Obieg azotu w przyrodzie

(1)

Obieg azotu w przyrodzie

Wprowadzenie Przeczytaj

Graﬁka interaktywna Sprawdź się

Dla nauczyciela

Bakterie Rhizobium phaseoli żyją w symbiozie z fasolą, tworząc na jej korzeniach brodawki korzeniowe. Bakterie te mają

(2)

Kukurydza, dynia i fasola, rosnąc obok siebie, nawzajem się wspierają i pomagają sobie w rozwoju – jak siostry. Wysokie i silne łodygi kukurydzy pozwalają fasoli piąć się do słońca. Dynia, płożąc się, okrywa grunt, uniemożliwiając rozwój chwastom. Fasola zaś, dzięki symbiozie z bakteriami korzeniowymi, wzbogaca glebę w azot – na czym korzystają pozostałe rośliny. Taka metoda uprawiania warzyw pozwalała Indianom osiągać wysokie plony. Mieli oni jeszcze jeden sekret: zakopywali w glebie rybie szczątki. Jak myślisz, po co to robili?

Twoje cele

Porównasz formy, w jakich azot krąży w przyrodzie.

Opiszesz działanie różnych bakterii uczestniczących w obiegu azotu.

Śledząc przemiany azotu, wyjaśnisz znaczenie krążenia materii dla organizmów żywych.

Obieg azotu w przyrodzie

Bakterie Rhizobium phaseoli żyją w symbiozie z fasolą, tworząc na jej korzeniach brodawki korzeniowe. Bakterie te mają zdolność do wiązania azotu atmosferycznego, z którego korzysta roślina.

Źródło: Pixabay, licencja: CC 0.

(3)

Przeczytaj

Azot to jeden z pierwiastków biogennych, co oznacza, że jest konieczny do powstania związków

organicznych wykorzystywanych do budowy i czynności życiowych organizmów. Przede wszystkim azot jest składnikiem aminokwasów i nukleotydów w kwasach nukleinowych (RNA i DNA) oraz ATP

i NAD/NADP. Bez obiegu tego pierwiastka życie nie byłoby możliwe.

Skład procentowy powietrza. Choć w atmosferze jest go bardzo dużo (78%), bezpośrednie pobieranie azotu z powietrza jest dla większości organizmów niemożliwe.

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jedynymi organizmami, które są zdolne przyswoić azot z powietrza, są niektóre bakterie glebowe symbiotyczne oraz wodne sinice – wiążą one gazowy azot z wodorem, a w kolejnych etapach przekształcają go w związki dostępne dla roślin. Niewielka część gazowego azotu jest też w efekcie wyładowań atmosferycznych, wybuchów wulkanów i spalania przetwarzana na azotany (NO ), co jest również wykorzystywane przez producentów.

Etapy cyklu azotowego:

1. Wiązanie azotu atmosferycznego

Obieg azotu rozpoczynają sinice i inne bakterie wytwarzające enzym nitrogenazę – w warunkach beztlenowych katalizuje ona reakcję azotu atmosferycznego z wodorem. W wyniku tej reakcji powstaje amoniak (NH ), pod wpływem wody łatwo dysocjujący do jonu amonowego (NH ). Tak działają np.

bakterie Rhizobium żyjące w glebie lub w specjalnych naroślach na korzeniach roślin motylkowych (bobowatych), takich jak fasola czy drzewo robinia akacjowa. Amoniak dostaje się do gleby także

z rozkładanych przez destruentów szczątków roślin i zwierząt oraz odchodów. U żyjących w wodzie sinic niektóre komórki kolonii, zwane heterocytami, mogą wiązać azot beztlenowo, wymieniając produkty tej reakcji na węglowodany z sąsiednich komórek.

