Elemento chimico gassoso che costituisce i quattro quinti
dell'aria atmosferica. Fu scoperto da Daniel Rutherford nel 1772. Il suo simbolo
è
N e il suo peso atomico è 14,0067. Oltre che nell'aria,
esiste anche negli organismi viventi, nei minerali, nitrati e sali ammoniacali.
Gas incoloro e inodoro, il cui peso specifico, rispetto all'aria, è di
0,9682 e la cui temperatura critica è 146 °C, bolle a 195,8 °C
alla pressione atmosferica. Ad alte temperature si combina con metalli e
metalloidi. Con l'idrogeno per catalisi dà l'
ammoniaca; con
l'ossigeno dà l'
acido nitrico; in reazione col carburo di calcio
dà la
cianammide. Si ricava industrialmente dall'aria liquida o
dall'ossidazione dell'ammoniaca. Le
ammidi e le
immidi sono i due
tipi di composti metallici dell'
a.; numerosi sono invece gli ossidi
dell'
a. La caratteristica più importante dell'
a. è
quella di sintetizzare l'ammoniaca e l'acido nitrico che assieme ad altri
prodotti ottenuti dall'
a., come la calciociannamide e l'urea, sono
materie prime per l'industria dei fertilizzanti. L'
a. subisce varie
trasformazioni nel corso della sua utilizzazione compiuta da organismi viventi;
questo complesso di trasformazioni è detto ciclo dell'
a. ║
Ciclo dell'a.: complesso degli scambi di
a. o composti azotati che
avviene fra la litosfera (cioè la corteccia superficiale rocciosa della
Terra), l'idrosfera (complesso delle acque esistenti sulla superficie
terrestre), la biosfera (insieme degli organismi viventi del pianeta) e
l'atmosfera. Il ciclo dell'
a. consiste in una serie di scambi ciclici fra
queste entità e, insieme con altri cicli, quali quelli del carbonio,
dell'ossigeno, del fosforo, ecc. è alla base della vita esistente sul
nostro pianeta. Ad esempio nel corpo umano l'
a. è presente come
costituente essenziale di tutti i prodotti fondamentali per la vita quali
proteine, amminoacidi, acidi nucleici, enzimi, coenzimi, ecc., anche se
costituisce solo il 3% in peso del corpo umano stesso. La stessa importanza
è rivestita dall'
a. per tutti gli altri organismi viventi, in
quanto esso entra a far parte degli stessi costituenti della cellula.
L'
a. è presente nell'atmosfera terrestre in quantità
enormi, ma non in forma direttamente utilizzabile dagli organismi viventi se non
dopo una prima trasformazione da
a. molecolare o
a. atmosferico in
a. fissato; questa operazione è detta
azotofissazione
(V.), e porta da
a. a valenza zero ad
a. ossidato (valenza + 1 + 3, + 5) o
a. ridotto (valenza - 1, o -
3). Inoltre l'
a., fissato in forma organica, cioè come sali di
ammonio, nitriti o nitrati, non è direttamente utilizzabile dagli animali
ma solo dalle piante. Queste operano la trasformazione dell'
a. inorganico in
a. organico (proteine, amminoacidi, vitamine, ecc.) che può essere
utilizzato dagli animali; questa operazione si dice
organicazione
dell'
a. Dagli organismi viventi l'
a. ritorna alla litosfera,
all'idrosfera e all'atmosfera o per decomposizione dei loro escrementi o per
decomposizione delle loro spoglie. Si tratta però di
a. organico;
esso viene quindi trasformato di nuovo in gran parte in
a. inorganico (o
addirittura
a. molecolare) che ritorna in ciclo o mediante fissazione o
mediante organicazione. Il ciclo dell'
a. consiste quindi non solo in una
serie di scambi fra atmosfera, biosfera, litosfera e idrosfera, ma anche in una
serie di trasformazioni e di scambi che possono avvenire all'interno di ognuna
di queste entità. Per poter comprendere agevolmente questo complesso di
