वृषाली धोंगडी
पर्यावरणातील अजैविक आणि जैविक घटकांमध्ये होणाऱ्या आंतरक्रियांमधून पोषणद्रव्यांचा विनिमय होत असतो. पर्यावरणातील अजैविक घटकांकडून जैविक घटकांकडे व जैविक घटकांकडून पुन्हा अजैविक घटकांकडे पोषणद्रव्यांच्या होणाऱ्या संक्रमणास पोषक द्रव्य चक्रीकरण किंवा जीव भू-रासायनिक चक्र असेही म्हणतात. उदाहरणार्थ सल्फर चक्र, कार्बन चक्र, फॉस्फरस चक्र इत्यादी. यापैकी आज आपण नायट्रोजन चक्रासंबंधी माहिती बघू या.
नायट्रोजन चक्र (Nitrogen cycle ) :
निसर्गात जैविक आणि अजैविक प्रक्रियांमधून नायट्रोजन (N२) वायूचे वेगवेगळ्या संयुगांत घडून येणारे अभिसरण ‘नायट्रोजन चक्र’ म्हणून ओळखले जाते. या चक्रात विविध क्रियांद्वारे तसेच रासायनिक अभिक्रियांद्वारे नायट्रोजन वायूपासून नायट्रोजनयुक्त संयुगे तयार होतात आणि या संयुगांचे विघटन होऊन पुन्हा नायट्रोजन वायू मुक्त होतो. वातावरणात नायट्रोजनचे प्रमाण ७८ टक्के असून तो बहुतांशी वातावरणीय वायूच्या स्वरूपात असतो. निसर्गात क्रमाने घडणाऱ्या सूक्ष्मजीवांच्या रूपांतरणातून नायट्रोजन वनस्पतींना उपलब्ध होतो. वनस्पतींचे सेवन केल्यामुळे प्राण्यांना नायट्रोजन उपलब्ध होतो आणि सर्व प्राणिजीवन टिकून राहते.
नायट्रोजन चक्राचे पुढीलप्रमाणे गट करता येतात : नायट्रोजन स्थिरीकरण, अमोनिफिकेशन, नायट्रीकरण व विनायट्रीकरण.
निसर्गात नायट्रोजन नायट्रिक आम्लाच्या स्वरूपात स्थिर होतो. नायट्रोजन स्थिरीकरणात वातावरणातील नायट्रोजनचे नैसर्गिक किंवा औद्योगिक प्रक्रियेद्वारे अमोनिया, नायट्रेट किंवा नायट्राइटमध्ये रूपांतर होते. पावसाच्या पाण्याबरोबर अमोनियाचा संयोग होऊन विरल नायट्रिक आम्ल तयार होते आणि ते वनस्पतींना उपलब्ध होते. विजांमधील विद्युत ऊर्जा किंवा वैश्विक किरणांमुळे हे रूपांतर होते. तसेच जमिनीतील सूक्ष्मजीवांमुळे नायट्रोजन स्थिरीकरण होणारे प्रमाण ९० टक्क्यांहून अधिक असते.
हेही वाचा – UPSC-MPSC : पर्यावरणातील संतुलन
नायट्रोजन स्थिरीकरणाच्या प्रक्रियेत दोन प्रकारचे जिवाणू भाग घेतात :
- मुक्तजीवी सूक्ष्मजीव : उदा., ॲझोटोबॅक्टर, क्लॉस्ट्रिडियम आणि ॲनाबिना, नोस्टॉक (नील-हरित शैवाल)
- सहजीवी : उदा., ऱ्हायझोबियम प्रजातीचे जिवाणू.
नायट्रोजनाचे स्थिरीकरण घडवून आणणाऱ्या जिवाणूंमध्ये ऱ्हायझोबियम जिवाणू महत्त्वाचे असून ते शिंबावंत (शेंगा येणाऱ्या) वनस्पतींच्या मुळांवर गाठी निर्माण करतात. हे जिवाणू वनस्पतींपासून अन्न मिळवितात तर वनस्पतींना या जिवाणूंपासून मुबलक प्रमाणात नायट्रोजनयुक्त संयुगांचा पुरवठा होतो. सहजीवनाचे हे एक उदाहरण असून त्यामुळे वनस्पती आणि जिवाणू या दोघांनाही फायदा होतो. म्हणून घेवडा, भुईमूग, ताग, ढेंचा या वनस्पतींमध्ये प्रथिनांचे प्रमाण अधिक असते.
अमोनीकरण प्रक्रियेत सर्व सजीवांनी उत्सर्जित केलेले पदार्थ आणि त्यांचे अवशेष यांचे सूक्ष्मजीवांमार्फत विघटन घडून येते आणि अमोनिया जमिनीतून मुक्त होतो किंवा जमिनीच्या अवस्थेनुसार त्याचे नायट्रोजनयुक्त संयुगांत रूपांतर होते.
