Tra i cicli biogeochimici, l'azoto è il più studiato. Controlla un riepilogo e conosci la sua importanza
L'azoto è un elemento chimico essenziale per l'esistenza della vita sulla Terra, poiché è un componente di tutti gli amminoacidi del nostro corpo, oltre alle basi azotate (che costituiscono le molecole di DNA e RNA). Circa il 78% dell'aria che respiriamo è composta da azoto dell'atmosfera (N 2), che è il suo serbatoio più grande. Uno dei motivi è che l'N 2 è la forma inerte dell'azoto, cioè è un gas che, in situazioni comuni, non è reattivo. Pertanto, si è accumulato nell'atmosfera dalla formazione del pianeta. Nonostante ciò, pochi esseri viventi hanno la capacità di assorbirlo nella sua forma molecolare (N 2). Si scopre che l'azoto, come il ferro e lo zolfo, partecipa a un ciclo naturale durante il quale la sua struttura chimica subisce trasformazioni in ciascuna delle fasi,servire come base per altre reazioni e diventare così disponibile per altri organismi - questa è la grande importanza del ciclo dell'azoto (o "ciclo dell'azoto").
Affinché l'N 2 atmosferico raggiunga il suolo, entrando nell'ecosistema, deve passare attraverso un processo chiamato fissazione, che viene eseguito da piccoli gruppi di batteri nitrificanti, che rimuovono l'azoto sotto forma di N 2 e lo incorporano nelle loro molecole organiche. Quando la fissazione viene eseguita da organismi viventi, come i batteri, si chiama fissazione biologica o biofissazione. Attualmente, i fertilizzanti commerciali possono essere utilizzati anche per la fissazione dell'azoto, caratterizzante la fissazione industriale, un metodo ampiamente utilizzato in agricoltura. Oltre a questi, c'è anche la fissazione fisica, che viene eseguita da fulmini e scintille elettriche, attraverso la quale l'azoto viene ossidato e trasportato al suolo attraverso le piogge, ma questo metodo ha una ridotta capacità di fissazione dell'azoto,il che non è sufficiente perché gli organismi e la vita sulla Terra si mantengano.
Quando i batteri fissano l'N 2, rilasciano ammoniaca (NH 3). L'ammoniaca, a contatto con le molecole d'acqua del suolo, forma idrossido di ammonio che, ionizzato, produce ammonio (NH 4), in un processo che fa parte del ciclo dell'azoto e viene chiamato ammonificazione. In natura esiste un equilibrio tra ammoniaca e ammonio, che è regolato dal pH. Negli ambienti dove il pH è più acido, predomina la formazione di NH 4, e in ambienti più basici, il processo più comune è la formazione di NH 3. Questo ammonio tende ad essere assorbito e utilizzato principalmente dalle piante che hanno batteri associati alle loro radici (batteriorrizas). Quando prodotto da batteri a vita libera, questo ammonio tende ad essere disponibile nel terreno per essere utilizzato da altri batteri (nitrobatteri).
I nitrobatteri sono chemiosintetizzatori, cioè sono esseri autotrofi (che producono il proprio cibo), che rimuovono l'energia necessaria alla loro sopravvivenza dalle reazioni chimiche. Per ottenere questa energia, tendono ad ossidare l'ammonio, trasformandolo in nitrito (NO 2 -), e successivamente in nitrato (NO 3 -). Questo processo del ciclo dell'azoto è chiamato nitrificazione.
Il nitrato rimane libero nel terreno, e non tende ad accumularsi in ambienti naturalmente integri, rendendolo in grado di intraprendere tre differenti percorsi: per essere assorbito dalle piante, per essere denitrificato, oppure per raggiungere i corpi idrici. Sia la denitrificazione che il flusso di nitrati nei corpi idrici hanno conseguenze negative per l'ambiente.
Impatti sull'ambiente
La denitrificazione (o denitrificazione) è un processo effettuato da batteri chiamati denitrificatori, che trasformano nuovamente il nitrato in N 2, effettuando il ritorno dell'azoto nell'atmosfera. Oltre all'N 2, altri gas che possono essere prodotti sono l'ossido nitrico (NO), che si combina con l'ossigeno atmosferico, favorendo la formazione di piogge acide, e il protossido di azoto (N 2 O), che è un importante gas causale l'effetto serra, che aggrava il riscaldamento globale.
