नाइट्रोजन चक्र: विशेषताएं, जलाशयों और चरणों - वातावरण - 2025

नाइट्रोजन चक्र वातावरण और जीवमंडल के बीच नाइट्रोजन आंदोलन की प्रक्रिया है। यह सबसे अधिक प्रासंगिक जैव-रासायनिक चक्रों में से एक है। नाइट्रोजन (एन) एक बड़ा महत्व है, क्योंकि यह सभी जीवों द्वारा उनकी वृद्धि के लिए आवश्यक है। यह न्यूक्लिक एसिड (डीएनए और आरएनए) और प्रोटीन की रासायनिक संरचना का हिस्सा है।

ग्रह पर नाइट्रोजन की सबसे बड़ी मात्रा वायुमंडल में है। वायुमंडलीय नाइट्रोजन (एन ₂) का उपयोग अधिकांश जीवित चीजों द्वारा सीधे नहीं किया जा सकता है। ऐसे जीवाणु हैं जो इसे ठीक करने में सक्षम हैं और इसे मिट्टी या पानी में उन तरीकों से शामिल करते हैं जो अन्य जीवों द्वारा उपयोग किए जा सकते हैं।

पानी का शरीर नाइट्रोजन और फास्फोरस के साथ संवर्धन द्वारा लिटल (फ्रांस के उत्तर) में उत्सर्जित होता है। लेखक: एफ। लैमीट (खुद का काम), विकिमीडिया कॉमन्स से

इसके बाद, नाइट्रोजन को ऑटोट्रॉफिक जीवों द्वारा आत्मसात किया जाता है। अधिकांश हेटरोट्रॉफ़िक जीव इसे भोजन के माध्यम से प्राप्त करते हैं। फिर वे मूत्र (स्तनधारियों) या मलमूत्र (पक्षियों) के रूप में अतिरिक्त जारी करते हैं।

प्रक्रिया के एक अन्य चरण में बैक्टीरिया होते हैं जो अमोनिया के नाइट्राइट और नाइट्रेट्स में परिवर्तित होते हैं जो मिट्टी में शामिल होते हैं। और चक्र के अंत में, सूक्ष्मजीवों का एक अन्य समूह श्वसन में नाइट्रोजनीस यौगिकों में उपलब्ध ऑक्सीजन का उपयोग करता है। इस प्रक्रिया में वे नाइट्रोजन को वायुमंडल में वापस छोड़ देते हैं।

वर्तमान में, कृषि में नाइट्रोजन की सबसे बड़ी मात्रा का उपयोग मनुष्यों द्वारा किया जाता है। इसके परिणामस्वरूप मिट्टी और जल स्रोतों में इस तत्व की अधिकता हो गई, जिससे इस जैव रासायनिक चक्र में असंतुलन पैदा हो गया।

सामान्य विशेषताएँ

मूल

नाइट्रोजन को न्यूक्लियोसिंथेसिस (नए परमाणु नाभिक का निर्माण) द्वारा उत्पन्न माना जाता है। हीलियम के बड़े द्रव्यमान वाले तारे नाइट्रोजन के निर्माण के लिए आवश्यक दबाव और तापमान तक पहुँच गए।

जब पृथ्वी की उत्पत्ति हुई, नाइट्रोजन ठोस अवस्था में थी। बाद में, ज्वालामुखी गतिविधि के साथ, यह तत्व एक गैसीय अवस्था बन गया और इसे ग्रह के वायुमंडल में शामिल किया गया।

नाइट्रोजन एन ₂ के रूप में था । संभवतः जीवों द्वारा प्रयुक्त रासायनिक रूप (अमोनिया एनएच ₃) समुद्र और ज्वालामुखियों के बीच नाइट्रोजन चक्रों द्वारा दिखाई देते हैं। इस तरह, एनएच ₃ को वायुमंडल में शामिल किया गया और अन्य तत्वों के साथ मिलकर कार्बनिक अणुओं को जन्म दिया।

