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Contesto: il ciclo dell'azoto
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Parole chiave:
Fissazione dell'azoto, nitrificazione, denitrificazione, assimilazione, fertlizzazione, emissioni di ossido di azoto | |
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 Il ciclo dell'azoto
Il ciclo dell'azoto è un processo chimico fondamentale per la vita sul nostro pianeta e per l'esistenza degli stessi esseri umani. I composti dell'azoto svolgono un ruolo di cruciale importanza nel metabolismo degli organismi viventi e molte molecole organiche presenti all'interno di piante, animali ed esseri umani quali aminoacidi, proteine e DNA contengono azoto. Inoltre i composti dell'azoto sono coinvolti nei processi chimici che avvengono nell'atmosfera con conseguenze sul sistema climatico.
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1. Il ciclo dell'azoto: A = assimilazione da parte delle piante, F = fissazione dell'azoto ad opera di batteri in simbiosi con le piante presenti nel suolo, N = nitrificazione, D = denitrificazione, M = mineralizzazione - Clicca sull'immagine per ingrandirla. (140KB) Schema: Elmar Uherek
Il ciclo dell'azoto è costituito principalmente da reazioni chimiche che avvengono nell'aria (soprattutto reazioni di ossidazione) e da reazioni chimiche che avvengono nella biosfera, sia nelle piante che nei microorganismi presenti nel suolo (ossidazione e riduzione).
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Fissazione dell'azoto, nitrificazione e denitrificazione
I composti dell'azoto sono indispensabili per la crescita delle piante. In natura, l'azoto può essere presente in forme "disponibili" (come nitrati o composti dell'ammoniaca) o "non disponibili" (come azoto molecolare o ossidi di azoto) per le piante. La conversione tra le due forme avviene mediante i processi di fissazione dell'azoto o denitrificazione.
Fissazione dell'azoto: è il processo che rende i composti dell'azoto nell'aria disponibili per le piante (in particolar modo azoto molecolare N2). La fissazione dell'azoto è resa possibile dall'opera di numerosi batteri e cianobatteri presenti sia nel suolo che nelle piante od anche in (alcune) specie animali. Le leguminose (Fabaceae), ad esempio, contengono questo genere di batteri all'interno delle loro radici. Tra i principali prodotti della fissazione dell'azoto figurano ammoniaca, nitriti e nitrati.
Nitrificazione: è la seconda fase del processo di fissazione dell'azoto. Se l'ammoniaca viene considerata il principale prodotto della fissazione dell'azoto, la conversione dell'ammoniaca in nitriti e nitrati ad opera dei batteri nitrificanti può essere definita nitrificazione.
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2. Il ciclo biologico dell'azoto che avviene nel suolo si compone dei seguenti processi: a) fissazione dell'azoto ad opera dei batteri che vivono in simbiosi con le piante (ad es. nelle radici della soia come riportato in figura) e b) denitrificazione ad opera di altri batteri che rilasciano azoto molecolare o N2O durante la respirazione dei nitrati. Clicca sul grafico per ingrandirlo. (50 KB) Collage: Elmar Uherek
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Denitrificazione: è il processo di riduzione del nitrato in azoto per opera di microorganismi (Bacillus, Pseudomonas ed altri batteri) che passano dalla respirazione aerobica alla respirazione dei nitrati, soprattutto nel caso di suoli scarsamente aerati. Il processo di denitrificazione può dare origine a numerosi intermedi di reazione tra i quali si distingue per importanza l'ossido nitroso, un gas serra permanente. I gas così prodotti ritornano nell'atmosfera.
La fissazione dell'azoto rappresenta il processo opposto alla denitrificazione.
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3. L'assimilazione e la mineralizzazione determinano assorbimento dei composti dell'azoto da parte del terreno e incorporazione nelle biomolecole delle piante e la conversione in azoto inorganico dopo la morte delle piante. Clicca sull'immagine per ingrandirla. (70 KB) Schema: Elmar Uherek
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Assimilazione e mineralizzazione
I composti dell'azoto disponibili possono essere immagazzinati nel terreno sotto forma di sostanze inorganiche (nitrati) o incorporati in organismi viventi sotto forma di azoto organico.
