Circuitul Biogeochimic al Azotului Mediat de Microorganisme

Cuprins

INTRODUCERE

1. MECANISME CHEIE ALE CIRCUITULUI AZOTULUI

Aspecte generale ale circuitului terestru al azotului

Fixarea azotului molecular

Amonificarea

Nitrificarea

Denitrificarea

Grupe functionale de microorganisme implicate in circuitul azotului

2. ECOSISTEMELE TERESTRE

Ecosisteme terestre – generalități

Clasificarea ecosistemelor de pajiște

Ecosisteme de pajiște naturale

Ecosisteme de pajiște transformate

Biodiversitatea ecosistemelor de pajiște

Factorii și efectele degradării ecosistemelor de pajiște

Surse de azot pe ecosistemelor de pajiște

Depuneri uscate de azot

Depuneri umede de azot

Cultivarea plantelor fixatoare de azot

2.4 Factorii care influențează transformarea azotului acumulat în sol sub acțiunea microorganismelor

3. STUDIU DE CAZ

3.1 Scop și obiective

3.2 Caracterizarea sitului de cercetare – Vadu Lat

3.3 Organizarea programului de cercetare

3.4 Rezultate și discuții

CONCLUZII

Bibliografie

INTRODUCERE

Azotul este unul dintre cei mai importanți nutrienți pentru existența vieții în biosferă. În ecosferă există rezerve nelimitate de azot, în special sub formă de azot molecular în atmosferă și compuși ai azotului în sol.

Circuitul azotului în natură este foarte complex și se desfășoară pe parcursul mai multor etape cu ajutorul unor activități biochimice, etape ce au loc în anaerobioza și în prezența oxigenului. Circuitul azotului în natură prezintă următoarele etape: fixarea N2; amonificarea; nitrificarea; denitrificarea.

Azotul este un macroelement cu o pondere de 79% din atmosfera Pământului care se găsește în condiții naturale sub formă de azot molecular dar și sub formă de azot reactiv imbrăcând mai multe forme: nitrați, amoniac, amoniu, oxizi de azot.

Sistemele biologice sunt afectate direct de perturbările care au loc la nivelul circuitului biogeochimic al azotului determinând scăderea bunurilor și serviciilor generate de mediu. Circuitul biogeochimic al azotului a fost modificat de activitățile umane prin creșterea efectivului populațional și creșterea necesarului de resurse și servicii, prin fenomenul de poluare, prin procesele industriale de sinteză a îngrășămintelor chimice.

În țările dezvoltate, solurile sunt supuse unor impacturi negative puternice ce determină modificarea funcțiilor sale de suport și mediu de viață pentru plantele terestre. În țara noastră sunt de menționat în primul rând transformarea ecosistemelor naturale în terenuri agricole, poluarea chimică, poluarea biologică, acoperirea solului cu diverse materiale (halde, depozite de deșeuri), s.a.

Agricultura a devenit astăzi una dintre cele mai importante surse de poluare cu impact negativ asupra mediului determinând deteriorarea unor ecosisteme prin conversie și prin eliberarea azotului sub forme reactive.

Dintre categoriile de ecosisteme afectate, ecosistemele de pajiște au o pondere crescută. Se caracterizează printr-o diversitate biologică bogată care este afectată în urma poluării sau conversiei în terenuri agricole. Activitățile umane au crescut cantitatea de azot reactiv ( principala sursă de azot reactiv este dată de microorganismele fixatoare de azot) prin adăugarea de fertilizatori și au modificat procesele de transport, transformare și stocare a compușilor de azot cu consecințe negative asupra ecosistemelor terestre si acvatice. Modificarea cantității de azot reactiv determină poluarea solului, poluarea aerului, eutrofizarea ecosistemelor terestre , apariția bolilor la plante..

Văzând aceste probleme, scopul lucării este de a caracteriza circuitul azotului în ecosistemele de pajiște în special a proceselor mediate de microorganismele din sol.

Pentru a-mi îndeplini scopul obiectivele propuse în această lucrare sunt:

Obiectivul 1: analiza critică a cunoașterii privind aspectele circuitului terestru al azotului;

Obiectivul 2: identificarea mecanismelor de degradare ale ecosistemelor de pajiște;

Capitolul 1. Mecanisme cheie ale circuitului biogeochimic al azotului

Aspecte generale ale circuitului terestru de azot

Activitățile umane duc la alterarea principalelor circuite biogeochimice cu efecte asupra sistemelor ecologice de la nivelul ecosferei. Circuitul azotului (Figura 1.1) posedă o caracteristică importantă, aceea că include un rezervor atmosferic ce conține azot molecular (N₂). Oamenii prin activitățile desfășurate au modificat circuitul azotului molecular pentru a-l utiliza sub formă de îngrășăminte. Cantitatea de îngășăminte anuală a crescut de la 10 milioane tone în 1950 la 80 de milioane tone în 1990 și se preconizează că în 2030 cantitatea de îngrășăminte utilizate anual va crește la 135 milioane de tone (Cogălniceanu, 1999).

