ciclo
biologico dell'azoto
Il ciclo biologico dell’azoto è una sequenza complessa di trasformazioni chimiche che coinvolgono l'azoto in composti organici e inorganici.
Comprende un grande ciclo che si svolge tra l'atmosfera e il mondo vivente con, all'interno, un piccolo ciclo che si svolge tra piante, animali e batteri (riciclizzazione).
Dal grande serbatoio atmosferico l'azoto entra molto lentamente nella biosfera: le piante lo possono utilizzare solo dopo che i processi di fissazione_naturale lo hanno reso disponibile sotto forma di ioni ammonio o nitrato.
Solo una
piccola parte dell'ammonio ricavato dall'azoto atmosferico viene assunto dalle
piante e incorporato in molte molecole organiche mediante una riduzione
assimilativa, per essere poi utilizzato dai consumatori dei vari
ordini.
Il sistema biologico può rilasciare l'azoto attraverso la decomposizione di cadaveri di animali e di detriti vegetali: l'azoto, attraverso il processo di ammonificazione, torna al terreno sotto forma di ione ammonio, quindi viene trasformato in nitrato dai batteri nitrificanti del terreno e reso così ancora disponibile per le piante.
In effetti il
ciclo suolo-piante-animali, apparentemente perfetto, è molto delicato.
Se il suolo è povero di ossigeno, diventano attivi i batteri denitrificanti, che trasformano il nitrato in nitrito, in ossidi_di_azoto e in azoto elementare.
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Il ciclo (che pure è qui rappresentato in modo molto semplificato) appare piuttosto complicato e prevede diversi processi e diversi tipi di organismi in grado di attuare i processi. In molti casi si tratta di batteri specializzati, azotofissatori per trasformare l'azoto molecolare in ammoniaca, che attuano perciò la fissazione biologica, nitrificanti per trasformare questa in nitrato, denitrificanti per restituire all'atmosfera parte dei nitrati non utilizzati. Entrano poi in gioco piante e animali che utilizzano, direttamente o indirettamente, i nutrienti azotati. La fissazione inorganica, seppure meno importante, produce comunque forme assimilabili dell'azoto e contribuisce perciò al ciclo biologico. |
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Definita anche riduzione assimilativa dell'azoto gassoso, è una idrogenazione essenziale per la
biosfera, pur senza sottovalutare la fotosintesi. Infatti la fissazione del carbonio è solo una delle tre
tappe critiche nella sintesi globale delle proteine; le altre due sono
la riduzione dell'azoto e la riduzione dello
zolfo. La fissazione chimica
o inorganica può essere innescata da radiazioni cosmiche, scariche
elettriche, fulmini, che forniscono l'energia necessaria perché
l'azoto possa reagire con l'ossigeno o con l'idrogeno dell'acqua per formare ossidi di azoto o ammoniaca. Si fissano
così piccole, ma indispensabili, quantità di azoto atmosferico che le piogge
provvedono a portare nel terreno. Nella
reazione di azotofissazione biologica,
il triplo legame dell'azoto è reso reattivo da un particolare enzima, la nitrogenasi, secondo una reazione
che avviene in diversi stadi ma che, sinteticamente, è: N2 + 8H+ + 6e ® 2NH4+ |
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La nitrogenasi è un complesso enzimatico formato da due componenti proteiche (componente I e componente II). La componente I, chiamata Fe-Mo-proteina, contiene in totale 24 atomi di ferro, di cui alcuni sono condivisi con il cofattore contenente due atomi di molibdeno; è formata da due tipi di subunità ed ha un peso molecolare di circa 220000 u.m.a. La componente II, chiamata Fe-proteina o azotoligasi-riduttasi è formata da due subunità identiche; contiene 4 atomi di ferro e 4 atomi di zolfo ed ha un peso molecolare di 65000 u.m.a. La formazione della nitrogenasi è rigorosamente controllata da un sistema biologico a retroazione. |
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Tra i numerosi
composti
binari dell'ossigeno con l'azoto (genericamente indicati con NOx), sono particolarmente
interessanti il monossido NO, e il diossido NO2.
Questi infatti
partecipano a molte reazioni
radicaliche in atmosfera, causando l'inquinamento detto smog fotochimico.
Le fonti_di_ossidi_di_azoto possono
essere naturali (lampi, decomposizione batterica di sostanza
organica, incendi) o antropogeniche (combustione di combustibili fossili).
Infatti
durante i processi di combustione, si ha formazione di ossidi di azoto
per sintesi oltre che per ossidazione del combustibile.
L'aumento
delle emissioni di natura antropogenica provoca un grave inquinamento della
bassa atmosfera e costituisce un problema soprattutto in aree urbane o industriali
in cui le condizioni orografiche e climatiche creano situazione di stabilità atmosferica, in cui i movimenti
ascensionali dell'aria e di conseguenza anche la dispersione degli inquinanti
gassosi vengono bloccati.
Ciò avviene
per esempio quando si instaura una situazione di inversione termica, cioè quando uno
strato di aria calda ne sovrasta uno di aria più fredda che, essendo più densa,
resta in vicinanza del suolo.
Per quanto
riguarda le emissioni di ossidi di azoto, espresse come NO2, i dati EMEP (European
Monitoring and Evaluation Programme) riportano, per l'Italia, un aumento da
circa 1500 milioni di kg per anno, nel 1980, a circa 1750 milioni di kg
per anno nel 1992.
Uno dei
fattori più importanti in questo progressivo aumento è la circolazione
automobilistica, poiché i motori a scoppio producono grosse quantità di ossidi
di azoto.
Un aumento
paragonabile, considerando lo stesso periodo di tempo, è valutato anche per la
Gran Bretagna (da 2350 a 2750), mentre la Germania presenta una
diminuzione da 3600 a 3100, dovuta ad interventi mirati come la riduzione
del traffico e l'aumento delle vetture catalizzate.
Formazione di ossidi
azoto per sintesi
L'ossigeno e l'azoto
dell'aria, che nelle condizioni ambientali non reagiscono tra loro, quando sono
a
temperature elevate, come nelle camere di combustione di impianti fissi o dei
motori degli autoveicoli, si combinano secondo la reazione:
N2 + O2 ® 2 NO
Nella reazione di
equilibrio l'ossido tende a dissociarsi al diminuire della temperatura; se
però il miscuglio in equilibrio si raffredda rapidamente, come avviene
normalmente per i fumi e i gas di scarico, NO rimane sempre presente
anche a temperature più basse e nell'aria si combina con l'ossigeno secondo la
reazione:
2 NO + O2 ® 2 NO2
Reazioni radicaliche nell'atmosfera
Lo schema di
reazioni mostra alcuni processi in cui sono coinvolti ozono, ossidi di azoto e monossido di cloro negli strati alti dell'atmosfera.
Il monossido di cloro è un intermedio del ciclo catalitico del cloro, mentre gli ossidi di azoto provengono da combustioni in presenza di azoto.
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Il monossido di cloro ClO (a sinistra) può reagire con biossido di azoto NO2 dando NO3Cl oppure con ossigeno O2 dando ozono O3 e un atomo di cloro Cl (che rientra nel ciclo catalitico continuando il processo di distruzione dell'ozono). L'ozono O3, sotto l'effetto di radiazioni ultraviolette, si scinde in ossigeno O2 e in un atomo O che, a sua volta, può reagire con una molecola di ossigeno rigenerando ozono. |
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