रासायनिक रूप

नाइट्रोजन विभिन्न रासायनिक रूपों में होता है, इस तत्व के विभिन्न ऑक्सीकरण राज्यों (इलेक्ट्रॉनों की हानि) का उल्लेख करता है। ये अलग-अलग रूप उनकी विशेषताओं और उनके व्यवहार दोनों में भिन्न होते हैं। नाइट्रोजन गैस (N ₂) का ऑक्सीकरण नहीं होता है।

ऑक्सीकृत रूपों को कार्बनिक और अकार्बनिक में वर्गीकृत किया जाता है। कार्बनिक रूप मुख्य रूप से अमीनो एसिड और प्रोटीन में होते हैं। अकार्बनिक राज्यों में अमोनिया (NH ₃), अमोनियम आयन (NH ₄), नाइट्राइट्स (NO ₂) और नाइट्रेट्स (NO ₃), अन्य हैं।

इतिहास

नाइट्रोजन की खोज 1770 में तीन वैज्ञानिकों ने स्वतंत्र रूप से की थी (स्कील, रदरफोर्ड और लवोसियर)। 1790 में फ्रेंच चैपल ने गैस को नाइट्रोजन का नाम दिया।

19 वीं शताब्दी के उत्तरार्ध में, यह जीवित जीवों के ऊतकों और पौधों की वृद्धि में एक आवश्यक घटक पाया गया था। इसी तरह, जैविक और अकार्बनिक रूपों के बीच एक निरंतर प्रवाह के अस्तित्व का सबूत था।

नाइट्रोजन स्रोतों को मूल रूप से बिजली और वायुमंडलीय बयान माना जाता था। 1838 में, बॉज़िंगॉल्ट ने फलियों में इस तत्व के जैविक निर्धारण का निर्धारण किया। फिर, 1888 में, यह पता चला कि फलियां की जड़ों से जुड़े सूक्ष्मजीव एन ₂ के निर्धारण के लिए जिम्मेदार थे ।

एक और महत्वपूर्ण खोज बैक्टीरिया का अस्तित्व था जो नाइट्राइट्स में अमोनिया को ऑक्सीकरण करने में सक्षम थे। साथ ही साथ अन्य समूह जो नाइट्राइट को नाइट्रेट में बदलते हैं।

1885 की शुरुआत में, गॉन ने निर्धारित किया कि सूक्ष्मजीवों के एक अन्य समूह में नाइट्रेट्स को एन ₂ में बदलने की क्षमता थी । इस तरह से, कि ग्रह पर नाइट्रोजन चक्र को समझा जा सकता है।

एजेंसी की आवश्यकता

सभी जीवित चीजों को अपनी महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं के लिए नाइट्रोजन की आवश्यकता होती है, लेकिन सभी एक ही तरीके से इसका उपयोग नहीं करते हैं। कुछ बैक्टीरिया सीधे वायुमंडलीय नाइट्रोजन का उपयोग करने में सक्षम हैं। अन्य ऑक्सीजन के स्रोत के रूप में नाइट्रोजन यौगिकों का उपयोग करते हैं।

ऑटोट्रॉफ़िक जीवों को नाइट्रेट के रूप में आपूर्ति की आवश्यकता होती है। उनके हिस्से के लिए, कई हेटरोट्रॉफ़ केवल अमीनो समूहों के रूप में इसका उपयोग कर सकते हैं जो वे अपने भोजन से प्राप्त करते हैं।

अवयव

-Reserves

नाइट्रोजन का सबसे बड़ा प्राकृतिक स्रोत वातावरण है, जहां इस तत्व का 78% गैसीय रूप (एन ₂) में पाया जाता है, जिसमें नाइट्रस ऑक्साइड और नाइट्रोजन मोनोऑक्साइड के कुछ निशान होते हैं।

