Ciclo dell’Azoto

Il ciclo dell'azoto

L’azoto è un elemento indispensabile per la vita, ma la maggior parte di quello presente sulla Terra si trova nell’aria in una forma che gli esseri viventi non sono in grado di usare direttamente. Il ciclo dell’azoto descrive il viaggio che questo elemento compie per spostarsi tra aria, suolo, acqua e organismi viventi, cambiando forma più volte.

1. Dall’aria al suolo: rendere utilizzabile l’azoto

L’azoto presente nell’atmosfera è molto stabile e “inaccessibile”. Alcuni processi naturali lo trasformano in forme più reattive che le piante possono assorbire. Questa trasformazione può avvenire: nella terra, dove alcuni viventi lo convertono gradualmente; nell’acqua; nell’atmosfera, durante i temporali, grazie alle scariche elettriche. In questa fase l’azoto passa da “chiuso” e inerte a una forma nutriente, capace di entrare nella vita.

2. L’azoto entra nella vita

Quando l’azoto diventa assimilabile, le piante lo incorporano nei tessuti, trasformandolo in proteine e altre molecole vitali.
Da qui passa: agli erbivori che si nutrono delle piante, ai carnivori che si nutrono degli erbivori, e così via lungo la rete trofica. Tutti gli esseri viventi, quindi, ospitano una parte del ciclo dell’azoto nei propri corpi.

3. La restituzione al suolo

Quando piante e animali: eliminano rifiuti, muoiono, lasciano cadere foglie, peli, radici, ecc., l’azoto che avevano incorporato torna nel terreno in una forma organica, cioè ancora legata ai tessuti viventi. 

4. La trasformazione dell’azoto organico

Una volta nel suolo, l’azoto contenuto in foglie, cadaveri e rifiuti viene smontato pezzo per pezzo. Prima viene liberato dalla materia organica, poi trasformato in varie forme via via più semplici e solubili. Questi passaggi avvengono in catena. Prima l’azoto viene rilasciato in forma più semplice, poi modificato in altre forme solubili, infine convertito in una forma che può essere persa dal suolo.

5. La perdita dal suolo e il ritorno all’atmosfera

Una parte dell’azoto presente nel terreno compie l’ultimo passaggio del ciclo: viene trasformato di nuovo in una forma gassosa, che lascia il suolo e ritorna nell’atmosfera. Questa fase chiude il ciclo, riportando l’azoto allo stato “inaccessibile” da cui era partito.

6. Il grande equilibrio

Il ciclo dell’azoto funziona come una grande macchina di trasformazioni: dall’aria → al suolo → alla vita → di nuovo al suolo → di nuovo all’aria. Ogni passaggio cambia l’energia, la reattività e il ruolo ecologico dell’azoto.

Questo equilibrio permette ai nutrienti di essere continuamente riciclati e alla vita di prosperare.

Una metafora semplice per tutti

Pensa all’azoto come a un viaggiatore che cambia mezzi di trasporto: a volte vola nell’atmosfera, a volte cammina nel suolo, a volte entra nelle piante e negli animali. Ogni volta deve cambiare forma per continuare il viaggio. Il ciclo dell’azoto è il suo itinerario completo.»

Il ciclo dell’azoto è una rete di processi redox collegati in cui l’azoto passa attraverso stati di ossidazione da −3 a +5. La dinamica del ciclo è governata da:

  • diversità microbica (AOA/AOB/comammox, N-fixers, denitrificanti, DNRA bacteria, anammox Planctomycetota),
  • microgradienti ambientali (O₂, C/N, pH),
  • interazioni competitive e mutualistiche tra comunità microbiche e tra micro e macroorganismi.

Processi come anammox e comammox, scoperti di recente, hanno ridefinito la nostra comprensione dei flussi di N e ora sono integrati nei modelli biogeochimici e nelle pratiche ingegneristiche.

