nitrogenkretsløpet

I havet tar planteplankton opp nitrat og omdanner det til ammonium. Planteplankton bygger ammonium inn i organiske forbindelser i planktonet. Videre i næringskjeden blir planteplankton spist av dyreplankton. Dyreplankton blir spist av fisk, og sjøfuglene bringer fisk fra havet til ungene på fuglefjellet. Avføringen fra fuglene inneholder nitrogen og andre stoffer som kan brukes av planter som vokser i nærheten. På denne måten beveger nitrogenet seg gjennom flere ledd i næringskjeden.

Nitrogenkretsløpet blir påvirket av menneskelig aktivitet gjennom at vi henter ut nitrogen fra lufta og gjør det om til gjødsel. Vi lager også store utslipp nitrogenoksider (NO _x) når vi forbrenner fossilt brensel, spesielt i dieselbiler og skipstrafikk. NO_x blir oksidert i atmosfæren til nitrat som avsettes via nedbøren. Nitrogenoksider inngår også i dannelse av ozon og smog nær bakken. Flyktig ammoniakk (NH₃) blir produsert fra husdyr, samt fra utslipp fra kjøleanlegg.

De viktigste uorganiske nitrogenforbindelsene er:

• nitrat
• nitritt
• ammoniakk
• dinitrogen (N₂)
• nitrogenoksidene nitrogenmonoksid (NO), nitrogendioksid (NO₂) og lystgass (N₂O)
• organisk nitrogen, for eksempel proteiner, aminosyrer, DNA og RNA, urea, urinsyre og klorofyll

Ikke alle disse stoffene kan brukes umiddelbart av for eksempel planter. Nitrogen må derfor omsettes via kjemiske reaksjoner som kalles biologiske redoksreaksjoner. Noen av de viktigste av disse prosessene er nitrogenfiksering, ammonifisering, nitrogenassimilasjon, nitrifikasjon, denitrifikasjon og anaerob ammoniumoksidasjon.

I lufta forekommer nitrogen som dinitrogen (N₂). Det er en gass som består av to nitrogenatomer bundet sammen med en sterk trippelbinding. Den sterke bindingen gjør at nitrogengass ikke så lett reagerer med andre stoffer. Det trengs store mengder energi for å bryte bindingen. Gjennom nitrogenfiksering brytes denne bindingen, slik at nitrogenet blir tilgjengelig i andre former.

Nitrogenfiksering kan foregå på tre ulike måter: I atmosfæren, i industrien eller i bakterier.

Nitrogenet fra ammonium og nitrat kan omdannes til nitrogengass gjennom anaerob oksidasjon og denitrifikasjon. Dette gjør at nitrogengassen kommer tilbake til atmosfæren igjen.

Denitrifikasjon er en anaerob reduksjon hvor to molekyler nitrat eller nitritt blir omdannet til nitrogen med NO og N₂O som mellomprodukter.

Denitrifikasjon krever flere ulike enzymer. Bakterien Paracoccus denitrificans er eksempel på en bakterie som har enzymene som skal til: nitratreduktase, nitrittreduktase, nitrogenoksidreduktase og dinitrogenoksidreduktase.

Mellomproduktet N₂O er en drivhusgass og blir dannet i denitrifikasjon. Denitrifikasjon med nitratreduserende bakterier brukes til å minske mengden nitrat i renseanlegg for kloakkvann.

Både bakterier og planter kan utnytte ammonium eller ammoniakk dannet fra nitrogenfiksering. Imidlertid er det flere bakterier som utnytter energien i ammonium ved å oksidere det til nitritt eller nitrat. Slik oksidering kalles nitrifikasjon.

Nitrifikasjon skjer i økosystemer i vann og jord med tilgang til oksygen. Bakteriene tar utgangspunkt i nedbrytning av organisk stoff. Dette har stor betydning for vekst av planter, alger og planteplankton.

Nitrifikasjon er avhengig av oksygen og skjer i to trinn som er avhengig av ulike bakterier. Ammonium blir først oksidert til nitritt og deretter til nitrat. Oksidasjonen frigir kjemisk energi og reduksjonkraft som bakteriene bruker til å redusere karbondioksid.

Reaksjonene hemmes av lite oksygen og lav pH. Det betyr at nitrifikasjon skjer i svært liten grad i sur jord (podsol) og i sumpområder og bunnsedimenter med lite oksygen. Nitrifikasjonen går effektivt i varm, godt gjennomluftet moldjord eller brunjord.

Nitratreduksjon er den kjemiske prosessen hvor nitrat omdannes til ammonium.

Det er to hovedtyper nitratreduksjon: assimilatorisk og dissimilatorisk.

Uorganisk nitrogen i form av ammonium bygges inn i organiske forbindelser hos planter og bakterier som aminosyrene glutamin og glutamat. Nitrogenet kan deretter overføres til andre aminosyrer og brukes til å lage DNA og andre forbindelser som inneholder nitrogen.

Slikt opptak av ammonium (assimilasjon) skjer i to trinn via enzymene glutaminsyntetase og glutamatsyntase. Glutaminsyntetase katalyserer omdanning av glutamat til glutamin i en ATP-avhengig reaksjon.

I det neste trinnet katalyserer enzymet glutamatsyntase overføringen av amidgruppen fra glutamin til 2-oksoglutarat.

Ammonium som er blitt tatt inn i glutamat, kan overføres til andre ketosyrer via transaminering hvor det dannes andre aminosyrer som inngår i den nitrogenmetabolismen.

Primærprodusentene planter, alger og planteplankton tar opp nitrat og/eller ammonium og bygger nitrogen inn i organiske nitrogenforbindelser. Nitrogen er en viktig vekstbegrensende faktor for landplanter og planteplankton i havet.

Når landplanter tar opp nitrat fra jorda, gjør de samtidig jorden mindre sur (mer basisk). Når de derimot tar opp ammonium, gjør de jorda surere.

Mange planter kan bruke både ammonium og nitrat som nitrogenkilder i tillegg til urea og aminosyrer. Hos andre planter, som for eksempel bygg, erter, tomat og andemat, er ammonium giftig.

Primærkonsumenter som grasetere på land og dyreplankton i vann bruker de organiske nitrogenmolekylene laget av primærprodusentene. Likevel må ammonium fra protein og DNA i maten må fjernes fra kroppen for å unngå at ammonium hoper seg opp og gir forgiftning. Hos dyr blir nitrogen utskilt som avfallsstoff. Vannlevende dyr skiller ut ammonium i vannmassene, hvor det blir fortynnet.

Ammonium kan også omdannes til urea i ureasyklus og/eller urinsyre som deretter kan skilles ut med urin og avføring.

Hos reptiler, fugler og insekter blir overskudd av nitrogen utskilt som urinsyre.

De fleste pattedyr, men ikke mennesker, har enzymet urikase. Dette er en oksygenase som kan oksidere urinsyre (urat) til det mer lettløselige allantoin.

I nedbrytning av organisk materiale fra planter og dyr deltar bakterier og sopp i leveområder både med og uten oksygen.

• nitrogen
• biogeokjemisk syklus
• nedbrytere