Ciclo dell'azoto
L'azoto è un nutriente essenziale per la sopravvivenza degli organismi viventi. È l'elemento costitutivo delle proteine, del DNA e della clorofilla. La maggior parte degli atomi di azoto esiste sotto forma di coppie strettamente legate che formano lo stato gassoso (N2) che rappresenta il 78% dell'atmosfera. A dispetto dell'abbondanza di questo elemento, solo alcuni microrganismi sono in grado di scindere il potente triplo legame di N2, per utilizzarlo e trasformarlo in una forma più accessibile (azoto reattivo) come l'ammoniaca (NH3), il nitrato (NO3-) o l'azoto organico.
Il movimento dell'azoto attraverso l'atmosfera, la biosfera e la geosfera sotto diverse forme viene chiamato ciclo dell'azoto.
Fissazione dell'azoto
Il processo di conversione di N2 in azoto biologicamente disponibile e reattivo è chiamato fissazione dell'azoto. I tripli legami tra gli atomi di azoto di N2 rendono questo composto molto stabile. Solo alcuni organismi, detti azotofissatori, sono in grado di spendere l'energia necessaria per rompere il triplo legame di N2. Esempi di organismi azotofissatori sono i batteri dei generi Rhizobium, Azotobacter e Clostridium, oltre ad alcuni cianobatteri. Il Rhizobium crea una relazione simbiotica con le piante, in particolare con le leguminose (es. fagioli, trifoglio e piselli). I batteri si insediano stabilmente nei noduli delle radici delle piante e rilasciano azoto organico in cambio di carboidrati.
La fissazione dell'azoto può avvenire anche in modo abiotico (senza quindi la mediazione di organismi) attraverso fulmini, radiazioni cosmiche e incendi boschivi. In questi processi, l'N2 si lega all'ossigeno formando gli ossidi di azoto NO e NO2-. Questi ossidi di azoto si mescolano con la pioggia e cadono sulla superficie terrestre sotto forma di acido nitrico (HNO3).
Tuttavia gli esseri umani hanno contribuito all'introduzione nell'ambiente di composti azotati reattivi più di quanto abbiano fatto i processi naturali. Ciò è avvenuto attraverso i combustibili fossili e l'uso eccessivo di fertilizzanti azotati sintetici. La maggior parte dell'azoto prodotto dall'uomo, come i fertilizzanti azotati, è il risultato del processo Haber-Bosch.
Nitrificazione
La nitrificazione è la trasformazione dell'ammoniaca in nitrito (NO2-) e successivamente in nitrato (NO3-). La maggior parte dei processi di nitrificazione avviene in modo aerobico ed è eseguita esclusivamente da procarioti. I batteri nitrificanti e nitrosanti sono onnipresenti negli ambienti aerobici. Tra di essi ricordiamo i Nitrosomonas, Nitrosospira e Nitrosococcus, che ossidano l'ammoniaca in nitrito; e i Nitrobacter, Nitropinam, Nitrospira e Nitrococcus, che ossidano il nitrito in nitrato.
Il primo passaggio della nitrificazione coinvolge due diverse reazioni. Per prima cosa, un enzima chiamato ammonio monoossigenasi trasforma l'ammoniaca in idrossilammina. Successivamente un enzima detto idrossilammina ossidoreduttasi trasforma l'idrossilammina in nitrito.
Infine il nitrito ottenuto viene ulteriormente ossidato in nitrato da un composto ossidante di nitriti.
L'ossidazione dell'ammoniaca può avvenire anche in modo anaerobico. Questo processo è chiamato anammox (ossidazione anaerobica dell'ammoniaca) e avviene ad opera di batteri come il Brocadia anammoxidans.
Ammonificazione
I rifiuti azotati di piante e animali morti vengono trasformati in ammoniaca inorganica (NH3) da batteri e funghi mediante un processo chiamato ammonificazione. L'ammoniaca risultante può essere usata dalle piante per la crescita.
Denitrificazione
La denitrificazione è il processo che converte il nitrato in azoto gassoso, eliminando così l'azoto biodisponibile e restituendolo all'atmosfera.
Processo Haber-Bosch
Gli scienziati tedeschi Fritz Haber e Carl Bosch svilupparono un metodo per trasformare l'azoto atmosferico non reattivo in ammoniaca. Con questo metodo l'azoto dell'aria è direttamente combinato con l'idrogeno in condizioni di alta pressione e temperature elevate. Attualmente il processo Haber-Bosch permette di produrre circa 100 teragrammi (Tg) di azoto reattivo (35% dell'azoto reattivo totale) all'anno in tutto il mondo, la maggior parte dei quali vengono utilizzati per produrre fertilizzanti azotati.
Ciclo globale dell'azoto
La natura inerte di N2 limita la produttività primaria, come quella delle piante, all’interno di molti ecosistemi. L'aumento della popolazione umana può alterare il ciclo globale dell'azoto, cosa che influisce considerevolmente sulla biodiversità, sul riscaldamento globale, sulla qualità dell'acqua e sulla salute delle persone.