नाइट्रोजन चक्र
समशीतोष्ण क्षेत्र में N का सस्ता स्रोत फसल अवशेष है। उष्णकटिबंधीय मिट्टी (tropical soils) में, कुल N सामग्री 0.03 - 0.1 % है। वर्षा भी N का स्रोत है, 4.6 किलो N / हेक्टेयर प्राप्त होता है (4.6 kg of N / ha is received $\text{ha}^{-1}\text{ yr}^{-1}$)। इसे बिजली के दौरान $\text{NO}_3$ में परिवर्तित दिया जाता है, कार्बनिक पदार्थों का जुड़ना और मृदा कार्बनिक पदार्थ अन्य प्रमुख स्रोत हैं।
नाइट्रोजन नाइट्रोजन का एक अनिवार्य घटक है और पौधे के चयापचय में महत्वपूर्ण शारीरिक महत्व के अन्य गैर-नाइट्रोजन यौगिकों का भी है। यह प्रकाश संश्लेषण का एक अभिन्न अंग है, जो प्रकाश संश्लेषण के लिए आवश्यक प्रकाश ऊर्जा का प्राथमिक ग्राही है। नाइट्रोजन प्रबल कायिक वृद्धि भी प्रदान करता है और P, K और अन्य तत्वों के उपयोग को नियंत्रित करता है।
| अकार्बनिक रूप N | मिट्टी के कार्बनिक रूप (Organic forms of soil) |
|---|---|
| 1. अमोनियम (Ammonium) $\text{NH}_4^+$ 2. नाइट्राइट $\text{NO}_2^-$ 3. नाइट्रेट $\text{NO}_3^-$ 4. मौलिक N ($\text{N}_0$) | एमाइड रूप (Amide form) ($\text{NH}_2$) पौधा N को दोनों रूपों में अवशोषित करता है: $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$ |
खनिजकरण (Mineralization) माइक्रोबियल अपघटन के परिणामस्वरूप कार्बनिक N का $\text{NH}_4^+$ में रूपांतरण (conversation of organic N to $\text{NH}_4^+$) है। तापमान में वृद्धि के साथ खनिजकरण बढ़ता है और पर्याप्त, हालांकि अत्यधिक नहीं, मिट्टी की नमी और $O_2$ की अच्छी आपूर्ति द्वारा बढ़ाया जाता है। कार्बनिक N के खनिजकरण में दो प्रतिक्रियाएं (two reactions) शामिल हैं:
नाइट्रोजन का अम्लीय मिट्टी और एमाइन, अमीनो एसिड (amino acids) और यूरिया की रिहाई को अमीनाइजेशन कहा जाता है।
नाइट्रोजन → (बैक्टीरिया, कवक, $\text{H}_2\text{O}$ / Bacteria, Fungi, $\text{H}_2\text{O}$) → $\text{R - C - COOH (NH}_2\text{) (अमीनो एसिड / Amino acid)} + \text{R NH}_2\text{ (एमाइन / amines)} + \text{CO (NH}_2\text{)}_2\text{ (यूरिया / Urea)} + \text{CO}_2 + \text{ऊर्जा}$
नाइट्रोजन के मृदा कार्बनिक पदार्थेटिक पाचन द्वारा कार्बनिक पदार्थों के नाइट्रोजन में प्रारंभिक चरण अमीनो एसिड जैसे पेप्टोन और अमीनो एसिड में होता है। एरोबिक प्रोटोलिसिस के तहत प्रमुख अंतिम उत्पाद $\text{CO}_2$, $\text{(NH}_4\text{)}_2\text{SO}_4$ और $\text{H}_2\text{O}$ हैं। अवायवीय परिस्थितियों के तहत अंतिम उत्पाद अमोनिया, एमाइड्स, $\text{CO}_2$ और $\text{H}_2\text{S}$ हैं।
कार्बनिक यौगिक और नाइट्रोजन मुख्य रूप से स्यूडोमोनास, बेसिली, क्लॉस्ट्रिडियम, सेरोटिया, माइक्रोकोकस की विभिन्न प्रजातियों द्वारा विघटित होते हैं।