Bakterie Rhizobium żyją w glebie, ale łatwo wnikają do włośników korzeni roślin motylkowych (bobowatych). W drodze odpowiedzi immunologicznej roślina wytwarza tzw. brodawki, otaczając dzielącymi się szybko komórkami miękiszu kolonię bakterii. W ten sposób stwarzane są im warunki beztlenowe. Jednocześnie dzielące się intensywnie komórki okolnicy (warstwy komórek na powierzchni walca osiowego korzenia) wytwarzają tkanki przewodzące, sięgające do drewna i łyka rośliny. Pozwala to Rhizobium wymieniać związki amonowe, które wytwarza z wolnego azotu, na związki węgla, produkowane przez rośliny.

Źródło: Stdout's photos, h ps://wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

3-

3 4+

(4)

2. Nitryﬁkacja

Nitryﬁkacja, czyli proces utleniania amoniaku oraz soli amonowych do azotanów(III) i azotanów(V), przebiega w dwóch etapach, ściśle ze sobą

powiązanych. Najpierw chemolitotroﬁczne bakterie z rodzajów Nitrosomonas, Nitrosolobus

i Nitrosococcus utleniają amoniak do azotanu(III) (NO ), który jest wydzielany do gleby. Tam

azotan(III) jest dalej utleniany do azotanu(V) (NO ) przez bakterie z rodzaju Nitrobacter, Nitrococcus i Nitrospira – bezwzględne tlenowce, czerpiące energię z opisanych przemian chemicznych.

Powstałe związki azotowe są łatwo dostępne dla roślin.

Wzór przebiegu nitryﬁkacji:

NH₃+ 2O₂→ H⁺+ NO₃⁻+ H₂O

3. Asymilacja azotu

Rośliny wchłaniają jony amonowe i jony azotanowe z gleby. Wykorzystują je m.in. do budowy białek, kwasów nukleinowych i uniwersalnych przenośników energii (ATP, NAD). Następnie związki azotowe pobierane są przez konsumentów, u których również są one niezbędne do budowy organizmu i jego funkcjonowania.

Wchłanianie nieorganicznego węgla (fotosynteza) oraz związków azotowych jest konieczne do produkcji substancji asymilacyjnych i energii w ekosystemach.

4. Amoniﬁkacja

2−

3−

Nitrobacter to rodzaj pałeczkowatych bakterii Gram- ujemnych. W obiegu azotu utleniają one azotany(III) do azotanów(V) w glebie oraz zbiornikach wodnych.

Źródło: William Hickey, Flickr, licencja: CC BY-SA 2.0.

(5)

Przyswajanie związków azotowych przyczynia się do zwiększania produktywności ekosystemu, czyli wzrostu i rozwoju wszystkich organizmów. Szczątki roślin i zwierząt, a także mocz i odchody zasilają glebę jako biomasa, którą reducenci – bakterie i grzyby – mogą wykorzystać jako pożywienie.

W przemianach metabolicznych związki organiczne zawierające azot są przetwarzane do amoniaku, który jako trucizna musi zostać usunięty z komórek.

Amoniak jest wydalany bezpośrednio do wody przez zwierzęta wodne, np. ryby. Do gleby częściej traﬁa produkt przemiany amoniaku – mocznik (wydalany przez np. większość ssaków) lub kwas moczowy (gady, ptaki). Związki te mogą zostać wykorzystane w procesach nitryﬁkacji lub asymilacji.

5. Denitryﬁkacja i anammox

Ostatnim etapem obiegu azotu jest zredukowanie NO do azotu cząsteczkowego. Proces prowadzą beztlenowe bakterie denitryﬁkacyjne, m.in. z rodzaju Pseudomonas, żyjące w głębokich warstwach gleby, gdzie tlen jest trudno dostępny. Miejscem denitryﬁkacji są również mokradła, gdzie nadmiar związków azotowych w wodzie jest utylizowany. W czasie beztlenowych przemian związki azotu są dla bakterii substratami oddychania komórkowego, czyli uzyskiwania energii. Inną grupą bakterii mających unikalną umiejętność przekształcenia mocznika i azotynów na gazowy azot są bakterie przeprowadzające proces anammox (pełna angielska nazwa: anaerobic ammonia oxidation), zaobserwowany po raz pierwszy w ściekach w 1995 r. W tym przypadku utlenianie oznacza przepływ elektronów przez łańcuch

