Dusíkový cyklus - Nitrogen cycle - Wikipedia

Tento obrázek shrnuje globální cykly reaktivního dusíku.[1] zahrnuje výrobu průmyslových hnojiv,[2] dusík fixovaný přírodními ekosystémy,[3] dusík fixovaný oceány,[4] dusík fixovaný zemědělskými plodinami,[5] NOx emitované spalováním biomasy,[6] NOx emitované z půdy,[7] dusík fixovaný bleskem,[8] NH3 emitovaný suchozemskými ekosystémy,[9] depozice dusíku na suchozemské povrchy a oceány,[10][11] NH3 emitovaný z oceánů,[12][13][11] emise NO2 v oceánu z atmosféry,[14] denitrifikace v oceánech,[4][15][11] a reaktivní dusíkový pohřeb v oceánech.[5]
Schéma cyklu dusíku nad a pod zemí. Atmosférický dusík jde na bakterie fixující dusík v luštěninách a půdě, pak amonné, pak nitrifikační bakterie na dusitany, pak dusičnany (které se také produkují bleskem), pak zpět do atmosféry nebo asimilované rostlinami, potom zvířaty. Dusík ve zvířatech a rostlinách se stává amonným prostřednictvím rozkladačů (bakterií a hub).
Schematické znázornění toku dusíku ekosystémem. Význam bakterií v cyklu je okamžitě rozpoznán jako klíčový prvek cyklu, který poskytuje různé formy sloučenin dusíku, které jsou schopné asimilovat vyšší organismy

The dusíkový cyklus je biogeochemický cyklus kterými dusík jak se cirkuluje mezi, se převádí na několik chemických forem atmosféra, pozemní, a mořské ekosystémy. Konverzi dusíku lze provádět jak biologickými, tak fyzikálními procesy. Mezi důležité procesy v dusíkovém cyklu patří fixace, amonifikace, nitrifikace, a denitrifikace. Většina Atmosféra Země (78%) je atmosféra dusík,[16] což z něj činí největší zdroj dusíku. Atmosférický dusík má však omezenou dostupnost pro biologické použití, což vede k a nedostatek použitelného dusíku v mnoha druzích ekosystémy.

Obzvláště zajímavý je cyklus dusíku ekologové protože dostupnost dusíku může ovlivnit rychlost klíčových ekosystémových procesů, včetně prvovýroba a rozklad. Lidské činnosti, jako je spalování fosilních paliv, používání umělých dusíkatých hnojiv a uvolňování dusíku v odpadních vodách, se dramaticky zlepšily změnil globální cyklus dusíku.[17][18][19] Lidská modifikace globálního cyklu dusíku může negativně ovlivnit systém přirozeného prostředí a také lidské zdraví.[20][21]

Jednoduchý diagram cyklu dusíku. Modré rámečky představují zásoby dusíku, zelené písmo je určeno pro procesy, při nichž dochází k přesunu dusíku z jednoho místa na druhé, a červené písmo jsou všechny zúčastněné bakterie
Klasické znázornění cyklu dusíku

Procesy

Dusík je v prostředí přítomen v nejrůznějších chemických formách včetně organického dusíku, amonný (NH+
4), dusitany (NE−
2), dusičnan (NE−
3), oxid dusičitý (N2Ó), oxid dusnatý (NO) nebo anorganický plynný dusík (N2). Organický dusík může být ve formě živého organismu, humus nebo v meziproduktech rozkladu organických látek. Procesy v dusíkovém cyklu spočívají v přeměně dusíku z jedné formy na druhou. Mnoho z těchto procesů provádí společnost mikroby, buď ve snaze sklízet energii, nebo akumulovat dusík ve formě potřebné pro jejich růst. Například dusíkaté odpady ve zvířeti moč jsou rozděleny podle nitrifikační bakterie v půdě k použití rostlinami. Následující diagram ukazuje, jak tyto procesy do sebe zapadají a tvoří dusíkový cyklus.

Fixace dusíku

Hlavní článek: Fixace dusíku

Konverze plynného dusíku (N2) na dusičnany a dusitany prostřednictvím atmosférických, průmyslových a biologických procesů se nazývá fixace dusíku. Musí být zpracován atmosférický dusík, nebo "pevný ", do použitelné podoby, kterou by mohly rostliny převzít. 5 až 10 miliard kg ročně je stanoveno Blesk stávky, ale většinu fixace provádějí volně žijící nebo symbiotický bakterie známý jako diazotrofy. Tyto bakterie mají dusičnan enzym , který kombinuje plynný dusík s vodík k výrobě amoniak, který je bakteriemi přeměněn na jiný organické sloučeniny. Většina biologické fixace dusíku probíhá aktivitou Mo-dusičnany, která se nachází v široké škále bakterií a v některých Archaea. Mo-dusíkasa je komplexní dvousložková látka enzym který má více protetických skupin obsahujících kovy.[22] Příkladem volně žijících bakterií je Azotobacter. Symbiotické bakterie vázající dusík, jako např Rhizobium obvykle žijí v kořenových uzlinách luštěniny (jako je hrach, vojtěška a kobylky). Tady tvoří a mutualistic vztah s rostlinou, produkující amoniak výměnou za sacharidy. Kvůli tomuto vztahu budou luštěniny často zvyšovat obsah dusíku v půdách chudých na dusík. Může se vytvořit i několik jiných než luštěnin symbiózy. Dnes se asi 30% celkového fixovaného dusíku vyrábí průmyslově pomocí Haber-Bosch proces,[23] který využívá vysoké teploty a tlaky k přeměně plynného dusíku a zdroje vodíku (zemní plyn nebo ropa) na amoniak.[24]

Asimilace

Hlavní články: Asimilace (biologie) a Asimilace dusíku

Rostliny mohou absorbovat dusičnany nebo amonium z půdy kořenovými chloupky. Pokud je dusičnan absorbován, nejprve se redukuje na ionty dusitanu a poté amonné ionty pro zabudování do aminokyselin, nukleových kyselin a chlorofylu. V rostlinách, které mají symbiotický vztah s rhizobií, je část dusíku asimilována ve formě amonných iontů přímo z uzlů. Nyní je známo, že mezi aminokyselinami existuje složitější cyklus Rhizobia bakteroidy a rostliny. Rostlina poskytuje aminokyseliny bakteroidům, takže není nutná asimilace amoniaku a bakteroidy procházejí aminokyselinami (s nově fixovaným dusíkem) zpět do rostliny, čímž vytvářejí vzájemně závislý vztah.[25] Zatímco mnoho zvířat, hub a dalších heterotrofní organismy získávají dusík požitím aminokyseliny, nukleotidy a další malé organické molekuly, další heterotrofi (včetně mnoha bakterie ) jsou schopni využívat anorganické sloučeniny, jako je amonium, jako jediný zdroj dusíku. Využívání různých zdrojů dusíku je u všech organismů pečlivě regulováno.