तलछटी चट्टानों में लगभग 21% होते हैं जो बहुत धीरे-धीरे जारी होते हैं। शेष 1% कार्बनिक पदार्थ और महासागरों में कार्बनिक नाइट्रोजन, नाइट्रेट्स और अमोनिया के रूप में निहित है।

सूक्ष्मजीवों की आशंका

तीन प्रकार के सूक्ष्मजीव हैं जो नाइट्रोजन चक्र में भाग लेते हैं। ये जुड़नार, नाइट्रिफायर और डेनिट्रिफ़ायर हैं।

एन-फिक्सिंग बैक्टीरिया

वे नाइट्रोजन के एंजाइमों के एक परिसर को एन्कोड करते हैं जो निर्धारण प्रक्रिया में शामिल होते हैं। इनमें से अधिकांश सूक्ष्मजीव पौधों के प्रकंद को उपनिवेशित करते हैं और उनके ऊतकों के भीतर विकसित होते हैं।

फिक्सिंग बैक्टीरिया का सबसे आम जीनस राइजोबियम है, जो फलियां की जड़ों से जुड़ा हुआ है। फ्रेंकिया, नोस्टोक और पासस्पोनिया जैसे अन्य जेनेरा हैं जो पौधों के अन्य समूहों की जड़ों के साथ सहजीवन बनाते हैं।

मुक्त रूप में सायनोबैक्टीरिया जलीय वातावरण में वायुमंडलीय नाइट्रोजन को ठीक कर सकता है

बैक्टीरिया को नाइट्रेट करना

नाइट्रिफिकेशन प्रक्रिया में तीन प्रकार के सूक्ष्मजीव शामिल होते हैं। ये जीवाणु अमोनिया या मिट्टी में मौजूद अमोनियम आयन को ऑक्सीकरण करने में सक्षम हैं। वे कीमोलाइट्रोट्रोफिक जीव हैं (ऊर्जा के स्रोत के रूप में अकार्बनिक पदार्थों को ऑक्सीकरण करने में सक्षम)।

विभिन्न पीढ़ी के बैक्टीरिया क्रमिक रूप से प्रक्रिया में हस्तक्षेप करते हैं। नाइट्रोसोमा और नाइट्रोसाइट्स एनएच 3 और एनएच 4 को नाइट्राइट में ऑक्सीकरण करते हैं। नाइट्रोबैक्टर और नाइट्रोस्कोकस तब इस यौगिक को नाइट्रेट्स में ऑक्सीकरण करते हैं।

2015 में बैक्टीरिया के एक और समूह का पता चला था जो इस प्रक्रिया में हस्तक्षेप करता है। वे अमोनिया को सीधे नाइट्रेट्स में ऑक्सीकरण करने में सक्षम हैं और नाइट्रोस्पिरा जीनस में स्थित हैं। कुछ कवक अमोनिया को नाइट्रिफाई करने में भी सक्षम हैं।

बैक्टीरिया को नकारने वाला

यह सुझाव दिया गया है कि बैक्टीरिया के 50 से अधिक विभिन्न एनए नाइट्रेट्स को एन ₂ तक कम कर सकते हैं । यह अवायवीय स्थितियों (ऑक्सीजन की अनुपस्थिति) के तहत होता है।

सबसे आम denitrifying जेनेरा Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Rhizobium, Thiobacillus और Thiosphaera हैं। इन समूहों में से अधिकांश हेटरोट्रॉफ़ हैं।

2006 में एक जीवाणु (मेथिलोमीराबिलिस ऑक्सीफ़ेरा) की खोज की गई जो एरोबिक है। यह मीथेनोट्रोफिक है (यह मीथेन से कार्बन और ऊर्जा प्राप्त करता है) और डेनेट्रिफिकेशन प्रक्रिया से ऑक्सीजन प्राप्त करने में सक्षम है।

चरणों

नाइट्रोजन चक्र पूरे ग्रह में अपनी गतिशीलता में विभिन्न चरणों से गुजरता है। ये चरण हैं:

