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.

 

 

 


Ciclo biologico dell'azoto

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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Fissazione naturale

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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+

 

 

 


Nitrogenasi

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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Ossidi di azoto

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.

 

 

 


Fonti di ossidi di azoto

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.

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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