Lämmastikuringe: mis see on ja kuidas see toimib
Lämmastikuringlus on protsesside jada, mille käigus muutub õhus ja mullas olev lämmastik paljudeks erinevateks ühenditeks, mida elusorganismid saavad kasutada ja mis mõjutavad ökosüsteemide ning inimtegevuse toimimist. Lämmastik on eluks hädavajalik – see on osa valkudest, DNA-st ja RNA-st ning osaleb paljudes ainevahetusprotsessides.
Õhu lämmastik ja sidumine
Õhust koosneb umbes 78% lämmastikust (elementaarne N2). Kuid enamik organisme ei suuda kasutada elementaarset lämmastikku otse oma ehitusaineteks. Selle muundamiseks bioloogiliselt kättesaadavaks vormiks on vajalik lämmastiku sidumine. Seda teevad peamiselt erilised mikroorganismid, eelkõige bakterid, kellel on ensüüm (näiteks lämmastikufiksaas), mis seob N2 vesinikuga (H2) ja sünteesib ammoniaaki (NH3).
Lisaks looduses toimuvale bioloogilisele sidumisele on oluline ka inimtekkeline sidumine: industrialne Haber–Bosch protsess toodab lämmastikväetisi, mis suurendavad põllumajanduse saagikust, kuid võivad põhjustada üleliigse reaktiivse lämmastiku kuhjumist keskkonnas.
Sümbioos ja taimede roll
Mõned lämmastikku siduvad bakterid elavad taimede juurtes – eriti tuntud on see seos kaunviljade (nt herned, oad, lutsern) ja nende juurtes elavate bakterite vahel. Juureköiel tekivad nodulid, kus bakterid toodavad taimele ammoniaaki ja taim annab neile süsivesikuid. Samuti võtavad taimed otse mullast lahustunud lämmastikuühendeid (ammooniumit, nitraate) oma juurte kaudu. Kogu loomade lämmastik pärineb lõpuks taimede või teiste organismide söömise kaudu.
Ammonifitseerimine ja ammoonium
Ammooniumi (NH4+) moodustavad mullas nii lämmastikku siduvad bakterid kui ka lagundajad – bakterid ja seened, mis lagundavad surnud organismide orgaanilist ainet ja muudavad orgaanilise lämmastiku lihtsamateks vormideks. Seda nimetatakse ammonifitseerimiseks või mineraalimiseks. Ammooniumil on positiivne laeng ja see seostub kergesti mulla savi osakeste ja huumusega, mistõttu ei liigu see mullast niivõrd kiiresti välja nagu nitraat.
Oluline on eristada ammoniaaki (NH3) ja ammooniumit (NH4+): ammoniaak võib vee keskkonnas olla mürgine kaladele ja teistele veeorganismidele ning seetõttu mõõdetakse reovee ja muu reovesi ammoniaagisisaldust. Kui ammoniaagi tase on liiga kõrge, algab järgmine samm – nitrifikatsioon.
Nitrifikatsioon: nitritist nitraadini
Nitrifikatsioon on biokeemiline protsess, mille käigus ammoniaak või ammoonium oksüdeeritakse kahe etapi kaudu esmalt nitritiks (NO2-) ja seejärel nitraadiks (NO3-) bakterite poolt. Nitriti- ja nitraat‑produktiivsed bakterid aitavad muuta lämmastiku vorme, mis liiguvad mulla ja vee süsteemides edasi.
Kuna nitritil ja nitraadil on negatiivne laeng, ei seo need mullaosakestega nii hästi ja neid võib vihma või kastmise ajal mullast välja pesta (leostumine). See võib saastada põhjavetega ja põhjustada probleeme joogivees – imikutele kõrge nitraadisisaldus võib põhjustada methemoglobineemiat ehk nn sinise beebi sündroomi. Samuti soodustab kõrge nitraaditase veekogudes vetikate ja taimede liigtalitust, mis viib eutrofeerumiseni ning võib kahjustada kalastikku ja muid veeloomi. Seetõttu kontrollitakse ja piiratakse väetiste kasutamist ning planeeritakse põllumajanduslikke praktikad, et vähendada leostumist.
