วัฏจักรไนโตรเจน

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบสำคัญของกรดอะมิโนซึ่งเป็นองค์ประกอบของโปรตีนทุกชนิดในสิ่งมีชีวิต พืชใช้ไนโตรเจนได้ใน 2 รูป คือแอมโมเนียม (ammonium หรือ NH 4 + ) และไนเตรต (nitrate หรือ NO 3 - ) และแม้ว่าในบรรยากาศจะประกอบด้วยไนโตรเจนถึง 80% แต่อยู่ในรูปก๊าซไนโตรเจน ( N 2 ) 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) แบคทีเรียบางชนิดใช้แอมโมเนียมในดินเป็นแหล่งพลังงานและทำให้เกิด
     ไนไตรต์ ( NO 2 - ) ซึ่งเปลี่ยนเป็นไนเตรตซึ่งพืชใช้ได้ด้วย

    2. ดีไนตริฟิเคชัน (denitrification) ในสภาพไร้ออกซิเจน แบคทีเรียบางชนิดสามารถสร้างออกซิเจนได้เองจากไนเตรต และได้ผลผลิตเป็นก๊าซไนโตรเจนกลับคืนสู่บรรยากาศ

    อย่างไรก็ตาม แม้ว่าปริมาณไนโตรเจนที่หมุนเวียนในระบบนิเวศที่กล่าวถึงทั้งหมดนี้จะมีปริมาณน้อยมาก  แต่วัฏจักรไนโตรเจนในธรรมชาติก็สมดุลด้วยปฏิกิริยาซึ่งเกิดโดยพืชและการย่อยสลายของแบคทีเรีย


วัฎจักรไนโตรเจน

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

    พืชบางชนิดมีการปรับเปลี่ยนโครงสร้างให้แตกต่างจากพืชอื่นๆ เช่น พืชกินแมลงซึ่งสามารถเจริญเติบโตได้ในดินที่ขาดธาตุอาหารสำคัญอย่างไนโตรเจน มีในประเทศไทยมีพืชหลายสกุล หลายชนิดที่มีวิวัฒนาการในการดักจับสัตว์มาเป็นอาหาร เช่น กาบหอยแครง หยาดน้ำค้าง และหม้อข้าวหม้อแกงลิง หม้อข้าว หม้อแกงลิงมีส่วนของใบทำหน้าที่เปลี่ยนไปเพื่อดักแมลง ที่ปลายใบมีกระเปาะเป็นรูปคล้ายหม้อทรงสูงยาว และมีน้ำหวานล่อแมลง ภายในมีเอมไซม์ เพื่อสลายสิ่งมีชีวิตเป็นสารอินทรีย์ สารอนินทรีย์ และแร่ธาตุ


ต้นจอกบ่วาย หรือหยาดน้ำค้าง

 

 

 

 

 

 

 

 

 


กาบหอยแครง

 

 

 

 

 

 

 

    ความเข้าใจในวัฏจักรไนโตรเจนถูกค้นพบโดย Fritz Haber และ Carl Bosch Haberได้สังเคราะห์ปุ๋ยเคมีซึ่งมีธาตุไนโตรเจน เป็นองค์ประกอบขึ้นโดยการเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนในอากาศมาเป็นแอมโมเนียเหลวได้สำเร็จโดย กระบวนการที่เรียกว่า Haber - Bosch process แล้วนำแอมโมเนียที่ได้มาทำเป็นปุ๋ยไนโตรเจน จากนั้น Haber ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการตรึงไนโตรเจนจากอากาศเป็นผลสำเร็จ ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ใน ค.ศ. 1919

                 
Haber and Bosch

 

 

 

 

 

 

 

 

    ปฏิกิริยาที่ใช้ Fe 2 O 3 และ Fe 3 O 4 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้ภาวะอุณหภูมิสูงถึง 400 - 600 o C ที่ 200 atm  ก๊าซไฮโดรเจนได้จากปฏิกิริยาของก๊าซมีเทนกับน้ำ