วัฏจักรไนโตรเจน

วัฏจักรไนโตรเจน

ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบสำคัญของกรดอะมิโนซึ่งเป็นองค์ประกอบของโปรตีนทุกชนิดในสิ่งมีชีวิต  พืชใช้ไนโตรเจนได้ใน 2 รูป คือแอมโมเนียม (ammonium  หรือ  NH₄ ⁺) และไนเตรต (nitrate หรือ NO₃ ^-) และแม้ว่าในบรรยากาศจะประกอบด้วยไนโตรเจนถึง 80% แต่อยู่ในรูปก๊าซไนโตรเจน (N₂) ซึ่งพืชไม่สามารถนำมาใช้ได้ ไนโตรเจนสามารถเข้าสู่วัฏจักรไนโตรเจนของระบบนิเวศได้ 2 ทางคือ

          1. ฝนชะล้างไนโตรเจนกลายเป็นแอมโมเนียมและไนเตรต ไหลลงสู่ดิน และพืชใช้เป็นธาตุอาหารเพื่อการเจริญเติบโตโดยปฏิกิริยาแอสซิมิเลชั่น (assimilation)          2. การตรึงไนโตรเจน (nitrogen fixation) ซึ่งมีเพียงแบคทีเรียบางชนิดเท่านั้นที่สามารถใช้ก๊าซไนโตรเจนในบรรยากาศเปลี่ยนเป็นไนโตรเจนในรูปที่พืชสามารถนำมาใช้ได้แบคทีเรียพวกนี้มีทั้งที่อยู่ในดินและที่อยู่ในสิ่งมีชีวิต เช่น ไรโซเบียมในปมรากถั่ว  และแบคทีเรียในเฟินน้ำพวกแหนแดง (Azolla) นอกจากนั้นยังมีแบคทีเรียสีเขียวแกมน้ำเงินในน้ำบางชนิด ในปัจจุบันการผลิตปุ๋ยไนโตรเจนใช้ในเกษตรกรรมก็เป็นแหล่งไนโตรเจนสำคัญที่เติมไนโตรเจนสู่ระบบนิเวศ
         ไนโตรเจนเป็นธาตุอาหารสำคัญที่พืชใช้ในโครงสร้างและแมทาบอลิซึม  สัตว์กินพืชและผู้บริโภคลำดับถัดมาได้ใช้ไนโตรเจนจากพืชนี่เองเป็นแหล่งสร้างโปรตีนและสารพันธุกรรม เมื่อพืชและสัตว์ตายลง ผู้ย่อยสลายพวกราและแบคทีเรียสามารถย่อยสลายไนโตรเจนในสิ่งมีชีวิตให้กลับเป็นแอมโมเนียมซึ่งพืชสามารถนำมาใช้ได้ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า แอมโมนิฟิเคชัน (ammonification)
         ไนโตรเจนในสารอินทรีย์สามารถเปลี่ยนกลับไปเป็นก๊าซไนโตรเจนโดยผ่าน 2 กระบวนการ คือ
         1. ไนตริฟิเคชัน  (nitrification) แบคทีเรียบางชนิดใช้แอมโมเนียมในดินเป็นแหล่งพลังงานและทำให้เกิดไนไตรต์ (NO₂ ^-) ซึ่งเปลี่ยนเป็นไนเตรตซึ่งพืชใช้ได้ด้วย

Nitrosomonas                  Nitrobacter

NH4 +   (ammonium)   NO2 - (nitrite)   NO3 -  (nitrate)

 2. ดีไนตริฟิเคชัน (denitrification) ในสภาพไร้ออกซิเจน  แบคทีเรียบางชนิดสามารถสร้างออกซิเจนได้เองจากไนเตรต และได้ผลผลิตเป็นก๊าซไนโตรเจนกลับคืนสู่บรรยากาศ

             อย่างไรก็ตาม  แม้ว่าปริมาณไนโตรเจนที่หมุนเวียนในระบบนิเวศที่กล่าวถึงทั้งหมดนี้จะมีปริมาณน้อยมากแต่วัฏจักรไนโตรเจนในธรรมชาติก็สมดุลด้วยปฏิกิริยาซึ่งเกิดโดยพืชและการย่อยสลายของแบคทีเรีย

NO₃ ^- (nitrate)    NO₂ ^- (nitrite)   N₂ O (nitrorous oxide)    N₂ (nitrogen)

พืชบางชนิดมีการปรับเปลี่ยนโครงสร้างให้แตกต่างจากพืชอื่นๆ  เช่น  พืชกินแมลงซึ่งสามารถเจริญเติบโตได้ในดินที่ขาดธาตุอาหารสำคัญอย่างไนโตรเจน  มีในประเทศไทยมีพืชหลายสกุล  หลายชนิดที่มีวิวัฒนาการในการดักจับสัตว์มาเป็นอาหาร   เช่น กาบหอยแครง หยาดน้ำค้าง และหม้อข้าวหม้อแกงลิง  หม้อข้าวหม้อแกงลิงมีส่วนของใบทำหน้าที่เปลี่ยนไปเพื่อดักแมลง  ที่ปลายใบมีกระเปาะเป็นรูปคล้ายหม้อทรงสูงยาว  และมีน้ำหวานล่อแมลง  ภายในมีเอนไซม์ เพื่อสลายสิ่งมีชีวิตเป็นสารอินทรีย์ สารอนินทรีย์ และแร่ธาตุ

  ความเข้าใจในวัฏจักรไนโตรเจนถูกค้นพบโดย Fritz Haber และ Carl Bosch Haberได้สังเคราะห์ปุ๋ยเคมีซึ่งมีธาตุไนโตรเจน

เป็นองค์ประกอบขึ้นโดยการเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนในอากาศมาเป็นแอมโมเนียเหลวได้สำเร็จโดย  กระบวนการที่เรียกว่า Haber - Bosch process  แล้วนำแอมโมเนียที่ได้มาทำเป็นปุ๋ยไนโตรเจน  จากนั้น  Haber  ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการตรึงไนโตรเจนจากอากาศเป็นผลสำเร็จ ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ใน ค.ศ. 1919