आमतौर पर तटस्थ और सोडिक मिट्टी (neutral and sodic soils) में, बैक्टीरिया सक्रिय होते हैं और अम्लीय मिट्टी (acidic soils) में कवक सक्रिय होते हैं।
यूरिया अमोनाइजेशन का एक उत्पाद है। नाइट्रोजन की क्रिया द्वारा यूरिया का हाइड्रोलिसिस बेसिली माइक्रोकोकस, स्यूडोमोनास, क्लॉस्ट्रिडियम, एरोमोबैक्टर (Aeromobactor) और कोरीने बैक्टर द्वारा प्रभावित होता है।
$\text{Co(NH}_2\text{)}_2 + \text{H}^+ + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NH}_4^+ + \text{HCO}_3^-$
$\text{NH}_4^+ \rightleftharpoons \text{NH}_3 + \text{H}^+$
$2\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{CO}_3 \rightarrow \text{(NH}_4\text{)}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{NH}_4^+ + \text{CO}_3^{2-}$
इन प्रतिक्रियाओं के लिए इष्टतम $\text{H}_2\text{O}$ धारण क्षमता (optimum $\text{H}_2\text{O}$ holding capacity) 50 - 75 है और इष्टतम तापमान 30 - 50°C है।
$\text{NH}_4$ का उपयोग सूक्ष्मजीवों और उच्च पौधों की जड़ों द्वारा किया जा सकता है। निकाली गई कुछ $\text{NH}_3$ (released $\text{NH}_3$) क्ले विशेष रूप से इलिट द्वारा तय की जाती है। एक बड़ा हिस्सा नाइट्रेट रूप में ऑक्सीकृत हो जाता है। दूसरी प्रतिक्रिया में $\text{NO}_2^-$ नाइट्रोबैक्टर द्वारा $\text{NO}_3^-$ में और ऑक्सीकृत हो जाता है।
$2 \text{NO}_2^- + \text{O}_2 \rightarrow 2 \text{NO}_3^-$
"स्थिरीकृतीकरण अकार्बनिक N ($\text{NH}_4^+$ या $\text{NO}_3^-$) को कार्बनिक N में परिवर्तित करने की प्रक्रिया है और यह मूल रूप से N खनिजकरण का उल्टा है"।
सूक्ष्मजीव $\text{NH}_4\text{-N}$ और $\text{NO}_3\text{-N}$ को अम्लीय मिट्टी, न्यूक्लिक एसिड (nucleic acid) और अन्य परिसरों के रूप में जमा करते हैं। यदि C:N अनुपात (C:N ratio) 30 से अधिक है, तो यह स्थिरीकृतीकरण (immobilization) का पक्ष लेता है और न्यून C:N अनुपात खनिजकरण को प्रोत्साहित करता है।
N कारक अकार्बनिक नाइट्रोजन की इकाइयों की संख्या है जो प्रत्येक 100 इकाइयों के नाइट्रोजन के तहत स्थिरीकृत होती है। नाइट्रोजन कारक के लिए औसत मूल्य 0.1 या उससे न्यून (<) से 1.3 तक भिन्न (vary) होते हैं।
"कार्बनिक N के अमीनाइजेशन के दौरान उत्पादित एमाइन और अमीनो एसिड (Amines and Aminoacids produced) अन्य हेटरोट्रोफ द्वारा $\text{NH}_4^+$ की रिहाई के साथ (with release of $\text{NH}_4^+$) विघटित हो जाते हैं, जिसे अमोनिफिकेशन (Ammonifcation) कहा जाता है।"
$\text{R-NH}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{R-OH} + \text{ऊर्जा}$
$\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$
नाइट्रिफिकेशन जैविक ऑक्सीकरण की प्रक्रिया है जिसके द्वारा N का $\text{NH}_4$-Cal रूप N के नाइट्रेट रूप में परिवर्तित हो जाता है। दो चरण हैं $\text{NH}_4$ पहले $\text{NO}_2^-$ में और फिर $\text{NO}_3^-$ में परिवर्तित होता है।