नायट्रीकरण प्रक्रियेत जमिनीतील अनेक प्रजातींचे जिवाणू भाग घेतात. नायट्रोसोमोनस आणि नायट्रोसोकॉकस या जिवाणूंच्या प्रजाती अमोनियाचे (NH३) रूपांतर नायट्राइटमध्ये (NH२-) करतात. नायट्रोबॅक्टर जातीचे जिवाणू या नायट्राइटचे रूपांतर नायट्रेटमध्ये (NH३-) करतात. याचाच वापर करून वनस्पती अमिनो आम्ले ( amino acids ) तयार करतात. जिवाणूंच्या अन्य प्रजाती, विनॉक्सिजीवी क्लॉस्ट्रिडियम आणि ऑॅक्सिजीवी ॲझोटोबॅक्टर जिवाणू नायट्रोजन वायूपासून नायट्राइट (NH२-) आणि नायट्रेटची (NH३-) निर्मिती करतात.
विनायट्रीकरण ( Denitrification ) प्रक्रियेत जमिनीतील विशिष्ट जिवाणू नायट्रोजनयुक्त संयुगांचे अमोनिया आणि नायट्रोजन वायूत रूपांतर करतात. या प्रक्रियेला ‘विनायट्रीकरण’ म्हणतात, तर या जिवाणूंना ‘विनायट्रीकारक जिवाणू’ म्हणतात. या जिवाणूंमुळे जमिनीतील नायट्रेटचे प्रमाण घटते आणि वातावरणात नायट्रोजन वायू मुक्त होतो. फ्रिट्स हाबर आणि कार्ल बॉश यांनी नायट्रोजन आणि हायड्रोजन यांपासून अमोनिया तयार करण्याची पद्धत शोधली. या पद्धतीतून तयार होणाऱ्या अमोनियामुळे काही प्रमाणात नायट्रोजनचे स्थिरीकरण होत असते. १९११ सालापासून हाबर-बॉश प्रक्रियेने नायट्रोजनयुक्त खतांचे उत्पादन करण्यात येत आहे. परंतु मानवी हस्तक्षेपामुळे पर्यावरणातील या चक्राचे संतुलन बिघडलेले आपल्याला पाहायला मिळते.
हेही वाचा – UPSC-MPSC : पर्यावरण व परिसंस्था संबंध
मानवनिर्मित खतांच्या अतिरिक्त वापरामुळे जलाशयांमधील नायट्रोजनचे प्रमाण वाढून युट्रोफिकेशन/सुपोषणा ( Eutrophication) ची समस्या निर्माण झालेली आहे. युट्रोफिकेशनच्या प्रक्रियेत, जलाशयात वनस्पती आणि एकपेशीय वनस्पती वाढतात. याशिवाय पाण्यात बायोमास असल्याने त्या पाण्यातील ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी होते. प्रामुख्याने, जलीय प्राण्यांवर याचा प्रतिकूल परिणाम होत असतो. युट्रोफिकेशनच्या प्रतिकूल परिणामांमध्ये जैवविविधता कमी होणे, पाण्याच्या शरीरातील विषाक्तता वाढणे आणि प्रजातींच्या वर्चस्वातील बदल यांचा समावेश होतो. या प्रक्रियेचे इतर काही महत्त्वाचे परिणाम खाली सूचिबद्ध आहेत.
- अशा परिस्थितीत Phytoplanktons खूप वेगाने वाढतात.
- एपिफायटिक आणि बेंथिक ( तळाला असलेले ) शैवालांचे वाढलेले बायोमास युट्रोफिक पाण्यात पाहिले जाऊ शकते.
- पाणी पारदर्शकता गमावते आणि खराब वास आणि रंग विकसित करते. या पाण्यावर प्रक्रिया करणे कठीण होते.
- मासे मारण्याच्या घटना वारंवार घडतात आणि अनेक इष्ट माशांच्या प्रजाती नष्ट होतात.
- पाण्याच्या विषारीपणात वाढ होते.
- पाण्यामधील अल्गल ब्लूम्स जलाशयाच्या खालच्या खोलीत सूर्यप्रकाशाचा पुरवठा रोखू शकतात. यामुळे अनेक वनस्पती आणि प्राण्यांच्या अस्तित्वाला धोका निर्माण होऊ शकतो. या घटनेमुळे पाण्यामधील ऑक्सिजनची पातळी कमी झाल्यामुळे स्थानिक जीवसंख्येवरदेखील विपरीत परिणाम होत असतो.
- युट्रोफिक जलाशयात नवीन प्रजातींचे आक्रमण होऊ शकते.
