρικά → φυτά· (απονιτροποιητικά) νιτρικά → .
- Λιπάσματα: <1/3 στα φυτά, τα υπόλοιπα → ευτροφισμός· οικολογικά: αγρανάπαυση, αμειψισπορά.
- Νερό: εξάτμιση, διαπνοή (στόματα), κατακρημνίσεις· στην ξηρά πιο πολύπλοκος κύκλος· τα δέλτα έχουν υψηλή παραγωγικότητα.