Cykl azotowy - o co w tym chodzi?

Znaczenie azotu (N) dla żywych organizmów

Azot jest jednym z pierwiastków biogennych, co sprawia, że jest niezbędny do powstania związków organicznych, wykorzystywanych do budowy żywych organizmów, takich jak aminokwasy, kwasy nukleinowe (RNA i DNA) czy ATP i NAD/NADP.

Pierwiastki biogenne uczestniczą w różnych procesach życiowych:

• budowa komórek,
• przekazywanie sygnałów nerwowych,
• procesy metaboliczne,
•  proces fotosyntezy,
•  oraz wiele innych. 

Dla organizmów żywych istotne jest utrzymanie odpowiednich proporcji i ilości pierwiastków biogennych, ponieważ ich niedobory lub nadmiary mogą prowadzić do różnych zaburzeń metabolicznych i zdrowotnych.

Czym jest cykl azotowy

Cykl azotowy to procesem biologicznym, w którym azot krąży pomiędzy atmosferą, glebą, wodami, a organizmami żywymi. Jest to złożony cykl, który obejmuje różne etapy przemian azotu, zarówno w formie gazowej, jak i związków chemicznych, które są przyswajane przez organizmy. Cykl azotowy daje możliwość organizmom pobieranie azotu w formach, które są dla nich przyswajalne i użyteczne.

Znaczenie azotu w akwarystyce

W  akwarystyce morskiej istotne jest utrzymanie właściwego środowiska pierwiastków biogennych takich właśnie jak azot. Odpowiednie proporcje i ilości pierwiastków biogennych odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu zdrowia zwierząt. Azot wpływa na wiele aspektów w akwarystyce morskiej, poniżej wymieniłam kilka z nich:

Odpowiednio zrównoważone parametry wody

Akwarium morskie wymaga utrzymania stabilnych parametrów, jednym z nich jest poziom amoniaku, azotynów, azotanów i innych. 

Proces fotosyntezy

Pierwiastki biogenne są kluczowe dla procesu fotosyntezy, który odbywa się w symbiotycznych glonach (zooxanthellae) żyjących w tkankach korali. Azot, chociaż nie jest bezpośrednio zaangażowany w ten proces, ma jednak wpływ na ogólne zdrowie korali i ich symbiotycznych glonów. Dlatego uważa się, że pośrednio azot wpływa na zdolność do fotosyntezy.

Kontrola wzrostu glonów 

Azot w środowisku występuje w wielu różnych formach i każda z nich może zostać wykorzystana przez inne mikroorganizmy. Właściwe proporcje składników odżywczych w akwarium morskim, w tym związków azotu, są istotne w zapobieganiu nadmiernemu wzrostowi glonów, co może negatywnie wpływać na jakość wody i zdrowie ryb oraz innych organizmów.

Rola bakterii w cyklu azotowym

Mikroorganizmy, w tym bakterie pełnią różne role w obiegu azotu:

• Wydzielają enzymy, które biorą udział w poszczególnych etapach cyklu azotowego 
• Asymilują azot do budowy własnych białek 
• Bytują w każdym miejscu w akwarium, ale w osadach i na skałach jest ich znacznie więcej niż w toni wodnej. W zależności od miejsca – czy jest to toń wody, powierzchnia, czy wnętrze skały – do mikroorganizmów dociera inna ilość tlenu, co ma wpływ na to, z jakimi gatunkami mamy do czynienia.

Etapy cyklu azotowego 

Na cykl obiegu azotu składa się kilka etapów:

• Amonifikacja

Jest procesem, w którymi substancje organiczne, zawierające azot (zanieczyszczenia, białka, itp.), są rozkładane przez mikroorganizmy do amoniaku. Ponadto, zwierzęta morskie w naszych zbiorniku, pozbywają się toksycznych związków z organizmu w postaci amoniaku, jest on toksyczny dla organizmów, zwłaszcza w przypadku pH powyżej 7. Innymi źródłami amoniaku w zbiornikach są pozostałości pokarmu, martwe organizmy, czy białka wydzielane przez mikroorganizmy. 

Bakterie (najczęściej bytujące w osadach) rozkładają wspomniane substancje do amoniaku w procesie amonifikacji. W początkowym utlenianiu amoniaku pośredniczą bakterie utleniające amoniak (AOB) z Betaproteobacteria (np. Nitrosomonas spp.) lub Gammaproteobacteria (np. Nitrosococcus spp.), jak również archeony utleniające amoniak (AOA) z rodzaju Thaumarchaeota (np. Nitrosopumilus maritimus). 

• Nitryfikacja 

Podczas procesu nitryfikacji amoniak jest utleniany do azotynów, a następnie azotyny są przekształcane do azotanów. Podczas przyswajania (asymilacji) azotu, mikroorganizmy przekształcają azotany i jony amonowe w złożone cząsteczki organiczne, budując własne komórki. 

Związki nieorganiczne, jak amoniak (NH₃), jon amonowy (NH₄⁺) i azotyn (NO₂^–) są ważnymi sybstratami dla chemolitotrofów, czyli bakterii, które do funkcjonowania zużywają związki nieorganiczne, jako źródło energii i wykorzystują CO₂, jako źródło węgla.