Fig. 1.1 Circuitul azotului în natură (Sursa: http://ro.wikipedia.org/wiki/Circuitul_azotului_%C3%AEn_natur%C4%83)

Din figura 1 observăam principalele etape ale circuitului azotului:

fixarea azotului molecular;

amonificarea;

nitrificarea;

denitrificarea.

Cele patru etape sunt mediate numai de bacterii, cu exceptia unei etape premergatoare amonificarii, proteoliza în care pot acționa și mucegaiurile.

Circuitul azotului prezintă două faze principale:

fixarea azotului molecular;

mineralizarea substanțelor organice sau procese la care sunt supuși compușii cu azot din sol: amonificarea, nitrificarea, denitrificarea.

1.1.1 Fixarea azotului molecular

Prin procesul de fixare microorganismele transformă azotul reactiv în compuși anorganici ai azotului. Compuși anorganici sunt asimilați de către plante sub formă de compuși organici.

Azotul se poate fixa:

pe cale abiotică  prin iradieri și descărcari electrice;

pe cale biotică prin activitatea microorganismelor azotul atmosferic este convertit în NH₄⁻, NO₃⁻, NO₂⁻.

Circa 10% din microorganismele chemotrofe conțin nitrogenază și au capacitate de a fixa azot. Printre aceste microorganisme se numară specii din genurile: Alcaligenes, Aquaspirillum, Arthrobacter, Azobacter, Bacillus, Citrobacter, Clostridium, Enterobacter. Unele (Rhizobium, Frankia, Azospirillum) formează simbioze iar celelalte sunt libere, fixatoare de azot. Dintre acestea Azotobacter este aerobă, Clostridium este anaerobă iar celelalte (Clostridium, Citrobacter, Enterobacter) sunt facultativ anaerobe.

Aproximativ 92% din microorganismele fototrofe au capacitatea de a fixa azot, cele mai importante sunt : Chlorobium, Chromatium, Thiocapsa, acestea fac fotosinteză anoxigenică.

Simbioza Rhizobium-plante leguminoase poate reprezinta între 350 si 600 KgN/ha/an (Mihăescu și colab., 2007).

De cele mai multe ori fixarea biologică a azotului la scara ecosistemului este asociata cu fixarea simbiontă a azotului (Butterbach-Bahl și Gunderson, 2011). În procesul de fixare biologică al azotului sunt implicate urmatoarele microorganisme ( Figura. 1.2):

Asociații

legume – rhizobia (simbioză)

Azolla – cioanobacteria (simbioză)

cereale – bacterii asociative

cereale – bacterii endofitLibere

cianobacterii

bacterii heterotrofe

bacterii autotrofe

Fig. 1.2 Agenți biologici fixatori de azot în sistemele agricole și sistemele naturale (Herridge și colab., 2008)

1.1.2 Amonificarea

După moartea organismelor, substanțele proteice, urea, bazele azotate, sunt descompuse de către bacteriile amonificatoare la amoniac în procesul de amonificare. Amoniacul rezultat reacționează cu apa și formează ionul amoniu.

Amonificare prezintă două etape:

Proteoliza – amonificarea proteinelor

Proteinele sunt degradate de către microorganisme heterotrofe (Pseudomonas sp., Bacillus sp., Clostridium) sub acțiunea enzimelor proteolitice, produse de bacterii și mucegaiuri. Moleculele proteolitice (proteaze) determină hidroliza proteinelor. Din hidroliza proteinelor rezultă peptide și aminoacizi, degradați de către microorganisme în etapa a doua.

Formula generală a amonificării (Fig. 2 )

Fig.2 ( Sursa: https://ghioceldrd2011.wordpress.com/2012/01/26/cercetare-azotul/)

Aminoacizii suferă un proces de dezaminare, din care rezulta NH₃ si. Principalele tipuri de dezaminare sunt:

Dezaminarea hidrolitică;

Dezaminarea hidrolitică și decarboxilare;

Dezaminarea reducătoare;

Dezaminarea reducătoare cu decarboxilare (anaerobă);

Dezaminarea oxidativă cu decarboxilare;

Dezaminarea cu desăturare (Ghiocel, 2011)

Amonificarea ureei

Ureea este descompusă de Bacillus probates, Micrococcus ureae, Urobacterium sp., care hidrolizează urea prin acțiunea ureazei (Mihăescu și colab., 2007).

1.1.3 Nitrificarea

Este un proces biologic ce presupune transformarea și oxidarea biologic sărurilor amoniacale în nitrați reprezenând forma asimilabilă de către plante (Belingher,2011).

