Nitrogenkretsløpet

Hvorfor er nitrogen viktig?

Nitrogen er et helt nødvendig stoff for levende organismer og et stoff som kan begrense både produksjon og nedbryting i økosystemene. Cellene bruker nitrogen til å bygge opp organiske molekyler som

• nukleinsyrer (DNA, RNA)

• energibærere (ATP, NADH, FAD)

• proteiner, vitaminer, hormoner og pigmenter

Nitrogenatomene i N₂ er bundet sterkt sammen med trippelbindinger, og det kreves mye energi for å bryte bindingene. Derfor må bakterier med de riktige enzymene hjelpe til.

De fire prosessene i kretsløpet

For å få oversikt over nitrogenkretsløpet er det nyttig å se på de viktigste prosessene som skjer:

1. Nitrogenfiksering: Nitrogengass (N₂) fra atmosfæren blir omdannet til ammonium (NH₄⁺) eller ammoniakk (NH₃).

2. Ammonifisering: Organiske nitrogenforbindelser brytes ned til ammonium/ammoniakk.

3. Nitrifikasjon: Ammonium/ammoniakk blir omdannet til nitritt (NO₂^-) og videre til nitrat (NO₃^-) ved hjelp av bakterier. Nitritt er et kortliva mellomprodukt i denne prosessen. Derfor ser vi bort fra det videre i teksten.

4. Denitrifikasjon: Nitrat blir omdannet til nitrogengass ved hjelp av bakterier og frigjort til atmosfæren.

Under går vi nærmere inn på hver av prosessene.

Nitrogenfiksering (nitrogenbinding)

Nitrogenfiksering er prosesser der nitrogen i atmosfæren blir tilgjengelig for organismene. Dette kan skje ved

• biologisk omdanning

• lynnedslag

• produksjon av mineralgjødsel

Biologisk omdanning

Bakterier som lever fritt i jorda eller i rotknoller i symbiose med ei plante, kan omdanne N₂ fra lufta til tilgjengelig nitrogen i form av NH₃. Det kreves mye energi for å bryte opp bindingene som holder N₂-molekylet sammen, men enzymet nitrogenase senker aktiveringsenergien til reaksjonen slik at den skjer lettere. Energien som trengs, kommer fra celleåndinga til bakteriene. Hvis bakterien lever i symbiose, kommer den fra planta.

${\mathrm{N}}_2+energi\to {\mathrm{NH}}_3$

Det er først og fremst planter i erteblomstfamilien som lever i symbiose med slike bakterier, men også andre planter kan leve i symbiose, for eksempel treslaget or og myrveksten pors.

Lynnedslag

I lynnedslag er det så mye energi at N₂ i atmosfæren kan reagere med oksygen og danne nitrogenoksider (NO og NO₂). Disse kan i sin tur reagere med vann og danne salpetersyre (HNO₃). Ved nedbør blir salpetersyra tilført jorda slik at NO₃^- blir tilgjengelig for planter.

Mineralgjødsel

I industrien lages det mineralgjødsel ved hjelp av en reaksjon mellom H₂ og N₂ der en tilfører store mengder energi for å få dannet NH₃. NH₃ brukes så videre til å lage blant annet NH₄⁺ og NO₃^-, som er former for nitrogen som plantene kan ta opp og bruke direkte.

Ammonifisering

I tillegg til nitrogenfiksering bidrar også avfallsstoffer fra dyr og nedbryting av døde dyr og planter til å gjøre nitrogenforbindelser tilgjengelige i kretsløpet. Bakterier og sopp bryter ned organiske nitrogenforbindelser og danner NH₄⁺ i en prosess som kalles ammonifisering.

Nitrifikasjon

I den videre omdanninga blir NH₃ og NH₄⁺ til NO₃^-. Selv om noen planter kan ta opp NH₄⁺ direkte, er NO₃^- den nitrogenforbindelsen som er mest tilgjengelig for de fleste planter.

NH₄⁺ → NO₃^-

Nitrifikasjon utføres av bakterier ved hjelp av spesifikke enzymer. Legg merke til at nitrogenforbindelsene på dette trinnet i kretsløpet inneholder oksygen. Det betyr at nitrifikasjon må foregå når det er oksygen til stede, altså under aerobe forhold.

Nitrifikasjonsbakterier er kjemoautotrofe: De får energi fra nedbryting av nitrogenforbindelser. Grønne planter derimot får energi fra lys, de er fotoautotrofe. Begge gruppene trenger energi til bygge opp organiske molekyler som karbohydrater, fett og proteiner med CO₂ som karbonkilde.

Denitrifikasjon

Å denitrifisere betyr å fjerne nitrat, og det er akkurat det som skjer i denne prosessen. Denitrifiserende bakterier omdanner nitrat til nitrogengass. Som et mellomprodukt dannes også lystgass (N₂O), som er en svært sterk drivhusgass. Begge gassene frigjøres til atmosfæren, og prosessen fører dermed til et tap av nitrogen.

NO₃^- → N₂O → N₂

Denitrifikasjon er en anaerob prosess, og den hemmes av oksygengass. Hos denitrifiserende bakterier brukes nitrat i celleåndinga i stedet for oksygen.

Opptak i planter

Planter tar opp nitrogen i form av NO₃^- og NH₄⁺. Opptaket krever vanligvis energi i form av ATP. Næringsstoffene transporteres med vann i vedvevet ut til bladene. Her brukes nitrogenet til å bygge organiske molekyler. Nitrogenet er derfor nødvendig for vekst og fotosyntese i plantene.

Test deg selv!