przenośników (cytochromów) na enzymy utleniające jony azotanowe (III) do azotu atmosferycznego. To odkrycie tłumaczy m.in. szybki rozkład związków azotu w środowisku morskim. Niezwykłym produktem pośrednim tych przemian jest hydrazyna – jeden z najsilniejszych reduktorów w układach biologicznych, stosowany jako napęd rakietowy oraz w produkcji materiałów wybuchowych i pestycydów.

Bakterie przeprowadzające proces anammox są wyjątkowe: nie zabarwiają się ani jako Gram-dodatnie, ani jako Gram-ujemne.

Ich ściana komórkowa jest białkowa, a błona komórkowa zawiera, niewystępujące u innych organizmów, drabinowe kwasy tłuszczowe: ladderany. Dzięki nim błona komórkowa jest bardziej gęsta i sztywna, co zapobiega niepożądanej utracie metabolitów. Anammoksosom wypełnia komórkę w 50–70% i pełni funkcję analogiczną jak mitochondria u eukariontów.

Produkcja nawozów azotowych i ich nadmierne stosowanie zaburzyły cykl krążenia azotu w przyrodzie, przyczyniając się m.in. do eutroﬁzacji wód.

Słownik

adenozynotrifosforan, ATP

połączenie adenozynodifosforanu z resztą kwasu fosforowego wiązaniem wysokoenergetycznym; ATP pełni funkcję pierwotnego przenośnika energii

bakterie azotowe

bakterie z rodzajów m.in. Rhizobium i Bradyrhizobium; są zdolne do przyswajania azotu atmosferycznego (N )

bakterie denitryﬁkacyjne (denitryﬁkatory)

3−

2

Ogrodowe i kuchenne odpady roślinne można wykorzystać jako kompost – naturalny nawóz. Zwierzęta szczątkożerne, np. dżdżownice, zjadają szczątki roślin, a ich odchody są pożywką dla grzybów i bakterii. Ponieważ w ogrodzie usuwamy chwasty, a potem plony, glebę trzeba nawozić, tj.

wzbogacać w związki mineralne potrzebne roślinom, m.in.

związki azotowe.

Źródło: BrotherMagneto's photos, Flickr, licencja: CC BY-NC 2.0.

(6)

bakterie denitryﬁkacyjne (denitryﬁkatory)

bakterie z rodzajów m.in. Pseudomonas (najbardziej liczne), Agrobacterium, Bacillus, Flavobacterium; zdolne do denitryﬁkacji, czyli do przemiany mineralnych związków azotowych w gazowe formy azotu (N , N O)

bakterie nitryﬁkacyjne (nitryﬁkatory)

bakterie z rodziny Nitrobacteraceae; przeprowadzają proces utleniania amoniaku oraz soli amonowych do azotanów(III), a następnie do azotanów(V)

biomasa

szczątki organizmów, które mogą zostać wykorzystane przez destruentów lub w technologicznych procesach produkcji energii

chemolitotrofy

grupa organizmów (głównie bakterii), które do produkcji węglowodanów pozyskują elektrony ze związku nieorganicznego, a węgiel z CO ; źródłem użytecznej biologicznie energii do tego procesu jest utlenianie związków nieorganicznych

cytochromy

białka złożone, które dzięki odwracalnej zmianie stopnia utlenienia żelaza grupy hemowej (z Fe na Fe ) stanowią układ przenośników elektronów w łańcuchu oddechowym u roślin i zwierząt

destruenci

organizmy saprotroﬁczne odżywiające się szczątkami organicznymi (opadłymi liśćmi, martwymi drzewami, padliną, martwymi glonami jednokomórkowymi opadającymi na dno zbiorników wodnych) lub odchodami