$2\text{NH}_4^+ + 3\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Nitrosomonas}} 2 \text{NO}_2^- + 2 \text{H}_2\text{O} + 4 \text{H}^+$
नाइट्रोसोमोनास बाध्यकारी ऑटोट्रोपिक बैक्टीरिया हैं जो अपनी ऊर्जा N के ऑक्सीकरण से और अपना C $\text{CO}_2$ से प्राप्त करते हैं। अन्य ऑटोट्रोफिक बैक्टीरिया नाइट्रोसोलोबस, नाइट्रोस्पिरा और नाइट्रोसो विब्रियो और कुछ हद तक हेटरोट्रोफिक बैक्टीरिया भी $\text{NH}_4^+$ और अन्य N न्यून करने वाले यौगिकों को $\text{NO}_3^-$ में ऑक्सीकृत कर सकते हैं।
मिट्टी से N का प्रमुख नुकसान (major losses of N from the soil) (1) फसल हटाने और निक्षालनिंग के कारण होता है, हालांकि कुछ शर्तों के तहत अकार्बनिक N आयनों को गैसों में परिवर्तिता जा सकता है और वायुमंडल में खो सकता है।
गैसीय N नुकसान के प्राथमिक मार्ग हैं:
विनाइट्रीकरण गैसीय N के लिए $\text{NO}_3\text{-N}$ या $\text{NO}_2\text{-N}$ की जैव रासायनिक न्यूनी है, या तो आणविक नाइट्रोजन या नाइट्रोजन के ऑक्साइड के रूप में। सबसे संभावित जैव रासायनिक मार्ग है:
$\text{NO}_3$ → $\text{NO}_2$ → $\text{NO}$ → $\text{N}_2\text{O}$ → $\text{N}_2$
जैविक प्रक्रिया में आसानी से उपयोग करने निर्माण / तैयारी्य कार्बनिक रूपों में मौलिक नाइट्रोजन का रूपांतरण। वर्मीक्यूलाइट और इलिट क्ले खनिजों के विस्तारित जाली में इंटरलेयर धनायनों के लिए $\text{K}^+$ या $\text{Na}^+$ के प्रतिस्थापन द्वारा $\text{NH}_4^+$ को ठीक करने में सक्षम हैं। $\text{NH}_4$ आयन की त्रिज्या (radius of $\text{NH}_4$ ion) 0.143°A, $\text{K}^+$ आयन 0.133°A है। चूंकि $\text{NH}_4$ और $\text{K}$ में न्यूनोबेश समान आवेश होता है, वे विनिमय साइटों में आसानी से एक दूसरे को परिवर्तित देते हैं।
यदि मिट्टी में अधिक कार्बनिक पदार्थ हैं तो $\text{NH}_4$ एक जटिल के रूप में लॉक हो जाएगा। इन परिसरों को चेलेट्स कहा जाता है। यह आणविक टूटने के बाद ही पोषक तत्वों को छोड़ता है। विनाइट्रीकरण के लिए जिम्मेदार संकाय एरोबिक बैक्टीरिया स्यूडोमोनास, बेसिलस, पोरोकोकस हैं। यह मिट्टी की बनावट (texture of soil) पर भी निर्भर करता है। भारी क्ले मिट्टी (heavy clay soils) में अतिरिक्त नाइट्रोजन का नुकसान (loss is upto 50% of added fertilizer) 50% तक होता है।
यह रासायनिक न्यूनी के कारण है। यदि एमाइड (या) N के $\text{NH}_4$ रूप वाले रासायनिक उर्वरक (chemical fertilizer containing amide or $\text{NH}_4$ form of N) को जोड़ा जाता है, तो इसे मौलिक N में ऑक्सीकृत किया जा सकता है और खो सकता है।
$2\text{NHO}_2 + \text{CO(NH}_2\text{)}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 3\text{H}_2\text{O} + 2\text{N}_2$
