วัฏจักรของไนโตรเจน

วัฏจักรของไนโตรเจน

                                                  วัฎจักรไนโตรเจน

         วัฏจักรของไนโตรเจนมีความซับซ้อนมาก แม้ว่าสิ่งมีชีวิตทั้งหลายจะอาศัยอยู่ในสภาพแวด
ล้อมที่มีไนโตรเจนอยู่ถึง 79% แต่มีสิ่งมีชีวิตเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้น ที่สามารถใช้ได้โดยตรง
ในรูปของแก๊ส

           ไนโตรเจนเป็นธาตุที่จำเป็นในการสร้างโปรโตพลาสซึมของสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่ง โดยจะ
เป็นส่วนประกอบสำคัญของโปรตีน วัฏจักรของไนโตรเจนมีความซับซ้อนมากกว่าคาร์บอน
แหล่งสะสมของไนโตรเจนอยู่ในบรรยากาศ เช่น เดียวกับคาร์บอน ปริมาณไนโตรเจนใน
บรรยากาศมีสูงถึงร้อยละ 79 ของอากาศทั้งหมด สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่จะไม่สามารถนำ N₂
ในบรรยากาศไปใช้ได้โดยตรง แต่จะใช้ได้เมื่ออยู่ในสภาพสารประกอบ เช่น แอมโมเนีย
ไนไตรต์ และไนเตรต ดังนั้นแหล่งสะสมที่แท้จริงของไนโตรเจนจึงอยู่ในสภาพสารอินทรีย์
เช่น ยูเรีย โปรตีน กรดนิวคลีอิค ธาตุไนโตรเจนในบรรยากาศจึงจำเป็นต้องถูกเปลี่ยนรูป
ให้อยู่ในสภาพที่สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่จะใช้ได้ ซึ่งเกิดโดยขบวนการตรึงไนโตรเจน (nitrogen
fixation) นอกจากนี้ ในวัฏจักรของไนโตรเจนยังมีขบวนการอื่นๆ อีก 3 ขบวนการที่สำคัญ
คือ ammonification, nitrification และ denitrification ขบวนการตรึงไนโตรเจน
(nitrogen fixation) เป็นการเปลี่ยนแก๊สไนโตรเจนจากอากาศให้อยู่ในสภาพของ
แอมโมเนียหรือไนเตรตซึ่งพืชนำไปใช้ได้้ ซึ่งเกิดขึ้นได้ 3 วิธี คือ

1. เกิดโดยขบวนการ electrochemical fixation และ photochemical fixation
โดยปฏิกิริยาจากฟ้าแลบ ฟ้าผ่า สามารถตรึงไนโตรเจนเป็นไนเตรตได้ถึง 7.6 x 10⁶
เมตริกตัน/ปี

2. การตรึงไนโตรเจนโดยขบวนการทางชีววิทยา เกิดโดยการกระทำของสิ่งมีชีวิตซึ่งจะ
ได้ไนเตรตถึงปีละ 54 x 10⁶ เมตริกตัน สิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องในขบวนการนี้มีหลายกลุ่ม
คือ

2.1 symbiotic bacteria ได้แก่แบคทีเรียที่อาศัยในปมรากของพืชตระกูลถั่วหลายชนิด
ซึ่งปัจจุบันมีความสำคัญมาก และเป็นที่สนใจของนักวิจัยที่จะใช้จุลินทรีย์นี้ในการตรึง
ไนโตรเจนแก่พืชแทนการใส่ปุ๋ย แบคทีเรียนี้ส่วนใหญ่อยู่ในสกุล Rhizobium ซึ่งแต่ละชนิด
จะมีความเฉพาะเจาะจงในการอยู่ร่วมกับพืชพวกถั่วชนิดต่างๆ มาก

2.2 free – living nitrogen fixers ได้แก่แบคทีเรียพวก Azotobacter และ Clostridium
รวมทั้งสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินอีกหลายชนิด เช่น Nostoc และ Anabaena