scambi e trasformazioni è necessario impostare dei bilanci separati,
mettendo in evidenza i meccanismi con cui questi scambi avvengono. ║
Bilancio dell'atmosfera: nell'atmosfera l'
a. è presente
essenzialmente come
a. molecolare, benché vi siano anche tracce di
a. combinato in forma di ammoniaca o ossidi di
a., proveniente dal
terreno o dalle acque. La concentrazione dell'
a. nell'atmosfera è
del 79% in peso circa, e costituisce quindi un'enorme riserva. L'atmosfera
riceve
a. dalla litosfera e dall'idrosfera, per effetto della
denitrificazione (V. AZOTOFISSAZIONE) di
queste, dovuta a vari fattori quali microrganismi denitrificanti, emissione di
vapori nitrosi nei fiumi vulcanici, prodotti di decomposizione di sostanze
organiche, ecc. La perdita di
a. da parte dell'atmosfera avviene nei
confronti della litosfera e dell'idrosfera a causa dei fenomeni di
azotofissazione, sia essa biologica (cioè dovuta a microrganismi),
operata dall'uomo o dal dilavamento dell'
a. combinato (che esiste
nell'atmosfera stessa e vi si forma ad esempio per effetto di scariche
elettriche) ad opera della pioggia. Una piccola parte di
a. viene poi
ceduta dalla biosfera (che comprende non solo gli organismi viventi ma anche
quelli che lo sono stati, cioè le loro spoglie, costituite di materia
organica) all'atmosfera nella decomposizione delle spoglie. Il ciclo
dell'
a., per quanto riguarda l'atmosfera, sembra oggi chiudersi
leggermente in perdita, cioè con una lieve diminuzione nel tempo (anche
se insignificante, date le masse in gioco). ║
Bilancio della
litosfera: la litosfera riceve
a. dall'atmosfera e dalla biosfera e
ne cede a queste due e all'idrosfera. Dall'atmosfera la litosfera riceve
a. per mezzo della azotofissazione, comunque operata. Dalla biosfera
l'
a. giunge alla litosfera sotto forma degli escrementi animali e delle
spoglie animali e vegetali, tutte ricche di composti azotati. Essi vengono
decomposti nella litosfera da
a. organico in
a. inorganico o anche
a. organico in forma molto semplice, ad opera di numerosi microrganismi.
L'attacco di questi sugli escrementi e sulle spoglie produce essenzialmente
a. ammoniacale, accompagnato a quantità minori di nitrati,
amminoacidi, ecc.; una parte di questi può liberarsi nell'atmosfera prima
di essere assorbita dal terreno. In generale gli escrementi e le spoglie sono
costituiti da vari prodotti molto complessi, e l'attacco è alquanto
lungo. Ad esempio gli amminoacidi e le proteine vengono demolite idroliticamente
a prodotti più semplici, indi su questi agiscono degli enzimi o dei
microrganismi che trasformano l'
a. organico in
a. inorganico. Ad
esempio l'urea, contenuta negli escrementi di molti animali, viene decomposta in
anidride carbonica e ammoniaca. Questo processo viene detto
mineralizzazione dell'
a. in quanto produce
a. sotto forma
di composti organici partendo da composti inorganici. Come si è detto, la
maggior parte di questo
a. viene a trovarsi in forma di
a.
ammoniacale, cioè ioni di ammonio. Questo non è in generale
utilizzabile come tale direttamente dalle piante, ma necessita prima una
trasformazione in
a. nitrico; questa operazione è detta
nitrificazione ed è condotta da particolari batteri. La
nitrificazione può avvenire sia nel terreno sia nelle acque ed è
operata da alcune specie di batteri appartenenti alla famiglia delle
Nitrobacteracee (ordine delle
Pseudomonadales) la cui scoperta è
dovuta a S. Winogradsky (1891). In realtà l'ossidazione dell'
a.