मिट्टी - पौधे - वायुमंडल प्रणाली में N के चक्रण (cycling of N in the soil – plant – atmosphere system) में अकार्बनिक और कार्बनिक रूपों के बीच N के कई परिवर्तन / रूपांतरण शामिल हैं।
N चक्र को इसमें विभाजित किया जा सकता है:
1. पौधे और जानवरों के अवशेषों में N और वायुमंडल से विद्युत, दहन, जैविक और औद्निर्माण / तैयारीिक प्रक्रिया के माध्यम से प्राप्त N मिट्टी में जोड़ा (added to the soil) जाता है।
2. अवशेषों में N अवशेष नाइट्रोजन के अंतिम उत्पाद के रूप में मिट्टी के जीवों (soil organisms) द्वारा $\text{NH}_4$ के रूप में जुटाया जाता है, पौधों की जड़ें $\text{NH}_4$ के एक हिस्से को अवशोषित (absorb a portion of the }\text{NH}_4\text{) करती हैं।
3. अधिकांश $\text{NH}_4$ को नाइट्रिफिकेशन नामक प्रक्रिया में नाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया द्वारा $\text{NO}_3^-$ में परिवर्तित (converted to }\text{NO}_3^-\text{) किया जाता है।
4. $\text{NO}_3$ पौधों की जड़ों द्वारा ले लिया जाता है और फसलों में नाइट्रोजन का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया जाता है जो मनुष्यों द्वारा खाया जाता है या लाइव स्टॉक को खिलाया जाता है।
5. पेरकुलेटिंग $\text{H}_2\text{O}$ में मिट्टी के माध्यम से नीचे की ओर गति (downward movement through the soil in perculating }\text{H}_2\text{O}\text{) के परिणामस्वरूप कुछ $\text{NO}_3$ जमीन $\text{H}_2\text{O}$ या जल निकासी प्रणालियों (ground }\text{H}_2\text{O}\text{ or drainage systems) में खो जाता है।
6. कुछ $\text{NO}_3$ विनाइट्रीफाइंग बैक्टीरिया द्वारा $\text{N}_2$ और $\text{N}_2\text{O}$ में परिवर्तित किया जाता है जो वायुमंडल में भाग जाते हैं, पूरी तरह से चक्र।
नाइट्रोजन चक्र
| जीव | गुण | सक्रिय स्थान (Active location) |
|---|---|---|
| एज़ोटोबैक्टर (Azotobacter) | एरोबिक, मुक्त रहने वाले (Aerobic, free living) | मिट्टी, पानी, राइजोस्फीयर, पत्ती की सतह (Soil, water, rhizosphere, leaf surface) |
| एज़ोस्पिरिलम (Azospirillum) | माइक्रो एरोबिक राइजोबैक्टीरिया; मुफ्त फिक्सर | राइजोस्फीयर में मुक्त रहने वाले; अनाज की जड़ों का उपनिवेशण करें और फाइटोटोनिक प्रभाव भी देता है |
| राइजोबियम | सहजीवी (Symbiotic) | फलियों के जड़ नोड्यूल्स |
| एक्टिनोमाइसेट्स, फ्रेंकिया, बेजेरिनकिया (Actinomycetes, Frankia, Beijerinckia) | सहजीवी | गैर-फलीदार वन वृक्ष की जड़ें, पत्ती की सतह |
| सायनोबैक्टीरिया | फोटो ऑटोट्रोफिक एनाबेना - सहजीवी (Photo autotrophic Anabaena - symbiotic) | आर्द्रभूमि बाढ़ के पानी में; अज़ोला के साथ एनाबेना का सहयोग (In wetland flood water; Anabaena associate with Azolla) |
