בין המחזורים הביו-כימיים, החנקן הוא הנחקר ביותר. בדוק סיכום ודע את חשיבותו
חנקן הוא יסוד כימי חיוני לקיומם של חיים על פני כדור הארץ, מכיוון שהוא מהווה מרכיב מכל חומצות האמינו בגופנו, בנוסף לבסיסים החנקניים (המהווים את מולקולות ה- DNA וה- RNA). כ- 78% מהאוויר שאנו נושמים מורכב מחנקן מהאטמוספרה (N 2), שהוא המאגר הגדול ביותר שלו. אחת הסיבות לכך היא ש- N 2 הוא צורתו האינרטיבית של חנקן, כלומר זהו גז שבמצבים נפוצים אינו תגובתי. לפיכך, הוא הצטבר באטמוספירה מאז היווצרות כדור הארץ. למרות זאת, למעט יצורים חיים יש את היכולת לקלוט אותו בצורתו המולקולרית (N 2). מתברר שחנקן, כמו ברזל וגופרית, משתתף במעגל טבעי שבמהלכו המבנה הכימי שלו עובר טרנספורמציות בכל אחד מהשלבים,משמש בסיס לתגובות אחרות וכך הופך לזמין לאורגניזמים אחרים - זו החשיבות הגדולה של מחזור החנקן (או "מחזור החנקן").
כדי שה- N 2 האטמוספרי יגיע לקרקע, ונכנס למערכת האקולוגית, עליו לעבור תהליך הנקרא קיבוע, שמבוצע על ידי קבוצות קטנות של חיידקים מחנקים, שמסירים חנקן בצורה של N 2 ומשלבים אותו במולקולות האורגניות שלהם. כאשר הקיבוע מתבצע על ידי אורגניזמים חיים, כמו חיידקים, זה נקרא קיבוע ביולוגי, או קיבוע ביולוגי. נכון להיום ניתן להשתמש בדשנים מסחריים גם לקיבוע חנקן, המאפיין קיבוע תעשייתי, שיטה הנפוצה בחקלאות. בנוסף לאלה, יש גם קיבוע פיזי, שמבוצע על ידי ניצוצות ברקים וחשמליים, שדרכם מתחמצן חנקן ומועבר לקרקע דרך גשמים, אך לשיטה כזו יכולת מופחתת לקיבוע חנקן,מה שאינו מספיק כדי שאורגניזמים וחיים על כדור הארץ יוכלו לשמור על עצמם.
כאשר חיידקים מקבעים את N 2, הם משחררים אמוניה (NH 3). אמוניה, במגע עם מולקולות מי אדמה, יוצרות אמוניום הידרוקסיד אשר כאשר הוא מיונן מייצר אמוניום (NH 4), בתהליך המהווה חלק ממעגל החנקן ונקרא אמוניפיקציה. בטבע קיים איזון בין אמוניה לאמוניום המווסת על ידי ה- pH. בסביבות שה- pH יותר חומצי, היווצרות NH 4 שולטת, ובסביבות בסיסיות יותר, התהליך הנפוץ ביותר הוא היווצרות NH 3. אמוניום זה נוטה להיספג ולהשתמש בעיקר בצמחים שיש להם חיידקים הקשורים לשורשיהם (bacteriorrizas). כשהוא מיוצר על ידי חיידקים החיים, אמוניום זה נוטה להיות זמין בקרקע לשימוש על ידי חיידקים אחרים (ניטרובקטריה).
ניטרובקטריות הן כימוסינתזייזרים, כלומר הם יצורים אוטוטרופיים (המייצרים מזון משלהם), המסירים את האנרגיה הדרושה להישרדותם מתגובות כימיות. כדי להשיג אנרגיה זו, הם נוטים לחמצן אמוניום, ולהפוך אותו לניטריט (NO 2 -), ובהמשך לחנקתי (NO 3 -). תהליך זה של מחזור החנקן נקרא ניטריפיקציה.
ניטראט נותר חופשי בקרקע, ואין לו נטייה להצטבר בסביבות שלמות באופן טבעי, מה שמאפשר לו לנקוט בשלושה מסלולים שונים: להיספג בצמחים, לנטרל או להגיע לגופי מים. גם לדניטריפיקציה וגם לזרימת החנקה לגופי מים יש השלכות שליליות על הסביבה.
השפעות על הסביבה
דניטריפיקציה (או דניטריטריפיקציה) היא תהליך המבוצע על ידי חיידקים הנקראים דניטריפיירים, אשר הופכים את החנקה שוב ל- N2, ומבצעים החזרת חנקן לאטמוספרה. בנוסף ל- N2, גזים אחרים שניתן לייצר הם תחמוצת החנקן (NO), המשלבת חמצן אטמוספרי, המעדיף היווצרות גשם חומצי, ותחמוצת החנקן (N 2 O), המהווה גז סיבתי חשוב. אפקט החממה, המחמיר את ההתחממות הגלובלית.