पर्यावरणातील अजैविक आणि जैविक घटकांमध्ये होणाऱ्या आंतरक्रियांमधून पोषणद्रव्यांचा विनिमय होत असतो. पर्यावरणातील अजैविक घटकांकडून जैविक घटकांकडे व जैविक घटकांकडून पुन्हा अजैविक घटकांकडे पोषणद्रव्यांच्या होणाऱ्या संक्रमणास पोषक द्रव्य चक्रीकरण किंवा जीव भू-रासायनिक चक्र असेही म्हणतात. उदाहरणार्थ सल्फर चक्र, कार्बन चक्र, फॉस्फरस चक्र इत्यादी. यापैकी आज आपण नायट्रोजन चक्रासंबंधी माहिती बघू या.
नायट्रोजन चक्र (Nitrogen cycle ) :
निसर्गात जैविक आणि अजैविक प्रक्रियांमधून नायट्रोजन (N२) वायूचे वेगवेगळ्या संयुगांत घडून येणारे अभिसरण ‘नायट्रोजन चक्र’ म्हणून ओळखले जाते. या चक्रात विविध क्रियांद्वारे तसेच रासायनिक अभिक्रियांद्वारे नायट्रोजन वायूपासून नायट्रोजनयुक्त संयुगे तयार होतात आणि या संयुगांचे विघटन होऊन पुन्हा नायट्रोजन वायू मुक्त होतो. वातावरणात नायट्रोजनचे प्रमाण ७८ टक्के असून तो बहुतांशी वातावरणीय वायूच्या स्वरूपात असतो. निसर्गात क्रमाने घडणाऱ्या सूक्ष्मजीवांच्या रूपांतरणातून नायट्रोजन वनस्पतींना उपलब्ध होतो. वनस्पतींचे सेवन केल्यामुळे प्राण्यांना नायट्रोजन उपलब्ध होतो आणि सर्व प्राणिजीवन टिकून राहते.
नायट्रोजन चक्राचे पुढीलप्रमाणे गट करता येतात : नायट्रोजन स्थिरीकरण, अमोनिफिकेशन, नायट्रीकरण व विनायट्रीकरण.
निसर्गात नायट्रोजन नायट्रिक आम्लाच्या स्वरूपात स्थिर होतो. नायट्रोजन स्थिरीकरणात वातावरणातील नायट्रोजनचे नैसर्गिक किंवा औद्योगिक प्रक्रियेद्वारे अमोनिया, नायट्रेट किंवा नायट्राइटमध्ये रूपांतर होते. पावसाच्या पाण्याबरोबर अमोनियाचा संयोग होऊन विरल नायट्रिक आम्ल तयार होते आणि ते वनस्पतींना उपलब्ध होते. विजांमधील विद्युत ऊर्जा किंवा वैश्विक किरणांमुळे हे रूपांतर होते. तसेच जमिनीतील सूक्ष्मजीवांमुळे नायट्रोजन स्थिरीकरण होणारे प्रमाण ९० टक्क्यांहून अधिक असते.
हेही वाचा – UPSC-MPSC : पर्यावरणातील संतुलन
नायट्रोजन स्थिरीकरणाच्या प्रक्रियेत दोन प्रकारचे जिवाणू भाग घेतात :
- मुक्तजीवी सूक्ष्मजीव : उदा., ॲझोटोबॅक्टर, क्लॉस्ट्रिडियम आणि ॲनाबिना, नोस्टॉक (नील-हरित शैवाल)
- सहजीवी : उदा., ऱ्हायझोबियम प्रजातीचे जिवाणू.
नायट्रोजनाचे स्थिरीकरण घडवून आणणाऱ्या जिवाणूंमध्ये ऱ्हायझोबियम जिवाणू महत्त्वाचे असून ते शिंबावंत (शेंगा येणाऱ्या) वनस्पतींच्या मुळांवर गाठी निर्माण करतात. हे जिवाणू वनस्पतींपासून अन्न मिळवितात तर वनस्पतींना या जिवाणूंपासून मुबलक प्रमाणात नायट्रोजनयुक्त संयुगांचा पुरवठा होतो. सहजीवनाचे हे एक उदाहरण असून त्यामुळे वनस्पती आणि जिवाणू या दोघांनाही फायदा होतो. म्हणून घेवडा, भुईमूग, ताग, ढेंचा या वनस्पतींमध्ये प्रथिनांचे प्रमाण अधिक असते.
अमोनीकरण प्रक्रियेत सर्व सजीवांनी उत्सर्जित केलेले पदार्थ आणि त्यांचे अवशेष यांचे सूक्ष्मजीवांमार्फत विघटन घडून येते आणि अमोनिया जमिनीतून मुक्त होतो किंवा जमिनीच्या अवस्थेनुसार त्याचे नायट्रोजनयुक्त संयुगांत रूपांतर होते.