3. การตรึงไนโตรเจนโดยการสังเคราะห์ทางอุตสาหกรรม ซึ่งจะได้ไนเตรตออกมาใช้ใน
สภาพของปุ๋ยปีละเป็นจำนวนมาก เช่น ปี พ.ศ.2511 มีมากถึง 30 x 10⁶ เมตริกตันและ
ปริมาณนี้จะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ แอมโมเนียและไนเตรตในสภาพที่ละลายน้ำได้จะถูกพืชนำ
ไปใช้สังเคราะห์กรดอะมิโนและโปรตีนเพื่อใช้สร้างเป็นโปรโตพลาสซึมของพืชต่อไป หรือ
ถ้าสัตว์กินพืช โปรตีนในพืชจะเปลี่ยนเป็นโปรตีนในสัตว์ เมื่อพืชและสัตว์ลงซากจะถูกย่อย
สลายให้กลายเป็นแอมโมเนีย หรือในสัตว์เองนั้น เมตาบอสิซึมของโปรตีนจะให้ของเสีย
ในรูปของยูเรียและของเสียพวกไนโตรเจนรูปอื่น ๆ เช่น กรดยูริค

 

ขบวนการย่อยสลายของกรดอะมิโน (ammonification)

ขบวนการย่อยสลายกรดอะมิโน (หรือโปรตีน) นี้เกิดโดยการกระทำของ ammonifying
bacteria เช่น Pseudomonas และ Proteus ขบวนการเปลี่ยนแปลงตอนนี้จึงเรียกว่า
ammonification ซึ่งหมายถึงการเปลี่ยนจากกรดอะมิโน หรือโปรตีนในซาก หรือในของ
เสียให้เป็นแอมโมเนีย

ขบวนการ nitrificaltion

  

             สิ่งขับถ่ายจากสัตว์ รวมทั้งซากของพืชและสัตว์ในสภาพของแอมโนเนียจะถูกไนโตรท์
แบคทีเรีย เช่น nitrosomonas เปลี่ยนไปเป็นไนไตรท์ และไนไตรท์เองจะถูกไนเตรต
แบคทีเรีย เช่น nitrobacter เปลี่ยนเป็นไนเตรตต่อไป ขบวนการเปลี่ยนแอมโมเนียไป
เป็นไนไตรท์และไนเตรตนี้เรียกว่า nitrification

ขบวนการ denitrification

       ไนเตรตนี้จะถูกพืชนำไปใช้ได้โดยตรง และในที่สุดจะถูกสร้างไปเป็นกรดอะมิโน และ
โปรตีนในพืชใหม่ จากนี้จะมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อเป็นไนโตรเจนในบรรยากาศได้ใหม่
โดยการกระทำของ denitrifying bacteria เช่น Pseudomonas, Thiobacillus
โดยการกระทำของ Micrococcus denitrificans การเปลี่ยนแปลงจากไนไตรท์และ
ไนเตรตไปเป็นก๊าซไนโตรเจนในบรรยากาศใหม่นี้เรียกว่า denitrification

จากวัฎจักรของไนโตรเจนนี้เห็นได้ว่า แก๊สไนโตรเจนจะมีการเปลี่ยนแปลงรูปและนำ
ไปใช้ในระบบนิเวศในสภาพของสารประกอบชนิดต่างๆ และในที่สุดจะกลับคืนมาเป็น
แก๊สไนโตรเจนตามเดิม ซึ่งในแต่ละขั้นตอนของการเปลี่ยนแปลงจำเป็นต้องอาศัยแบค
ทีเรียและจุลินทรีย์มากชนิด จึงจะทำให้เกิดสมดุลของการหมุนเวียนแร่ธาตุเหล่านี้ได้

วัฏจักรคาร์บอน

วัฏจักรคาร์บอน เป็นวัฏจักรชีวธรณีเคมี ซึ่งคาร์บอนถูกแลกเปลี่ยนระหว่างสิ่งมีชีวิต, พื้นดิน, น้ำและบรรยากาศของโลกคาร์บอนเป็นธาตุสำคัญธาตุหนึ่งของสิ่งมีชีวิต เป็นองค์ประกอบประมาณ 50%ของเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต และในรูปคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งมีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช การหมุนเวียนของคาร์บอนในระบบนิเวศแบ่งได้เป็น 3 แบบ ตามระยะเวลาที่ใช้ในการหมุนเวียนให้ครบรอบคือ ระยะสั้น ระยะกลางและระยะยาว

คาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักของสารอินทรีย์ทั้งหมด ดังนั้นวัฏจักรคาร์บอนจึงเกิดควบคู่กับวัฏจักรพลังงานในระบบนิเวศ

