מחזור החנקן

מתוך אקו-ויקי, מקום מפגש בנושאי אקולוגיה, חברה וכלכלה.
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
תרשים מחזור החנקן

מחזור החנקן הוא מחזור ביוגאוכימי שמתאר את הגלגולים של חנקן ושל תרכובות חנקן בטבע. במחזור זה חיידקים ואצות בקרקע ובמים הופכים את החנקן האטמוספרי לתרכובות חנקן הזמינות לצמחים. הצמחים מאפשרים את זמינות תרכובות החנקן לבעלי החיים, ומשם המחזור ממשיך בתהליכים מחזוריים אל הקרקע ואל האטמוספירה.

האטמוספירה של כדור הארץ מורכבת מכ-78% חנקן (בצורה מולקולרית), דבר שהופך אותה למאגר החנקן הגדול ביותר בפלנטה. חנקן מעורב בתהליכים ביולוגיים רבים והוא מרכיב חיוני לחיים בכדור הארץ. הוא מצוי בכל חומצות האמינו, הוא מרכיב יסודי של חלבונים, והוא מצוי בבסיסים שמרכיבים את חומצות הגרעין של ה-DNA וה-RNA. חלק נכבד מהחנקן בצמחים משמשמש לייצור מולקולות כלורופיל החיוניות לתהליך הפוטוסינתזה.

קיבוע של חנקן הוא תהליך חיוני כדי להפוך את החנקן הגזי לתרכובות זמינות עבור יצורים חיים. חלק קטן מהקיבוע מתרחש בתהליכים פיזיקליים כמו ברקים והתפרצויות הרי געש שהופכים את החנקן לחנקה (NO2) הזמינה לצמחים. עם זאת, רוב הקיבוע מתרחש על ידי חיידקים חופשיים או סימביוטיים (כדוגמת סוגים במערכת הכחוליות (ציאנובקטריות), Rhizobia ו-Frankia) וכן על ידי אצות. חיידקים ואצות אלה הם בעלי האנזים ניטרוגנז אשר מאפשר להם לפרק את הקשר החזק בין אטומי החנקן ולהוסיף לחנקן מימן כדי ליצור אמוניה (NH3). האמוניה מומרת על ידי החיידקים לתרכובות אורגניות אחרות.

חלק מהחיידקים המקבעים חנקן כמו החיידק Rhizobium חיים בשורשים של קטניות (כמו שעועית או עדשים). הם יוצרים קשר סמביוזי עם הצמח ומייצרים אמוניה בתמורה לפחמימות. ניתן להעשיר אדמות בחנקן על ידי שתילה של קטניות או של מספר צמחים אחרים.

שאר הצמחים מקבלים את החנקן שלהם מהקרקע באמצעות מערכת השורשים שסופגת מהקרקע יוני ניטראט (NO3) או יוני אמוניום (NH4+). כל החנקן שמצוי אצל בעלי חיים מקורו באכילה של צמחים בשלב מסויים של שרשרת המזון.

הצמחים קולטים את החנקה ויוצרים ממנו חלבון. את החלבון הזה אוכלים בעלי-החיים וכך הוא הופך לחלבון מן החי. בעלי חיים וצמחים מתים מפורקים על-ידי מיקרואורגניזמים שהופכים את תרכובות החנקן שוב לחנקן שחוזר לאטמוספירה. כך, חוזר התהליך חלילה.

תהליכי משנה

ניטריפיקציה - נקרא בעברית חנקון. תהליך בו מתקבל ניטרט כאשר אמוניה מתחמצנת. התהליך דורש חמצן ומתבצע על ידי חיידקי קרקע אירוביים. חיידקים אלה הינם כימואוטוטרופיים המשתמשים באמוניה כמקור אנרגיה לקיבוע CO2 ליצירת חומר אורגני.

אמוניפיקציה - תהליך בו החנקן המצוי בתרכובות האורגניות שברקבוביות נעשה זמין לקליטה בשביל צמחים. התהליך מתבצע על ידי מיקרואורגניזמים שונים המפרקים בקרקע ועיקרו בפירוק חלבונים לחומצות אמיניות והרחקת הקבוצה האמינית(NH2) מהחומצות האמיניות. תהליך זה עשוי להתרחש בנוכחות או בהעדר חמצן (תלוי באורגניזם המבצע).