ammoniacale in
a. nitrico avviene in due stadi: nel primo si ha
un'ossidazione parziale ad acido nitroso e nel secondo si passa da questo ad
acido nitrico. Le specie batteriche che operano le due trasformazioni sono
diverse. I
nitrosobatteri come la
Nitrosomonas europea e il
Nitrosococcus agiscono sull'ammoniaca trasformandola in acido nitroso;
condizione favorevole per la loro azione è naturalmente la presenza di un
sale di ammonio di concentrazione compresa entro certi limiti, e di un ambiente
abbastanza basico per neutralizzare l'acido nitroso formato per trasformazione
in un nitrato. Queste specie infatti non tollerano un ambiente acido (pH
inferiore a 6). Come sorgente di ossigeno (necessario per l'ossidazione)
utilizzano l'anidride carbonica atmosferica, onde devono trovarsi in condizioni
decisamente aerobiche (cioè a contatto con l'aria) quali si hanno negli
strati superficiali del terreno o delle acque. I
nitrobatteri come le
specie
Nitrobacter winogradskyi e
Nitrobacter agilis trasformano
l'acido nitroso in acido nitrico. Le condizioni in cui queste specie operano
sono simili a quelle sopra dette per i nitrosobatteri; naturalmente questi
richiederanno anche la presenza di acido nitroso (o nitriti) entro certe
condizioni; la presenza di ammoniaca non è necessaria ma è
tollerata. Si tratta in entrambi i casi di microrganismi altamente
specializzati, che traggono la loro energia di sostentamento dalle chemiosintesi
suddette, anche se questa è molto limitata. La litosfera perde
a.
verso l'atmosfera e la biosfera. Verso l'atmosfera questo avviene per perdita di
ammoniaca, liberata nel terreno in quanto primo stadio di una fissazione
(cioè prima della loro nitrificazione) oppure per effetto di una
denitrificazione operata anche da certe specie batteriche, come la
Pseudomonas denitrificans. Queste specie operano abitualmente
l'ossidazione di composti organici utilizzando l'
a. atmosferico; in
condizioni anaerobiche possono però operare la stessa ossidazione a spese
dei nitrati, cioè dell'
a. nitrico, che viene ridotto ad
a.
ammoniacale o ad
a. in forma di ossidi volatili che possono sfuggire al
terreno e passare all'atmosfera. Il passaggio dell'
a. dalla litosfera
alla biosfera avviene sia come sali di ammonio sia come
a. nitrico sia
come
a. organico in forma di composti semplici (acido aspartico, acido
glutammico, ecc.); lo scambio più importante è relativo
all'
a. nitrico. Tutti questi composti azotati costituiscono infatti uno
dei nutrimenti fondamentali del regno vegetale: l'
a. viene assorbito
dalle piante e da queste trasformato in
a. organico, soprattutto
proteine, attraverso complesse reazioni di
organicazione, dalle quali le
piante traggono anche parte del loro nutrimento. È da notare che lo
scambio di
a. dalla litosfera alla biosfera deve necessariamente avvenire
verso il regno vegetale: gli animali non sono in grado in nessun modo di
utilizzare l'
a. inorganico od organico presente nel terreno se prima
questo non viene elaborato dalle piante e trasformato in
a. proteico o in
altri composti organici. Una notevole parte dell'
a. che la litosfera
annualmente riceve come prodotto della fissazione viene da questa ceduto
all'idrosfera attraverso il dilavamento operato dalle acque di superficie e
sotterranee. Secondo le stime più recenti, non meno di 30 milioni di
tonnellate di
a. ogni anno sono convogliate dai corsi d'acqua verso i
mari e gli oceani. Il fenomeno sta assumendo proporzioni sempre maggiori; le
cause sono molteplici e difficilmente rimediabili. In primo luogo la diffusione
della concimazione con prodotti chimici, molto più facilmente dilavabili
di quelli organici naturali, ha senz'altro aumentato sensibilmente il
dilavamento. Inoltre una grandissima quantità di
a., soprattutto
in forma di composti organici azotati derivanti da escrementi umani e animali,
è convogliata dai torrenti e dai fiumi verso gli specchi d'acqua, venendo
così sottratta alla litosfera. Complessivamente il bilancio
dell'
a. della litosfera appare chiudersi con un leggero incremento annuo,
valutabile sull'ordine dei 5 milioni di tonnellate, soprattutto per il massiccio
apporto di
a. fissato dall'uomo in forma di concimi chimici azotati.