Stati di ossidazione principali dell’azoto (N)

  1. NH₄⁺ / NH₃ (ammonio/ammoniaca): N = −3
  2. N (in composti organici, ammine, amidi): tipicamente ≈ −3 → 0 (dipende)
  3. N₂ (azoto molecolare): N = 0
  4. N₂O (protossido di azoto): valore medio +1 (ossidazione netta intermedia)
  5. NO (ossido nitrico): N = +2
  6. NO₂⁻ (nitrito): N = +3
  7. NO₃⁻ (nitrato): N = +5

Nota: l’ossidazione formale è utile per seguire i flussi elettronici — ogni passaggio redox è accompagnato da trasferimento di elettroni che fornisce o consuma energia per i microbi.

Passaggi chiave del ciclo dell’azoto

  1. Fissazione dell’azoto (N₂ → NH₃/NH₄⁺) — biologica (nitrogenasi) e abiotica (fulmini, processi industriali)
  2. Assorbimento/assimilazione di NH₄⁺ e NO₃⁻ da piante e microbi (formano biomassa organica)
  3. Mineralizzazione / Ammonificazione (decomposizione della N-org → NH₄⁺)
  4. Nitrificazione (aerobica): NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ (AOB/AOA ± comammox)
  5. Denitrificazione (anaerobica respiratoria): NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO → N₂O → N₂ (eterotrofi o mixotrofi)
  6. DNRA (dissimilatory nitrate reduction to ammonium): NO₃⁻ → NO₂⁻ → NH₄⁺ (conserva N nel sistema)
  7. Anammox (anaerobic ammonium oxidation): NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2H₂O (loss of fixed N)
  8. Volatilizzazione: NH₃ (gas) → perdita dall’ecosistema
  9. Scambi fisici: immissione in atmosfera di N₂, deposizioni, input antropici (fertilizzanti).

Fissazione dell’azoto (N₂ → NH₃/NH₄⁺)

Reazione generale (biologica)

N2 + 8 H+ +8 e− + 16 ATP → nitrogenase 2 NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi 

  • Enzima chiave: nitrogenasi (MoFe protein + Fe protein; esistono isoforme V- e Fe-only).
  • Caratteristiche: fortemente O₂-sensitive; richiede elevato dispendio energetico (ATP) e riducenti (Fdx, ferredossina).

Microbiologia: 

Simbionti: Rhizobium/Bradyrhizobium (noduli leguminose), Frankia (actinobacteria con piante actinorize). 

Liberi: Azotobacter, Clostridium (anaerobi), cianobatteri (es. Trichodesmium, Anabaena), alcuni proteobatteri liberi e archaea in ambienti estremi.

Ruolo di macroorganismi: piante simbionti (fabaceae) ricevono N ridotto; gli ecosistemi terrestri dipendono fortemente da N fissato biologicamente.

Mineralizzazione / Ammonificazione (N-org → NH₄⁺)

  • Processo: decomposizione enzimatica di proteine, ammine, amminoacidi → NH₄⁺ (reazione catabolica).
  • Agenti: batteri decompositori (Proteobacteria, Actinobacteria), funghi saprofiti.
  • Contesto: suoli, sedimenti, sistema digestivo di animali (rumine).
  • Importanza: rende nuovamente disponibile azoto in forma inorganica per nitrificazione o assimilazione.

Nitrificazione (NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻)

Prima tappa: ammoniaca → hydroxylamina → nitrito

Reazioni semplificate:

NH3 + O2 +2 e− → AMO NH2OH + H2O (AMO = ammonia monooxygenase)

NH2OH → HAO NO2 −+ 5 H+ + 4e−(HAO = hydroxylamine oxidoreductase)

Organismi:

  • AOB (Ammonia-oxidizing bacteria; es. Nitrosomonas, Nitrosospira).
  • AOA (Ammonia-oxidizing archaea; es. Nitrosopumilus, Thaumarchaeota) — oggi riconosciute come giocatori fondamentali negli oceani e nei suoli.
  • Comammox (complete ammonia oxidizers; Nitrospira spp. che ossidano NH₃ → NO₃ da sole).

