Il ciclo dell’azoto è una catena di reazioni che dall’azoto atmosferico N2, passando per l’ammoniaca NH3 e NH4+, e poi ai nitriti NO2- e nitrati NO3- (tutte forme di azoto inorganico o minerale), giunge agli aminoacidi e acidi nucleici (azoto organico) e poi con la morte di piante e animali ritorna ad essere inorganico: NO3-, NO2-, NH3, NH4+, N2.
La fissazione dell’azoto
La trasformazione dell’azoto molecolare N2 in ammonio NH4+ o ossidi di azoto si dice fissazione. Per produrre una mole di azoto fissato sono necessarie 160 kcal con cui rompere il triplo legame della molecola biatomica N2.
L’azoto fulminato N2 > HNO3
L’azoto atmosferico N2 è un gas inerte, che rappresenta il 78% dei gas atmosferici.
I due atomi di azoto sono tenuti assieme da un triplo legame, che rende la molecola molto stabile. Per rompere il triplo legame è necessaria molta energia che viene fornita dai fulmini e dalle radiazioni ultraviolette, e l’azoto diventa monoatomico N.
L’azoto monoatomico si ricombina con l’ossigeno atmosferico per formare il 90% degli ossidi di azoto presenti in atmosfera (Origine della vita).
Altre fonti di azoto atmosferico sono le eruzioni vulcaniche, gli incendi boschivi e la combustione degli idrocarburi.
In atmosfera troviamo il monossido di azoto NO, che ossidando diventa biossido di azoto o ione nitrito NO2- e triossido di azoto o ione nitrato NO3-.
Gli ioni nitrito NO2- reagiscono con l’acqua atmosferica e diventano acido nitroso HNO2, mentre gli ioni nitrato NO3- diventano acido nitrico HNO3.
In atmosfera oltre agli ossidi e acidi di azoto troviamo anche quelli di zolfo che però derivano solo dall’inquinamento, dagli incendi e dai vulcani.
Le molecole d’azoto e di zolfo dell’atmosfera precipitano a terra come piogge acide che in grandi quantità danneggiano i vegetali.
La quantità di azoto nitrico riversato ogni anno con i temporali estivi è di 10 kg/ha (ettaro) anno al sud Italia e 20 kg/ha anno al nord Italia perché ci sono più temporali. Infatti 1000 mm di pioggia corrispondono a 10.000 metri cubi di acqua piovana contenente 2 mg di azoto per litro.
Azotofissatori liberi
Liberi nel terreno troviamo gli azobacter che assieme ai cianobatteri, funghi e licheni fissano mediamente 1 kg di azoto per ettaro. Liberi perché non associati a piante: né graminacee, né leguminose.
Azotofissatori graminacee
Nei Tropici le radici delle graminacee esistono degli azotofissatori che non formano noduli: Azospirillum (grano, mais e riso), Gluconacetobacter, Herbaspirillum (endofiti) e Burkholderia. Gli Azotofissatori delle graminacee fissano 34 kg di azoto per ettaro.
Azotofissatori leguminose
Gli azotofissatori delle leguminose fissano il 40% dell’azoto fissato biologicamente sulla Terra.
Sono rizobi simbionti incarcerati nei noduli delle radici delle leguminose, fissano 100 kg di kg di azoto per ettaro e il 90% lo cedono alle piante. Il rizobio si incista formando dei noduli nelle radici della leguminosa ospite: endosimbiosi.
Ogni diversa specie di leguminosa ha il suo specifico rizobio:
| Rhizobium | kg di azoto | |
| fagiolo | leguminosarum bv phaseoli | 40 |
| soia | 60 | |
| Trifoglio incarnato | leguminosarum bv. trifolii | 240 |
| Erba medica | meliloti | 300 |
In agricoltura durante la semina si aggiunge il rizobio specifico al suo seme, i ceppi inoculati sono largamente ancora presenti nei noduli anche dopo una decina d’anni dall’inoculazione iniziale.
Nei rizobi l’enzima nitrogenasi utilizza l’aria: N2 + 8H+ + 8e- > e consumando 8 ATP ottiene > 2NH3 + H2.
Il massimo della fissazione dell’azoto avviene all’inizio della fioritura della leguminosa.
Dopo poche ore di vita il rizobio muore e rilascia ammonio e nitrati appena prodotti.
Nei noduli delle radici di trovano amminoacidi solubili che risalgono dalla radice alle foglie.
Il 50% di azoto fissato si trova nella leguminosa fuori terra, il 20% resta nei noduli o tubercoli delle radici e il restante 30% viene rilasciato nel terreno, e può essere utilizzato da qualsiasi vegetale.
L’azoto dei concimi
L’azoto può essere apportato dai concimi organici e concimi minerali.