eukarionty

organizmy mające jądro komórkowe, w odróżnieniu od prokariontów (bakterii, sinic, archeanów), które zamiast jądra mają materiał genetyczny zanurzony w cytoplazmie

dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, NAD

uczestniczy w wielu procesach oksydacyjno‑redukcyjnych związanych z katabolizmem i uwalnianiem energii; jest głównym akceptorem elektronów w reakcjach utleniania substratów oddechowych reduktor

substancja oddająca elektrony substancji redukowanej i sama ulegająca przy tym utlenieniu symbioza

współdziałanie organizmów oparte na obustronnej korzyści

2 2

2

2+

3+

(7)

Graﬁka interaktywna

Polecenie 1

Zapoznaj się z poszczególnymi etapami obiegu azotu, następnie zastanów się, gdzie i w jaki sposób ludzie włączają się w cykl obiegu azotu.

Polecenie 2

Do bakterii nitryﬁkacyjnych należą dwie grupy bakterii chemolitotroﬁcznych. Określ zależność pomiędzy tymi bakteriami.

Polecenie 3

Wyjaśnij rolę bakterii nitryﬁkacyjnych w obiegu azotu.

(8)

Sprawdź się

Ćwiczenie 1

Wskaż prawidłowe dokończenie zdania. Azot atmosferyczny wiązany jest przez bakterie glebowe w spulchnionej (napowietrzonej) ziemi, ale do gleby traﬁają też z powietrza związki azotu powstające podczas:

erozji gleb burzy

trzęsienia ziemi

kompostowania odpadów

輸

Ćwiczenie 2

Rośliny motylkowe (bobowate) i bakterie z rodzaju Rhizobium cechuje szczególna współpraca, na której zyskują obie strony.

Określ, jakie korzyści daje obu organizmom ta symbioza.

輸

Ćwiczenie 3

Połącz w pary nazwę procesu z jego charakterystyką.

przemiana substancji pobranych z zewnątrz na składniki własnego organizmu, redukowanie azotanów(III) do azotu cząsteczkowego, utlenianie, w którym akceptorem elektronów nie jest tlen, utlenianie jonu amonowego do azotanów(III) i azotanów(V)

nitryﬁkacja

denitryﬁkacja

anammox asymilacja

輸

Ćwiczenie 4

Jaka jest rola destruentów w obiegu azotu? 醙

Ćwiczenie 5

Wskaż właściwe określenie, tak by zdania zawierały prawdziwe informacje.

Bakterie nitryﬁkacyjne wykorzystują dostępne w środowisku organicznenieorganiczne związki azotu.

Nitryﬁkacja jest procesem jednoetapowymdwuetapowym. Produkty nitryﬁkacji to związki łatwotrudno wchłaniane z gleby przez rośliny. Zwierzęta uczestnicząnie uczestniczą w wykorzystaniu

nieorganicznych związków azotowych do produkcji związków organicznych, np. aminokwasów.

醙

(9)

Informacja do ćwiczeń 6–8

Wykonano badanie: w kolbie umieszczono kawałek sera pleśniowego oraz papierek lakmusowy obojętny (kolor ﬁoletowy). Kolbę przykryto szkiełkiem zegarkowym. Po tygodniu sprawdzono wygląd papierka:

barwa zmieniła się na niebieską. Po odkryciu szkiełka z kolby wydzielał się gaz o nieprzyjemnym zapachu.

Ćwiczenie 6

Określ problem badawczy tej obserwacji. 難

Ćwiczenie 7

Na podstawie informacji z ćwiczenia 6 wybierz spośród podanych opcji hipotezę i wniosek. Wpisz je odpowiednio w wyznaczone miejsca.

Produktem rozkładu materii organicznej jest amoniak., Produktem psucia się sera pleśniowego jest gaz o drażniącym zapachu., W kolbie nastąpił rozkład sera do materii organicznej., W badanej próbce w efekcie rozkładu sera powstał amoniak., W efekcie rozkładu sera pleśniowego w kolbie stwierdzono kwaśny odczyn.