Questo modo di procedere non solo costituisce uno spreco di
a. già
fissato e un favoreggiamento della denitrificazione, ma determina un aumento del
contenuto in
a. dell'idrosfera, con alterazioni localmente anche profonde
del suo equilibrio ecologico. ║
Bilancio dell'idrosfera:
l'idrosfera riceve
a. dall'atmosfera attraverso l'azotofissazione; dalla
litosfera per il dilavamento operato dalle acque, e dalla biosfera sotto forma
di escrementi e di spoglie di flora e fauna acquatiche. Come perdite di
a. si ha anche qui la denitrificazione, con cessione di
a. alla
biosfera. L'azotofissazione viene compiuta da piante acquatiche in simbiosi con
microrganismi, esattamente come avviene nella litosfera; si hanno però
anche nell'idrosfera dei batteri non simbionti e delle piante azotofissatrici,
simbionti e non, che ricavano dalla luce solare l'energia necessaria per operare
la fissazione dell'
a. La fissazione biologica di
a. operata
nell'idrosfera è stimata sui 10-15 milioni di tonnellate per anno; ma si
tratta di una cifra puramente indicativa, dato che non si hanno a disposizione
dei dati quantitativi abbastanza affidabili. Nello stesso tempo si stima che la
denitrificazione della litosfera sottragga dall'idrosfera circa 40 milioni di
tonnellate di
a. per anno. Gli scambi con la biosfera sono più
limitati rispetto a quelli presentati dalla litosfera: si tenga presente che
oltre il 90% della biomassa (cioè del complesso degli organismi viventi)
è localizzato sulla terraferma. Il bilancio dell'
a. fra idrosfera
e biosfera si conclude però pressoché in pareggio, dato che
praticamente tutti gli escrementi e le spoglie della fauna e della flora
acquatica si decompongono nell'idrosfera stessa e che le perdite verso
l'atmosfera durante questa decomposizione sono limitate. Una perdita di
a. da parte dell'idrosfera è costituita dalle sedimentazioni di
prodotti inorganici e organici contenenti
a.; questa perdita è
abbastanza limitata, ed è stimata nell'ordine delle centinaia di migliaia
di tonnellate di
a. per anno. Un termine importantissimo del bilancio
dell'idrosfera è costituito dall'
a. apportato agli specchi d'acqua
dai corsi d'acqua, che lo sottraggono alla litosfera. Si tratta sia di
a.
inorganico, derivante dal dilavamento dei terreni, sia di
a. organico,
derivante soprattutto da escrementi umani e animali immessi nei corsi d'acqua
come acque luride. Questo fatto porta a un arricchimento dell'idrosfera in
prodotti azotati, stimabile in 5-10 milioni di tonnellate di
a. ogni
anno. Se questa quantità (che può essere fortemente imprecisa) ha
un basso significato quando venga ripartita su tutta la massa dell'idrosfera in
concentrazione uniforme (ricordiamo che il peso dell'idrosfera è valutato
in 1.4 ·10
19 tonnellate) non si
può dire lo stesso per quello che riguarda le condizioni locali, di
bacini chiusi o con scarse aperture verso gli oceani. Su questi bacini (laghi o
mari chiusi) si hanno spesso condizioni di forte insediamento umano, come pure
sui loro immissari. Questo provoca un forte apporto di composti azotati che
può innalzare notevolmente il contenuto di
a. fissato del bacino
stesso. Ne consegue la cosiddetta
eutrofizzazione del bacino d'acqua, che
causa un anomalo sviluppo della flora (soprattutto certi tipi di alghe) e
un'intensificazione delle attività biologiche; questi fenomeni provocano
un impoverimento di ossigeno dell'acqua e di conseguenza la progressiva
scomparsa dei pesci e l'instaurarsi di una forte attività microbica di
organismi anaerobici. In alcuni casi si verifica la trasformazione dello
specchio d'acqua in qualcosa di simile a una grande palude, maleodorante e
insalubre. L'eutrofizzazione e l'instaurarsi di fenomeni anaerobici sono anche
favoriti dall'inquinamento delle acque da sostanze oleose e detersivi, che
formano sulla superficie un sottile film impermeabile all'ossigeno atmosferico,
impedendo quindi la regolare ossigenazione dell'acqua stessa. ║
Bilancio della biosfera: la biosfera non è in grado di utilizzare
a. atmosferico ma solo
a. fissato. Essa attinge quindi dalla
litosfera e dall'idrosfera questa forma di
a., sia in forma di
a.