        การสังเคราะห์ด้วยแสงโดยพืช สาหร่าย แพลงก์ตอนพืชและแบคทีเรีย ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และให้ผลผลิตเป็นคาร์โบไฮเดรตในรูปน้ำตาลและเมื่อมีการหายใจ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปลดปล่อย
ออกสู่บรรยากาศอีกครั้ง แม้ว่าในบรรยากาศจะมีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพียง 0.03% แต่การสังเคราะห์ด้วย แสงใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศไปถึง 1 ใน 7 ในขณะเดียวกันก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จาก
การหายใจก็ชดเชยส่วนที่หายไปคืนสู่บรรยากาศ ทำให้ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศคงที่ ตลอดเวลา

            ในแต่ละฤดูกาล ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มีความเข้มข้นต่ำที่สุดในช่วงฤดูร้อนในซีกโลกเหนือและสูงสุดในช่วงฤดูหนาว ทั้งนี้เนื่องจากใน
ซีกโลกเหนือมีแผ่นดินซึ่งมีพืชพรรณ และมีอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงเพิ่มสูงในฤดูร้อน และมีอัตราการ หายใจเพิ่มในฤดูหนาวนั่นเอง

นอกจากนั้น คาร์บอนยังอยู่ในรูปของสารอินทรีย์ในสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน กรดนิวคลีอิก ฯลฯ ปริมาณคาร์บอนส่วนนี้หมุนเวียนในระบบนิเวศผ่านห่วงโซ่อาหาร จากผู้ผลิตไปสู่
ผู้บริโภคระดับต่างๆ เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงผู้ย่อยสลาย เช่น ราและแบคทีเรียจะย่อยสลายคาร์บอนเหล่านี้ ให้กลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ อัตราความเร็วในการหมุนเวียนในวัฏจักรของคาร์บอนแตกต่างกันไป
ตามชนิดของสารอินทรีย์ เช่นคาร์บอนในเนื้อสัตว์สามารถถูกกินและส่วนที่เหลือถูกย่อยสลายกลับสู่ระบบ นิเวศ ได้เร็วกว่าคาร์บอนที่อยู่ในเนื้อไม้ซึ่งมีความคงทน

ภายใต้สภาวะพิเศษบางอย่างสารอินทรีย์ที่คงอยู่ในซากพืชซากสัตว์ที่ทับถมกันเป็นเวลานานๆ อาจกลายเป็นถ่านหินหรือปิโตรเลียม ซึ่งจะคงอยู่ในสภาพนั้นใต้ผิวโลกเป็นเวลาหลายล้านปี จนกว่าจะมีการขุดเจาะนำขึ้นมา

               การเผาไหม้ (combusion) สารอินทรีย์ เช่น ไม้ ถ่านหินและปิโตรเลียมเปลี่ยนคาร์บอนให้เป็นก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศได้อย่างรวดเร็วมาก ก๊าซคาร์ไดออกไซด์จากการเผาไหม้ในโรงงาน
อุตสาหกรรมและจากรถยนต์อาจทำให้ปริมาณก๊าซชนิดนี้ในบรรยากาศเพิ่มสูงขึ้น ปริมาณก๊าซซึ่งรักษา ระดับคงที่มาเป็นเวลาหลายพันล้านปีอาจเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วภายในเวลาไม่กี่ปี และทำให้วัฏจักร
คาร์บอนในระบบนิเวศไม่สมดุลอีกต่อไป

         อย่างไรก็ตาม ยังมีคาร์บอนปริมาณมากอีกส่วนหนึ่งสะสมไว้ในน้ำ เมื่อก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศละลายน้ำหรือถูกชะล้างด้วยฝน และกลายเป็นกรดคาร์บอนิก (carbonic acid หรือ H 2 CO 3 )  กรดนี้สามารถทำปฏิกิริยากับแร่หินปูนหรือแคลเซียมคาร์บอเนต (calcium carbonate หรือ CaCO 3 )ซึ่งมีมากมายในน้ำโดยเฉพาะในมหาสมุทรเกิดเป็นไบคาร์บอเนต (bicarbonate หรือ HCO 3 – ) และ คาร์บอเนต (carbonate หรือ (CO 3 )2-) แพลงก์ตอนพืชในทะเล สามารถใช้ไบคาร์บอเนตได้โดยตรงและเปลี่ยนคาร์บอนกลับเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ด้วยการหายใจอย่างช้าๆ กระนั้นก็ตามมหาสมุทร
ก็มีคาร์บอนสะสมไว้มากถึง 50 เท่าของคาร์บอนในบรรยากาศและยังสามารถดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศไว้ในรูปของ                   ไบคาร์บอเนตได้อีกบางส่วน มหาสมุทรจึงช่วยรักษาสมดุลของวัฏจักรคาร์บอนได้ ในระดับหนึ่ง

