O ΚΥΚΛΟΣ TOY ΑΖΩΤΟΥ

Κατοικεί στον αέρα σε πολύ πιο έντονη  από το οξυγόνο παρουσία και ο ρόλος του είναι ιδιαίτερα αποφασιστικός δεδομένου ότι διατηρεί σχετικά χαμηλή τη συγκέντρωση του οξυγόνου σε αυτή μειώνοντας έτσι τη δραστικότητά του, με αποτέλεσμα όλες οι οξειδώσεις στη φύση, η καύση και η σήψη, να προχωρούν με τη γνωστή μικρή φυσική τους ταχύτητα. Μπορεί οι Έλληνες να το λένε « ά –ζωτο » μεταφράζοντας τους Γάλλους ( azote ) και μέχρι ενός σημείου να έχουν δίκιο με αυτό που υποδηλώνει το ά-   το στερητικό στο όνομά του.Ωστόσο χωρίς το ΆΖΩΤΟ  δεν μπορεί να υπάρξει ΖΩΉ . Αποτελεί βασικό συστατικό των DNA και των πρωτεϊνών.Το βασικό « έργο» είναι ένας ΚΥΚΛΟΣ με πρωταγωνιστές εκτός από το στοιχείο άζωτο και τις ενώσεις του τον αέρα, το έδαφος, τα  βακτήρια, και τα φυτά. Τα ζώα συμμετέχουν.

 Οι ζωντανοί οργανισμοί στη μεγάλη τους πλειονότητα,  δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν το άφθονο στην ατμόσφαιρα άζωτο . Χρειάζεται να γίνεται «κάτι» που να το μετατρέπει σε κάποια άλλη χημική αζωτούχα δομή.Κι αυτό το «κάτι» είναι η  ΑΖΩΤΟΔΕΣΜΕΥΣΗ Πραγματοποιείται είτε με φυσικό είτε με βιολογικό τρόπο.Λέγοντας ΦΥΣΙΚΗ ΑΖΩΤΟΔΕΣΜΕΥΣΗ εννοούμε ότι  το ατμοσφαιρικό άζωτο ενώνεται με το οξυγόνο ή το υδρογόνο των υδρατμών,με την απορρόφηση ενέργειας από κεραυνούς ή από άλλες ηλεκτρικές εκκενώσεις, σχηματίζοντας νιτρικά ιόντα ή αμμωνία τα οποία μεταφέρονται στο έδαφος με τη βροχή

Η  ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΖΩΤΟΔΕΣΜΕΥΣΗ      είναι και ο βασικός τρόπος  μετατροπής του ελεύθερου αζώτου σε χρήσιμες χημικές ενώσεις. Πραγματοποιείται με τη βοήθεια βακτηρίων  τα οποία είτε ζουν ελεύθερα είτε, συνηθέστερα, συμβιώνουν  στις ρίζες φυτών όπως τα φασόλια και τα κουκιά .Εκεί, τα βακτήρια  μετατρέπουν το ατμοσφαιρικό άζωτο σε νιτρικά ιόντα μέρος των οποίων μεταφέρεται στα φυτά.Τα φυτά με τη σειρά τους συμμετέχουν στο παιχνίδι . Μετατρέπουν τα νιτρικά ιόντα σε οξείδια του αζώτου και αμινοξέα, για τη δημιουργία πρωτεϊνών - και όχι μόνο - και «σε αντάλλαγμα» εκκρίνουν σάκχαρα τα οποία χρειάζονται τα βακτήρια.Στη συνέχεια το άζωτο, το  δεσμευμένο τώρα πια στην οργανική ύλη των πρωτεϊνών,  ανακυκλώνεται , κλείνοντας έτσι τον   ΚΥΚΛΟ και διατηρώντας την ισορροπία στην ατμόσφαιρα.Η ΑΝΑΚΎΚΛΩΣΗ πραγματοποιείται σε δύο στάδια.Κατά το πρώτο οι πρωτεΐνες διασπώνται με τη βοήθεια  decomposers  μικροοργανισμών σε ιόντα αμμωνίου NH4+ και αυτά μετατρέπονται  από άλλους(nitrifying, νιτροποιητικούς ) μικροοργανισμούς, σε  νιτρικά ιόντα   ΝΟ2- και  ΝΟ3-.Κατά το επόμενο στάδιο, τα νιτρικά αυτά ιόντα – κατά ένα μέρος – μετατρέπονται,  από (denitrifying , απονιτροποιητικά) βακτήρια,σε μοριακό άζωτο που ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα.Τα ζώα  προσλαμβάνουν από τα φυτά τα αζωτούχα αμινοξέα  τα οποία χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη για   πρωτεΐνες και νουκλεϊνικά οξέα αλλά συμμετέχουν και στο παιχνίδι με τα αζωτούχα περιττώματα και με τα πτώματα τους,  τα οποία αναλαμβάνουν οι decomposers μικροοργανισμοί να τα μετατρέψουν σε  αμμώνιο και σε νιτρικά άλατα και να τα εντάξουν στον ΚΎΚΛΩ. Η παραπάνω ισορροπία πολλές φορές διαταράσσεται από διάφορες δραστηριότητες των ανθρώπων, όπως η χρήση φυσικών και βιομηχανικών λιπασμάτων σε τεράστιες ποσότητες. Ένα μεγάλο μέρος αυτών των λιπασμάτων παρασύρεται από τα νερά της βροχής και καταλήγει σε λίμνες, ποτάμια ή τη θάλασσα. Εκεί προκαλείται ευτροφισμός, φαινόμενο δηλαδή κατά το οποίο  η υπερβολική ανάπτυξη των βακτηρίων λόγω της παρουσίας του αζώτου εξαντλεί το οξυγόνο των νερών,  με αποτέλεσμα το θάνατο των ανώτερων οργανισμών.                                                                                                                              Ο κύκλος του Αζώτου