नायट्रीकरण प्रक्रियेत जमिनीतील अनेक प्रजातींचे जिवाणू भाग घेतात. नायट्रोसोमोनस आणि नायट्रोसोकॉकस या जिवाणूंच्या प्रजाती अमोनियाचे (NH३) रूपांतर नायट्राइटमध्ये (NH२-) करतात. नायट्रोबॅक्टर जातीचे जिवाणू या नायट्राइटचे रूपांतर नायट्रेटमध्ये (NH३-) करतात. याचाच वापर करून वनस्पती अमिनो आम्ले ( amino acids ) तयार करतात. जिवाणूंच्या अन्य प्रजाती, विनॉक्सिजीवी क्लॉस्ट्रिडियम आणि ऑॅक्सिजीवी ॲझोटोबॅक्टर जिवाणू नायट्रोजन वायूपासून नायट्राइट (NH२-) आणि नायट्रेटची (NH३-) निर्मिती करतात.
विनायट्रीकरण ( Denitrification ) प्रक्रियेत जमिनीतील विशिष्ट जिवाणू नायट्रोजनयुक्त संयुगांचे अमोनिया आणि नायट्रोजन वायूत रूपांतर करतात. या प्रक्रियेला ‘विनायट्रीकरण’ म्हणतात, तर या जिवाणूंना ‘विनायट्रीकारक जिवाणू’ म्हणतात. या जिवाणूंमुळे जमिनीतील नायट्रेटचे प्रमाण घटते आणि वातावरणात नायट्रोजन वायू मुक्त होतो. फ्रिट्स हाबर आणि कार्ल बॉश यांनी नायट्रोजन आणि हायड्रोजन यांपासून अमोनिया तयार करण्याची पद्धत शोधली. या पद्धतीतून तयार होणाऱ्या अमोनियामुळे काही प्रमाणात नायट्रोजनचे स्थिरीकरण होत असते. १९११ सालापासून हाबर-बॉश प्रक्रियेने नायट्रोजनयुक्त खतांचे उत्पादन करण्यात येत आहे. परंतु मानवी हस्तक्षेपामुळे पर्यावरणातील या चक्राचे संतुलन बिघडलेले आपल्याला पाहायला मिळते.
हेही वाचा – UPSC-MPSC : पर्यावरण व परिसंस्था संबंध
मानवनिर्मित खतांच्या अतिरिक्त वापरामुळे जलाशयांमधील नायट्रोजनचे प्रमाण वाढून युट्रोफिकेशन/सुपोषणा ( Eutrophication) ची समस्या निर्माण झालेली आहे. युट्रोफिकेशनच्या प्रक्रियेत, जलाशयात वनस्पती आणि एकपेशीय वनस्पती वाढतात. याशिवाय पाण्यात बायोमास असल्याने त्या पाण्यातील ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी होते. प्रामुख्याने, जलीय प्राण्यांवर याचा प्रतिकूल परिणाम होत असतो. युट्रोफिकेशनच्या प्रतिकूल परिणामांमध्ये जैवविविधता कमी होणे, पाण्याच्या शरीरातील विषाक्तता वाढणे आणि प्रजातींच्या वर्चस्वातील बदल यांचा समावेश होतो. या प्रक्रियेचे इतर काही महत्त्वाचे परिणाम खाली सूचिबद्ध आहेत.
- अशा परिस्थितीत Phytoplanktons खूप वेगाने वाढतात.
- एपिफायटिक आणि बेंथिक ( तळाला असलेले ) शैवालांचे वाढलेले बायोमास युट्रोफिक पाण्यात पाहिले जाऊ शकते.
- पाणी पारदर्शकता गमावते आणि खराब वास आणि रंग विकसित करते. या पाण्यावर प्रक्रिया करणे कठीण होते.
- मासे मारण्याच्या घटना वारंवार घडतात आणि अनेक इष्ट माशांच्या प्रजाती नष्ट होतात.
- पाण्याच्या विषारीपणात वाढ होते.
- पाण्यामधील अल्गल ब्लूम्स जलाशयाच्या खालच्या खोलीत सूर्यप्रकाशाचा पुरवठा रोखू शकतात. यामुळे अनेक वनस्पती आणि प्राण्यांच्या अस्तित्वाला धोका निर्माण होऊ शकतो. या घटनेमुळे पाण्यामधील ऑक्सिजनची पातळी कमी झाल्यामुळे स्थानिक जीवसंख्येवरदेखील विपरीत परिणाम होत असतो.
- युट्रोफिक जलाशयात नवीन प्रजातींचे आक्रमण होऊ शकते.