I concimi organici come letami e liquami e i concimi minerali come l’urea, il solfato d’ammonio,…
L’urea CO(NH2)2 nel terreno diventa NH3.
L’azoto dei liquami e del digestato
Il digestato degli impianti di biogas contiene 4,5 kg di azoto per metro cubo, soprattutto come ione ammonio. L’azoto ammoniacale è la forma di azoto più stabile nel suolo e più disponibile per le piante. Tuttavia se non viene interrato volatilizza. Nel suolo, i batteri Nitrosomonas nitrificano lo ione ammonio in nitrato (NO3-), che denitrifica a protossido di azoto e quindi torna in atmosfera. Per tale ragione gli agricoltori usano dei prodotti che contrastano i batteri nitrificanti: NH4+ > NO3- > N2.
Nitrificazione
La Nitrificazione è la degradazione dell’azoto ammoniacale operata dai batteri Nitrosomonas presenti nel terreno, perciò l’agricoltore deve sapere quanti batteri sono presenti nei suoi terreni.
L’argilla rilascia lentamente NH3 e NH4+, e lentamente vengono degradati prima in NO2- nitrito e poi in NO3- nitrato.
Denitrificazione
La Nitrificazione è la degradazione dell’azoto molecolare in azoto atmosferico N2, è operata dai batteri Hyphomicrobium presenti nel terreno.
Nitrati nei terreni agricoli
Nei terreni agricoli la concentrazione di azoto deve essere almeno dell’0,1% , per cui un ettaro di terreno agricolo nei primi 50 cm di profondità deve contenere almeno 6.500 kg di azoto.
Di questi 6.500 kg di azoto il 95% è costituito da azoto organico inutilizzabile, il restante è inorganico: 4% di ammonio NH4+ legato all’argilla, e solo l’1% è ione nitrato NO3- libero, quindi solo 65 kg di azoto per ettaro sono utilizzabili. I nitrati si muovono liberamente nel terreno alla ricerca delle radici delle piante che li assorbono. Ma la storia dei nitrati non finisce qui:
- il movimento dei nitrati è ostacolato nei terreni acidi, contenenti caolino ed ossidi di ferro, di alluminio,
- in parte i nitrati possono subire una denitrificazione batterica e tornare nell’atmosfera come N2,
- i nitrati possono percolare in profondità nei terreni sabbiosi e se c’è molta acqua: pioggia e irrigazione.
L’azoto per le non leguminose NO3-
In teoria la radice della pianta può assorbire l’ammoniaca NH3 o lo ione ammonio NH4+, ma essendo uno ione positivo si lega ai terreni argillosi (OH-) e alla sostanza organica (COO-).
Legarsi all’argilla non è un male, perché si riduce la perdita per lisciviazione, invece nei terreni sabbiosi è facilmente perso e di questo ne parleremo alla fine.
Invece i nitrati NO3- ioni negativi si muovono nei terreni e quindi possono raggiungere le radici.
Non parliamo di nitriti NO2- vengono trasformati rapidamente in nitrati NO3-.
Il ciclo dell’azoto nella pianta
Nelle foglie giovani immature delle leguminose c’è un 5% di azoto, mentre in quelle mature solo un 2% di azoto, mentre nelle graminacee questi valori si dimezzano.
Il nitrato NO3- nelle radici e dei cloroplasti delle foglie viene ridotto a nitrito NO2- e poi nuovamente ridotto a ione ammonio NH4+.
Ora l’ammonio può essere utilizzato per la sintesi proteica.
Ma come tutte le cose, anche le piante muoiono.
La mineralizzazione: l’Humus
I vegetali morti vengono decomposti dai batteri e diventano humus.
I carboidrati delle piante sono usati dai batteri per trarre energia: 2/3 del carbonio diventa CO2 e torna all’atmosfera, e 1/3 del carbonio serve per la costruzione di nuove cellule batteriche e fungine.
Le piante morte e i residui culturali in genere contengono il 5% di azoto, composto da proteine e ac.nucleici.
Gli aminoacidi sono composti da una ammina NH2 che viene mineralizzata ad ammonio NH4+ e poi nitrato NO3-.
L’azoto finisce nella riproduzione batterica e in altre molecole che si ritrovano nell’humus.
Nell’humus il rapporto C/N è 10,5.
Se c’è molto azoto e il rapporto è inferiore a 24, l’azoto eccedente diventa azoto minerale nel terreno: NO3-, NH4+, NO2-, N2.
Se c’è molto carbonio e il rapporto è superiore a 24, i batteri utilizzano l’azoto minerale presente nel terreno.
Cosa succede in un campo di frumento duro dove vengono interrati 50 qli di paglia ? La paglia si trasforma in 6 qli di humus.