W pierwszym etapie nitryfikacji (1)  mamy do czynienia z utlenianiem jonów amonowych (NH₄⁺), w którym biorą udział bakterie Nitrosomonas – przekształcają amoniak w azotyny NO₂^–. W tej reakcji bierze udział monooksydaza amonowa, która jednocześnie wytwarza związek pośredni – hydroksyloaminę (NH₂OH) która jest utleniana do azotynów przy pomocy oksydoreduktazy hydroksyloaminy. 

NH₄⁺ + 2H₂O → NO₂^– + 8H⁺ + 6e^– (1)

W dalszym etapie (2) azotyn jest utleniany przez bakterie utleniające  azotyny (NOB), które należą do różnych typów, takich jak Nitrospirae (np. Nitrospira spp.), Deltaproteobacteria (np. Nitrospina spp.), Alphaproteobacteria (np. Nitrobacter spp.), i Gammaproteobacteria (np. Nitrococcus spp.). 

Bbakterie Nitrobacter i Nitrospira utleniają azotyny  (NO₂^–) do azotanów (NO₃^–), które są mniej toksyczne dla organizmów żywych. Azotyny są utleniane przez związek o nazwie oksydoreduktaza azotynowa.

NO₂^– + 2H₂O → NO₃^– + 2H⁺ + 2e^– (2)

• Asymilacja 

Asymilacja azotanów to proces, w którym bakterie wykorzystują azotany i jony amonowe jako źródło azotu i syntetyzują je w organiczny azot. Mikroorganizmy odpowiedzialne za ten proces, znajdują się wodzie oraz w osadach. Azot, jako ważny składnik komórek, jest w nich zatrzymywany i stanowi około 12% suchej masy komórek. W tym przypadku azot ze zbiornika usuwamy często sami wraz z osadem bakteryjnym i glonowym. 

Azotany są głównym źródłem azotu dla protistów, grzybów, bakterii i archeonów. W procesie asymilacji biorą udział reduktazy azotanowe – enzymy obecne w cytoplazmie i transportery zależne od ATP (adenozyno-5′-trifosforan – główny nośnik energii w komórkach) w ich membranach. Fitoplankton głównie asymiluje amoniak jako źródło azotu, potrzebnego do wzrostu komórek – w ten sposób konkuruje o dostępny amoniak z drobnoustrojami heterotroficznymi. 

• Denitryfikacja i anammox 

Denitryfikacja i anammox są procesami rozkładu związków azotowych do azotu cząsteczkowego. Bakterie posiadające enzym nitrogenaze, wiążą azot cząsteczkowy z wodorem, powodując powstanie amoniaku. Ten cykl nieustannie zachodzi nie tylko w akwarium morskim, ale również w różnych środowiskach w wodzie i na lądzie.

Denitryfikacja jest procesem występującym w warunkach beztlenowych. Większość denitryfikatorów należy do Proteobacteria, które są fakultatywnymi beztlenowcami. Posiadają szereg enzymów, umożliwiających korzystanie z azotanów w miejscu tlenu. Końcowym etapem tego procesu jest wydzielenie gazowego azotu. 

Etapy procesu denitryfikacji:

W pierwszym etapie reakcję katalizuje reduktaza azotanowa A i B

3NO₃^– + 6H⁺ → 3NO₂^– + 3H₂O (3)

Drugim etapem szlaku denitryfikacyjnego jest redukcja azotanów(III) do N₂.

2NO₂^– + 8H⁺ + 6e^– → N₂ + 4H₂O (4)

Anammox jest procesem beztlenowego utleniania amoniaku. Jest jeszcze jedna grupa bakterii, która posiada zdolność przekształcenia mocznika i azotynów na gazowy azot w procesie nazwanym anammox (anaerobic ammonia oxidation). Proces beztlenowego utleniania amonu (anammox) jest regulowany przez bakterie Planctomycetes, które wykorzystują azotyny (NO₂^–) lub azotany (NO₃^–) jako akceptor elektronów (Akceptor – cząsteczka, pojedynczy atom lub jon, który przyjmuje elektron, proton, grupę funkcyjną lub określony jon od innych cząsteczek w trakcie reakcji chemicznej).

W tym przypadku utlenianie oznacza przepływ elektronów przez łańcuch przenośników (cytochromów) na enzymy utleniające jony azotanowe (III) do azotu atmosferycznego. Przeprowadzenie tego procesu zależy od wyspecjalizowanych struktur komórkowych z błoną chroniącą cytoplazmę przed hydrazyną. Powoduje to bardzo szybki rozkład związków azotu w środowisku morskim. 

Podsumowanie 

W akwarystyce morskiej, kontrola cyklu azotowego, regularne testowanie wody i zrozumienie różnych procesów biogennych są niezbędne dla utrzymania zdrowego środowiska akwariowego. Cykl azotowy daje możliwość organizmom pobieranie azotu w formach, które są dla przyswajalne i użyteczne. Azot, będący jednym z pierwiastków biogennych, odgrywa kluczową rolę w życiu organizmów żywych. 

* archeony – to prokarionty, podobne do bakterii, ale różniące się w wielu aspektach, takich jak budowa komórkowa i genetyka.