Lämmastikuringe

Lämmastikuringe on lämmastiku ja tema ühendite tsükliline liikumine eluta ja eluslooduse elementide vahel ökosüsteemis. 
Põhiline osa (umbes 78%) maakera atmosfäärist koosneb lämmastikust. Atmosfäärne lämmastik on bioloogiliselt piiratud kasutusega, põhjustades lämmastiku vajakajäämist erinevates ökosüsteemides. Lämmastikuringe pakub erilist huvi ökoloogidele, sest lämmastiku kättesaadavus mõjutab ökosüsteemide võtmeprotsesse, hõlmates primaarproduktsiooni ja lagunemist. Inimtegevus, nagu fossiilkütuste põletamine, lämmastikväetiste kasutamine ja lämmastiku eraldumine heitvette, on suurel määral aidanud kaasa lämmastiku dünaamilisele ringlemisele.
Reaktiivne lämmastik (rN) on bioloogiliselt kasutatav lämmastiku vorm. Nendeks on lämmastiku anorgaanilised redutseerunud ühendid (ammoniaak NH₃,  ammoonium NH₄⁺), anorgaanilised oksüdeerunud ühendid (NOₓ, HNO₃, N₂O ja NO₃⁻) ning orgaanilised ühendid (uurea, amiinid, proteiinid jt).
Õhus on vaba N₂ (lämmastik) kättesaadav vähestele bakteritele (näiteks mügarbakterid), kes on võimelised redutseerima lämmastikku ammooniumiks. Taimed ja suur osa mikroobe toituvad mineraalsetest lämmastikuühenditest (põhiliselt nitraatidest), orgaanilise aine lagunemisel vabanevaid ammoniaaki ja ammooniumiühendeid kasutavad taimed ja mikroorganismid. Seda orgaanilise aine lagundamise protsessi nimetatakse ammonifikatsiooniks. Suur osa orgaanilisi lämmastikuühendeid allub nitrifikatsioonile, oksüdeerudes nitraatideni, mis on kergesti taimede poolt omastatavad. Suure kontsentratsiooni korral nitraadid bioakumuleeruvad ja võivad saada ohtlikuks loomorganismidele.

Lämmastiku avastamine

1770. aastatel avastasid kolm üksteisest sõltumatut teadlast lämmastiku olemasolu. Nendeks olid Carl Wilhelm Scheele (Rootsi), Daniel Rutherford (Šotimaa) ja Antoine Lavoisier (Prantsusmaa). 19.sajandi teiseks pooleks oldi teadlikud, et lämmastik on levinud element nii taimsetes kui loomsetes kudedes ja on hädavajalik taimede kasvuks. Samuti teati, et toimub pidev ringlus orgaanilise ja anorgaanilise lämmastiku ühendite vahel ja et lämmastikuühendid on efektiivsed väetised põllumajanduses. Reaktiivse lämmastiku allikad olid aga teadmata. Arvati, et see tekib välgu tagajärjel ning seejärel sadeneb maapinnale. 1838. aastal avastati, et liblikõielised on võimelised tootma reaktiivset lämmastikku ja taastama mulla viljakust. 50 aastat hiljem leiti, et liblikõielistega sümbioosis elavad mikroobid on võimelised siduma lämmastikku. 19.sajandi lõpul olid teada olulisemad lämmastikuringe komponendid: osad mikroorganismid muudavad N₂ NH₄⁺-ks, teised muudavad NH₄⁺ NO₃-ks ja kolmandad NO₃⁻ tagasi N₂-ks .

Ökoloogiline funktsioon

Lämmastik on hädavajalik eluks Maal. Ta on komponendiks aminohapetes, proteiinides ja nukleiinhapetes, nagu RNA ja DNA. Taimedes kasutatakse lämmastikku klorofülli molekulides, mis on vajalikud fotosünteesiks ja edasiseks kasvuks. Kuigi Maa atmosfäär on suur lämmastikureservuaar, ei ole taimedel sellest suurt osa võimalik kasutada. Gaasilise lämmastiku elusorganismidele kasutatavasse vormi viimiseks on vaja keemilisi reaktsioone. Reaktiivse lämmastiku hulk määrab, kui palju toitu on võimalik maatükil kasvatada. Seepärast on lämmastik ka tähtis toitainetetööstuse komponent.