Ο κύκλος του αζώτου στη φύση και στο ενυδρείο

Στη φύση

Το άζωτο είναι το κυριότερο συστατικό των αμινοξέων, των νουκλεικών οξέων, των αμινοσακχάρων και των πολυμερών τους,  θεμέλιων λίθων της ζωής.
Είναι συστατικό του κυτταροπλάσματος στα ζωντανά κύτταρα.
 Έξω από αυτά είναι ένα από τα κυριότερα συστατικά της ατμόσφαιρας σε ποσοστό 79% του συνόλου της ατμόσφαιρας.

Ο κύκλος του αζώτου είναι σχετικά απλός και μπορεί να διακριθεί σε τρία διαφορετικά στάδια.
Τη δέσμευση του μοριακού αζώτου (αζωτοδέσμευση), τη νιτροποίηση και την απονιτροποίηση.
Ας δούμε την πορεία του αζώτου ξεκινώντας από την αζωτοδέσμευση.

Αναφέραμε πως αποτελεί το 79% της ατμόσφαιρας. Ωστόσο σε αυτή την αέρια μορφή του είναι μη χρησιμοποιήσιμο από την πλειονότητα των ζωντανών οργανισμών.
Γι' αυτό το λόγο για να μπορέσουν οι οργανισμοί να προσλάβουν το άζωτο πρέπει προηγουμένως να μετατραπεί σε μία περισσότερο εύχρηστη μορφή. Αυτό γίνεται με τη διαδικασία της αζωτοδέσμευσης.

Η αζωτοδέσμευση διακρίνεται σε φυσική και βιολογική.

Κατά την φυσική αζωτοδέσμευση το άζωτο της ατμόσφαιρας ενώνεται με το υδρογόνο σχηματίζοντας αμμωνία ή με το οξυγόνο σχηματίζοντας νιτρικά ιόντα.
H ενέργεια που χρειάζεται για να γίνει η δέσμευση αυτή εξασφαλίζεται από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις (κεραυνούς) στην ατμόσφαιρα.
Αυτές οι ενώσεις προσλαμβάνονται από τα φυτά καθώς είναι υδατοδιαλυτές και με αυτόν τον τρόπο ενσωματώνονται στην τροφική αλυσίδα.
Δηλαδή παρασύρονται από τις κατακρημνίσεις (βροχή) και καταλήγουν στη γη ή στην θάλασσα.

Όμως το άζωτο που δεσμεύεται με αυτόν τον τρόπο δεν αποτελεί παρά το 10 % περίπου που χρησιμοποιείται από τη ζώσα ύλη. Το υπόλοιπο 90% γίνεται διαθέσιμο με τη βιολογική αζωτοδέσμευση.

Κατά  τη βιολογική αζωτοδέσμευση διάφοροι οργανισμοί που ονομάζονται αζωτοδεσμευτικοί μετατρέπουν με κατανάλωση ενέργειας, το μόριο του ελεύθερου  αζώτου  σε διαθέσιμη προς δέσμευση μορφή.
Ενδεικτικά είδη αζωτοδεσμευτικών οργανισμών είναι τα γένη των εξής βακτηρίων: Azotobacter, Azospirillium, Clostridium, Rhizobium, Vibrio, Thiobacillus, Bradyhizobium κ.α. καθώς και τα κυανοβακτήρια Anabaena, Aphanizomenon, Nostoc, Tolypothrix κ.α.