Assimilazione: è il processo di conversione dell'azoto inorganico (ad es. il nitrato) in azoto organico (ad es. un aminoacido). Il nitrato viene ridotto dagli enzimi prima in nitrito mediante nitrato riduttasi e poi in ammoniaca mediante nitrito riduttasi. L'ammoniaca viene incorporata negli aminoacidi.
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Mineralizzazione (ammonificazione): è un processo durante il quale organismi decompositori quali lombrichi, termiti, lumache, chiocciole, batteri o funghi convertono l'azoto organico presente nelle piante morte in azoto inorganico. La prima fase è costituita dalla formazione di ammoniaca e dei suoi sali (NH4+X).
L'assimilazione e la mineralizzazione sono due processi opposti.
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4. Gli aminoacidi, alcuni dei quali sono riportati in figura, sono biomolecole contenenti azoto. Le proteine sono composte da catene di aminoacidi.
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Ossidazione atmosferica
I principali processi alla base della produzione naturale degli ossidi di azoto sono costituiti dalle reazioni di ossidazione che avvengono a temperature estremamente elevate. Tali condizioni si verificano, ad esempio, durante la combustione in corrispondenza delle aree più calde degli incendi in seguito all'ossidazione dell'azoto molecolare, normalmente inerte, provocata dai fulmini o dalle eruzioni vulcaniche. I principali prodotti generati da tali processi sono l'ossido di azoto NO, il biossido di azoto NO2 e, dopo ulteriori reazioni, l'acido nitrico. Come illustrato nel testo di ricerca, NO e NO2 danno origine alla formazione di ozono grazie all'azione della luce solare e in seguito alle emissioni di idrocarburi volatili.
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5. Il costante aumento del protossido di azoto (gas esilarante) in atmosfera è la principale conseguenza della fertilizzazione con prodotti azotati. Grafico: Elmar Uherek
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L’influenza antropogenica
Ossidi di azoto e smog fotochimico
Oltre alle fonti naturali, l’uomo è il principale responsabile delle emissioni di NO / NO2 derivanti da processi di combustione. Tra questi la combustione che avviene nei motori delle auto svolge un ruolo di primaria importanza. Se le concentrazioni medie contenute nell’aria raggiungono livelli troppo elevati, in presenza di particolari condizioni, può verificarsi la formazione di smog da ozono. Inoltre, in atmosfera gli ossidi di azoto possono essere convertiti in acido nitrico che contribuisce alla formazione delle piogge acide con le note conseguenze negative.
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Fertilizzazione ed eutrofizzazione
Per migliorare la crescita dei raccolti, i coltivatori fanno ricorso all’uso di fertilizzanti contenenti azoto. Questa operazione potrebbe essere definita una fissazione tecnica dell’azoto basata, che porta alla produzione di ammoniaca, con un processo simile a quello di Haber-Bosch.
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7. La produzione di fertilizzanti contenenti azoto ha fatto registrare negli ultimi decenni una crescita costante. Grafico IFA
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L’uso eccessivo di fertilizzanti nei terreni unitamente ad un mancato assorbimento da parte delle piante provoca un duplice impatto negativo sull’ambiente. L’ammoniaca e il nitrato vengono completamente dilavati dalle piogge raggiungendo i corsi d’acqua e le aree costiere dove causano una drastica proliferazione di alghe e piante (fitoplancton). Se il contenuto di ossigeno si riduce eccessivamente in seguito alla decomposizione delle piante morte, ciò può comportare l’estinzione delle diverse forme di vita presenti nell’habitat acquatico. Questo fenomeno è noto con il nome di eutrofizzazione.
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Si è assistito, inoltre, ad un incremento della denitrificazione e ad una crescita della produzione di protossido di azoto N2O che è un potente gas serra. Inoltre, il protossido di azoto che raggiunge la stratosfera viene convertito in altri ossidi di azoto favorendo la distruzione dello strato dell’ozono stratosferico.
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Autore:
Elmar Uherek - Istituto di Chimica Max Planck, Mainz
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