Lämmastikuringe

Lämmastik esineb keskkonnas erinevates vormides: orgaaniline lämmastik, ammoniaak (NH₃), nitrit (NO₂⁻), nitraat (NO₃⁻), dilämmastikoksiid (N₂O), lämmastikmonooksiid (NO) või anorgaaniline lämmastikugaas (N₂). Orgaanilist lämmastikku leidub elusorganismides, huumuses või orgaanilistes laguproduktides. 
Lämmastikuringega kaasnevad protsessid viivad lämmastiku ühest vormist teise. 
Biosfääris on lämmastikuringe kandjaks mikroobsed protsessid. Lämmastik moodustab u 10% mikroobide kuivkaalust. Ringes muutub lämmastiku oksüdatsiooniaste ning moodustuvad orgaanilised ühendid. 
Enamik lämmastikuga seotud mikroobseid protsesse on kas energiat nõudvad (lämmastiku fikseerimine) või energiat tootvad (nitrifikatsioon).

Lämmastiku fikseerimine

Lämmastiku fikseerimise protsessis muudetakse N₂ mistahes vormi, kus lämmastiku oksüdatsiooniaste on nullist erinev. Fikseerimine võib toimuda atmosfääris välgulahenduse käigus, fossiilkütuste põletamisel, väetisetootmisel või bioloogilisel teel. Bioloogiline lämmastiku fikseerimine on mikroobne protsess, mida viivad läbi ainult prokarüoodid: mõningad bakterid (sh sinivetikad) ja arhead (ürgbakterid). Bakterid omavad ensüümi nitrogenaas, mis muudab anaeroobses keskkonnas lämmastiku ammoniaagiks. Viimane dissotseerub kiiresti ammooniumiks . Mõned lämmastikku fikseerivad bakterid on sümbioosis taimedega, olles viimaste juuremügarates. Näiteks mügarbakterid fikseerivad lämmastikku sümbioosis liblikõielistega. Lämmastikuvaeseid muldi on võimalik rikastada kasvatades liblikõielisi taimi.
Reaktsioon liblikõieliste juuremügarates:
2N₂+ 6H₂O → 4NH₃ + O₂
Tänapäeval domineerivad globaalses lämmastikufikseerimises inimtegevuse protsessid, põhiliselt lämmastikväetiste tootmine.

Lämmastiku omastamine

Lämmastiku omastamine on NH₃ või NH₄⁺ omastamine organismide poolt ja seejärel selle sidumine biomassi. Taimed on võimelised nitraat-või ammooniumioone absorbeerima oma juurte kaudu. Esmalt absorbeeritakse nitraati, redutseeritakse see nitritiks ning seejärel ammoniumioonideks. Redutseerimisele aitavad kaasa aminohapped, nukleiinhapped ja klorofüll. Paljud vetikad suudavad omastada redutseeritud lämmastikuühendeid ilma nitraati redutseerimata. See toimub juhul, kui redutseeritud lämmastiku omastamine on energeetiliselt kasulikum kui nitraadi omastamine.

Ammonifikatsioon

Ammonifikatsioon on peamine mikroobne protsess, mis muudab redutseeritud orgaanilist lämmastikku (R-NH₂⁺) redutseeritud anorgaaniliseks lämmastikuks (NH₄⁺). Orgaaniline lämmastik moodustub taimede või loomade lagunemisel. Bakterid ja mõned seened on võimelised muundama orgaanilist lämmastikku ammooniumiks, kasutades seda protsessi energia saamiseks.

Nitrifikatsioon

Nitrifikatsioon on aeroobne protsess, mille jooksul mikroorganismid oksüdeerivad ammooniumi nitraadiks. Nitrifikatsioon koosneb kahest etapist. Esimeses etapis oksüdeerib üks rühm baktereid (näiteks Nitrosomonas) ammooniumi nitritiks:
2NH₄⁺ + 3O₂ → 2NO₂⁻ + 2H₂O + 4H⁺
Teises etapis oksüdeerib teine rühm baktereid (näiteks Nitrobacter) nitriti nitraadiks :
2NO₂⁻ + O₂ → 2NO₃⁻
On tähtis, et nitritid oksüdeeritakse nitraatideks, sest akumuleerunud nitritid on taimedele mürgised. Nitraadid lahustuvad hästi põhjavees. Kõrgenenud nitraatide tase joogivees on ohtlik imikutele, sest nitraadid reageerivad verehapnikuga ning võivad põhjustada vere hapnikuvaegust ja niinimetatud sinise beebi sündroomi. Kohtades, kus põhjavee voolukiirus suureneb, põhjustavad nitraadid eutrofeerumist. Kuna lämmastik ja fosfor on veekogudes peamised vetikate kasvu limiteerivad biogeenid, on lämmastikväetistele kehtestatud piirnormid.

Denitrifikatsioon

Denitrifikatsioon on protsess, mille jooksul NO₃ redutseeritakse ja tekib mistahes gaasilise lämmastiku vorm, peamiselt N₂.
5CH₂O + 4H⁺ + 4NO₃⁻ → 2N₂ + 5CO₂ + 7H₂O
See on anaeroobne protsess, mille toimimiseks on vaja nitraati, mida saab redutseerida, ja orgaanilist ainet, mida oksüdeeritakse. Bakterid saavad energiat orgaanilise aine lagunemisest, mis toimub nitraadi redutseerimise kaasabil. Denitrifikatsioon toimub peamiselt liigniisketes muldades ning muudab reaktiivse lämmastiku tagasi N₂-ks.