Ghiocel (2003) spunea că „nitrificarea reprezintă a 3-a faza a circuitului azotului în natura, este un proces de importanța exceptională, deoarece aduce substanțele azotate în forma cea mai ușor accesibilpă lantelor. S-a observat că în general numărul microorganismelor nitrificatoare este proporțional cu fertilitatea solului, putând ajunge, în solurile fertile, până la un milion de bacterii pe gramul de sol. Numărul mare de nitrificatori din solurile fertile, comparativ cu solurile înțelenite, se datorează și faptului ca primele sunt lucrate și deci bine aerate”.

Nitrificarea se poate realize sub formă autotrofă sau heterotrofă.

Nitrificarea autotrofă prezintă două faze de către microorganisme diferite și specifice (Costa și colab., 2006):

nitritarea presupune oxidarea amoniacului la nitriți sau acid azotos de către bacteriile Gram negative ( Nitrosomonas europea, Nitrosococcus nitrosus, Nitrosospira briensis)

nitratarea presupune oxidarea nitriților la nitrați sub acțiunea bacteriilor: Nitrobacter winogradskyi, Nitrococcus mobilius (Mihăescu și colab., 2007).

NH₄⁺ + O₂ NO₂⁻+ O₂ NO₃⁻

Amoniu Azotit Azotat

În general reacțiile de transformare sunt cuplate și ajung rapid sub formă de azotat folosit pentru a stimuli creșterea plantelor sau este redus prin denitrificare.

Bacteriile nitrificatoare trăiesc în soluri cu pH mai mare de 4 la o temperatură până în 40° (Sahrawat, 2008).

1.1.4 Denitrificarea

Constă în reducerea nitraților la nitriți, rezultând la final azotul molecular sau gazos. Procesul denitrificării este mediat de un grup de bacterii heterogen ce cuprinde 75 de genuri. Acest process are loc în medii slab aerate, în ape stagnante, în soluri umede sau indundate. D Denitrificarea este ultima etapă a circuitului azotului ce se desfășoară cu intoarcerea N₂ molecular în natură. Procesul de denitrificare este influențat de: concentrația de oxigen este cel mai important factor care reglează procesul de denitrificare; este favorizată de prezența azotaților; de o concentrația a oxigenului din aerul din sol mai mică de 10% și de o temperatură a solului cuprinsă între 25 și 35°C (Botez și Postolache, 2013).

Bacteriile denitrificatoare ce reduc:

NO₃⁻ la N₂ sunt: Pseudomonas stutzer, Pseudomonas denitrificans.

NO₃⁻ la NO₂⁻ sunt: Bacillus megaterium, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Thiobacillus denitrificans (Mihăescu și colab., 2007).

Aceste bacterii își iau energia necesară dezvoltării din oxidarea carbonului organic îndeplinind următoarele condiții: mediu amoxic adică lispit de oxygen sau o cantitate foarte mică 0,1 mgO₂/l și preponderant microorganisme heterotrofe anoxice (Belingher, 2011).

Grupe functionale de microorganisme implicate in circuitul azotului

Mihăescu G. și Gavrilă L. (1989) au împărțit microorganismele implicate în circuitul azotului în:

Microorganisme heterotrofe

aerobe: fam. Azotobacteriaceae

se găsesc în sol, apă, frunze;

folosesc azotul atmosferic în nutriție;

au rol în circuitul natural al azotului;

sunt folosite pentru obținerea de îngrășăminte biologice.

facultative anaerobe: fam. Enterobacteriaceae

răspândire largă în sol, apă, tubul digestic la animale și om;

fixează azotul numai în anaerobioză;

strict anaerobe: fam. Bacillaceae

fixarea azotului a fost detectată Bacillus macerans și Bacillus polymzxa;

Dintre acestea cele mai  raspandite sunt bacteriile din genul Azotobacter. Genul Azotobacter se găsește în solurile cultivate, bogate în humus și mai rar în solurile acide și podzolice. Cea mai răspândită specie din acest gen este Azotobacter chroococcum.

Microorganisme fototrofe

aerobe: Cianobacterii (algele albastre-verzi)

capacitate dea fixa atat CO₂ cât și N₂;

pe baza energiei solare produc ATP, folosit în reacțiile biochimice;

anaerobe: fam. Thiocapsa, fam. Chromatiaceae, fam. Chromatium

oxidează compușii cu sulf;

asimilează pe cale fotosintetică substraturile organice;

Microorganisme simbionte fixatoare de N₂: fam. Rhizobiaceae

Simbioza Rhizobium – leguminoase se găsește în solurile cultivate cu leguminoase constă în fixarea azotului de către microorganismele simbiotice care trăiesc in nodozitățile de pe rădăcinile acestor plante.