Επίσης υπάρχει άζωτο δεσμευμένο μέσα στην οργανική ύλη των φυτών και των ζώων.
Αυτό είναι δεσμευμένο σε μεγαλομοριακές ενώσεις όπως πρωτεΐνες και αμινοξέα.
Όταν αυτό διασπάται μέσα στα μικροβιακά κύτταρα το τελικό προϊόν της αποικοδόμησης είναι η αμμωνία.
Η αμμωνία χρησιμοποιείται και προσλαμβάνεται από τα φυτά, αλλά σε μεγάλες συγκεντρώσεις είναι τοξική τόσο για τους φυτικούς όσο και τους ζωικούς οργανισμούς.
Στο επόμενο βήμα η  αμμωνία χρησιμοποιείται από μία ομάδα αερόβιων βακτηρίων τα οποία την χρησιμοποιούν  ως τροφή.

Τα βακτήρια αυτά ανήκουν στα γένη Nitrosomonas, Nitrospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosovibrio,  και με κατανάλωση οξυγόνου οξειδώνουν την τοξική αμμωνία σε νιτρώδη ιόντα. Επικρατέστερο είναι το γένος Nitrosomonas.
Τα νιτρώδη ιόντα είναι λιγότερο τοξικά από την αμμωνία και πολύ περισσότερο ανεκτά από τους ζώντες οργανισμούς.

Σε αυτό το αερόβιο μονοπάτι ακολουθεί η οξείδωση των νιτρωδών ιόντων, η οποία πραγματοποιείται από μία ομάδα αερόβιων βακτηρίων τα γένη Nitrobacter, Nitrospira, Nitrospina, Nitrosococcus.
Τα βακτήρια αυτά μετατρέπουν τα νιτρώδη ιόντα σε νιτρικά ιόντα.  Επικρατέστερο είναι το γένος Nitrobacter.

Τα νιτρικά ιόντα είναι ακόμα λιγότερο τοξικά σε σχέση με τα νιτρώδη.
Είναι η καλύτερη μορφή αζώτου η οποία δεσμεύεται σε τεράστια ποσοστά και πολύ εύκολα από τα φυτά.
Η διαδικασία αυτή στο σύνολό της μέχρι αυτό το σημείο ονομάζεται νιτροποίηση και συμβαίνει σε αερόβιες συνθήκες, παρουσία οξυγόνου.

Τόσο η αμμωνία όσο και τα νιτρικά και νιτρώδη ιόντα είναι όλα τους υδατοδιαλυτά με αποτέλεσμα να καταλήγουν στους υδάτινους αποδέκτες λίμνες , ποτάμια, θάλασσα.
Με αυτόν τον τρόπο θα περίμενε κανείς τα αποθέματα αζώτου στην ατμόσφαιρα συνεχώς να μειώνονται και ολοένα και λιγότερο άζωτο να είναι διαθέσιμο για χρήση από τα ζώντα κύτταρα. Αυτό όμως δεν συμβαίνει διότι στη φύση επιτελείται και η ακριβώς αντίθετη διαδικασία της νιτροποίησης η οποία ονομάζεται απονιτροποίηση.

Η απονιτροποίηση διαδραματίζεται κάτω από αυστηρά αναερόβιες συνθήκες από ομάδες αναερόβιων θειοβακτηρίων και βακτηρίων του γένους Pseudomonas (Pseudomonas denitrificans), Azospirillium, Rhizobium, Rhodopsedomonas, Propionibacterium,Vibrio, Bacillus, Spirilliun, Nocardia, το Thibacillus denitrificans και άλλα.
 Έτσι λοιπόν τα νιτρικά ιόντα ανάγονται σε νιτρώδη, έπειτα τα νιτρώδη ιόντα σε οξείδιο του αζώτου και αυτό με τη σειρά του σε  μοριακό άζωτο που είναι αέριο. Με αυτό τον τρόπο λοιπόν ανατροφοδοτείται η ατμόσφαιρα με άζωτο  και ολοκληρώνεται ο κύκλος αυτού του στοιχείου στη φύση.

Στο ενυδρείο 

Μέσα σε ένα ενυδρείο πραγματοποιούνται τα ίδια γεγονότα σε μικρότερη βέβαια κλίμακα από ότι στον πλανήτη. Πάντως οι διαδικασίες της νιτροποίησις και απονιτροποίησiς γίνονται με παρόμοιο τρόπο και οι οργανισμοί που συμμετέχουν είναι οι ίδιοι.
 Η κυριότερη διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι το ενυδρείο είναι ένα πάρα πολύ μικρό κλειστό  σύστημα, με πολύ λίγους πρωτογενείς παραγωγούς (δηλαδή φυτά) και πάρα πολύ περισσότερους καταναλωτές (δηλαδή ψάρια) για το δεδομένο όγκο και χώρο του, αναλογικά με αυτόν που υπάρχει σε μία λίμνη ή στη θάλασσα. Αυτό το γεγονός δημιουργεί ορισμένες ιδιαιτερότητες οι οποίες χρειάζονται συγκεκριμένους χειρισμούς.