Denitrifikatsioon ja lämmastiku tagasimuundumine
Hapniku vähesusel (anaeroobsetes tingimustes) teatud bakterid kasutavad nitraati energia saamiseks ja vähendavad selle tagasi gaasiliseks lämmastikuks (N2) või vaheproduktidena ka naaberküllastavat nitraoset (N2O). See protsess, mida nimetatakse denitrifikatsiooniks, sulgeb lämmastikuringe ja tagastab lämmastiku atmosfääri.
Oluline on märkida, et denitrifikatsiooni käigus võib tekkida ka lämmastikoksiidide (nt N2O) emissioon, mis on tugev kasvuhoonegaas ja mõjutab osoonikihi koosseisu.
Inimtegurid, keskkonnamõjud ja juhtimine
Inimtegevus on mõjutanud lämmastikuringlust tugevalt: põllumajanduslikud väetised, tööstuslik lämmastiku sidumine, veiselihakasvatus (lämmastikku sisaldavad jäätmed) ja fossiilkütuste põletamine (mis tekitab NOx-gaase) suurendavad looduses reaktiivse lämmastiku hulka. See võib viia eutrofeerumiseni, veekogude hapnikuvaesuseni, veepuhastuskulude suurenemiseni, terviseriskideni (saastunud joogivesi) ja kliimamõjude süvenemiseni.
Lämmastikuringluse juhtimine hõlmab mitmeid meetmeid: täpne väetiste doseerimine, vaheldusviljelus ja kaunviljade kasvatamine, põllumajanduslikud puhvertsoonid veekogude ümber, puhastustehnoloogiad reovees ning poliitikad, mis piiravad NOx‑heiteid ja väetiste leostumist. Samuti uuritakse ja kasutatakse bioloogilisi lahendusi, et suurendada mulla elujõulisust ning vähendada kahjulike kõrvalproduktide teket.
Lõppsõna
Lämmastikuringlus on kompleksne ja elulise tähtsusega protsess, mis seob atmosfääri lämmastiku bioloogiliselt kasutatavaks lämmastikuks, liigutab seda ökosüsteemides ja lõpuks tagastab atmosfääri. Selle mõistmine on oluline nii looduskaitse, põllumajanduse kui ka avaliku tervise ja kliimapoliitika seisukohalt.
Lämmastiktsükkel
Küsimused ja vastused
K: Mis on lämmastiktsükkel?
V: Lämmastikuringlus on protsess, mille käigus lämmastik muutub looduses erinevateks vormideks, mida elusorganismid saavad kasutada.
K: Kui suure osa õhust moodustab lämmastik?
V: Õhk koosneb umbes 78% ulatuses lämmastikust.
K: Millist rolli mängib lämmastik elusorganismides?
V: Lämmastik mängib olulist rolli valkudes, DNA-s ja RNA-s, samuti fotosünteesi ja taimede kasvus.
K: Kuidas muutub elementaarne lämmastik eluks kasutatavaks?
V: Elementaarne lämmastik peab läbima protsessi, mida nimetatakse lämmastikufikseerimiseks, et muunduda eluks kasutatavaks vormiks. See protsess hõlmab tavaliselt baktereid, mille ensüüm ühendab N2 vesinikgaasiga (H2) ammoniaagiks (NH3).
K: Kuidas saavad taimed vajalikku lämmastikku?
V: Taimed saavad oma vajaliku lämmastikuvarustuse kas nende juurtes elavatest bakteritest või mullast juurte kaudu võetud ühenditest. Kõik loomad saavad oma lämmastikuvarusid taimede söömisest.
K: Millised protsessid toimuvad, kui ammooniumi tase on liiga kõrge?
V: Kui ammooniumi tase on liiga kõrge, peab toimuma protsess, mida nimetatakse nitrifikatsiooniks ja mis hõlmab ammoniaagi ja ammooniumi oksüdeerimist nitritiks (NO2-) ja seejärel nitraadiks ( NO3-) bakterite poolt. Kõrge nitraaditase võib joogivees põhjustada sinilille sündroomi ja järvedes või basseinides liiga palju vetikaid.
K: Kuidas algab denitrifikatsioonitsükkel uuesti?
V Denitrifikatsioon toimub siis, kui mõned bakterid muudavad nitraadi lämmastikgaasiks (N2), vabastades selle protsessi käigus energiat ja alustades seega tsüklit uuesti.