În figura 1.3 avem mecanismul de simbioză dintre bacteriile simbionte și plante

Fig. 1.3 (Sursa: https://ghioceldrd2011.wordpress.com/2012/01/26/cercetare-azotul/)

Capitolul 2. Ecosistemele terestre

2. 1 Ecosistemele terestre- generalități

Conform definiției dată de Botnariuc și Vădineanu, ecosistemul este unitatea structurală și funcțională a ecosferei alcatuită din biotop și biocenoză. Deci ecosistemul este format dintr-o componentă abiotică sau factori ecologici cum ar fi: factori geografici, factori mecanici, factori fizici, factori chimici și partea biotică reprezentată de populațiile diferitelor specii precum și relațiile dintre specii.

Ecosistemele se împart in

ecosisteme naturale

ecosisteme seminaturale

ecosisteme antropizate:

dominate de om

proiectate si construite de om

Principalele caracteristici ale ecosistemeleor naturale și seminaturale sunt: dependența de energie radiantă solară și capacitatea de automenținere. Ele sunt reprezentate de ecosistemele marine, oceanice, acvatice, terestre . Din categoria ecosistemelor terestre fac parte: pădurile (rășinoase, foioase, tropicale), ecosisteme de stepă, de savană, pășuni, pajiști, deșerturi. Sistemele ecologice antropizate – dominante de om sunt dependente de fluxul de energie solară, dependente de aport de energie auxiliară. Din această categorie fac parte agrosistemele, plantațiile forestiere, ferme, lacuri de acumulare, s.a. Sistemele ecologice proiectate si construite de om sunt ecosistemele rurale și urbane. Ecosisteme rurale (comune, sate, cătune) folosesc energie radiantă solară si energie auxiliară din combustibili fosili. Ecosistemele urbane folosesc îndeosebi energia auxiliară din agrosisteme si diferite surse neconvenționale (energie geotermală, eoliană, valuri, maree).

Principalele funcții ale ecosistemului rezultate din interacțiunea energiei solare si a substanțelor nutritive, transformate in circuitele biogeochimice in susbtanțe organice sunt:

funcția productivă este rezultanta a două procese: fluxul energetic și circulația materiei. Ecosistemele nu pot produce energie ci doar o pot acumula și transforma.

funcția de suport

funcția de autoreglare

funcția informațională

2.2 Ecosistemele de pajiște

„Pajiștile sunt alcătuite din unități structurale și funcționale de vegetație ierboasă numite fitocenoze elementare, a căror natură, vitalitate și răspândire este condiționată de calitatea sistemelor ecologice și de impactul antropic” (Cogălniceanu, 1999).

Ecosistemele terestre de pajiște sunt suprafețe terestre de teren cu structura cea mai simplă ocupate cu vegetație ierboasă care realizează schimburi permanente de energie, materie și informație cu celelalte sisteme cu care interacționează. Speciile predominate sunt gramineele (Fam. Poaceae) si leguminoaseele perene (Fam. Fabaceae). Din punctul de vedere al suprafeței ocupate de pajiști naturale, România ocupă locul al 5-lea după Germania, Franța, Marea Britanie și Spania, ocupă o suprafată de teren de 4,872 mil. ha din care 3,378 mil. ha sunt pașuni și 1,494 mil. ha sunt fânețe. Pe glob, suprafața cea mai mare de pajiști se găsește in Africa, Asia, Europa, America de Nord, Noua Zeelendă și Australia ( Topfer și colab., 2000).

Pajiștile au funcții importante reflectate prin: fixarea simbiotică a azotului, îmbunătățirea fertilității solurilor, reținerea cantitățlor mari de carbon, prevenirea eroziunii și alunecărilor de teren, conservarea biodiversității, calitatea peisajului.

2.2 Clasificarea ecosistemelor de pajiște

Pajiștile sunt de două feluri: naturale (permanente) și temporare (transformate de om).

Pajiștile naturale se clasifică la rândul lor (Cogălniceanu, 1999) în :

Pajiști zonale

pajiști de stepă sau câmpie;

pajiști de silvostepă sau dealuri;

pajiști de munte;

pajiști alpine;

Pajiști intrazonale

pajiști din lunci și depresiuni;

pajiști de sărătură ( halofile);

pajiști de nisipuri (psamofile)

O altă clasificare a pajiștilor naturale confrom Anexei 1 din Directiva Habitate este:

Pajisti rupicole calcaroase sau bazofile cu Alysso-Sedion albi

Pajisti calcaroase din nisipuri xerice

Pajisti calaminare cu Violetalia calaminariae

Pajisti pireniene silicoase cu Festuca eskia

Pajisti boreale si alpine silicoase

Pajisti oro-iberice cu Festuca indigesta

Pajisti calcaroase alpine si subalpine

Pajisti mezofile macaroneziene

2.2.1 Pajiștile naturale

Pajiștile naturale sau permanente sunt suprafețe de teren pe care vegetația ierboasă s-a instalat spontan adică fără intervenția unană. Plantele din pajiștile naturale au nevoie de umiditate crescută. În sistemele terestre neperturbate N₂ este un factor care limitează producția netă a ecosistemelor. Totuși, această situație s-a schimbat dramatic în ultimele decenii. În majoritatea regiunilor din Europa există puține limite ale producției de biomasă datorită utilizării intensive a îngrășămintelor în sisteme agricole și creșterea depunerilor de azot în sistemele naturale și semi-naturale.