Ammonifikace

Když rostlina nebo zvíře zemře nebo zvíře vypustí odpad, je počáteční forma dusíku organický. Bakterie nebo houby přeměňují organický dusík ve zbytcích zpět na amonný (NH+
4), proces zvaný amonifikace nebo mineralizace. Zúčastněné enzymy jsou:

  • GS: Gln syntetáza (cytosolická a plastová)
  • GOGAT: Glu 2-oxoglutarátaminotransferáza (Ferredoxin & NADH-dependent)
  • GDH: Glu dehydrogenáza:
    • Vedlejší role v asimilaci amoniaku.
    • Důležité v katabolismu aminokyselin.
Schematické znázornění cyklu mikrobiálního dusíku.[26][27] ANAMMOX je anaerobní oxidace amonia, DNRA je disimilační redukce dusičnanů na amonné a COMMAMOX je úplná oxidace amonia.

Nitrifikace

Hlavní článek: Nitrifikace

Přeměna amonia na dusičnan se provádí především půdními bakteriemi a jinými nitrifikačními bakteriemi. V primární fázi nitrifikace probíhá oxidace amonia (NH+
4) se provádí bakteriemi, jako je Nitrosomonas druh, který přeměňuje amoniak na dusitany (NE−
2 ). Jiné bakteriální druhy, jako např Nitrobacter, jsou odpovědné za oxidaci dusitanů (NE−
2 ) do dusičnany (NE−
3 ). Je to důležité pro amoniak (NH
3), které se mají převést na dusičnany nebo dusitany, protože plynný amoniak je pro rostliny toxický.

Vzhledem k jejich velmi vysoké rozpustnost a protože půdy jsou vysoce neschopné zadržet anionty, mohou vstupovat dusičnany podzemní voda. Zvýšený obsah dusičnanů v podzemních vodách představuje pro pitnou vodu obavy, protože dusičnany mohou u kojenců ovlivňovat hladinu kyslíku v krvi a způsobit methemoglobinemie nebo syndrom modrého dítěte.[28] Tam, kde proudí proud podzemní vody, může přispívat podzemní voda obohacená dusičnany eutrofizace, proces, který vede k vysoké populaci a růstu řas, zejména populací modrozelených řas. I když není dusičnan přímo toxický pro život ryb, jako je amoniak, může mít nepřímé účinky na ryby, pokud přispívá k této eutrofizaci. Dusík přispěl k vážným problémům s eutrofizací v některých vodních útvarech. Od roku 2006 je aplikace dusíku hnojivo byl stále více kontrolován v Británii a Spojených státech. K tomu dochází ve stejných liniích jako kontrola fosforečných hnojiv, jejichž omezení je obvykle považováno za zásadní pro získání eutrofovaných vodních těles.

Denitrifikace

Hlavní článek: Denitrifikace

Denitrifikace je redukce dusičnanů zpět na plynný dusík (N2), dokončení cyklu dusíku. Tento proces se provádí bakteriálními druhy, jako jsou Pseudomonas a Paracoccus za anaerobních podmínek. Používají dusičnan jako akceptor elektronů místo kyslíku během dýchání. Tyto fakultativně (tj. Volitelně) anaerobní bakterie mohou také žít v aerobních podmínkách. Denitrifikace probíhá za anaerobních podmínek, např. podmáčené půdy. Denitrifikační bakterie používají dusičnany v půdě k dýchání a následně produkují plynný dusík, který je inertní a pro rostliny nedostupný.

Disimilační redukce dusičnanů na amonné

Hlavní článek: Disimilační redukce dusičnanů na amonné

Dissimilační redukce dusičnanů na amonium (DNRA) nebo amonifikace dusičnanů a dusitanů je anaerobní dýchání proces. Mikroby, které provádějí DNRA, oxidují organické látky a používají dusičnan jako akceptor elektronů a redukují jej nadusitany, pakamonný (NE3−→ NE2−→ NH4+).[29] Jak denitrifikační, tak nitrifikační bakterie budou soutěžit o dusičnany v životním prostředí, ačkoli DNRA působí spíše na zachování biologicky dostupného dusíku jako rozpustného amonia než na výrobu dinitrogenu.[30]

Anaerobní oxidace amoniaku

Hlavní článek: Amoniak

V tomto biologickém procesu dusitany a amoniak se převádějí přímo na molekulární dusík (N2) plyn. Tento proces tvoří hlavní část přeměny dusíku v oceánech. Vyvážený vzorec pro toto “anammox „chemická reakce je: NH+
4 + NE−
2 → N2 + 2H2O (ΔG° = -357 kJ⋅mol−1).[31]

Další procesy

Ačkoli fixace dusíku je u většiny primárním zdrojem dusíku dostupného pro rostliny ekosystémy, v oblastech bohatých na dusík skalní podloží, rozpad této horniny slouží také jako zdroj dusíku.[32][33][34] Snížení dusičnanů je také součástí cyklus železa, za anoxických podmínek může Fe (II) darovat elektron NO3− a oxiduje se na Fe (III), zatímco NO3− se sníží na NO2−, N2O, N2a NH4+ v závislosti na podmínkách a použitých mikrobiálních druzích.[35]