Il terzo percorso, che è dove il nitrato raggiunge i corpi idrici, causa un problema ambientale chiamato eutrofizzazione. Questo processo è caratterizzato da un aumento della concentrazione di nutrienti (principalmente composti azotati e fosforo) nelle acque di un lago o diga. Questo eccesso di nutrienti favorisce la moltiplicazione accelerata delle alghe, che finisce per ostacolare il passaggio della luce, sbilanciando l'ambiente acquatico. Un altro modo per fornire questo eccesso di nutrienti in un ambiente acquatico è di rilasciare liquami senza un trattamento adeguato.
Un altro aspetto da considerare è il fatto che l'azoto può essere dannoso anche per le piante quando presente in quantità che vanno oltre le loro capacità di assimilazione. Pertanto, un eccesso di azoto fissato nel terreno può limitare la crescita della pianta, danneggiando le colture. Pertanto, il rapporto carbonio / azoto deve essere considerato anche nei processi di compostaggio, in modo che i metabolismi delle colonie di microrganismi coinvolti nel processo di decomposizione siano sempre attivi.
Assorbimento di azoto da parte dell'uomo
Gli esseri umani e altri animali hanno accesso ai nitrati dall'ingestione di piante che hanno assorbito quella sostanza o, secondo la catena alimentare, dall'ingestione di altri animali che si sono nutriti di queste piante. Questo nitrato ritorna al ciclo dopo la morte di alcuni organismi (materia organica) o per escrezione (urea o acido urico, nella maggior parte degli animali terrestri e ammoniaca, negli escrementi dei pesci) che contengono composti azotati. Pertanto, i batteri in decomposizione agiranno sulla materia organica rilasciando ammoniaca. L'ammoniaca può anche essere trasformata in nitriti e nitrati dagli stessi nitrobatteri che trasformano l'ammonio, integrandosi nel ciclo.
Un'alternativa ai fertilizzanti
Come abbiamo visto, la fissazione dell'azoto nel suolo può produrre effetti positivi, ma il processo si svolge in eccesso, può avere conseguenze negative per l'ambiente. L'interferenza dell'umanità nel ciclo dell'azoto avviene attraverso la fissazione industriale (attraverso l'uso di fertilizzanti), che aumenta la concentrazione di azoto da fissare, causando problemi come quelli sopra menzionati.
Un'alternativa per l'uso di fertilizzanti sarebbe la rotazione delle colture, alternando colture di piante fissanti e non fissanti. Le piante che fissano l'azoto sono quelle che hanno batteri e altri organismi fissatori associati alle loro radici, come accade nelle piante leguminose (come fagioli e soia). La rotazione favorirebbe la fissazione dell'azoto in quantità più sicure rispetto all'utilizzo di fertilizzanti, fornendo nutrienti compatibili con la capacità di assimilazione delle piante, favorendone lo sviluppo e riducendo le portate di nutrienti che raggiungono i corpi idrici. Un processo simile chiamato "concime verde" può essere applicato anche per sostituire i fertilizzanti.
Questo processo consiste nel coltivare piante che fissano l'azoto e spazzolarle prima che producano semi, lasciandole sul posto come pacciame, in modo che possano essere fatte colture successive di altre specie. Di seguito possiamo vedere un'immagine che ci riporta un riepilogo di quanto visto in tutto l'articolo:
ANAMMOX
L'acronimo in inglese (che significa ossidazione anaerobica dell'ammoniaca) nomina un processo biologico innovativo per la rimozione dell'ammoniaca da acqua e gas.
Consiste in una scorciatoia, poiché l'ammoniaca non avrebbe bisogno di essere nitrificata in nitrito e nitrato per essere denitrificata di nuovo sotto forma di N 2. Con il processo ANAMMOX, l'ammoniaca verrebbe convertita direttamente in azoto gassoso (N 2). La prima stazione su larga scala è stata installata nel 2002 nei Paesi Bassi e nel 2012 erano già in funzione 11 strutture.
Efficiente e sostenibile, il processo ANAMMOX può essere utilizzato per rimuovere l'ammoniaca dagli effluenti in concentrazioni superiori a 100 mg / l. All'interno dei reattori coesistono batteri nitrificanti e ANAMMOX, dove i primi trasformano circa la metà dell'ammoniaca in nitruri (composti chimici che hanno azoto nella loro composizione), e i batteri ANAMMOX agiscono trasformando i nitruri e l'ammoniaca in azoto gassoso.
L'ossidazione anaerobica dell'ammoniaca ha dimostrato di essere promettente e può già essere trovata in processi industriali come il trattamento delle acque reflue, i rifiuti solidi organici, nelle industrie alimentari, nei fertilizzanti, tra gli altri.