फिक्सेशन

यह प्रतिक्रियाशील माने जाने वाले रूपों में वायुमंडलीय नाइट्रोजन का रूपांतरण है (जिसका उपयोग जीवित प्राणियों द्वारा किया जा सकता है)। एन ₂ अणु में निहित तीन बंधनों को तोड़ने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है और यह दो तरह से हो सकती है: एबियोटिक या बायोटिक।

नाइट्रोजन का चक्र। पर्यावरण संरक्षण एजेंसी से एक छवि से यानलेब्रेल द्वारा रीमेड: http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html, विकिमीडिया कॉमन्स के माध्यम से

अजैविक निर्धारण

नाइट्रेट्स वायुमंडल में उच्च-ऊर्जा निर्धारण द्वारा प्राप्त किए जाते हैं। यह बिजली की ऊर्जा और ब्रह्मांडीय विकिरण से आता है।

N ₂ ऑक्सीजन के साथ मिलकर नाइट्रोजन के ऑक्सीकृत रूप बनाता है जैसे NO (नाइट्रोजन डाइऑक्साइड) और NO ₂ (नाइट्रस ऑक्साइड)। बाद में, इन यौगिकों को नाइट्रिक एसिड (HNO ₃) के रूप में वर्षा द्वारा पृथ्वी की सतह पर ले जाया जाता है ।

उच्च-ऊर्जा निर्धारण नाइट्रोजन चक्र में मौजूद नाइट्रेट्स का लगभग 10% शामिल करता है।

जैविक निर्धारण

यह मिट्टी में सूक्ष्मजीवों द्वारा किया जाता है। ये जीवाणु आमतौर पर पौधों की जड़ों से जुड़े होते हैं। वार्षिक बायोटिक नाइट्रोजन निर्धारण लगभग 200 मिलियन टन प्रति वर्ष होने का अनुमान है।

वायुमंडलीय नाइट्रोजन अमोनिया में बदल जाता है। प्रतिक्रिया के पहले चरण में, एन ₂ एनएच ₃ (अमोनिया) तक कम हो जाता है । इस रूप में यह अमीनो एसिड में शामिल है।

इस प्रक्रिया में, विभिन्न ऑक्सीकरण-कमी केंद्रों के साथ एक एंजाइमैटिक कॉम्प्लेक्स शामिल है। यह नाइट्रोजनोज कॉम्प्लेक्स एक रिडक्टेस (इलेक्ट्रॉनों को प्रदान करता है) और एक नाइट्रोजन से बना है। बाद वाला एन ₂ एनएच ₃ को कम करने के लिए इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करता है । बड़ी मात्रा में एटीपी प्रक्रिया में खपत होती है।

नाइट्रोजनेज कॉम्प्लेक्स O ₂ की उच्च सांद्रता की उपस्थिति में अपरिवर्तनीय रूप से बाधित है । कट्टरपंथी नोड्यूल में, एक प्रोटीन (लेगहीमोग्लोबिन) मौजूद होता है जो ओ ₂ सामग्री को बहुत कम रखता है । यह प्रोटीन जड़ों और बैक्टीरिया के बीच बातचीत द्वारा निर्मित होता है।

मिलाना

जिन पौधों में N _{2- के} जीवाणु के साथ सहजीवी जुड़ाव नहीं होता है, वे मिट्टी से नाइट्रोजन लेते हैं। इस तत्व का अवशोषण जड़ों के माध्यम से नाइट्रेट्स के रूप में किया जाता है।

एक बार जब नाइट्रेट पौधे में प्रवेश करते हैं, तो इसका कुछ मूल कोशिकाओं द्वारा उपयोग किया जाता है। एक अन्य भाग जाइलम द्वारा पूरे पौधे को वितरित किया जाता है।