הנתיב השלישי, שבו חנקתי מגיעה לגופי מים, גורם לבעיה סביבתית הנקראת eutrophication. תהליך זה מאופיין בעלייה בריכוז חומרי המזון (בעיקר תרכובות חנקן וזרחן) במימי אגם או סכר. עודף זה של חומרים מזינים מעדיף ריבוי מואץ של אצות, אשר בסופו של דבר מעכב את מעבר האור, ומאזן את הסביבה הימית. דרך נוספת לספק עודף זה של חומרים מזינים בסביבה מימית היא שחרור ביוב לתוכו ללא טיפול הולם.
נושא נוסף שיש לקחת בחשבון הוא העובדה כי חנקן יכול להזיק גם לצמחים כאשר הוא נמצא בכמויות החורגות מיכולות ההטמעה שלהם. לפיכך, עודף חנקן הקבוע באדמה יכול להגביל את צמיחת הצמח ולפגוע בגידולים. לפיכך, יש לקחת בחשבון את יחס הפחמן / חנקן גם בתהליכי קומפוסט, כך שמטבוליזם של מושבות המיקרואורגניזמים המעורבים בתהליך הפירוק פעיל תמיד.
ספיגת חנקן על ידי בני אדם
לבני אדם ובעלי חיים אחרים יש גישה לחנקה מאכילת צמחים שספגו את אותו חומר או, על פי שרשרת המזון, מאכילת בעלי חיים אחרים שניזונו מצמחים אלה. חנקה זו חוזרת למחזור לאחר מותו של אורגניזם כלשהו (חומר אורגני) או על ידי הפרשה (אוריאה או חומצת שתן, ברוב בעלי החיים היבשתיים ואמוניה, בהפרשת דגים) המכילה תרכובות חנקן. לפיכך, חיידקים מתפרקים יפעלו על החומר האורגני המשחרר אמוניה. אמוניה יכולה גם להפוך לניטריטים וחנקות על ידי אותן ניטרובקטריות שהופכות אמוניום, ומשתלבות עם המחזור.
אלטרנטיבה לדשנים
כפי שראינו, קיבוע חנקן בקרקע יכול לייצר השפעות חיוביות, אך התהליך מתרחש בעודף, זה יכול להיות השלכות שליליות על הסביבה. התערבות האנושות במחזור החנקן נובעת מקיבוע תעשייתי (באמצעות דשנים), המגדיל את ריכוז החנקן לתיקון וגורם לבעיות כמו אלה שהוזכרו לעיל.
אלטרנטיבה לשימוש בדשנים תהיה סיבוב יבול, תרבויות לסירוגין של צמחי קיבוע חנקן וצמחים שאינם מקבעים. צמחי קיבוע חנקן הם כאלה שיש להם חיידקים ואורגניזמים מקבעים אחרים הקשורים לשורשיהם, כפי שקורה בצמחי קטניות (כגון שעועית ופולי סויה). הסיבוב יעדיף קיבוע של חנקן בכמויות בטוחות יותר מאשר שימוש בדשנים, ומספק חומרים מזינים התואמים את יכולת ההטמעה של הצמחים, ומעדיף את התפתחותם ומפחית את קצב חומרי המזון המגיעים לגופי המים. ניתן להחיל תהליך דומה המכונה "זבל ירוק" להחלפת דשנים.
תהליך זה מורכב מגידול צמחים מקבעים חנקן והברשתם לפני שהם מייצרים זרעים, ומשאירים אותם במקום כאלמץ, כך שניתן ליצור תרבויות מאוחרות יותר של מינים אחרים. למטה נוכל לראות תמונה שמביאה לנו סיכום של מה שנראה לאורך המאמר:
ANAMMOX
ראשי התיבות באנגלית (כלומר חמצון אנאירובי של אמוניה) מכנים תהליך ביולוגי חדשני להסרת אמוניה ממים וגזים.
הוא מורכב מקיצור דרך, מכיוון שהאמוניה לא תצטרך להיות מנוטרלת לניטריט וניטראט כדי לנטרל את הצורה של N 2. בתהליך ANAMMOX, האמוניה תומר ישירות לגז חנקן (N 2). התחנה הראשונה בקנה מידה גדול הותקנה בשנת 2002 בהולנד, ובשנת 2012 כבר פעלו 11 מתקנים.
יעיל ובר קיימא, ניתן להשתמש בתהליך ANAMMOX להסרת אמוניה מהשפכים בריכוזים גדולים מ- 100 מ"ג / ליטר. בתוך הכורים מתקיימים ביחד חיידקים מחנקים ו- ANAMMOX, כאשר הראשונים הופכים כמחצית מהאמוניה לניטרידים (תרכובות כימיות שיש בהן חנקן), וחיידקי ה- ANAMMOX פועלים על ידי הפיכת הניטרידים והאמוניה לגז חנקן.
חמצון אנאירובי של אמוניה הוכח כמבטיח, וכבר ניתן למצוא אותו בתהליכים תעשייתיים כמו טיפול בשפכים, פסולת אורגנית מוצקה, תעשיות מזון, דשנים, בין היתר.
