วัฏจักรไนโตรเจน (Nitrogen Cycle)
วัฏจักรไนโตรเจน (Nitrogen Cycle) เป็น กระบวนการชีวธรณีเคมี ที่สำคัญอย่างยิ่งในการหล่อเลี้ยงชีวิตบนโลก โดยเป็นการหมุนเวียนไนโตรเจนระหว่างชั้นบรรยากาศ หรือ อากาศภาค (atmosphere) ชีวภาค (biosphere) และ ธรณีภาค (lithosphere) ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบสำคัญที่สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการ โดยเป็นส่วนประกอบหลักของ กรดอะมิโน โปรตีน กรดนิวคลีอิก และ คลอโรฟิล แม้ว่าไนโตรเจนจะมีอยู่ในชั้นบรรยากาศในปริมาณมาก แต่สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ไม่สามารถใช้ไนโตรเจนในรูปของ ก๊าซไนโตรเจน (N₂) ได้โดยตรง วัฏจักรไนโตรเจนจึงมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนแปลงไนโตรเจนให้อยู่ในรูปที่สิ่งมีชีวิตใช้ได้ และส่งคืนไนโตรเจนกลับสู่ชั้นบรรยากาศ
บรรยากาศและระบบนิเวศ
ไนโตรเจนในรูปของก๊าซไนโตรเจน (N₂) คิดเป็นประมาณ 78% ของชั้นบรรยากาศโลก แต่ถึงแม้จะมีปริมาณมาก ก๊าซไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศมีความเฉื่อยและไม่สามารถใช้ได้สำหรับสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ เนื่องจากพันธะไตรระหว่างอะตอมของไนโตรเจนมีความแข็งแรง ไนโตรเจนเป็นสิ่งจำเป็นต่อชีวิต เพราะเป็นส่วนประกอบหลักของ กรดนิวคลีอิก (DNA และ RNA) และกรดอะมิโนที่สร้างโปรตีน พืชซึ่งเป็นผู้ผลิตหลักในระบบนิเวศ จำเป็นต้องใช้ไนโตรเจนในรูปแบบที่มีปฏิกิริยา เช่น แอมโมเนียม (NH₄⁺) และ ไนเตรต (NO₃⁻) วัฏจักรไนโตรเจนจึงทำหน้าที่เปลี่ยนไนโตรเจนจากรูปก๊าซในชั้นบรรยากาศให้อยู่ในรูปที่เหมาะสมต่อสิ่งมีชีวิต และหมุนเวียนไนโตรเจนในระบบนิเวศอย่างต่อเนื่อง
- เพิ่มเติม : วัฏจักรหิน (Rock Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรน้ำ (Water Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรคาร์บอน (Carbon Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรออกซิเจน (Oxygen Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรไนโตรเจน (Nitrogen Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรฟอสฟอรัส (Phosphorus Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรชีวธรณีเคมี (Biochemical Cycle)
วัฏจักร
วัฏจักรไนโตรเจน (Nitrogen Cycle) ประกอบด้วยกระบวนการทางชีวภาพและเคมี 5 ขั้นตอนหลัก ได้แก่
1. การตรึงไนโตรเจน (Nitrogen Fixation) คือ การเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจน (N₂) ให้เป็นแอมโมเนีย (NH₃) ซึ่งเป็นรูปแบบที่พืชสามารถดูดซึมได้ กระบวนการนี้เกิดขึ้นได้ 3 วิธีหลัก ได้แก่
- การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพ แบคทีเรียตรึงไนโตรเจน เช่น Rhizobium ที่อาศัยอยู่ในปมรากพืชตระกูลถั่ว และแบคทีเรียที่อยู่อย่างอิสระ เช่น Azotobacter มีเอนไซม์ไนโตรจีเนสที่สามารถแยกพันธะของไนโตรเจน