जब इसका उपयोग करना होता है, तो नाइट्रेट साइटोप्लाज्म में नाइट्राइट तक कम हो जाता है। यह प्रक्रिया एंजाइम नाइट्रेट रिडक्टेस द्वारा उत्प्रेरित होती है। नाइट्राइट्स को क्लोरोप्लास्ट और अन्य प्लास्टिड्स में ले जाया जाता है, जहां वे अमोनियम आयन (एनएच ₄) में कम हो जाते हैं ।

बड़ी मात्रा में अमोनियम आयन पौधे के लिए विषाक्त है। तो यह जल्दी से कार्बोनेट कंकाल में एमिनो एसिड और अन्य अणुओं के रूप में शामिल हो जाता है।

उपभोक्ताओं के मामले में, नाइट्रोजन पौधों या अन्य जानवरों से सीधे खिलाकर प्राप्त की जाती है।

Ammonification

इस प्रक्रिया में, मिट्टी में मौजूद नाइट्रोजन वाले यौगिक सरल रासायनिक रूपों से टूट जाते हैं। नाइट्रोजन मृत कार्बनिक पदार्थों और यूरिया (स्तनधारी मूत्र) या यूरिक एसिड (पक्षी उत्सर्जन) जैसे कचरे में निहित है।

इन पदार्थों में निहित नाइट्रोजन जटिल कार्बनिक यौगिकों के रूप में है। सूक्ष्मजीव अपने प्रोटीन का उत्पादन करने के लिए इन पदार्थों में निहित अमीनो एसिड का उपयोग करते हैं। इस प्रक्रिया में, वे अमोनिया या अमोनियम आयन के रूप में अतिरिक्त नाइट्रोजन छोड़ते हैं।

चक्र के निम्नलिखित चरणों में कार्य करने के लिए ये यौगिक अन्य सूक्ष्मजीवों के लिए मिट्टी में उपलब्ध हैं।

नाइट्रीकरण

इस चरण के दौरान, मिट्टी के जीवाणु अमोनिया और अमोनियम आयन का ऑक्सीकरण करते हैं। प्रक्रिया में ऊर्जा जारी की जाती है जो बैक्टीरिया द्वारा उनके चयापचय में उपयोग की जाती है।

पहले हिस्से में, नाइट्रोसोमाइसस जीनस के नाइट्रोसिमाइजिंग बैक्टीरिया अमोनिया और अमोनियम आयन को नाइट्राइट में ऑक्सीकरण करते हैं। इन सूक्ष्मजीवों की झिल्ली में एंजाइम अमोनिया मोक्सीजिनेज पाया जाता है। यह एनएच ₃ को हाइड्रॉक्सिलमाइन को ऑक्सीकरण करता है, जो बाद में बैक्टीरिया की परिधि में नाइट्राइट के लिए ऑक्सीकरण होता है।

इसके बाद, नाइट्रेटिंग बैक्टीरिया एंजाइम नाइट्राइट ऑक्सीडेरक्टेस का उपयोग करके नाइट्राइट को नाइट्रेट्स में ऑक्सीकरण करते हैं। नाइट्रेट मिट्टी में उपलब्ध रहते हैं, जहां वे पौधों द्वारा अवशोषित किए जा सकते हैं।

अनाइट्रीकरण

इस चरण में, नाइट्रोजन (नाइट्राइट और नाइट्रेट्स) के ऑक्सीकृत रूपों को वापस एन ₂ और नाइट्रस ऑक्साइड के कुछ हद तक परिवर्तित किया जाता है ।

इस प्रक्रिया को एनारोबिक बैक्टीरिया द्वारा किया जाता है, जो श्वसन के दौरान इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ताओं के रूप में नाइट्रोजन यौगिकों का उपयोग करते हैं। विकृतीकरण दर कई कारकों पर निर्भर करती है, जैसे उपलब्ध नाइट्रेट और मिट्टी संतृप्ति और तापमान।