Ξεκινώντας λοιπόν και στήνοντας κανείς το ενυδρείο του έρχεται αντιμέτωπος αρχικά με τα γεγονότα της νιτροποίησις, τα οποία αν δεν ληφθούν σοβαρά υπόψη μπορεί να οδηγήσουν το ενυδρείο σε πλήρη αποδιοργάνωση του συστήματος και θάνατο των οργανισμών που κατοικούν σε αυτό.
Ας ξεκινήσουμε από τη στιγμή που προσθέτει κανείς το πρώτο ψάρι μέσα στο ενυδρείο.
Όταν το ψάρι αυτό ταϊστεί  θα καταναλώσει την τροφή, θα την μεταβολίσει και τελικά θα βγάλει αμμωνία στο νερό.
Με την συνεχή του παρουσία μέσα στο ενυδρείο και τα συνεχή διαδοχικά καθημερινά ταΐσματα η συγκέντρωση της αμμωνίας στο νερό του ενυδρείου μας ολοένα και θα αυξάνει.

Στην φύση τα βακτήρια Nitrosomonas θα «έτρωγαν» (δηλαδή θα οξείδωναν) την αμμωνία αμέσως και θα την εξαφάνιζαν από την υδάτινη στήλη και αυτό γιατί βρίσκονται σε αφθονία.
Σε ένα καινούργιο ενυδρείο όμως που βρίσκεται στο ξεκίνημά του τα βακτήρια αυτά βρίσκονται σε απελπιστικά μικρούς αριθμούς (υπάρχουν όμως) με αποτέλεσμα να μην προλαβαίνουν να καταναλώσουν την αμμωνία που παράγεται με αποτέλεσμα η συγκέντρωσή της να αυξάνεται συνεχώς.
Μέχρι αυτό το σημείο η συγκέντρωση της αμμωνίας καθιστά το νερό σχεδόν τοξικό για τους υδρόβιους οργανισμούς και μόνο ορισμένα πολύ ανθεκτικά είδη ψαριών είναι ικανά να επιβιώνουν.
Μετά το πέρασμα περίπου 10 ημερών  ο πληθυσμός των βακτηρίων Nitrosomonas έχει αυξηθεί με αποτέλεσμα να καταναλώνουν (να τρώνε) την παραχθείσα αμμωνία και γι αυτό η συγκέντρωσή της σταδιακά μειώνεται.

Τα βακτήρια όμως αυτά δεν καταναλώνουν μόνο την αμμωνία από το ενυδρείο, αλλά την ίδια στιγμή παράγουν και νιτρώδη ιόντα.

Κανονικά στη φύση τα νιτρώδη ιόντα θα εξαφανίζονταν αμέσως από την υδάτινη στήλη αφού μία άλλη ομάδα βακτηρίων τα Nitrobacter υπάρχουν σε αφθονία.
Στο καινούργιο ενυδρείο όμως οι πληθυσμοί και αυτών των βακτηρίων είναι απελπιστικά μικροί στην αρχή και έτσι τα νιτρώδη ιόντα συσσορεύονται μέσα στο νερό μέχρι να περάσουν ακόμα 15 με 20 μέρες.
Τότε μόνο οι πληθυσμοί των Nitrobacter θα είναι επαρκείς για να αρχίσουν να καταναλώνουν τα νιτρώδη ιόντα και να τα μετατρέπουν σε νιτρικά ιόντα που είναι και τα πλέον αβλαβή ακόμα και σε πολύ μεγαλύτερες συγκεντρώσεις (25-50mg/lt δες Noga, Fish Health).

 Έτσι το συνολικό διάστημα που θα έχει περάσει από τη στιγμή που θα εισαχθεί το πρώτο μας ψαράκι μέχρι να ολοκληρωθεί η διαδικασία της νιτροποίησις ανέρχεται σε 35 με 40 μέρες .
Τότε μόνο το ενυδρείο μας θα έχει ξεπεράσει το πρωταρχικό επικίνδυνο για τους υδρόβιους κατοίκους του διάστημα, και θα είναι έτοιμο να δεχθεί σταδιακά ένα αυξανόμενο πληθυσμό ψαριών. Αυτό στην πράξη σημαίνει πως θα έχει εγκατασταθεί η  μικροβιολογική  (ή βιολογική) ισορροπία στο ενυδρείο και πιο συγκεκριμένα στο τμήμα του φίλτρου που είναι υπεύθυνο για το βιολογικό φιλτράρισμα του νερού.

Καθ’ όλη τη διάρκεια της ολοκλήρωσης της νιτροποίησις είναι πολύ σημαντικό να παρατηρούμε τις διακυμάνσεις τόσο της αμμωνίας όσο και των νιτρωδών και νιτρικών αλάτων με τα αντίστοιχα τεστ ενυδρειακής χρήσης που είναι διαθέσιμα για αυτόν το σκοπό.