דניטריפיקציה - בתהליך זה החנקן שוב חוזר לאטמוספירה. באמצעות חיידקי קרקע אנאירוביים הניטרט חוזר שוב לחנקן מולקולרי. התהליך מתבצע כאשר אין חמצן משום שאז החיידקים משתמשים אך ורק בחמצן שמצוי במולקולת הניטרט כדי לנשום.

הפרעה אנושית במחזור הזרחן והחנקן

בני האדם מייצרים דשנים כימיים או שהם משתמשים בקומפוסט כדי לדשן גידולי חקלאות. לשני התהליכים יש השלכות אקולוגיות. ייצור דשנים כימיים דורש אנרגיה בכמות גדולה, וכיום הוא מכלה כמות גדולה של דלקים מחצביים. הזרמים הדשנים בכמות גדולה מידי לקרקע גורמת לתופעות לוואי שונות כמו המלחת הקרקע או מי התהום.

הפרעות אנושיות למחזור החנקן ולזרימות הזרחן בקנה מידה מקומי עד איזורי הובילו לשינויים פתאומיים במערכות אקולוגיות של אגמים(Carpenter 2005) וימים. לדוגמה אנוקסיה בים הבלטי(Zillén et al. 2008).

אאוטריפיקציה (Eutrophication) היא תהליך בו נוצר מחסור בחמצן בגוף מים עקב התרבותן המהירה של אצות הצורכות את החמצן המומס במים. היא יכולה להיגרם על ידי זרמים של זרחן וחנקן שנכנסים לגופי מים, ואלו יכולים להזיז מערכות אקולוגיות ימיות מעבר לסף תגובה, ולגרום לשינוי פתאומי ולא לינארי. מערכת כזו יכולה לעבור ממים נקיים וצלולים למים עכורים. השינויים בין מצבים יציבים אלה תלויים בקשרים מורכבים בין זרמים של חנקן וזרחן וברקע הביוכימי של המערכת. הדרדרות של מערכות אקולוגיות שנגרמת על ידי גורמים אנושיים (לדוגמהדייג יתר, הרס קרקע) ועליה בזרמים של חנקן וזרחן בסקאלות אזוריות עד לרמה העולמית עלולה לגרום שינוי לא לינארי בלתי רצוי במערכות יבשתיות, מערכות מים מתוקים ומערכות מי ים. בו זמנית הם יכולים לתפקד כפקטור איטי שמשפיע על שינויי אקלים מעשה ידי אדם ברמה העולמית.

המחברים של המאמר גבולות פלנטריים לא יכולים לפסול את האפשרות שמחזורי החנקן והזרחן יהיו גבולות פלנטריים נפרדים בזכות עצמם. שניהם משפיעים, בדרכים מורכבות ובלתי לינאריות על מערכות אקולוגיות שמספקות תפקוד תומכי חיים לאדם ברמות האיזוריות, ולשניהם יש השפעות פלנטריות מצטברות ברמה הפלנטרית. דבר שהופך אותם למרכיב מפתח של Anthropocene. הסיבה להשאיר אותם כגבול אחד במאמר זה נובעת בעיקר מקשרי הגומלים הקרובים בין זרחן וחנקן כגורמי הזנה ביולוגים מרכזיים שגורמים לשינויים פתאומיים תת מערכות של כדור הארץ.