În România suprafața pajiștilor permanente este de 4,872 mil. ha din care 3,378 mil.ha sunt pășuni și 1,494 mil.ha sunt fânețe (Cercetări privind îmbunătățirea pajiștilor permanente din sudul Transilvaniei în vederea realizării unor producții însemnate în fermele private).

2.2.2 Ecosistemele de pajiște temporare

Aceste pajiști sunt cunoscute și sub numele de pajiști transformate de activitatea antropică în pajiști semănate sau cultivate.

Cele mai importante modificări care conduc la a această transformare sunt cauzate de:

agricultură care presupune distrugerea covorului vegetal existent; îndepărtarea vegetației și lucrările propriu-zise ale terenului;

fragmentarea ecosistemelor generată de extinderea sistemului socio-economic, creșterea complexității subsistemelor component și sporirea conexiunilor (Tabelul 1)

speciile invazive „modifică ecosistemele naturale prin degradarea fertilității, prin modificarea proprietăților fizico-chimice ale solului, prin degradarea caracteristicilor cantitative și calitative ale covorului vegetal ce fac concurență agresivă cu speciile native pentru apă, lumină, spațiu” (Hapca, 2014). Speciile invazive odată ajunse în ecosistem utilizează resursele cu o viteză mai mare decat speciile native (Teodorescu, 1999).

construirea așezărilor omenești;

animalele domestic prin păsuantul excesiv.

Tabelul 1. Evoluția suprafeței unor categorii de ecosisteme sub acțiunea sistemului

socio-economic uman la nivel global (Cogălniceanu, 2007)

Principala cauză pentru care pajiștile au fost transformate este agricultura. S-a considerat că în acest mod se asigură furaje de bună calitate și mențin fertilitatea solurilor și se oferă posibilitatea folosirii optime a terenurilor mai slab productive.

Procesul de schimbare a pajiștilor în terenuri arabile a fost consolidat de subvențiile de la stat si UE pentru că pajiștile tranaformate sunt de obicei mai productive și, prin urmare, va fi mai profitabila pentru proprietar această conversie ( Lindborg, 2008).

2.2.3 Biodiversitatea ecosistemelor de pajiște

Ecosistemele de pajiște sunt foarte bogate din punct de vedere al biodiversității. În ceea ce privește flora pajiștilor, în prezent există 3795 de specii de plante superioare, 1114 specii de mușchi (briofite), 8728 specii de fungi, până în 700 specii de alge (Ciocârlan, 2000)

Bogăția de specii în ceea ce privește fauna este reprezentată de animale din care avem (specii vertebrate (păsări, reptile, pești, mamifere aproximativ 150) și specii nevertebrate (Silvia, 2008).

Principalele amenințări în biodiversitatea ecosistemelor de pajiste:

Diversitatea plantelor in pajiștile naturale este afectată de pașunatul animalelor (Diaz și colab., 2011 citați de Gaujour, 2012 ). Când este vorba despre suprapășunat se modifică structura și funcțiile pajiștilor prin dispariția plantelor specifice fapt ce permite dezvoltarea unor specii care pot deveni invazive conducând la eliminarea speciilor native. În urma pășunatului se modifică și structura chimică a solului, adică se îmbogățește în azot și fosfor din cauza dejectiilor animale. În plus, în pajiștile cu pășunatul intensiv expuse sunt speciile de dicotiledonate, ierburile scurte, cum ar fi Agrostis capillaris L. Pajiștile păscute de animale pe tot parcursul anului au o mai mare bogăție de specii de plante decât aceleași pajiști pășunate ocazional. Cele mai multe studii nu au gasit un efect de pășunat sezonier care să influențeze bogăția de specii. Cu toate acestea, unii autori (Bullock și colab. 2001; Gibson și Brown 1991; Watt și colab. 1996 citați de Gaujour, 2012) au constatat că o combinație de pășunat între primăvară și iarnă crește bogăția de specii.

Pășunatul determină:

heterogenitatea pajiștilor pentru că speciile de animale își selectează hrana, fapt ce influențeazã relațiile de competiție dintre diferitele specii de plante;

crearea de nișe noi cu rol important în pătrunderea și instalarea speciilor colonizatoare;

din cauza animalelor crește aportul suplimentar de substanțe nutritive concentrate în urină și materiile fecale, pășunatul influențeazã în mod direct, dar și indirect preferințele alimentare ale speciilor (Marușca, 2011).