जब मिट्टी को पानी से संतृप्त किया जाता है, तो O ₂ अब आसानी से उपलब्ध नहीं है और बैक्टीरिया इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में NO _{3 का} उपयोग करते हैं। जब तापमान बहुत कम होता है, तो सूक्ष्मजीव प्रक्रिया को अंजाम नहीं दे सकते।

यह चरण एक पारिस्थितिकी तंत्र से नाइट्रोजन को हटाने का एकमात्र तरीका है। इस तरह, एन ₂ जो कि वायुमंडल में निश्चित रिटर्न था और इस तत्व का संतुलन बना हुआ है।

महत्त्व

इस चक्र की बड़ी जैविक प्रासंगिकता है। जैसा कि हमने पहले बताया, नाइट्रोजन जीवित जीवों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। इस प्रक्रिया के माध्यम से यह जैविक रूप से प्रयोग करने योग्य हो जाता है।

फसलों के विकास में, नाइट्रोजन की उपलब्धता उत्पादकता की मुख्य सीमाओं में से एक है। कृषि की शुरुआत के बाद से, इस तत्व के साथ मिट्टी को समृद्ध किया गया है।

मिट्टी की गुणवत्ता में सुधार के लिए फलियों की खेती एक आम बात है। इसी तरह, बाढ़ वाली मिट्टी में चावल का रोपण नाइट्रोजन के उपयोग के लिए आवश्यक पर्यावरणीय परिस्थितियों को बढ़ावा देता है।

19 वीं शताब्दी के दौरान, गुआनो (पक्षी उत्सर्जन) का व्यापक रूप से फसलों में नाइट्रोजन के बाहरी स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता था। हालांकि, इस सदी के अंत तक खाद्य उत्पादन बढ़ाने के लिए यह अपर्याप्त था।

जर्मन रसायनज्ञ फ्रिट्ज हैबर ने 19 वीं शताब्दी के अंत में एक प्रक्रिया विकसित की, जिसे बाद में कार्लो बॉश ने वाणिज्यिक कर दिया। इसमें अमोनिया बनाने के लिए एन ₂ और हाइड्रोजन गैस पर प्रतिक्रिया होती है। इसे हैबर-बॉश प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है।

अमोनिया के कृत्रिम उत्पादन का यह रूप नाइट्रोजन के मुख्य स्रोतों में से एक है जो जीवित प्राणियों द्वारा उपयोग किया जा सकता है। यह माना जाता है कि दुनिया की 40% आबादी अपने भोजन के लिए इन उर्वरकों पर निर्भर करती है।

नाइट्रोजन चक्र में गड़बड़ी

अमोनिया का वर्तमान मानव उत्पादन लगभग 85 टन प्रति वर्ष है। नाइट्रोजन चक्र पर इसके नकारात्मक परिणाम हैं।

रासायनिक उर्वरकों के अधिक उपयोग के कारण, मिट्टी और जलभृतों का प्रदूषण होता है। यह माना जाता है कि इस संदूषण का 50% से अधिक हैबर-बॉश संश्लेषण का परिणाम है।

नाइट्रोजन की अधिकता से जलस्रोतों का न्यूट्रिशन (पोषक तत्वों के साथ संवर्धन) होता है। एंथ्रोपिक युट्रीफिकेशन बहुत तेज है और मुख्य रूप से शैवाल के त्वरित विकास का कारण बनता है।

वे बहुत अधिक ऑक्सीजन का उपभोग करते हैं और विषाक्त पदार्थों को जमा कर सकते हैं। ऑक्सीजन की कमी के कारण, पारिस्थितिक तंत्र में मौजूद अन्य जीव मर जाते हैं।

इसके अलावा, जीवाश्म ईंधन के उपयोग से वायुमंडल में बड़ी मात्रा में नाइट्रस ऑक्साइड निकलता है। यह ओजोन के साथ प्रतिक्रिया करता है और नाइट्रिक एसिड बनाता है, जो एसिड वर्षा के घटकों में से एक है।

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