सहजीवन मेजबान पौधे और बैक्टीरिया के बीच पारस्परिक रूप से लाभकारी संबंध है। एसोसिएशन का स्थान जड़ या तने के नोड्यूल में, गुहाओं के अंदर, या पौधों के ऊतकों को उपनिवेश और घुसने से है।
फलियां और राइजोबियम और ब्रैडीराइजोबियम के बैक्टीरिया कृषि मिट्टी (agricultural soils) में निश्चित N (40-60%) का प्रमुख जैविक स्रोत प्रदान करते हैं। ये जीव जड़ के बालों और कॉर्टिकल कोशिकाओं को संक्रमित करते हैं, अंततः जड़ के नोड्यूल्स के गठन को प्रेरित करते हैं जो N निर्धारण की साइट के रूप में कार्य करते हैं। मेजबान पौधा बैक्टीरिया को ऊर्जा के लिए कार्बोहाइड्रेट की आपूर्ति करता है और बैक्टीरिया पौधे को निश्चित N यौगिक की आपूर्ति करके प्रतिदान करते हैं।
प्रभावी नोड्यूल्स प्राथमिक जड़ों पर क्लस्टर होते हैं और इनमें गुलाबी से लाल केंद्र होते हैं। नोड्यूल का लाल रंग लेगहीमोग्लोबिन की घटना के लिए जिम्मेदार है। उचित रूप से नोड्युलेटेड फली द्वारा निर्धारित N की मात्रा पौधे के विकास के लिए उपयोग किए जाने वाले कुल N का लगभग 75% औसतन (averages about 75%) है। BNF की मात्रा राइजोबियम स्ट्रेन, मेजबान पौधे और पर्यावरण के साथ भिन्न होती है।
गैर-फली वाली फसलों की उपज (Yield of non-legume crops) अक्सर बढ़ जाती है जब वे फलियों के बाद उगाई जाती हैं (जैसे सोयाबीन के बाद मक्का / e.g. maize after soybean)। अधिकतम N निर्धारण केवल तभी होता है जब उपलब्ध मिट्टी N न्यूनतम (available soil N is at a minimum) हो। जब N निर्धारण के लिए इष्टतम स्थितियां प्रबल नहीं होती हैं, तो एक फलीदार फसल मिट्टी के N को बहुत न्यून (deplete soil N greatly) कर सकती है, एक अनाज से अधिक, यदि उगाई गई फली को उसी मिट्टी में शामिल नहीं (not incorporated into the same soil) किया जाता है।
| फिक्सर | मेजबान संयंत्र |
|---|---|
| राइजोबियम | अल्फाल्फा, तिपतिया घास, मटर, बीन, सोयाबीन (Alfalfa, clover, peas, bean, soybean) |
| ब्रैडीराइजोबियम | ग्लिरिसिडिया, ल्यूसियाना, सेस्बानिया, मिमोसा, बबूल (Gliricidia, Leuceana, Sesbania, Mimosa, Acacia) लोबिया, मूंगफली, लाल चना |
जंगलों और आर्द्रभूमि में कैसुरीना जैसे एंजियोस्पर्म पेड़ों की कई प्रजातियों की जड़ें जीनस फ्रेंकिया के एक्टिनोमाइसेट्स (Actinomycetes of the genus Frankia) से संक्रमित होने पर अलग नोड्यूल्स बनाती हैं।
एज़ोस्पिरिलम, एज़ोटोबैक्टर और एज़ोरिज़ोबियम (Azospirillum, Azotobacter, and Azorhizobium), चावल, गेहूं, मक्का, ज्वार, बाजरा (rice, wheat, corn, sorghum, millets) जैसे अनाज में प्रमुख N फिक्सर, जड़ सतहों पर बढ़ सकते हैं और जड़ के ऊतकों में प्रवेश कर सकते हैं। जीव ऊर्जा के स्रोत के रूप में जड़ के एक्सयूडेट्स के कार्बोहाइड्रेट का उपयोग करते हैं। वे हार्मोनल क्रिया द्वारा फसल के विकास को भी प्रेरित करते हैं। जीव बेजेरिनकिया उष्णकटिबंधीय पौधों की पत्ती की सतहों पर N को ठीक करता है।