Cyklus mořského dusíku

Schéma představující mořský dusíkový cyklus

Dusíkový cyklus je důležitým procesem také v oceánu. I když je celkový cyklus podobný, existují různí hráči[36] a způsoby přenosu dusíku v oceánu. Dusík vstupuje do vody srážením, odtokem nebo jako N2 z atmosféry. Dusík nemůže být využit fytoplankton jako N2 musí tedy podstoupit fixaci dusíkem, kterou provádí převážně sinice.[37] Bez dodávek fixního dusíku do mořského cyklu by fixovaný dusík byl spotřebován asi za 2000 let.[38] Fytoplankton potřebuje pro počáteční syntézu organické hmoty dusík v biologicky dostupných formách. Amoniak a močovina se do vody uvolňují vylučováním planktonu. Zdroje dusíku jsou odstraněny z eufotická zóna pohybem organické hmoty směrem dolů. K tomu může dojít potopením fytoplanktonu, vertikálním mícháním nebo potopením odpadu vertikálních migrantů. Výsledkem potopení je zavádění amoniaku v nižších hloubkách pod euphotickou zónou. Bakterie jsou schopné přeměňovat amoniak na dusitany a dusičnany, ale jsou inhibovány světlem, takže k tomu musí dojít pod euphotickou zónou.[39] Ammonifikace nebo Mineralizace se provádí bakteriemi k přeměně organického dusíku na amoniak. Nitrifikace pak může dojít k přeměně amonia na dusitany a dusičnany.[40] Dusičnan může být vrácen do euphotické zóny svislým mícháním a usazováním, kde může být přijímán fytoplanktonem a pokračovat v cyklu. N2 lze vrátit do atmosféry skrz denitrifikace.

Amoniak je považován za preferovaný zdroj fixního dusíku pro fytoplankton, protože jeho asimilace nezahrnuje redox reakce, a proto vyžaduje jen málo energie. Dusičnan vyžaduje pro asimilaci redoxní reakci, ale je hojnější, takže většina fytoplanktonu se přizpůsobila tak, aby měla enzymy nezbytné k provedení této redukce (nitrátreduktáza ). Existuje několik pozoruhodných a dobře známých výjimek, které zahrnují většinu Prochlorococcus a nějaký Synechococcus který může přijímat dusík pouze jako amonium.[38]

Živiny v oceánu nejsou rovnoměrně rozloženy. Oblasti upwellingu zajišťují přísun dusíku pod euphotickou zónu. Pobřežní zóny dodávají dusík z odtoku a podél pobřeží se snadno vyskytuje upwelling. Rychlost, jakou může být dusík přijímán fytoplanktonem, se však v roce snižuje oligotrofní vody po celý rok a mírnou vodu v létě, což má za následek nižší primární produkci.[41] Distribuce různých forem dusíku se také mění v oceánech.

Dusičnan je vyčerpán v téměř povrchových vodách, s výjimkou oblastí s vysokými teplotami. Pobřežní upwelling regiony obvykle mají vysoký obsah dusičnanů a chlorofyl úrovně v důsledku zvýšené produkce. Existují však oblasti s vysokým povrchovým obsahem dusičnanů, ale s nízkým obsahem chlorofylu, které se označují jako HNLC oblasti s vysokým obsahem dusíku a nízkým obsahem chlorofylu. Nejlepší vysvětlení pro oblasti HNLC souvisí s nedostatkem železa v oceánu, který může hrát důležitou roli v dynamice oceánů a cyklech živin. Vstup železa se liší podle regionu a je dodáván do oceánu prachem (z prachových bouří) a vyluhován ze skal. Železo je považováno za skutečný omezující prvek produktivity ekosystémů v oceánu.

Amonium a dusitany vykazují maximální koncentraci v 50–80 m (spodní konec eufotické zóny) se snižující se koncentrací pod touto hloubkou. Tuto distribuci lze vysvětlit skutečností, že dusitany a amonium jsou přechodné druhy. Oba se rychle vyrábějí a spotřebovávají přes vodní sloupec.[38] Množství amonia v oceánu je asi o 3 řády menší než dusičnany.[38] Mezi amoniakem, dusitany a dusičnany má dusitany nejvyšší rychlost obratu. Může být produkován během asimilace, nitrifikace a denitrifikace dusičnanů; je však okamžitě znovu spotřebováno.

Nový vs. regenerovaný dusík

Dusík vstupující do euphotické zóny se označuje jako nový dusík, protože nově přichází z vnějšku produktivní vrstvy.[37] Nový dusík může pocházet zespodu euphotické zóny nebo z vnějších zdrojů. Vnější zdroje jsou kolísající z hluboké vody a fixace dusíku. Pokud je organická hmota konzumována, dýchána, dodávána do vody jako amoniak a znovu začleněna do organické hmoty fytoplanktonem, považuje se to za recyklovanou / regenerovanou výrobu.

Nová výroba je důležitou součástí mořského prostředí. Jedním z důvodů je, že pouze neustálý přísun nového dusíku může určit celkovou kapacitu oceánu k produkci udržitelné sklizně ryb.[41] Sklizeň ryb z oblastí regenerovaného dusíku povede ke snížení dusíku, a tedy ke snížení primární produkce. To bude mít negativní dopad na systém. Pokud však budou ryby sklizeny z oblastí nového dusíku, bude dusík doplněn.

