L’azoto fa parte dei composti organici vitali nei microrganismi, come gli aminoacidi, le proteine e il DNA. La forma gassosa dell’azoto (N2) costituisce il 78% della troposfera. Si potrebbe pensare che questo significa che abbiamo sempre un sacco di azoto disponibile, ma purtroppo non funziona così. L’azoto in forma gassosa non può essere assorbito e utilizzato come nutriente da piante e animali; deve prima essere convertito da batteri nitrificanti, in modo che possa entrare nelle catene alimentari come parte del ciclo dell’azoto.
Durante la conversione dell’azoto i cianobatteri convertono prima l’azoto in ammoniaca e ammonio, durante il processo di fissazione dell’azoto. Le piante possono usare l’ammoniaca come fonte di azoto.
La fissazione dell’azoto si effettua secondo la seguente reazione:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3
Dopo la fissazione dell’ammonio, l’ammoniaca e l’ammonio che si forma saranno trasferiti ulteriormente, durante il processo di nitrificazione. I batteri aerobici usano l’ossigeno per convertire questi composti. I batteri Nitrosomonas convertono prima l’azoto gassoso in nitrito (NO2-) e successivamente i nitrobacter convertono il nitrito in nitrato (NO3-), un nutriente per le piante.
La nitrificazione avviene secondo le seguenti reazioni:
2 NH3 + 3O2 – > 2 NO2 + 2 H+ + 2 H2O
2 NO2- + O2 -> 2 NO3-
Le piante assorbono ammonio e nitrato durante il processo di assimilazione, dopo di che vengono convertiti in molecole organiche contenenti azoto, come aminoacidi e DNA. Ricevono i loro rifornimenti di nutrienti consumando piante o animali che consumano piante.
Quando i nutrienti azotati hanno servito il loro scopo nelle piante e negli animali, i batteri decompositori specializzati avviano un processo chiamato ammonificazione, per riconvertirli in ammoniaca e sali di ammonio solubili in acqua. Dopo che i nutrienti sono stati riconvertiti in ammoniaca, i batteri anaerobici li riconvertiranno in azoto gassoso, durante un processo chiamato denitrificazione.
La denitrificazione avviene secondo la seguente reazione:
NO3- + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Finalmente, l’azoto viene rilasciato nuovamente nell’atmosfera. L’intero processo ricomincia dopo il rilascio.
Una rappresentazione schematica del ciclo dell’azoto è mostrata qui:
L’azoto come fattore limitante
Anche se i processi di conversione dell’azoto si verificano spesso e vengono prodotte grandi quantità di nutrienti per le piante, l’azoto è spesso un fattore limitante per la crescita delle piante. L’acqua che scorre sul terreno causa questo errore. I nutrienti azotati sono solubili in acqua e di conseguenza vengono facilmente drenati, per cui non sono più disponibili per le piante.
La reazione annamox
Nel 1999 i ricercatori del Gist-Brocades di Delft, Paesi Bassi, hanno scoperto una nuova reazione da aggiungere al ciclo dell’azoto; la cosiddetta reazione annamox. Ora si è scoperto che si verifica anche nel Mar Nero. La reazione implica la conversione del nitrito e dell’ammonio in azoto puro (N2), che poi sfugge nell’atmosfera. Il meccanismo di reazione è innescato da un batterio appena scoperto, chiamato Brocadia anammoxidans. Questo sembra essere un batterio compartimentato; all’interno della membrana cellulare si possono trovare due compartimenti che sono anche circondati da una membrana, un fenomeno molto raro. I prodotti intermedi della reazione includevano idrossilammina e composti tossici di idrazina. Le membrane batteriche sono state trovate costituite da membrane mal permeabili, che si pensa funzionino da barriera per le idrazine prodotte all’interno della cellula. Questa scoperta ha conseguenze importanti, poiché altera l’intero contributo degli oceani al bilancio dell’azoto.