एनाबेना ब्लू ग्रीन शैवाल (Anabaena blue green algae - साइनोबैक्टीरिया / Cyanobacteria) तैरते पानी के फर्न अज़ोला (floating water fern Azolla) के पत्तों में गुहाओं में निवास करते हैं और बेहतर राइजोबियम-फली परिसर (better Rhizobium-legume complex) के बराबर N की मात्रा को ठीक करते हैं। यह लगभग 30-105 किलोग्राम N / मौसम (30-105 kg N/ season) को ठीक कर सकता है जो चावल की 75% N आवश्यकता (75% N requirement of rice) का ख्याल रखता है।
आर्द्रभूमि बाढ़ के पानी में फोटोऑटोट्रॉफ़िक साइनोबैक्टीरिया स्वतंत्र रूप से प्रकाश संश्लेषण करते हैं और N को 20-30 किलोग्राम N / हेक्टेयर / वर्ष (20–30 kg N/ ha/ year) तक ठीक करते हैं। अतिरिक्त अमोनिया बाढ़ के पानी में उत्सर्जित होती है, जिसे चावल के पौधों द्वारा लाभकारी रूप से अवशोषित किया जाता है।
मुक्त रहने वाले हेटरोट्रॉफ़ बैक्टीरिया (Free-living heterotroph bacteria) जैसे एज़ोटोबैक्टर और बेजेरिनकिया (Azotobacter and Beijerinckia) एरोबिक अपलैंड मिट्टी (aerobic upland soils) में और अवायवीय आर्द्रभूमि मिट्टी (anaerobic wetland soils) में क्लॉस्ट्रिडियम प्रभावी ढंग से N को उन जेबों में ठीक करते हैं जहां $O_2$ की आपूर्ति सीमित ($O_2$ supply is limited) है। निर्धारण pH, मिट्टी के N स्तर (soil N level), और कार्बनिक पदार्थों के स्रोत पर निर्भर करता है।
व्यावसायिक रूप से उत्पादित N कृषि में पौधों के पोषक तत्व का सबसे महत्वपूर्ण स्रोत है। औद्निर्माण / तैयारीिक N निर्धारण हैबर-बॉश प्रक्रिया (Haber-Bosch process) द्वारा होता है, जिसमें $\text{H}_2$ और $\text{N}_2$ गैसें उच्च तापमान (1200°C / high temperature) और दबाव के तहत $\text{NH}_3$ बनाने के लिए प्रतिक्रिया (react to form }\text{NH}_3\text{) करती हैं। निर्जल $\text{NH}_3$ (Anhydrous $\text{NH}_3$) का सीधे नाइट्रोजन के रूप में उपयोग किया जा सकता है या ठोस रूपों के रूप में अन्य आयनों में जोड़ा जा सकता है।
अमोनिया (Ammonia) नाइट्रोजन के कारण मिट्टी, नाइट्रोजन और उद्निर्माण / तैयारीों (soils, manures, and industries) से वायुमंडल में भाग जाती है। कार्बनिक N यौगिक पृथ्वी की सतह से उठाई गई हवा की बारीक धूल में रहते हैं। वर्षा मिट्टी में $\text{NH}_3$, $\text{NO}_3^-$, $\text{NO}_2^-$, $\text{N}_2\text{O}$, और कार्बनिक N लाती है। वर्षा में $\text{NO}_3^-$ का लगभग 10 से 20% (About 10 to 20% of the $\text{NO}_3^-$ in the rainfall) बिजली की ऊर्जा द्वारा $\text{N}_2$ के निर्धारण (fixation of $\text{N}_2$ by energy of lightning) के कारण होता है।
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