Lidské vlivy na cyklus dusíku

Aplikace dusíkatých hnojiv
Dusík při výrobě hnoje
Hlavní článek: Dopad člověka na cyklus dusíku

V důsledku rozsáhlého pěstování luštěnin (zejména sója, vojtěška, a jetel ), rostoucí využití Proces Haber – Bosch při tvorbě chemických hnojiv a znečištění vypouštěném z vozidel a průmyslových závodů lidé více než zdvojnásobili roční přenos dusíku do biologicky dostupných forem.[28] Lidé navíc významně přispěli k přenosu stopových plynů dusíku ze Země do atmosféry a ze země do vodních systémů. Lidské změny globálního cyklu dusíku jsou nejintenzivnější v rozvinutých zemích a v Asii, kde emise vozidel a průmyslové zemědělství jsou nejvyšší.[42]

Generace Nr, reaktivní dusík, se v uplynulém století zvýšila celosvětově více než 10krát industrializace.[2][43] Tato forma dusíku následuje kaskádu skrz biosféra prostřednictvím různých mechanismů a hromadí se, protože rychlost jeho generování je větší než rychlost denitrifikace.[44]

Oxid dusičitý (N2O) vzrostl v atmosféře v důsledku zemědělského hnojení, spalování biomasy, skotu a výkrmů a průmyslových zdrojů.[45] N2O má škodlivé účinky na stratosféra, kde se rozpadá a působí jako a katalyzátor při ničení atmosférických ozón. Oxid dusný je také a skleníkový plyn a je v současné době třetím největším přispěvatelem do globální oteplování, po oxid uhličitý a metan. I když není v atmosféře tak bohatý jako oxid uhličitý, je pro ekvivalentní hmotu téměř 300krát účinnější ve schopnosti zahřát planetu.[46]

Amoniak (NH3) v atmosféře se ztrojnásobil v důsledku lidské činnosti. Jedná se o reaktant v atmosféře, kde působí jako aerosol, snižování kvality vzduchu a přilnutí k vodním kapičkám, což nakonec vede k kyselina dusičná (HNE3 ) který vyrábí kyselý déšť. Atmosférický amoniak a kyselina dusičná také poškozují dýchací systém.

Velmi vysoká teplota blesku přirozeně produkuje malé množství NOX, NH3a HNO3, ale vysoká teplota spalování přispěl k 6- nebo 7násobnému zvýšení toku NOX do atmosféry. Jeho výroba je funkcí teploty spalování - čím vyšší je teplota, tím více NOX se vyrábí. Fosilní palivo spalování je primárním přispěvatelem, ale stejně tak biopaliva a dokonce i spalování vodíku. Rychlost, kterou je vodík přímo vstřikován do spalovacích komor spalovacích motorů, lze však regulovat, aby se zabránilo vyšším teplotám spalování, které produkují NOX.

Amoniak a oxidy dusíku se aktivně mění atmosférická chemie. Jsou předchůdci troposférický (nižší atmosféra) produkce ozonu, která přispívá k smog a kyselý déšť, škody rostliny a zvyšuje vstup dusíku do ekosystémů. Ekosystém procesy mohou růst s hnojení dusíkem, ale antropogenní vstup může také vést k nasycení dusíkem, což oslabuje produktivitu a může poškodit zdraví rostlin, zvířat, ryb a lidí.[28]

Snižuje se biologická rozmanitost může také nastat, pokud vyšší dostupnost dusíku zvýší trávu náročnou na dusík, což způsobí degradaci druhově rozmanitých druhů chudých na dusík vřesoviště.[47]

Důsledky lidské úpravy cyklu dusíku

Dopady na přírodní systémy

Zvyšující se úrovně depozice dusíku je prokázáno, že mají řadu negativních účinků na suchozemské i vodní ekosystémy.[48][49] Dusíkaté plyny a aerosoly mohou být přímo toxické pro určité druhy rostlin, což ovlivňuje nadzemní fyziologii a růst rostlin v blízkosti velkých bodové zdroje znečištění dusíkem. Mohou také nastat změny v rostlinných druzích, protože akumulace dusíkatých sloučenin zvyšuje jejich dostupnost v daném ekosystému, případně měnící druhové složení, rozmanitost rostlin a cykly dusíku. Amoniak a amonium - dvě redukované formy dusíku - mohou být v průběhu času škodlivé kvůli zvýšené toxicitě vůči citlivým druhům rostlin,[50] zejména ty, které jsou zvyklé používat dusičnan jako zdroj dusíku, což způsobuje špatný vývoj jejich kořenů a výhonků. Zvýšená depozice dusíku také vede k okyselování půdy, což zvyšuje vyplavování bazických kationtů v půdě a množství hliník a další potenciálně toxické kovy spolu se snížením množství nitrifikace vyskytující se a rostoucí vrh pocházející z rostlin. Kvůli pokračujícím změnám způsobeným vysokou depozicí dusíku je náchylnost prostředí k ekologickému stresu a poruchám - jako jsou škůdci a patogeny - se může zvýšit, čímž bude méně odolný vůči situacím, které by jinak měly jen malý dopad na jeho dlouhodobou vitalitu.

Mezi další rizika spojená se zvýšenou dostupností anorganického dusíku ve vodních ekosystémech patří okyselování vody; eutrofizace systémů se sladkou a slanou vodou; a toxicita pro zvířata, včetně lidí.[51] Eutrofizace často vede ke snížení hladiny rozpuštěného kyslíku ve vodním sloupci, včetně hypoxických a anoxických podmínek, které mohou způsobit smrt vodní fauny. Relativně přisedlé bentosy nebo tvorové žijící na dně jsou obzvláště zranitelní kvůli nedostatečné mobilitě, ačkoli zabíjení velkých ryb není neobvyklé. Oceánský mrtvé zóny poblíž ústí Mississippi v Mexický záliv jsou dobře známým příkladem květ řas -indukovaný hypoxie.[52][53] New York Adirondack Lakes, Catskills „Hudsonská vysočina, náhorní plošina Rensselaer a části Long Islandu vykazují dopad dešťové depozice kyselinou dusičnou, což má za následek zabíjení ryb a mnoha dalších vodních druhů.[54]

Amoniak (NH3) je vysoce toxický pro ryby a je třeba pečlivě sledovat hladinu amoniaku vypouštěného z čistíren odpadních vod. Aby se zabránilo úhynu ryb, nitrifikace pomocí provzdušňování před propuštěním je často žádoucí. Aplikace půdy může být atraktivní alternativou k provzdušňování.