- การตรึงไนโตรเจนทางกายภาพ ฟ้าผ่าและปรากฏการณ์พลังงานสูงสามารถแยกไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศและสร้างไนโตรเจนออกไซด์ (NOₓ) ซึ่งละลายในน้ำฝนและกลายเป็นไนเตรต
- การตรึงไนโตรเจนทางอุตสาหกรรม กระบวนการฮาเบอร์-บอช (Haber-Bosch) ใช้ไนโตรเจนและไฮโดรเจนภายใต้แรงดันและอุณหภูมิสูงเพื่อสร้างแอมโมเนีย ซึ่งใช้ในการผลิตปุ๋ยที่สำคัญต่อการเกษตร
2. การเกิดไนตริฟิเคชัน (Nitrification) เป็นกระบวนการแบบใช้ออกซิเจนสองขั้นตอน ซึ่งแอมโมเนีย (NH₃) หรือแอมโมเนียม (NH₄⁺) ถูกออกซิไดซ์เป็นไนเตรต (NO₃⁻) โดยจุลินทรีย์
- การเปลี่ยนแอมโมเนียเป็นไนไตรต์ (NO₂⁻) ดำเนินการโดยแบคทีเรีย เช่น Nitrosomonas
- การเปลี่ยนไนไตรต์เป็นไนเตรต (NO₃⁻) ดำเนินการโดยแบคทีเรีย เช่น Nitrobacter
ไนเตรตสามารถละลายในน้ำได้ดี และพืชสามารถดูดซึมได้ง่าย ทำให้กระบวนการนี้สำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้ไนโตรเจนในดิน
3. การดูดซึมไนโตรเจน (Assimilation) เกี่ยวข้องกับการที่พืชดูดซึมแอมโมเนียม ไนไตรต์ หรือไนเตรต และเปลี่ยนเป็นโมเลกุลอินทรีย์ เช่น กรดอะมิโนและโปรตีน สัตว์ได้รับไนโตรเจนจากการกินพืชหรือสัตว์อื่น ไนโตรเจนในกระบวนการนี้จะเข้าสู่ห่วงโซ่อาหารและเคลื่อนผ่านระดับโภชนาการต่าง ๆ
4. การสลายตัวของสารอินทรีย์ (Ammonification) หรือ การเกิดแร่ธาตุไนโตรเจน (Mineralization) เป็นกระบวนการที่จุลินทรีย์สลายไนโตรเจนจากสิ่งมีชีวิตที่ตายแล้วและของเสีย ให้กลายเป็นแอมโมเนียม (NH₄⁺) เติมไนโตรเจนกลับสู่ดิน
5. การคืนไนโตรเจนสู่บรรยากาศ (Denitrification) เป็นกระบวนการที่แบคทีเรียแบบไม่ใช้ออกซิเจน เช่น Pseudomonas และ Clostridium เปลี่ยนไนเตรต (NO₃⁻) ให้กลับเป็นก๊าซไนโตรเจน (N₂) หรือไนตรัสออกไซด์ (N₂O) กระบวนการนี้เกิดในสภาพแวดล้อมที่ขาดออกซิเจน เช่น ดินชุ่มน้ำหรือก้นทะเล
บทบาทของจุลินทรีย์
จุลินทรีย์มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในวัฏจักรไนโตรเจน พวกมันเป็นตัวกลางในการเปลี่ยนไนโตรเจนระหว่างรูปแบบต่าง ๆ และควบคุมการไหลเวียนของไนโตรเจนในระบบนิเวศ แบคทีเรียตรึงไนโตรเจนช่วยเพิ่มความอุดมสมบูรณ์ของดิน ส่วนจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับการเกิด การเกิดไนตริฟิเคชัน (Nitrification) และ การคืนไนโตรเจนสู่บรรยากาศ (Denitrification) ช่วยรักษาสมดุลของไนโตรเจนในดินและชั้นบรรยากาศ
- เพิ่มเติม : วัฏจักรหิน (Rock Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรน้ำ (Water Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรคาร์บอน (Carbon Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรออกซิเจน (Oxygen Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรไนโตรเจน (Nitrogen Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรฟอสฟอรัส (Phosphorus Cycle)
- เพิ่มเติม : วัฏจักรชีวธรณีเคมี (Biochemical Cycle)
. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth
