Azoto: il ciclo completo

Il ciclo dell’azoto è, come dice il nome, il percorso che compie l’azoto partendo dall’atmosfera terrestre di cui è componente principale (78% contro il 21% di ossigeno), attraverso l’integrazione in sostanze organiche, per poi venire riconsegnato al suo naturale serbatoio atmosferico.

Il ciclo dell’azoto è molto complesso, anche perché l’atomo dell’azoto può entrare a far parte di un elevato numero di molecole, essenzialmente di tre tipi: Azoto molecolare (N2), Azoto organico (amminoacidi), Azoto inorganico (ammoniaca, nitriti, nitrati, sali di ammonio).

AZOTO MOLECOLARE

In chimica, la parola Azoto identifica l’elemento dal simbolo chimico N, numero atomico 7, peso atomico 14.01, raggio atomico 0.74 Å.

L’azoto molecolare invece è un gas incolore e inodore presente nell’aria. È il componente principale dell’atmosfera terrestre. La sua sigla è N2, perché a differenza dell’elemento chimico, esso è composto da 2 molecole.

È scarsamente solubile in acqua, con la quale non reagisce. È una molecola biatomica, con un triplo legame (covalente) fra i due atomi. Questo legame di molecola elementare dell’azoto con un’altra è uno dei più forti legami covalenti esistenti, ciò gli garantisce una fortissima stabilità, e per questo è detto gas inerte.

È l’elemento stabilizzante dell’atmosfera terrestre in quanto un ambiente saturo di solo ossigeno diverrebbe instabile poichè soggetto ad autocombustione.

AZOTO ORGANICO

Per azoto organico (convenzionalmente indicato con formula -NH2) si intende l’azoto presente in diversi composti organici come ammine, ammidi, immine e azoto albuminoideo. L’azoto organico rappresenta un nutriente ad azione plastica ed occupa una posizione unica tra gli elementi essenziali per la crescita degli organismi sia animali che vegetali.

AZOTO INORGANICO

L’azoto ammoniacale, nitroso e nitrico rappresentano gli ultimi stadi della decomposizione di sostanze azotate di provenienza animale e vegetale ed è il prodotto finale di scarto dei pesci.

Infatti solo i pesci producono ammoniaca come metabolita dell’azoto poiché vivendo in un mezzo acquoso ed essendo questa molto solubile, possono eliminarla senza problemi.

I processi chimici coinvolti per la formazione di composti azotati possono essere suddivisi in cinque tipi: 1) azoto fissazione; 2) immobilizzazione; 3) mineralizzazione : ammonificazione – nitrificazione; 4) denitrificazione; 5) volatilizzazione.

1) AZOTOFISSAZIONE

L’azoto come molecola non è immediatamente assimilabile dagli organismi viventi e deve quindi essere prima trasformato in sostanze chimiche che ne permettano un più facile utilizzo.

L’azoto atmosferico deve quindi prima essere attivato, cioè deve venire scisso nei due atomi di azoto che lo compongono, in modo da potersi poi legare ad altri elementi come l’idrogeno e l’ossigeno. La fase di attivazione richiede una quantità di energia pari a 160 Kcal per mole di azoto fissato.

La fissazione dell’azoto si verifica: nell’atmosfera grazie all’energia fornita dalla energia solare, dai fulmini, dai vulcani ecc. (10%); nel terreno ad opera dei microorganismi azoto fissatori (90%).

Nell’atmosfera la rottura del triplo legame dell’azoto bimolecolare produce due atomi estremamente reattivi che si legano ad ossigeno, formando ossidi di azoto, o all’idrogeno, formando ammoniaca. Queste sostanze raggiungono direttamente il suolo tramite l’acqua contenuta nelle precipitazioni.