Altă cauză care poate influența diversitatea speciilor o reprezintă cositul ce depinde de frecvența de tăiere și/sau data tăierii deoarece tăierea prea precoce poate preveni producerea de semințe și creează dezvoltarea de noi specii dorite sau invazive, în timp ce tăierea prea târzie poate duce la covor vegetal dens (Smith și Haukos 2002 citați în Gaujour, 2012), de stadiul de înflorire al plantelor și compoziția floristică inițială a pajiștilor. Cositul favorizează unele specii și defavorizează pe altele, speciile Anthoxanthum odoratum L., Dactylis glomerata L. și Holcus lanatus L., pot rezista cositului. Frecvența mare de tăiere defavorizează speciile de plante cu frunze înalte, precum Trisetum flavescens L. și Pimpinella major L. Cu toate acestea, alte specii sunt insensibile la frecvența de tăiere, cum ar fi Festuca pratensis Huds. și Ranunculus acris L (Gaujour, 2012).

Conversia ecosistemelor de pajiște în terenuri agricole determină nu numai pierderea biodiversității ci și poluarea solului din cauza îngrăsămintelor utilizate în cultivarea terenurilor.

2.2.3 Factorii și efectele degradării ecosistemelor de pajiște

Activitățile umane prin agricultura intensivă, zootehnia, industria, turismul conduc la transformarea și deteriorarea ecosistemelor terestre prin modificarea structurii și funcțiilor ecosistemelor.

În tabelul 2 avem prezentați principalii factori și efectele acestora care produc degradarea pajiștilor (Sursa: după http://www.rasfoiesc.com/business/agricultura/Tehnologii-de-imbunititire-ale23.php)

Tabelul 2.

Surse de azot în ecosistemele de pajiște

OECD (Organizația pentru Cooperare Economică și Dezvoltare) recomandă păstrarea unui echilibru în ceea ce privește aprovizionarea solului cu elementele necesare pentru dezvoltarea corespunzătoare a plantelor și să se păstreze balanța între intrările și ieșirile de azot (Berca, 2008).

Intrările de azot se realizează prin:

Fixarea biologică a azotului molecular;

Depunerile umde de azot de către apele meteroice și pulberile atmosferice;

Cantitatea de îngrășăminte administrată.

Ieșirile de azot se produc prin:

Descompunerea nitraților și nitriților;

Denitrificarea realizată de microorganisme (Galloway și colab., 2009);

emisia în atmosferă a amoniacului

Transportul amoniacului se realizează prin procese de advecție și convecție. Amoniacul este absorbit de particulele de nori ducând la formarea ionului amoniu NH₄⁺ (Seinfield și Pandis, 1998).

Azotul ajunge pe ecosistemele de pajiște prin:

a. depuneri de azot

– depuneri uscate de azot sau fertilizanți;

– depuneri umede de azot;

b. cultivarea plantelor fixatoare de azot.

2.3.1 Depuneri uscate de azot

„Depunerile umede și uscate sunt procese de transport între compartimente diferite (atmosferă-sol, atmosferă-apă), unidirecționale, ce se defășoară după un mecanism de advecție” (Postolache și Postolace 2000).

„Depunerile uscate de azot se realizează prin transferul direct al particulelor sau substanțelor gazoase din atmosferă pe o suprafață de recepție. Cantitatea depusă este dependentă de natura suprafeței de contact pe care se pot produce procese de adsorbție sau absorbție a gazelor sau de solubilizare a particulelor în contact cu suprafețe umede “ (Barbu și colab., 2011).

Principala cale de deteriorare a pajiștilor cu depuneri uscate de azot este sub formă de aerosli și particule. În Dicționarul explicative al limbii române „aerosoli” sunt particule dispersate în aer . Îngăsămintele sunt amestecuri de substanțe simple și/sau compuse, de natură organică sau minerală, care se aplică sub formă lichidă, semilichida sau solidă, la suprafață sau foliar în scopul fertilității solului și a producției vegetale. Prin activitățile umane, solul primește cantități uriașe de pesticide, erbicide și alte substanțe toxice.

Îngrășămintele cu azot se găsesc sub mai multe forme:

Nitrică. La aplicarea în sol, azotul nitric rămâne în soluția solului, de unde parțial este consumat de plante, parțial intra în reacții cu alte săruri, iar o altă parte este levigata;

Amoniacală. Ingrășămintele sub formă amoniacală sunt amoniacul și sulfatul de amoniu. Cantitatea cea mai mare de azot se găsește în ammonic 82%, se poate folosi fie direct, fie ca materie primă. Prin aplicarea lui au loc pierderi de până la 50-60% prin volatilizare și este indicat să fie aplicat cu stabilizatori acizi;

Organice naturale. Orice îngrășământ sub formă organică este mineralizat, rezultând în final două forme: nitrică și amoniacală;

Amidică (uree). Ureea este cel mai concentrat îngrășământ, conține 46% azot și este foarte solubilă în apă, 108g/100g apă la 20°C (Dumitru și colab., 2005).