ammoniacale sia di
a. nitrico sia di
a. già organicato in
forma di semplici composti. In tutti i casi il passaggio di
a. dalla
litosfera o dall'idrosfera alla biosfera non avviene verso la totalità di
questa ma solo verso il regno vegetale, unica parte della biosfera in grado di
compiere l'organicazione dell'
a., cioè la trasformazione
dell'
a. inorganico (combinato in composti inorganici) in
a.
organico (cioè in forma di composti organici, principalmente proteine,
che contengono il 15 ÷ 20% di
a.). Gli animali, erbivori o
carnivori, assumono proteine, e quindi
a., attraverso la loro
alimentazione. Dalla biosfera l'
a. ritorna alla litosfera e all'idrosfera
sotto forma di escrementi animali, sempre ricchi di composti azotati, e di
spoglie animali e vegetali, oltre che come prodotto di combustione di vegetali,
ecc. L'insieme degli escrementi e delle spoglie forma i cosiddetti
detriti
organici presenti nell'
humus del terreno e nelle acque; questi sono
attaccati da una grande varietà di microrganismi i quali, decomponendo le
sostanze organiche, ritrasformano l'
a. organico in
a. inorganico
di nuovo assimilabile dalle piante. In questa operazione una parte non rilevante
dell'
a. va persa in composti volatili che passano all'atmosfera; da
questa però ritornano alla litosfera e all'idrosfera in quanto dilavati
dalla pioggia; una piccola parte invece passa all'atmosfera sotto forma di
a. molecolare e quindi non viene recuperata se non con fissazione
biologica o chimica. Nel complesso gli scambi della biosfera per quanto riguarda
l'
a. sono abbastanza stabili, cioè le quantità di
a.
assorbite dalla biosfera sono molto prossime a quelle che essa cede. La
concentrazione dell'
a. nella biosfera è praticamente costante; si
ha solo un piccolo accumulo di
a. dovuto all'aumento della biomassa nel
suo complesso. Localmente però si possono avere dei forti accumuli o
delle forti perdite. Nel complesso il ciclo dell'
a. appare centrato
attorno alla biosfera a differenza di altri cicli (ad esempio quello dell'acqua)
nei quali la biosfera interviene come uno dei fattori minori. Inoltre un esame
del ciclo dell'
a. mette in evidenza soprattutto due caratteristiche. La
prima è una dipendenza completa del regno animale da quello vegetale,
come unica sua fonte di sostentamento, come avviene anche per il ciclo del
carbonio. La seconda è la gravità con cui l'uomo è
intervenuto in questo ciclo, modificando profondamente i processi di
azotofissazione. Indubbiamente se questo ha consentito alla specie umana di
porre gran parte delle risorse alimentari della Terra al suo servizio, nello
stesso tempo ha prodotto dei seri mutamenti nel complesso equilibrio ecologico
del nostro pianeta.
Schema del ciclo dell’azoto
Schema del ciclo dell’azoto