La reazione di idrogenazione avviene nel seguente modo: N2 + 8H+ + 6e- —> 2NH4+  o anche  N2 + 3H2 —> 2NH3

L’ossidazione dell’azoto avviene, invece, secondo la reazione: N2 + O2 —> 2NO

Il monossido di azoto reagisce a sua volta con l’ossigeno per dare biossido di azoto: NO + ½O2 —> NO2

Il diossido di azoto reagisce con l’acqua dell’atmosfera per dare l’acido nitrico e monossido di azoto: 3NO2 + H2O —> 2HNO3 + NO  L’acido nitrico è responsabile delle cosiddette piogge acide.

Lo ione nitrato NO3 proviene dalla dissociazione completa dell’acido nitrico HNO3 o dei nitrati quando sono sciolti in acqua. Ciò avviene secondo la seguente formula: HNO3 + H2O —> H3O+ + NO3

Nel terreno la trasformazione dell’azoto è deputata ad alcune classi di batteri.

I microorganismi fissatori di azoto si dividono in: microorganismi che vivono liberi nel terreno (fissazione non simbiontica) e microorganismi che vivono in simbiosi con le piante (fissazione simbiontica).

FISSAZIONE NON SIMBIONTICA

La reazione di fissazione dell’azoto operata dai batteri azotofissatori è la seguente: N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi

I gruppi più importanti di batteri che appartengono a questo gruppo sono:

batteri eterotrofi- aerobi obbligati: Azotobacter, Azotomonas, Pseudomonas, Beijerinckia;

anaerobi facoltativi: Klebsiella, Bacillus;

anaerobi obbligati: Clostridium, Methanobacillus, Desulfovibrio;

batteri fotoautotrofi, sia aerobi che anaerobi, dei generi Rhodospirillum e Rhodopseudomonas;

cianobatteri, sia aerobi che anaerobi, dei generi Nostoc, Anabaena;

funghi eterotrofi aerobi dei generi Pupillaria, Saccaromyces.

In ambienti acquatici la fissazione è operata dai cianobatteri. Questi sono organismi acquatici cosmopoliti che si possono trovare sia in acqua dolce che in acqua salata, dalle acque fredde di alta montagna alle acque termali fino a 75 °C.

Esistono sia specie planctoniche (a nuoto libero) che specie bentoniche (da fondo) o fissate al substrato. Nel mare formano pellicole nerastre sugli scogli al limite superiore dell’alta marea, e su rocce carbonatiche, dove c’è gocciolamento di acqua, formano patine lineari chiamate “strisce d’inchiostro”.

La quantità di azoto fissata dai batteri non simbionti è generalmente molto bassa in quanto limitata dalle disponibilità di energia e di carbonio, e per essere efficace questa operazione necessita di: bassi livelli di azoto presenti nel terreno; pH vicino alla neutralità; sufficiente umidità del terreno.

FISSAZIONE SIMBIONTICA

Questa fissazione è resa possibile dalla simbiosi, una stretta relazione di carattere biologico, che avviene tra microorganismi e vegetali dai quali ricevono energia e nutrimento. Qui la rottura del triplo legame covalente avviene grazie all’enzima nitrogenasi.
Sono azotofissatori simbionti i batteri del genere: Rhizobium Actinomyces.

La collaborazione tra pianta e batteri avviene attraverso la produzione di azoto fissato da parte dei batteri che cedono in massima parte alla pianta, ricevendo da questa sostanze carboniose.

I batteri “infettano” la pianta penetrandola dai peli radicali, per poi trasferirsi nel tessuto corticale della radice.azoto

La proliferazione delle cellule corticali causa la formazione del caratteristico nodulo, sede di numerose colonie batteriche.

Le condizioni ottimali per l’azione di questi batteri sono: pH vicino alla neutralità; buona aerazione del terreno; disponibilità di fosforo; temperatura elevata del terreno; presenza adeguata di metalli pesanti nel terreno (quali molibdeno, rame, manganese, cobalto, ferro, ecc.) che agiscono da catalizzatori per le reazioni.

 Continua

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