Utilizarea în agricultură a azotului, sub forma de ingrăsăminte sintetice a crescut dramatic in ultimii 50 de ani în Europa și în întreaga lume. În 1950, anual global consumul de îngrășăminte N₂ a fost mai mic de 4 tone , dar a crescut la 32 tone în 1970 și a mai mult de 80 milioane de tone de 1990. Principalele surse de intrare a azotului în terenurile agricole sunt acum îngrășăminte minerale, gunoi de grajd. Îngrasaminteșe lichide minerale utilizare în Europa au crescut de la 4,6 tone în 1960 la 11,8 milioane de tone în 1995 când a reprezentat 50% sau mai mult din totalul de intrări cu azot în Danemarca, Germania, Grecia, Franța, Luxemburg, Finlanda și Suedia (Butterbach-Bahl,2011).

Când se aplică ingrășăminte sub formă de azot se au in vedere o serie de factorii:

tipul de pajiște;

cantitatea administrată;

ce alte elemente nutritive conține solul respectiv;

compoziția floristică: graminee sau leguminoase.

Cantitatea de azot diferă de la ecosistem la ecosistem, astfel un singur experiment de fertilizare cu azot nu poate furniza o reflecție precisă a efectelor ecologice asupra activității enzimelor din sol. Aceste căi ar putea cauza efecte diferite asupra activității microorganismelor din sol. În multe dintre experimente de simulare, fertilizatorii cu azot au fost direct aplicați solurilor în loc să fie aplicați plantelor pentru a investiga efectele ecologice ale depuneilor de azot. În contrast, azotul atmosferic natural ia contact mai întâi cu plantele supraterane din care ajunge apoi în sol. Sunt necesare și alte studii, în special de teren, pentru a caracteriza efectele sintetizate ale depunerilor de azot atmosferic și a altor componente ale climatului global și schimbărilor de mediu asupra funcționarii ecosistemului. În experimentele simulate de fertilizare cu azot numai 15% din azotul adăugat a fost asimilat în biomasa microbiana, 15% a fost emis în formă gazoasă, în timp ce plantele au folosit până la 70% din azotul adăugat (Wang Cong-yan și colab., 2012).

Depuneri umede de azot

„Depunerile umede reprezintă cantitatea de elemente sau substanțe transferate din atmosferă în soluții apoase sau suspensii fiind dependente de natura suprafeței adiacente” (Barbu și colab., 2011). Depunerile umede pe suprafața de pajiște depinde de precipitații. Suma precipitațiilor poate varia destul de mult pe distanțe scurte în special în zonele montane. Rata de depunere umeda cu azot a fost de 20% în 1997 și 30% în anul 2000. Pe ecosistemele de pajiște crește concentrația de azot din aportul de azot adus de apele meteorice și pulberile atmosferice (Mosier, 2008).

Conform celor spune de Postolache în 2000, depunerile umede parcurg două procese:

primul proces ce se desfășoară după formarea picăturilor de ploaie formate în nori captează particule solide și absorbția gazelor de către picăturile aflate în cădere;

îndepărtarea compușilor chimici ce are loc odată cu ploaia după ce particulele și gazele au fost înglobate..

Cultivarea plantelor fixatoare de azot

În ecosferă există numeroase resurse de azot ce provin din cultivarea plantelor fixatoare de azot cum sunt culturile de leguminoase (mazăre, fasole).

La nivelul Uniunii Eurupene limitele maxime de nitrați (mg/kg) în diferite țări sunt prezentate în tabelul 2.

Tabelul 2 Limitele maxime de nitrați (mg/kg) admise în UE pentru unele legume (Scăețeanu și Pele, 2014)

Cantitatea de azot fixată de culturile acestea este estimată la aproximativ 40 T/an. În ccea ce provește conținuturile de nitrați în fructe sunt destul de scăzute: căpșunile au acumulat până la 216 mg nitrat/kg, prunele până la 133,49 mg nitrat/kg, merele până la 54,56 mg nitrat/kg. Studii efectuate în Slovenia între anii 1996 și 2002 au arătat că fructele analizate (struguri, mere, pere, piersici) au prezentat concentrații foarte scăzute de nitrați până la 6 mg/kg (Scăețeanu și Pele, 2014).