Com’è il bilancio dell’azoto ? Nella paglia di frumento c’è uno 0,5% di azoto quindi nel terreno apportiamo 25 kg di azoto. Nell’humus c’è un 5% di azoto quindi ci troviamo 30 kg di azoto. I 5 kg di azoto che ci troviamo in più sono stati procurati dai batteri prendendoli dal terreno.
La mineralizzazione dell’azoto: NH2 ammina > NO3-
La mineralizzazione è la demolizione dell’ammina dell’aminoacido NH2 a nitrato NO3-.
La mineralizzazione da un punto di vista agricolo deve essere più lenta possibile, per rilasciare molto gradualmente il nitrato che se non utilizzato dalla pianta poi si perde.
I fattori che influiscono sulla mineralizzazione dell’humus sono la temperatura, l’ossigeno, l’umidità, il pH del terreno, la stagionalità e la qualità dell’azoto organico:
1. la temperatura è ottimale a 30°C, ma con un range tra 5 e 40° C,
2. la presenza di ossigeno e quindi il terreno sabbioso più ossigenato di quello argilloso e le lavorazioni come l’aratura aumentano l’ossigenazione,
3. l’umidità favorisce la vita dei batteri ma se troppa riduce l’ossigenazione e la temperatura,
4. pH neutro
5. L’Italia centro meridionale è siccitosa per cui il momento di massima mineralizzazione si ha in Primavera ed Autunno,
6. La sostanza organica azotata ha tempi di mineralizzazione molto differenti: i batteri morti costituiscono il 5% dell’azoto e si demoliscono in pochi mesi, un 45% azoto organico si demolisce nell’arco di 1-20 anni, e un restante 50% di azoto che è mineralizzabile nel corso di più secoli se non millenni.
Le fasi della mineralizzazione
La mineralizzazione da NH2 a NO3-:
1.ammonificazione: NH2 > NH4+ è operata da batteri (Bacillus, Clostridium, Pseudomonas), attinomiceti (Streptomyces) e funghi (Aspergillus, Penicillium e Fusarium). Nei boschi il terreno è acido e lavorano meglio i funghi.
2 .nitritazione: NH4+ > NH2OH idrossilammina > NOH > NO2- nitrito è operata dai batteri nitrosi (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira).
3 .nitratazione: NO2- > NO3- è operata dai batteri nitrici (Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus) ed è molto più rapida della nitritazione.
Ora il nitrato può essere assorbito dalle radici, ma se sfugge può tornare nell’atmosfera come N2.
Lisciviazione
La lisciviazione è la percolazione delle acque contenenti azoto nella falda freatica. La prima causa è la pioggia intensa, specie in stagioni non calde.
La lisciviazione è tipica dei nitrati, e nei terreni sabbiosi può interessare anche l’ammoniacae il suo ione ammonio. Fanno eccezione i terreni molto acidi, quindi ricchi di cariche positive cui i nitrati possono legarsi e quindi non colare a fondo.
Volatilizzazione dell’ammoniaca
All’inizio della mineralizzazione abbiamo l’ammonio NH4+ che in acqua diventa ammoniaca NH3 che volatilizza nell’atmosfera.
I fattori positivi per la volatilizzazione sono l’acqua, la temperatura, il vento e la basicità del terreno. A pH 7 solo lo 0,5% dell’azoto è ammoniaca e il 99,5% è ammonio, ma a pH 8 il 5% è ammoniaca.
Normalmente le perdite per volatilizzazione sono minime, ma diventano importanti dopo le concimazioni con urea CO(NH2 )2 non interrata, perdite fino al 25%.
Chiusura del ciclo dell’azoto
Denitrificazione NO3− > N2
La denitrificazione è svolta da anaerobi facoltativi che in mancanza di ossigeno atmosferico vivono dell’ossigeno contenuto nei nitrati, nitriti, ossido di azoto NO, protossido di azoto N2O.
La temperatura ottimale del terreno è 70° C, ma se scende sotto i 20° C rallenta fortemente, fino a fermarsi a 2° C.
Il pH migliore è il neutro, ma sotto il 5 la denitrificazione si ferma.
Da ciò è facile capire che è un processo difficile e lento, per lo meno in Italia, dove si perdono non più di 5 kg di azoto all’anno come N2.
La denitrificazione riduce il numero di ossidazione dell’azoto: +5 NO3 > + 3 NO2 > +2 NO > +1 N2O > zero N2.
Da nitrato a nitrito: NO3– + CH2O + H+ -> ½ N2O + CO2 + 1½ H2O
Finalmente l’ N2 ritorna nell’atmosfera e il ciclo dell’azoto si conclude.