Dopady na lidské zdraví: akumulace dusičnanů v pitné vodě

Únik z Nr (reaktivní dusík) z lidské činnosti může způsobit hromadění dusičnanů v přírodním vodním prostředí, což může mít škodlivé dopady na lidské zdraví. Nadměrné používání N-hnojiv v zemědělství bylo jedním z hlavních zdrojů znečištění dusičnany v podzemních a povrchových vodách.[55][56] Díky vysoké rozpustnosti a nízké retenci v půdě může dusičnan snadno unikat z podloží do podzemní vody a způsobit znečištění dusičnany. Nějaký jiný nepolohové zdroje pro znečištění dusičnany v podzemních vodách pochází z krmení hospodářských zvířat, kontaminace zvířat a lidí a komunálního a průmyslového odpadu. Vzhledem k tomu, že podzemní voda často slouží jako primární zdroj domácí vody, lze znečištění dusičnany rozšířit z podzemní vody na povrchovou a pitnou vodu v procesu pitná voda výroba, zejména pro malé komunální dodávky vody, kde se používají špatně regulované a nehygienické vody.[57]

Standard WHO pro pitnou vodu je 50 mg NO3− L−1 pro krátkodobou expozici a pro 3 mg NO3− L−1chronické účinky.[58] Jakmile vstoupí do lidského těla, může dusičnan reagovat s organickými sloučeninami nitrosačními reakcemi v žaludku nitrosaminy a nitrosamidy, které se podílejí na některých typech rakoviny (např. rakovina ústní a rakovina žaludku ).[59]

Dopady na lidské zdraví: kvalita ovzduší

Lidské činnosti také dramaticky změnily globální cyklus dusíku produkcí dusíkatých plynů, které jsou spojeny s globálním znečištěním dusíku v atmosféře. Existuje několik zdrojů atmosféry reaktivní dusík (Nr) tavidla. Zemědělské zdroje reaktivního dusíku mohou produkovat atmosférické emise o amoniak (NH3), oxidy dusíku (NEX) a oxid dusičitý (N2Ó). Procesy spalování ve výrobě energie, dopravě a průmyslu mohou také vést k tvorbě nového reaktivního dusíku prostřednictvím emise NOX, neúmyslný odpadní produkt. Když se tyto reaktivní dusíky uvolní do nižší atmosféry, mohou vyvolat tvorbu smogu, částice a aerosoly, z nichž všechny významně přispívají k nepříznivým účinkům znečištění ovzduší na lidské zdraví.[60] V atmosféře NE2 lze oxidovat na kyselina dusičná (HNO3), a může dále reagovat s NH3 za vzniku dusičnanu amonného, ​​který usnadňuje tvorbu konkrétního dusičnanu. Navíc NH3 může reagovat s jinými kyselými plyny (sírová a kyseliny chlorovodíkové ) za vzniku částic obsahujících amonium, které jsou prekurzory sekundárních organických aerosolových částic v fotochemický smog.[61]