                                         

วัฏจักรของน้ำ

                    วัฏจักรของน้ำ (water cycle) หรือชื่อในทางวิทยาศาสตร์ว่า วัฏจักรของอุทกวิทยา (hydrologic cycle) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำระหว่าง ของเหลว ของแข็ง และ ก๊าซ. ในวัฏจักรของน้ำนี้ น้ำจะมีการเปลี่ยนแปลงสถานะไปกลับ จากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง อย่างต่อเนื่อง ไม่มีสิ้นสุด ภายในอาณาจักรของน้ำ (hydrosphere) เช่น การเปลี่ยนแปลงระหว่าง ชั้นบรรยากาศ น้ำพื้นผิวดิน ผิวน้ำ น้ำใต้ดิน และ พืช. กระบวนการเปลี่ยนแปลงนี้ สามารถแยกได้เป็น 4 ประเภทคือ การระเหยเป็นไอ (evaporation) , หยาดน้ำฟ้า (precipitation) , การซึม (infiltration) , และ การเกิดน้ำท่า (runoff).

• การระเหยเป็นไอ (evaporation) เป็นการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำบนพื้นผิวไปสู่บรรยากาศ ทั้งการระเหยเป็นไอ (evaporation) โดยตรง และจากการคายน้ำของพืช (transpiration) ซึ่งเรียกว่า evapotranspiration

• หยาดน้ำฟ้า (precipitation) เป็นการตกลงมาของน้ำในบรรยากาศสู่พื้นผิวโลก โดยละอองน้ำในบรรยากาศจะรวมตัวกันเป็นก้อนเมฆ และในที่สุดกลั่นตัวเป็นฝนตกลงสู่ผิวโลก รวมถึง หิมะ และ ลูกเห็บ

• 
  การซึม (infiltration) จากน้ำบนพื้นผิวลงสู่ดินเป็นน้ำใต้ดิน อัตราการซึมจะขึ้นอยู่กับประเภทของดิน หิน และ ปัจจัยประกอบอื่นๆ น้ำใต้ดินนั้นจะเคลื่อนตัวช้า และอาจไหลกลับขึ้นบนผิวดิน หรือ อาจถูกกักอยู่ภายใต้ชั้นหินเป็นเวลาหลายพันปี โดยปกติแล้วน้ำใต้ดินจะกลับเป็นน้ำที่ผิวดินบนพื้นที่ที่อยู่ระดับต่ำกว่า ยกเว้นในกรณีของบ่อน้ำบาดาล

• น้ำท่า (runoff) หรือ น้ำไหลผ่านเป็นการไหลของน้ำบนผิวดินไปสู่มหาสมุทร น้ำไหลลงสู่แม่น้ำและไหลไปสู่มหา
  สมุ
• ทร ซึ่งอาจจะถูกกักชั่วคราวตาม บึง หรือ ทะเลสาบ ก่อนไหลลงสู่มหาสมุทร น้ำบางส่วนกลับกลายเป็นไอก่อนจะไหลกลับลงสู่มหาสมุทร

ตัวการที่ทำให้เกิดการหมุนเวียนของน้ำ 

1. ความร้อนจากดวงอาทิตย์ ทำให้เกิดการระเหยของน้ำจากแหล่งน้ำต่าง ๆ กลายเป็นไอน้ำขึ้นสู่บรรยากาศ2. กระแสลม ช่วยทำให้น้ำระเหยกลายเป็นไอได้เร็วขึ้น3. มนุษย์และสัตว์ ขับถ่ายของเสียออกมาในรูปของเหงื่อ ปัสสาวะ และลมหายใจออกกลายเป็นไอน้ำสู่บรรยากาศ4. พืช รากต้นไม้เปรียบเหมือนฟองน้ำ มีความสามารถในการดูดน้ำจากดินจำนวนมากขึ้นไปเก็บไว้ในส่วต่าง ๆ ทั้งยอด กิ่ง ใบ ดอก ผล และลำต้น แล้วคายน้ำสู่บรรยากาศ ไอเหล่านี้จะควบแต่นและรวมกันเป็นเมฆและตกลงมาเป็นฝนต่อไป

ปริมาณน้ำที่ระเหย ปริมาณน้ำที่ตกลงมา 

จากมหาสมุทร 84%ในมหาสมุทร 77%จากพิ้นดิน 16%บนพื้นดิน 23%รวม 100%