Ciclo dell’azoto: fissazione, nitrificazione, processo Anammox, denitrificazione

Il ciclo dell’azoto è un ciclo ripetitivo di processi durante i quali l’azoto si muove attraverso esseri viventi e non viventi: l’atmosfera, il suolo, l’acqua, le piante, gli animali e i batteri
Organismi viventi microscopici che di solito contengono solo una cellula e si trovano ovunque. I batteri possono causare la decomposizione o la disgregazione del materiale organico nel suolo.

L’azoto è un elemento fondamentale per la crescita e per la riproduzione di piante e animali ed è un costituente di biomolecole come proteine, DNA e clorofilla.

Sebbene l’azoto sia presente nell’aria sotto forma di N₂ non è assorbito direttamente come tale dagli organismi ad eccezione di particolari batteri azotofissatori. L’azoto si trova in molte molecole tra cui l’ammoniaca, composti organici e inorganici pertanto esso dà a molte trasformazioni nell’ecosistema passando da una forma all’altra.

Fasi

Le trasformazioni principali dell’azoto che, nel loro complesso, rientrano nel ciclo dell’azoto sono la fissazione, la nitrificazione, la denitrificazione e l’ammonificazione.

A partire dalla metà del 1900, gli esseri umani hanno esercitato un impatto sempre maggiore sul ciclo globale dell’azoto. Le attività umane, come l’utilizzo di fertilizzanti e la combustione di combustibili fossili, hanno infatti notevolmente modificato la quantità di azoto fissato negli ecosistemi della Terra.

Perché l’azoto sia disponibile per dar luogo alla formazione di proteine, DNA e di altri composti biologicamente importanti, deve prima essere convertito in una forma chimica diversa. Il processo di conversione di N₂ in azoto biologicamente disponibile è chiamato fissazione dell’azoto. La molecola di N₂ è molto stabile grazie alla forza del triplo legame tra gli atomi di azoto. Quindi è necessaria una grande quantità di energia per rompere questo legame.

Di conseguenza, solo un gruppo di procarioti è in grado di realizzare questo processo. Tuttavia  una certa quantità di azoto possa essere fissato abioticamente dai fulmini o da alcuni processi industriali.

Fissazione

La fissazione avviene con la conversione dell’azoto in ammoniaca secondo la semireazione:

N₂ + 8 H⁺ + 8 e^– → 2 NH₃ + H₂

resa possibile dal un complesso enzimatico appartenente alla classe delle ossidoreduttasi detto nitrogenasi. Esso  catalizza il processo di riduzione dell’azoto atmosferico favorendo la sua fissazione da parte di specifici microrganismi.

Nitrificazione

Il secondo step del ciclo dell’azoto, detto nitrificazione, consiste nella conversione dell’ammoniaca in nitrito e successivamente in nitrato ad opera di batteri nitrosanti e di batteri nitrificanti.

La nitrificazione avviene in ambiente aerobico ad opera di procarioti. Durante la prima fase l’ammoniaca viene dapprima ossidata a idrossilammina ad opera dell’ammoniaca monossigenasi secondo la reazione:

NH₃ + O₂ + 2 H⁺ + 2 e^– → NH₂OH + H₂O

Durante la seconda fase l’idrossilammina è convertita in nitrito ad opera dell’idrossilammina ossidoriduttasi secondo la reazione:

NH₂OH + H₂O → NO₂^– + 5 H⁺ + 4 e^–

Successivamente avviene l’ossidazione del nitrito a nitrato ad opera di un altro tipo di procarioti noti come nitrito ossidanti secondo la reazione

2 NO₂^– + O₂ → NO₃^–

Sebbene si sia sempre ritenuto che il processo di nitrificazione avvenisse in condizioni aerobiche è stato scoperto nel 1999 che l’ossidazione dell’ammoniaca potesse avvenire in condizioni anaerobiche che ad opera di alcuni procarioti che ossidano l’ammoniaca utilizzando il nitrito quale accettore di elettroni per dare azoto gassoso.

Processo Anammox

In tale processo noto come Anammox acronimo di ANaerobic AMMonium OXidation avviene la reazione:

NH₄⁺ + NO₂^– → N₂ + 2 H₂O

Il processo Anammox introduce una via più breve e alternativa nel ciclo dell’azoto, tanto che è  riconosciuto il ruolo importante dei microrganismi responsabili nella produzione dell’azoto gassoso nei sedimenti oceanici.

Denitrificazione

La fase successiva del ciclo dell’azoto è la denitrificazione. Essa avviene ad opera di batteri in condizioni anaerobiche in cui il nitrato è convertito in azoto gassoso che ritorna nell’atmosfera. L’azoto gassoso è il prodotto finale del ciclo dell’azoto ma prima della sua formazione si possono ottenere composti gassosi intermedi secondo le reazioni:

NO₃^– → NO₂^– → NO + N₂O → N₂

2 NO₃^–  + 12 H⁺ + 10 e^– → N₂ + 6 H₂O

Alcune delle specie coinvolte nelle reazioni come il monossido di diazoto sono considerate gas serra che reagiscono con l’ozono contribuendo all’inquinamento atmosferico.

La denitrificazione può essere considerata un processo negativo in quanto determina la perdita dei composti contenenti azoto presenti nel terreno sottraendolo alle piante. Il flusso di azoto molecolare verso l’atmosfera dovuto alla denitrificazione è in parte bilanciato dalla azotofissazione. Essa  può avvenire per effetto di processi elettrochimici e biologici in quanto richiede energia. Questa è fornita, nel caso dei processi biologici dall’ossidazione di sostanze organiche, dagli zuccheri forniti dalle piante o dalla fotosintesi.

L’uso di fertilizzanti provoca gravi danni agli ecosistemi andando ad aumentare il flusso di azoto nell’atmosfera.  Le elevate concimazioni se da un lato aumentano la produzione dall’altro modificano profondamente non solo il ciclo dell’azoto ma anche il ciclo del carbonio e del fosforo  che costituiscono meccanismi delicati per il mantenimento degli equilibri biologici e chimici.