Viz také

Reference

  1. ^ Fowler, David; Coyle, Mhairi; Skiba, Ute; Sutton, Mark A .; Cape, J. Neil; Reis, Stefan; Sheppard, Lucy J .; Jenkins, Alan; Grizzetti, Bruna; Galloway, JN; Vitousek, P; Leach, A; Bouwman, AF; Butterbach-Bahl, K; Dentener, F; Stevenson, D; Amann, M; Voss, M (5. července 2013). „Globální cyklus dusíku ve dvacátém prvním století“. Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně. Série B, Biologické vědy. 368 (1621): 20130164. doi:10.1098 / rstb.2013.0164. PMC  3682748. PMID  23713126.
  2. ^ A b Galloway, J. N .; Townsend, A. R .; Erisman, J. W .; Bekunda, M .; Cai, Z .; Freney, J. R .; Martinelli, L. A .; Seitzinger, S. P .; Sutton, M. A. (2008). „Transformace dusíkatého cyklu: nejnovější trendy, otázky a možná řešení“ (PDF). Věda. 320 (5878): 889–892. Bibcode:2008Sci ... 320..889G. doi:10.1126 / science.1136674. ISSN  0036-8075. PMID  18487183. S2CID  16547816. Archivováno (PDF) od původního dne 2011-11-08. Citováno 2019-09-23.
  3. ^ Vitousek, P. M .; Menge, D. N. L .; Reed, S. C .; Cleveland, C. C. (2013). „Biologická fixace dusíku: míry, vzorce a ekologické kontroly v suchozemských ekosystémech“. Filozofické transakce Královské společnosti B: Biologické vědy. 368 (1621): 20130119. doi:10.1098 / rstb.2013.0119. ISSN  0962-8436. PMC  3682739. PMID  23713117.
  4. ^ A b Voss, M .; Bange, H. W .; Dippner, J. W .; Middelburg, J. J .; Montoya, J. P .; Ward, B. (2013). „Cyklus mořského dusíku: nedávné objevy, nejistoty a potenciální význam změny klimatu“. Filozofické transakce Královské společnosti B: Biologické vědy. 368 (1621): 20130121. doi:10.1098 / rstb.2013.0121. ISSN  0962-8436. PMC  3682741. PMID  23713119.
  5. ^ A b Fowler, David; Coyle, Mhairi; Skiba, Ute; Sutton, Mark A .; Cape, J. Neil; Reis, Stefan; Sheppard, Lucy J .; Jenkins, Alan; Grizzetti, Bruna; Galloway, JN; Vitousek, P; Leach, A; Bouwman, AF; Butterbach-Bahl, K; Dentener, F; Stevenson, D; Amann, M; Voss, M (5. července 2013). „Globální cyklus dusíku ve dvacátém prvním století“. Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně. Série B, Biologické vědy. 368 (1621): 20130164. doi:10.1098 / rstb.2013.0164. PMC  3682748. PMID  23713126.
  6. ^ Vuuren, dodávka Detlef P; Bouwman, Lex F; Smith, Steven J; Dentener, Frank (2011). „Globální projekce antropogenních reaktivních emisí dusíku do atmosféry: posouzení scénářů ve vědecké literatuře“. Aktuální názor na udržitelnost životního prostředí. 3 (5): 359–369. doi:10.1016 / j.cosust.2011.08.014. hdl:1874/314192. ISSN  1877-3435.
  7. ^ Pilegaard, K. (2013). „Procesy regulace emisí oxidu dusnatého z půd“. Filozofické transakce Královské společnosti B: Biologické vědy. 368 (1621): 20130126. doi:10.1098 / rstb.2013.0126. ISSN  0962-8436. PMC  3682746. PMID  23713124.
  8. ^ Levy, H .; Moxim, W. J .; Kasibhatla, P. S. (1996). „Globální trojrozměrný časově závislý bleskový zdroj troposférických NOx“. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 101 (D17): 22911–22922. Bibcode:1996JGR ... 10122911L. doi:10.1029 / 96jd02341. ISSN  0148-0227.
  9. ^ Sutton, M. A .; Reis, S .; Riddick, S. N .; Dragosits, U .; Nemitz, E .; Theobald, M. R.; Tang, Y. S .; Braban, C. F .; Vieno, M. (2013). „Směrem k paradigmatu emisí a depozice amoniaku závislých na klimatu“. Filozofické transakce Královské společnosti B: Biologické vědy. 368 (1621): 20130166. doi:10.1098 / rstb.2013.0166. ISSN  0962-8436. PMC  3682750. PMID  23713128.
  10. ^ Dentener, F .; Drevet, J .; Lamarque, J. F .; Bey, I .; Eickhout, B .; Fiore, A. M .; Hauglustaine, D .; Horowitz, L. W .; Krol, M. (2006). „Depozice dusíku a síry v regionálním a globálním měřítku: multimodulární hodnocení“. Globální biogeochemické cykly. 20 (4): n / a. Bibcode:2006GBioC..20,4003D. doi:10.1029 / 2005GB002672.
  11. ^ A b C Duce, R. A .; LaRoche, J .; Altieri, K .; Arrigo, K. R .; Baker, A.R .; Capone, D. G .; Cornell, S .; Dentener, F .; Galloway, J. (2008). „Dopady atmosférického antropogenního dusíku na otevřený oceán“. Věda. 320 (5878): 893–897. Bibcode:2008Sci ... 320..893D. doi:10.1126 / science.1150369. ISSN  0036-8075. PMID  18487184. S2CID  11204131.
  12. ^ Bouwman, L .; Goldewijk, K. K .; Van Der Hoek, K. W .; Beusen, A. H. W .; Van Vuuren, D. P .; Willems, J .; Rufino, M. C .; Stehfest, E. (2011-05-16). „Zkoumání globálních změn v cyklech dusíku a fosforu v zemědělství vyvolaných živočišnou výrobou v období 1900–2050“. Sborník Národní akademie věd. 110 (52): 20882–20887. doi:10.1073 / pnas.1012878108. ISSN  0027-8424. PMC  3876211. PMID  21576477.
  13. ^ Solomon, Susan (2007). Změna klimatu 2007: základ fyzikální vědy. Publikováno pro Mezivládní panel o změně klimatu [od] Cambridge University Press. ISBN  9780521880091. OCLC  228429704.
  14. ^ Sutton, Mark A., editor (14.04.2011). Evropské hodnocení dusíku: zdroje, účinky a politické perspektivy. ISBN  9781107006126. OCLC  690090202.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  15. ^ Deutsch, Curtis; Sarmiento, Jorge L .; Sigman, Daniel M .; Gruber, Nicolas; Dunne, John P. (2007). „Prostorové propojení vstupů a ztrát dusíku v oceánu“. Příroda. 445 (7124): 163–167. Bibcode:2007 Natur.445..163D. doi:10.1038 / nature05392. ISSN  0028-0836. PMID  17215838. S2CID  10804715.
  16. ^ Steven B. Carroll; Steven D. Salt (2004). Ekologie pro zahradníky. Lis na dřevo. p. 93. ISBN  978-0-88192-611-8. Archivováno od originálu dne 2018-02-01. Citováno 2016-10-23.