  • Enzima AMO è il punto chiave: catalizza la prima ossidazione dell’ammoniaca; è sensibile a condizioni ambientali (pH, disponibilità O₂).

Seconda tappa: nitrito → nitrato

Reazione: NO2− + H2O → NXRNO3− + 2 e− + 2 H+

  • Enzima: nitrite oxidoreductase (NXR).
  • Organismi (NOB): Nitrobacter, Nitrospina, Nitrospira (alcuni Nitrospira sono comammox).
  • Condizioni: tipicamente aerobiche, buon O₂ disponibile; lenta nei suoli freddi o ipoossici.

Denitrificazione (NO₃⁻ → N₂)

Sequenza generale (biologica, stepwise):

NO3− → (Nar/Nap) NO2− → (Nir) NO → (Nor) N2O → (Nos) N2

Enzimi principali:

 

  • NarGHI / NapAB: nitrato reduttasi (respiratoria: NO₃⁻ → NO₂⁻)
  • NirK / NirS: nitrito reduttasi (NO₂⁻ → NO) — due tipi strutturalmente diversi.
  • NorB / NorC: ossido nitrico reduttasi (NO → N₂O)
  • NosZ: protossido nitroso reduttasi (N₂O → N₂)
 

Microbi: numerosi batteri eterotrofi e alcuni archea (Pseudomonas, Paracoccus, certain Bacilli, Alcaligenes; gene markers nirS, nirK, nosZ studiati per la distribuzione). 

La denitrificazione è spesso collegata alla decomposizione organica (donatori di e⁻ organici) e all’ambiente anaerobico o subossico.


Risultato ecologico: perdita di N fissato come N₂ (gas), contribuisce all’equilibrio globale N ma può generare N₂O (potente gas serra) come prodotto di stazionamento se la catena è incompleta (es. assenza di NosZ o condizioni instabili).

DNRA (Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium)

Reazione: NO3−→NO2−→NH4+\mathrm{NO_3^- → NO_2^- → NH_4^+} (mediata da NrfA e altre proteine pentaemiche)

Conseguenza: conserva N nel sistema (riduzione a ammonio anziché perdita come N₂).

Organismi: diverse proteobatteri (es. Shewanella, Geobacter in alcuni casi) e batteri facoltativi; la scelta tra DNRA e denitrificazione dipende da rapporto C/NO₃⁻, disponibilità energetica e condizioni redox.

Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation)

Reazione netta

NH4+ + NO2− → N2 + 2 H2O

Bilancio elettronico: NO₂⁻ funge da accettore parziale per NH₄⁺; parte dell’elettroni è usata per ridurre NO₂⁻ in intermedi (idrossilammine/ossimi) e alla fine formare N₂.

Gruppi: batteri anammox appartenenti tradizionalmente all’ordine “Candidatus Brocadiales” (Planctomycetota), generi noti: Brocadia, Kuenenia, Scalindua, Jettenia, ecc. Nuovi cladi continuano a essere descritti. agupubs.onlinelibrary.wiley.com+1

Organello/caratteristica cellulare: possiedono un compartimento interno anammoxosome (membrana contenente ladderane lipidi), dove avviene la reazione per contenere composti reattivi.

Intermedi proposti: idrossilamina (NH₂OH), ossimo (NOH), probabilmente ibridi di N legati biologicamente; la biochimica esatta è stata studiata ed è in parte controversa ma ben caratterizzata in review recenti. 

Ecologia:

Alta importanza in zone anossiche marine (OMZ, sedimenti) e in molte acque di transizione; può rappresentare una frazione sostanziale delle perdite di N (in certi ambienti fino a ~50% o più del N fissato). ftp.soest.hawaii.edu+1

Anammox spesso colloca con processi che producono NO₂⁻ (nitrificazione parziale, DNRA) — partenariati funzionali e spaziati in micro-gradienti.