Hipoteza: ...

Wniosek: ...

醙

Ćwiczenie 8

Zmiana barwy papierka wskaźnikowego w kolbie wskazuje na:

odczyn zasadowy odczyn kwaśny odczyn obojętny obecność soli

醙

Ćwiczenie 9

Badano przyrost jednorocznych pędów jabłoni w zależności od składu nawozu (azot – saletra amonowa, NPK – nawóz wieloskładnikowy) oraz sposobu podawania: raz w roku wiosną posypowo wokół pnia lub przez nawodnienie kroplowe z rozpuszczonym nawozem (fertygacja).

Wyciągnij wniosek na podstawie uzyskanych wyników.

難

(10)

Ćwiczenie 10

Na podstawie danych z ćwiczenia 9 wybierz z podanych sformułowań hipotezę:

Skład nawozu i sposób podania wpływają na przyrost długości pędów jabłoni.

Najsilniejszy przyrost długości pędów jabłoni nastąpił w drugim roku po posadzeniu.

Podawany nawóz ma wpływ na przyrost długości pędów jabłoni.

Skład nawozów i sposób podania zależą od przyrostu pędów jabłoni.

Fertygacja powoduje większy przyrost pędów jabłoni.

醙

(11)

Dla nauczyciela

Scenariusz lekcji

Autor: Jolanta Loritz‑Dobrowolska Przedmiot: biologia

Temat: Obieg azotu w przyrodzie

Grupa docelowa: uczniowie III etapu edukacyjnego – kształcenie w zakresie podstawowym i rozszerzonym

Podstawa programowa:

Zakres podstawowy

Treści nauczania – wymagania szczegółowe X. Ekologia. Uczeń:

16) opisuje obieg węgla i azotu w przyrodzie, wykazując rolę różnych grup organizmów w tych obiegach;

Zakres rozszerzony

Treści nauczania – wymagania szczegółowe XVII. Ekologia.

3. Ekologia ekosystemu. Ochrona i gospodarka ekosystemami. Uczeń:

9) opisuje obieg węgla i azotu w przyrodzie, wykazując rolę różnych grup organizmów w tych obiegach;

Kształtowane kompetencje kluczowe:

kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji;

kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii;

kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

wyjaśnia rolę bakterii brodawkowych;

stosuje metodę badawczą do określenia roli destruentów;

charakteryzuje obieg azotu w przyrodzie;

określa zasady stosowania nawozów azotowych.

Strategie nauczania:

konstrukcjonizm;

eksperymentalno‑obserwacyjna;

kształcenie wyprzedzające.

Metody i techniki nauczania:

odwrócona klasa;

burza mózgów;

ćwiczenie laboratoryjne;

mapa pojęć;

wykład interaktywny.

Formy pracy:

praca indywidualna;

praca w grupach;

(12)

praca całego zespołu klasowego.

Środki dydaktyczne:

komputery z głośnikami i dostępem do internetu, słuchawki;

zasoby multimedialne zawarte w e‑materiale;

tablica interaktywna/tablica, pisak/kreda.

Przed lekcją

Uczniowie przed lekcją zapoznają się z materiałem z e‑podręcznika. Chętne osoby na 4–5 dni przed lekcją przygotowują eksperyment dotyczący wpływu grzybów na tempo rozkładu materii.

Instrukcja:

materiały: 4 plasterki dojrzałego banana, 4 plasterki ugotowanej marchewki/pietruszki, 2 woreczki z zamknięciem strunowym, kawałek (wielkości łyżeczki, ok. 2 × 2 cm) drożdży;

wykonanie: do woreczków wkładamy po 2 plasterki banana i gotowanej marchewki. Do jednego z woreczków dodajemy drożdże. Oba woreczki zamykamy i kładziemy w ciepłym miejscu. Światło nie ma wpływu na przebieg obserwacji.