  17. ^ Kuypers, MMM; Marchant, HK; Kartal, B (2011). „Mikrobiální síť pro cyklování dusíku“. Příroda Recenze Mikrobiologie. 1 (1): 1–14. doi:10.1038 / nrmicro.2018.9. PMID  29398704. S2CID  3948918.
  18. ^ Galloway, J. N .; et al. (2004). „Dusíkové cykly: minulé, současné a budoucí generace“. Biogeochemie. 70 (2): 153–226. doi:10.1007 / s10533-004-0370-0. S2CID  98109580.
  19. ^ Reis, Stefan; Bekunda, Mateete; Howard, Clare M; Karanja, Nancy; Winiwarter, Wilfried; Yan, Xiaoyuan; Bleeker, Albert; Sutton, Mark A (2016-12-01). „Syntéza a přezkum: Řešení problému správy dusíku: od globálního k lokálnímu měřítku“. Dopisy o výzkumu životního prostředí. 11 (12): 120205. Bibcode:2016ERL .... 11l0205R. doi:10.1088/1748-9326/11/12/120205. ISSN  1748-9326.
  20. ^ Gu, Baojing; Ge, Ying; Ren, Yuan; Xu, Bin; Luo, Weidong; Jiang, Hong; Gu, Binhe; Chang, Jie (2012-08-17). „Atmosférický reaktivní dusík v Číně: zdroje, nejnovější trendy a náklady na škody“. Věda o životním prostředí a technologie. 46 (17): 9420–9427. Bibcode:2012EnST ... 46.9420G. doi:10.1021 / es301446g. ISSN  0013-936X. PMID  22852755.
  21. ^ Kim, Haryun; Lee, Kitack; Lim, Dhong-Il; Nam, Seung-Il; Kim, Tae-Wook; Yang, Jin-Yu T .; Ko, Young Ho; Shin, Kyung-Hoon; Lee, Eunil (11.05.2017). „Rozšířený antropogenní dusík v sedimentu v severozápadním Tichém oceánu“. Věda o životním prostředí a technologie. 51 (11): 6044–6052. Bibcode:2017EnST ... 51,6044K. doi:10.1021 / acs.est.6b05316. ISSN  0013-936X. PMID  28462990.
  22. ^ Moir, JWB (editor) (2011). Cyklus dusíku v bakteriích: molekulární analýza. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-86-8.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)
  23. ^ Smith, B., R. L. Richards a W. E. Newton. 2004. Katalyzátory pro fixaci dusíku: dusíkatézy, relevantní chemické modely a komerční procesy. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht; Boston.
  24. ^ Smil, V (2000). Cykly života. Scientific American Library, New York.
  25. ^ Willey, Joanne M. (2011). Prescott's Microbiology 8. vydání. New York, NY: McGraw Hill. p. 705. ISBN  978-0-07-337526-7.
  26. ^ Sparacino-Watkins, Courtney; Stolz, John F .; Basu, Partha (2013-12-16). „Nitrátové a periplazmatické nitrátové reduktázy“. Chem. Soc. Rev. 43 (2): 676–706. doi:10.1039 / c3cs60249d. ISSN  1460-4744. PMC  4080430. PMID  24141308.
  27. ^ Simon, Jörg; Klotz, Martin G. (2013). „Rozmanitost a vývoj bioenergetických systémů zapojených do transformací mikrobiálních sloučenin dusíku“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bioenergetika. 1827 (2): 114–135. doi:10.1016 / j.bbabio.2012.07.005. PMID  22842521.
  28. ^ A b C Vitousek, PM; Aber, J; Howarth, RW; Likens, GE; Matson, PA; Schindler, DW; Schlesinger, WH; Tilman, GD (1997). „Lidská alterace globálního cyklu dusíku: Zdroje a důsledky“ (PDF). Ekologické aplikace. 1 (3): 1–17. doi:10.1890 / 1051-0761 (1997) 007 [0737: HAOTGN] 2.0.CO; 2. hdl:1813/60830. ISSN  1051-0761.
  29. ^ Lam, Phyllis a Kuypers, Marcel M. M. (2011). "Mikrobiální procesy dusíku v minimálních zónách kyslíku". Výroční zpráva o námořní vědě. 3: 317–345. Bibcode:ARMS 2011 .... 3..317L. doi:10.1146 / annurev-marine-120709-142814. PMID  21329208.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  30. ^ Marchant, H. K., Lavik, G., Holtappels, M. a Kuypers, M. M. M. (2014). „Osud dusičnanů v přílivových propustných sedimentech“. PLOS ONE. 9 (8): e104517. Bibcode:2014PLoSO ... 9j4517M. doi:10.1371 / journal.pone.0104517. PMC  4134218. PMID  25127459.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  31. ^ "Anammox". Anammox - MicrobeWiki. MicrobeWiki. Archivováno z původního dne 2015-09-27. Citováno 5. července 2015.
  32. ^ „Studie o dusíku mohla„ otřást “světem rostlin. 2011-09-06. Archivováno od původního dne 2011-12-05. Citováno 2011-10-22.
  33. ^ Schuur, E. A. G. (2011). "Ekologie: Dusík z hlubin". Příroda. 477 (7362): 39–40. Bibcode:2011Natur.477 ... 39S. doi:10.1038 / 477039a. PMID  21886152. S2CID  2946571.
  34. ^ Morford, S.L .; Houlton, B. Z .; Dahlgren, R. A. (2011). „Zvýšené ukládání uhlíku a dusíku v lesním ekosystému z podloží bohatého na dusík“. Příroda. 477 (7362): 78–81. Bibcode:2011Natur.477 ... 78M. doi:10.1038 / příroda10415. PMID  21886160. S2CID  4352571.
  35. ^ Burgin, Amy J .; Yang, Wendy H .; Hamilton, Stephen K .; Silver, Whendee L. (2011). „Kromě uhlíku a dusíku: jak mikrobiální energetická ekonomika spojuje elementární cykly v různých ekosystémech“. Hranice v ekologii a životním prostředí. 9 (1): 44–52. doi:10.1890/090227. hdl:1808/21008. ISSN  1540-9309.
  36. ^ Moulton, Orissa M; Altabet, Mark A; Beman, J. Michael; Deegan, Linda A; Lloret, Javier; Lyons, Meaghan K; Nelson, James A; Pfister, Catherine A (květen 2016). „Mikrobiální asociace s makrobiotou v pobřežních ekosystémech: vzorce a důsledky pro cyklování dusíku“. Hranice v ekologii a životním prostředí. 14 (4): 200–208. doi:10,1002 / poplatek. 1262. hdl:1912/8083. ISSN  1540-9295.
  37. ^ A b Miller, Charles (2008). Biologická oceánografie. 350 Main Street, Malden, MA 02148 USA: Blackwell Publishing Ltd. str. 60–62. ISBN  978-0-632-05536-4.CS1 maint: umístění (odkaz)
  38. ^ A b C d Gruber, Nicolas (2008). Dusík v mořském prostředí. 30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA 01803: Elsevier. s. 1–35. ISBN  978-0-12-372522-6.CS1 maint: umístění (odkaz)