Anammoks

Anammoks on lühend anaeroobsest ammooniumi ja nitriti oksüdatsioonist. Oksüdandiks on nitrit ning saaduseks N₂.
NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + H₂O
Hinnanguliselt moodustub umbes 50% N₂ ookeanis anammoksi protsessi kaudu. Nitriti allikaks on denitrifikatsioonil kasutatava nitraadi katalüütiline reduktsioon. Anammoksi intensiivsus on suurem mandrilava piirkondades.
Anammoks on oluline protsess reovee puhastites.

Lämmastiku hulgad ja kulg

Kõige rohkem leidub lämmastikku atmosfääris (78,1% atmosfääri mahust). Teine suur osa paikneb tard- ja settekivimites, kus lämmastik on ammooniumi kujul erinevates mineraalides. Kivimites paiknevad varud on bioloogilisest ringest väljas. Alla 1% lämmastikust on ookeanis ning elus ja eluta orgaanilises aines.

Maismaalt atmosfääri

Lämmastik satub maismaalt atmosfääri kõrgetel temperatuuridel biomassi või fossiilkütuste põletamisel. Samuti lenduvad mikroobsete protsesside tagajärjel tekkinud gaasid mullast ja veest atmosfääri.

Ookeanist atmosfääri

Lämmastikugaasid liiguvad ookeanist atmosfääri, kui vastava gaasi osarõhk on vees kõrgem.

Atmosfäärist maapinnale

Lämmastik sadeneb maapinnale märgdepositsiooni teel vihma, lume ja rahena. Kuivdepositsiooni kaudu sadeneb lämmastik gaasi ja aerosoolina. Peamised kuivdeponeeruvad lämmastiku liigid on gaasiline HNO₃, NH₃ ja NH₄.

Maismaalt ookeani

Peamiselt transpordivad lämmastikku maismaalt ookeani jõed ja põhjavesi.

Ookeani lämmastikuringe

Peamised lämmastiku allikad ookeanis on jõed ja põhjavesi. Selleks, et fütoplankton saaks omastada lämmastikku, peab esmalt toimuma lämmastiku fikseerimine. See toimub põhiliselt tsüanobakterite kaasabil . Fütoplankton vajab bioloogiliselt kasutatavaid lämmastiku vorme orgaanilise aine sünteesiks. Orgaaniline settimine ja vee ringlus aitavad kaasa lämmastiku eemaldamisele eutroofsest kihist ning lämmastik kandub alumistesse kihtidesse. Eufootilisest kihist allpool lämmastiku omastamist vetikate poolt ei toimu, sest valguskiirgust jõuab sellesse kihti vähe. Sellistel tingimustel saab toimuda ammonifikatsioon ja nitrifikatsioon (nitraadi teke) . Nitaat kandub eufootilisse kihti tagasi vee segunemise ja upwellingu käigus. Seejärel omastatakse ta fütoplanktoni poolt ja ringlus jätkub. N₂ tagastatakse atmosfääri denitrifikatsiooni teel.

Inimmõju lämmastikuringele

Inimkond on tänaseks rohkem kui kahekordistanud bioloogiliselt aktiivsete lämmastikuvormide tekkimist aastas. Seda põllumajandusliku tootmise (lämmastikväetiste kasutamise) ja fossiilkütuste põletamise tagajärjel. Antropogeenne mõju globaalsele lämmastikuringele on kõige suurem sõidukite heitgaaside ja tööstusliku põllumajanduse tõttu arenenud maades ja Aasias.
Dilämmastikoksiidi osakaal atmosfääris on tõusnud põllumajandusväetiste tootmise, biomassi põletamise, karjakasvatuse ja tööstuslike allikate arvu suurenemise tagajärjel. 
Lämmastikdioksiid käitub katalüsaatorina atmosfäärse osooni lagundamisel. Lämmastikdioksiid on kasvuhoonegaas, asudes kolmandal kohal pärast süsihappegaasi ja metaani globaalse soojenemise põhjustajate järjestuses.
Ammoniaagi hulk atmosfääris on kolmekordistunud. Ammoniaak käitub nagu aerosool, vähendades õhukvaliteeti ning põhjustades happevihmasid.
Lämmastikväetised aitavad kaasa ökosüsteemi protsessidele, kuid antropogeenne mõju võib olla nii suur, et tekib lämmastiku küllus. Liigse lämmastiku korral väheneb taimede produktiivsus ning võib kahjustuda loomade, kalade ja inimeste tervis.