วัฏจักรไนโตรเจน

วัฏจักรไนโตรเจน (อังกฤษ: Nitrogen Cycle) คือ วัฏจักรทางชีวธรณีเคมี ซึ่งอธิบายถึงการแปลงสภาพของไนโตรเจนและสารประกอบที่มีไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบในธรรมชาติ

วัฏจักรไนโตรเจน

หลักการแปลงสภาพพื้นฐาน.

แหล่งกำเนิดหลักของไนโตรเจนนั้นมาจากอากาศ ซึ่งอยู่ในรูปของ N₂ ในอากาศอยู่ประมาณ 78% ก๊าซไนโตรเจนนี้คือส่วนสำคัญในกระบวนการทางชีววิทยาหลายกระบวนการ เช่นการที่ไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบในกรดอะมิโน (ที่จริงแล้วคำว่า "อะมิโน" มาจากก๊าซซึ่งมีไนโตรเจนประกอบเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่) , เป็นองค์ประกอบในโปรตีน และเป็นสารหลักๆ ในสารทั้ง 4 ที่อยู่ในกรดนิวคลีอิกต่างๆ เช่น DNA วัฏจักรไนโตรเจนเป็นส่วนที่จำเป็นในการแปลงสภาพจากไนโตรเจนในรูปของก๊าซไปสู่รูปแบบสารที่สิ่งมีชีวิตสามารถนำไปใช้ได้

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการไนโตรเจนในรูปแบบต่างๆกัน แต่มีสิ่งมีชีวิตไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่ตรึงก๊าซไนโตรเจนจากบรรยากาศมาใช้ได้

การตรึงไนโตรเจน

สิ่งมีชีวิตที่ตรึงไนโตรเจนได้

สิ่งมีชีวิตที่ตรึงไนโตรเจนได้มี 2 กลุ่มใหญ่ๆคือ

• จุลินทรีย์ที่ตรึงไนโตรเจนได้อย่างเป็นอิสระ ในดินจะเป็นกิจกรรมของจุลินทรีย์ เช่น Azotobactor, Beijerinckia, Pseudomonas, Rlebsiella และแอกติโนมัยสีตบางตัว โดยทั่วไปอัตราการตรึงไนโตรเจนจะต่ำ เว้นแต่เมื่อเข้าไปอยู่ในไรโซสเฟียร์และได้รับสารอินทรีย์จากรากพืช อัตราการตรึงไนโตรเจนจะสูงขึ้น ในน้ำจะเป็นกิจกรรมของสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน เช่น Anabeana, Nostoc, Aphanizomehon,Gloeotrichia, Calothrix
• จุลินทรีย์ที่ตรึงไนโตรเจนเมื่ออยู่ร่วมกับสิ่งมีชีวิตอื่น มีหลายกลุ่มได้แก่
  • แบคทีเรีย Frankia เป็นการเกิดปมระหว่าง Actinorhizea (Frankia) กับพืชใบเลี้ยงคู่ที่ไม่ใช่พืชตระกูลถั่ว ส่วนใหญ่เป็นไม้พุ่มหรือไม้ยืนต้น พบในเขตอบอุ่น แต่ก็มีหลายชนิดพบในเขตร้อนด้วย เช่น Purshia tridenta ซึ่งเป็นพืชเศรษฐกิจในแอฟริกา หรือสนประดิพัทธ์และสนทะเล (สกุล Casuarina) ที่ปลูกได้ในประเทศไทย Frankia เป็นแบคทีเรียที่พบในปมของพืชที่ไม่ใช่พืชตระกูลถั่ว เป็นสกุลที่มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับแอกติโนมัยสีท แบ่งได้เป็นกลุ่มที่สร้างสปอแรงเจียภายในปม ซึ่งเจริญได้ช้า ตรึงไนโตรเจนได้น้อย คัดแยกให้บริสุทธิ์ได้ยาก กับกลุ่มที่ไม่สร้างสปอแรงเจีย ที่เจริญได้เร็วกว่า
  • สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินที่อยู่ร่วมกับพืช ที่สำคัญคือ Anabeana ที่อยู่ร่วมกับแหนแดง และ Nostoc ซึ่งอยู่ร่วมกับปรง และไลเคน อย่างไรก็ตาม สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินมีแหล่งอาศัยที่หลากหลายกว่าระบบการตรึงไนโตรเจนอื่นๆ และที่น่าสังเกตคือในขณะที่ไรโซเบียมและ Frankia อยู่ร่วมกับพืชชั้นสูง แต่สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินจะอยู่ร่วมกับพืชที่มีวิวัฒนาการต่ำกว่า เช่น ไลเคน ลิเวอร์เวิร์ต เฟิน จิมโนเสปิร์ม เป็นต้น
  • ไรโซเบียมที่อยู่ในปมของพืชตระกูลถั่ว เป็นระบบที่มีประสิทธิภาพมากเมื่อเทียบกับระบบอื่นๆ

การเปลี่ยนรูปของไนโตรเจนหลังการตรึง

เมื่อก๊าซไนโตรเจนถูกตรึงโดยสิ่งมีชีวิต จะอยู่ในรูปแอมโมเนียมอิออน ส่วนหนึ่งจะนำไปใช้ในกระบวนการสร้างสารอินทรีย์ ส่วนหนึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นไนไตรท์ และไนเตรต โดยแบคทีเรีย Nitrosomonas และ Nitrobactor ตามลำดับ กระบวนการนี้เรียกว่าไนตริฟิเคชัน ในขณะที่ไนโตรเจนที่อยู่ในสารอินทรีย์เมื่อถูกย่อยสลายจะได้แอมโมเนียมอิออนเช่นเดียวกัน

การเปลี่ยนแอมโมเนียมอิออนไปเป็นไนเตรตอิออนมีผลต่อการเคลื่อนย้ายของไนโตรเจนในดิน เพราะไนเตรตอิออนละลายน้ำได้ดีถูกดูดซับโดยอนุภาคของดินได้น้อย จึงถูกชะและพัดพาไปโดยกระแสน้ำได้ง่าย นอกจากนั้น ไนเตรตอิออนส่วนหนึ่งจะถูกใช้โดย Denitrifying bacteria ได้เป็นก๊าซไนโตรเจนซึ่งจะระเหยออกจากดินกลับสู่ชั้นบรรยากาศในที่สุด

อ้างอิง

1. Atlas,R.M. and R. Bartha. 1998. Microbial Ecology: Fundamental and Application 4 edition. Menlo Park. Benjamin/Cummings. Science Plubishing.
2. Elken, G.H. 1992. Biological nitrogen fixation system in tropical ecosystem: an overview. In Biological Nitrogen Fixation and Sustainability of Tropical Agriculture. K. Mulongoy, M. Gueye and D.S.C. Spancer, eds. John Wieley and Sons.
3. สนประดิพัทธ์ อ้างอิงจาก นันทวัน บุญยะประภัศร, บรรณาธิการ , อรนุช โชคชัยเจริญพร. (2543). สมุนไพรไม้พื้นบ้าน. กรุงเทพฯ: มหาวิทยาลัยมหิดล. สืบค้นเมื่อ 3 มกราคม 2564.
4. National Academy of Sciences. Casuarinas: Nitrogen-Fixing Trees for Adverse Sites. National Academy Press, Washington D.C., 1984.
5. Atlas, 1998