  39. ^ Miller, Charles (2008). Biologická oceánografie. 350 Main Street, Malden, MA 02148 USA: Blackwell Publishing Ltd. str. 60–62. ISBN  978-0-632-05536-4.CS1 maint: umístění (odkaz)
  40. ^ Boyes, Elliot, Susan, Michael. „Learning Unit: Nitrogen Cycle Marine Environment“. Archivovány od originál dne 15. dubna 2012. Citováno 22. října 2011.
  41. ^ A b Lalli, Parsons, Carol, Timothy (1997). Biologická oceánografie: Úvod. Butterworth-Heinemann. ISBN  978-0-7506-3384-0.
  42. ^ Holland, Elisabeth A .; Dentener, Frank J .; Braswell, Bobby H .; Sulzman, James M. (1999). „Současné a předindustriální globální reaktivní dusíkové rozpočty“. Biogeochemie. 46 (1–3): 7. doi:10.1007 / BF01007572. S2CID  189917368.
  43. ^ Gu, Baojing; Ge, Ying; Ren, Yuan; Xu, Bin; Luo, Weidong; Jiang, Hong; Gu, Binhe; Chang, Jie (04.09.2012). „Atmosférický reaktivní dusík v Číně: zdroje, nejnovější trendy a náklady na škody“. Věda o životním prostředí a technologie. 46 (17): 9420–9427. Bibcode:2012EnST ... 46.9420G. doi:10.1021 / es301446g. ISSN  0013-936X. PMID  22852755.
  44. ^ Cosby, B. Jack; Cowling, Ellis B .; Howarth, Robert W .; Seitzinger, Sybil P .; Erisman, Jan Willem; Aber, John D .; Galloway, James N. (01.04.2003). „Dusíkatá kaskáda“. BioScience. 53 (4): 341–356. doi:10.1641 / 0006-3568 (2003) 053 [0341: TNC] 2.0.CO; 2. ISSN  0006-3568.
  45. ^ Chapin, S.F. III, Matson, P. A., Mooney H. A. 2002. Principy ekologie suchozemských ekosystémů. Archivováno 2014-06-28 na Wayback Machine Springer, New York 2002 ISBN  0-387-95443-0, str. 345
  46. ^ Jednání Vědeckého výboru pro problémy životního prostředí (ROZSAH PŮSOBNOSTI) Rychlé hodnocení mezinárodního projektu biopaliv, 22. – 25. Září 2008, Gummersbach, Německo, redaktoři R. W. Howarth a S. Bringezu. 2009 Shrnutí, str. 3 Archivováno 06.06.2009 na Wayback Machine
  47. ^ Aerts, Rien & Berendse, Frank (1988). „Vliv zvýšené dostupnosti živin na dynamiku vegetace v mokrém vřesovišti“. Vegetatio. 76 (1/2): 63–69. JSTOR  20038308.
  48. ^ Bobbink, R .; Hicks, K .; Galloway, J .; Spranger, T .; Alkemade, R .; Ashmore, M .; Bustamante, M .; Cinderby, S .; Davidson, E. (01.01.2010). „Globální hodnocení účinků depozice dusíku na rozmanitost suchozemských rostlin: syntéza“ (PDF). Ekologické aplikace. 20 (1): 30–59. doi:10.1890/08-1140.1. ISSN  1939-5582. PMID  20349829. Archivováno (PDF) od původního dne 2019-09-30. Citováno 2019-09-30.
  49. ^ Liu, Xuejun; Duan, Lei; Mo, Jiangming; Du, Enzai; Shen, Jianlin; Lu, Xiankai; Zhang, Ying; Zhou, Xiaobing; On, Chune (2011). „Depozice dusíku a její ekologické dopady v Číně: Přehled“. Znečištění životního prostředí. 159 (10): 2251–2264. doi:10.1016 / j.envpol.2010.08.002. PMID  20828899.
  50. ^ Britto, Dev T .; Kronzucker, Herbert J. (2002). „Toxicita NH4 + u vyšších rostlin: kritický přehled“. Journal of Plant Physiology. 159 (6): 567–584. doi:10.1078/0176-1617-0774.
  51. ^ Camargoa, Julio A .; Alonso, Álvaro (2006). „Ekologické a toxikologické účinky znečištění anorganickým dusíkem ve vodních ekosystémech: globální hodnocení“. Environment International. 32 (6): 831–849. doi:10.1016 / j.envint.2006.05.002. PMID  16781774.
  52. ^ Rabalais, Nancy N., R. Eugene Turner a William J. Wiseman, Jr. (2002). „Mexický záliv, hypoxie, alias„ Mrtvá zóna"". Annu. Rev.Ecol. Syst. 33: 235–63. doi:10.1146 / annurev.ecolsys.33.010802.150513. JSTOR  3069262.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  53. ^ Dybas, Cheryl Lyn. (2005). „Mrtvé zóny se šíří ve světových oceánech“. BioScience. 55 (7): 552–557. doi:10.1641 / 0006-3568 (2005) 055 [0552: DZSIWO] 2.0.CO; 2.
  54. ^ Ochrana životního prostředí státu New York, dopady depozice kyselin na životní prostředí: jezera [1] Archivováno 2010-11-24 na Wayback Machine
  55. ^ Power, J.F .; Schepers, J.S. (1989). „Kontaminace podzemních vod dusičnany v Severní Americe“. Zemědělství, ekosystémy a životní prostředí. 26 (3–4): 165–187. doi:10.1016/0167-8809(89)90012-1. ISSN  0167-8809.
  56. ^ Strebel, O .; Duynisveld, W.H.M .; Böttcher, J. (1989). „Znečištění podzemních vod dusičnany v západní Evropě“. Zemědělství, ekosystémy a životní prostředí. 26 (3–4): 189–214. doi:10.1016/0167-8809(89)90013-3. ISSN  0167-8809.
  57. ^ Fewtrell, Lorna (2004). „Dusičnan pitné vody, methemoglobinemie a globální zátěž nemocí: diskuse“. Perspektivy zdraví a životního prostředí. 112 (14): 1371–1374. doi:10,1289 / ehp.7216. ISSN  0091-6765. PMC  1247562. PMID  15471727.
  58. ^ Global Health Observatory: (GHO). Světová zdravotnická organizace. OCLC  50144984.
  59. ^ Canter, Larry W. (2019-01-22), „Ilustrace znečištění podzemních vod dusičnany“, Dusičnany v podzemních vodách, Routledge, s. 39–71, doi:10.1201/9780203745793-3, ISBN  9780203745793
  60. ^ Kampa, Marilena; Castanas, Elias (2008). „Účinky znečištění ovzduší na lidské zdraví“. Znečištění životního prostředí. 151 (2): 362–367. doi:10.1016 / j.envpol.2007.06.012. ISSN  0269-7491. PMID  17646040.
  61. ^ Erisman, J. W .; Galloway, J. N .; Seitzinger, S .; Bleeker, A .; Dise, N. B .; Petrescu, A. M. R .; Leach, A. M .; de Vries, W. (2013-05-27). „Důsledky lidské modifikace globálního cyklu dusíku“. Filozofické transakce Královské společnosti B: Biologické vědy. 368 (1621): 20130116. doi:10.1098 / rstb.2013.0116. ISSN  0962-8436. PMC  3682738. PMID  23713116.