Pentru a vedea eficienta, efectele și randamentul azotului pe diferite culturi și soluri diferă, s-a făcut un studiu pentru cultura de orez folosindu-se două categorii de soluri: nisipos și argilos. Pe solul nisipos s-a adăugat mai multă cantitate de azot iar pe solul argilos mai puțină dar producția a fost mai mare. Diferența de randament poate fi legată și de fertilitatea solului, știm că solurile nisipoase au o fertilitate scăzută spre deosebire de solurile argiloase care au potențial de fertilitate ridicată dar greu de valorificat din cauza regimului aerohidric deficitar (Ye. Q și colab., 2007).

Factorii care influențează transformarea azotului acumulat în sol sub acțiunea microorganismelor

Microorganismele solului joacă un rol important în cadrul ecosistemelor terestre deoarece participă activ la procesele de degradare și mineralizare a substanțelor ajunse în sol. Fertilizarea pajiștilor influențează structura și activitatea microorganismelor existente în sol, iar aceasta, la rândul ei, poate influența negativ sau pozitiv proprietățile chimice și fizice ale solului (Lipșa).

Tabelul cuprinde factorii care influențează transformarea azotului acumulat în sol sub acțiunea microorganismelor

Tabelul factorii care influențează transformarea azotului acumulat în sol sub acțiunea microorganismelor (după Botez și Postolache, 2013)

Concluzii

Perturbarea circuitului biogeochimic al azotului este datorat activităților umane generând adevărate catastrofe ecologice. Dintre toate ecosistemele terestre, ecosistemele de pajiște au fost modificate în număr mare afectând în primul rând biodiversitatea acestora cât și parametri fizico-chimici caracteristici.

Scopul acestui studiu a fost de-a monitoriza și analiza dinamica microorganismelor denitrificatoare corelată cu parametrii fizico-chimici asupra unui ecosistem de pajiște și urmărirea modificărilor aduse de fertilizarea cu azotat de amoniu. Fertilizarea cu azot în general are limite neraționale. Datorită efectelor îngrășămintelor azotoase, direcțiile de acțiune sunt îndreptate tot mai mult spre mecanismele naturale de fixare a azotului, spre eficientizarea și îmbunătățirea desfășurării etapelor prezente în circuitul azotului. În natură circuitul azotului implică un număr ridicat de procese și microorganisme, responsabile de transformarea azotului într-o formă asimilabilă și pus la dispoziția plantelor.

Pentru a se îndeplini cele doua obiective propuse: caracterizarea dinamicii microorganismelor denitrificatoare influențată de parametrii fizico-chimici ai ecosistemului de pajiște și analiza modificărilor aduse de fertilizarea cu azotat de amoniu pe ecosistemul de pajiște s-au prelevat probe de sol lunar în intervalul de timp iunie 2014 – aprilie 2015 și s-au determinat în laborator umiditatea solului, pH-ul, formele de azot existente în sol. Pe lângă acești parametri fizico-chimici am determinat și numărul probabil de microorganisme din transectul liniar care asigură reprezentativitatea zonei de cercetare și din mai multe ploturi prin utilizarea tehnicii MPN (Most Probable Number).

În urma celor analizate mai sus s-a ajuns la concluzia că pe parcursul lunilor calde (iunie-septembrie) s-au înregistrat cele mai mici efective ale microorganimelor denitrificatoare, creșteri ale acestora se înregistrează în urmatoarele luni, mai ales toamna, când se acumulează mai multă materie oragnică în sol care este substratul pentru denitrificatori. Același lucru se observă și la experimentul de ferilizare cu azotat de amoniu la nivelul celor 3 ploturi fertilizate: VN0 este zona de referință (s-a aplicat apă distilată), VN5 este plorul fertilizat cu azotat de amoniu de de 5g N/m²/an și plotul VN10 fertilizat cu azotat de amoniu de 10g N/m²/an dar bineînțeles alte valori înregistrate.

De asemenea, între parametrii fizico-chimici există o corelație, comparând dinamica efectivelor populaționale denitrificatoare și dinamica umidității (%) observăm că umiditatea cu cât este mai mică cu atât efectivele popolaționale de denitrificatori cresc.

Legătura dintre pH și efectivele populaționale influențează actvitatea microorganismelor prin procesele de transformare a formelor existente de azot în sol.

La cele 5 puncte liniare observăm diferențe între conținutul de azotit ce prezintă un nivel foarte scăzut comparativ cu cantitatea de azotat din sol. În ecosistemele de pajiște microorganismele convertesc nitrații și nitriții în azot atmosferic, ceea ce are efecte negative -scade fertilitatea solului. În ploturile fertilizate cantitatea cea mai mare de azotit și azotat este la nivelul plotului VN5.

În concluzie pentru studierea diferiților parametri din ecosistemele de pajiște este necesară întelegerea circuitului biogeochimic al azotului deoarece azotul este coreleat de cele mai multe ori cu productivitatea solui.