ההשפעה של בני האדם על מחזור החנקן היא משמעותית. כיום, בני אדם הופכים מולקולות N2 לצורות ראקטיביות של חנקן בקצב גדול יותר מאשר כל התהליכים היבשתיים הטבעיים גם יחד. המרות אנושיות של חנקן מתרחשות בעיקר על ידי 4 תהליכים: קיבוע תעשייתי של חנקן אטמוספרי N2 לאמוניה (כ-80 מיליוני טונות לשנה);קיבוע חקלאי של חנקן אטמוספרי N2 על ידי גידולי קטניות (כ-40 מיליוני טונות לשנה); שריפה של דלק מחצבי (כ-20 מיליוני טונות לשנה); ושריפה של ביומאסה (כ-10 מיליוני טונות לשנה); למרות שהמטרה הראשית של רוב החנקן הראקטיבי הזה היא לשם שיפור תנובת המזון על ידי דשן חלק גדול מהחנקן הראקטיבי מגיע בסופו של דבר לאיזורי חוף ולמקורות מים וגורם לזיהום, גורם לזיהום אוויר ומצטבר בביומאסה. מאמצים להקטין זיהום חנקן היו עד כה למרה מקומית והאיזורית בלבד. לדוגמה על ידי הגבלת ריכוזים של ניטרטים במי תהום או על ידי הגבלת פליטות של ניטראט-אוקסיד באיזורים עירוניים.

בעיות בריאות וסביבה

בעיות סביבתיות

יוני ניטראט הם מסיסים מאוד, ויכולים לכן להיכנס למי התהום. רמות גבוהות של ניטראט במי השתיה הם מקור לבעיות בריאותיות בגלל שניטראט יכול לשבש את רמות החמצן בדם של תינוקות וליצור מטהמגלובינמיה או תסמין התינוק הכחול.

כשמי התהום זורמים לנחלים, מים עשירים בניטראט יכולים לתרום לתהליך אטרופיקציה (Eutrophication) תהליך שמוביל לאוכלוסיות גדולות של אצות, ובעיקר אצות כחולות-ירוקות ולמוות של החיים הימיים עקב ביקוש יתר של חמצן. ניטארט, בניגוד, לאמוניה, אינה רעילה באופן ישיר לדגים, אבל היא יכולה לגרום לתופעות עקיפות עליהם אם היא תורמת לאטרופיקציה באופן זה. עודף ניטראט גרם לבעיות אטרופיקציה קשות בכמה גופים ימיים. נכון לשנת 2006, היישום של דישון בחנקות נתון לפיקוח הולך ומתהדק בבריטניה ובארצות הברית, כמו גם הפיקוח על דישון בפוספטים, פיקוח שנחשב לחיוני לשם הצלה של גופי מים מועשרים.

אמוניה היא חומר רעיל מאוד לחיות בים (ובאופן כללי) ובדרך כלל יש לפקח באופן הדוק על רמות האמוניה ממי שפכים של מכונים לטיהור מים. כדי למנוע פגיעה בדגים, מבצעים פעמים רבות ניטריפיקציה לפני שחרור המים. ניתן להשתמש בכך בתהליכים טבעיים או מכניים.

קישורים חיצוניים

חקלאות

רקע: ייצור ראשוני - מחזור הזרחן - מחזור החנקן - קרקע - ציידים לקטים - המהפכה החקלאית - המהפכה הירוקה - חקלאות תעשייתית - פריון חקלאי - שימושי קרקע - דשן - הומוס - צפיפות אוכלוסין פיזיולוגית - חקלאות בישראל

Contour buffer strips NRCS.jpg

אתגרי קיימות בחקלאות: בליית קרקע - מדבור - משבר המים העולמי - התחממות עולמית - חומרי הדברה - דשן כימי - שיא תפוקת הנפט - שיא תפוקת הזרחן - חקלאות כרות והבער - הנדסה גנטית - השפעות סביבתיות של מזון מהחי - ביטחון תזונתי - נעילה טכנולוגית

חקלאות בת קיימא: חקלאות בת קיימא - אגרואקולוגיה - פרמקלצ'ר - ביו אינטנסיב - טכנולוגיה נאותה - קומפוסט - שמירת זרעים - גידולים משולבים - סיעוף - יערנות חקלאית - קציר מי נגר - מזון אורגני - מזון מקומי - גינה קהילתית - חקלאות נתמכת קהילה - הקרן לביטחון תזונתי - תוכנית אב לחקלאות בת קיימא

ספרים וסרטים: התמוטטות - רובים חיידקים ופלדה - גבולות לצמיחה - תכנית ב' - עולם מלא, צלחות ריקות - מהפיכת הקנה הבודד - הסיוט של דרווין - מלך התירס - עתיד המזון - כוחה של קהילה