Przebieg zajęć Faza wstępna

1. Nauczyciel nawiązuje do wprowadzenia do e‑materiału i pyta o rolę fasoli w „ogrodzie trzech sióstr”.

Uczniowie omawiają rolę bakterii brodawkowych.

2. Nauczyciel inicjuje burzę mózgów: „Po co Indianie zakopywali w ziemi szczątki ryb?”. Uczniowie podają różne propozycje, nauczyciel naprowadza (w razie potrzeby) na odpowiedź: żeby zwiększyć ilość azotu w glebie (poprzez rozkład materii organicznej).

Faza realizacyjna

1. Uczniowie wykonują ćwiczenia 6 i 7 z e‑podręcznika (procedura badawcza).

2. Nauczyciel pokazuje przygotowany wcześniej zestaw eksperymentalny i objaśnia, co przedstawia.

Uczniowie podają problem badawczy, np.: „Czy obecność drożdży/grzybów przyspiesza rozkład materii?”, i stawiają hipotezę: tak/nie. Zapisują problem i hipotezę na tablicy.

3. Uczniowie obserwują wyniki doświadczenia – w woreczku z drożdżami plasterki bananów powinny być już „rozpłynięte”, marchew zachowuje kształt, ale widoczny jest rozkład. W woreczku bez drożdży zmiany są znacznie mniejsze. Uwaga! Nie otwierać woreczków – amoniak działa drażniąco na drogi oddechowe!

4. Uczniowie notują spostrzeżenia i w parach formułują wniosek, po czym dyskutują swoje wnioski na forum klasy. Najlepszy zostaje zapisany na tablicy, np.: „Grzyby (jako destruenci) przyspieszają rozkład materii organicznej: bananów i marchwi”.

5. Uczniowie wykonują ćwiczenia od 3 do 5 (dotyczące pojęć związanych z obiegiem azotu w przyrodzie i roli destruentów w tym procesie) z e‑podręcznika. Nauczyciel pomaga w razie potrzeby.

Faza podsumowująca

1. Nauczyciel prosi trzech uczniów o wykonanie na tablicy mapy pojęć związanych z wykorzystaniem azotu (nawozy: sztuczne, zielone, obornik, kompost) i jego znaczeniem dla roślin.

2. Nauczyciel zachęca uczniów do swobodnych wypowiedzi, pytając: „Czy rozumiecie temat?”, „Co było najciekawsze?”, „Co było najtrudniejsze?”.

Praca domowa

Uczniowie wykonują pozostałe ćwiczenia. Dodatkowo zbierają informacje wśród rodziny i znajomych, jakich nawozów używają w ogrodzie, na działce, do roślin doniczkowych.

(13)

Praca dodatkowa długoterminowa (doświadczenie):

Jeśli jest dostęp do hodowli rybek lub żółwi, uczniowie robią sadzonki np. z trzykrotki (o podobnej wielkości). Jedną podlewają wodą wodociągową, drugą wodą z akwarium. Po 2 tyg. porównują wzrost roślin. Robią notatki wg schematu doświadczenia (problem badawczy, hipoteza, opis metodyki, sposób zbierania wyników, analiza wyników, wnioski).

Materiały pomocnicze

Błaszczyk Mieczysław K., Mikrobiologia środowisk, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.

Mackenzie Aulay, Ball Andy S., Virdee Sonia R., Ekologia. Krótkie wykłady, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.

Weiner January, Życie i ewolucja biosfery. Podręcznik ekologii ogólnej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania graﬁki interaktywnej

Graﬁkę interaktywną można wykorzystać jako podsumowanie (jeśli brakuje czasu na rozmowę nauczającą lub mapę pojęć). Można ją wykorzystać na innych lekcjach, np. o roli bakterii lub przy omawianiu krążenia materii w ekosystemie.

Przetwarzam wzory matematyczne: 100%