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नाइट्रोजन चक्र नाइट्रोजन को नाइट्रेट में बदलने की प्रक्रिया है। हम जिस हवा में सांस लेते हैं उसमें नाइट्रोजन की मात्रा 78% है, साथ ही 21% ऑक्सीजन और बाकी अन्य गैसें हैं। नाइट्रोजन का इस्तेमाल पौधे और जानवर सीधे नहीं कर सकते। नाइट्रोजन का इस्तेमाल करने के लिए उन्हें नाइट्रेट या अमोनिया यौगिकों में बदलना ज़रूरी है। यह सारा रूपांतरण सिर्फ़ नाइट्रोजन चक्र से ही संभव है।

इस लेख में, हम जानेंगे कि नाइट्रोजन चक्र क्या है, नाइट्रोजन चक्र क्यों महत्वपूर्ण है, नाइट्रोजन चक्र कैसे बनाएं, और कई अन्य प्रासंगिक चीजें जो यूपीएससी उम्मीदवारों के लिए बहुत फायदेमंद होंगी।

नाइट्रोजन चक्र क्या है?

नाइट्रोजन डीएनए, आरएनए और प्रोटीन अणुओं के आवश्यक संरचनात्मक घटकों में से एक है। इस वजह से सभी जीवों को उनके समुचित विकास के लिए नाइट्रोजन की आवश्यकता होती है। हालांकि यह ज्ञात है कि जीवों द्वारा साँस में ली जाने वाली अधिकांश नाइट्रोजन N2 के रूप में होती है, लेकिन इस रूप में इतनी अधिक वायुमंडलीय नाइट्रोजन उपलब्ध नहीं है। इसके पीछे कारण यह है कि N2 अणुओं के बीच एक मजबूत बंधन मौजूद होता है, जो इसे निष्क्रिय या अक्रियाशील प्रकृति का बनाता है।

• इसलिए इस अक्रियाशील या निष्क्रिय अणु को क्रियाशील अवस्था में बदलने के लिए N2 अणुओं को अमोनियम (NH4+), नाइट्रेट (NO3-) या कार्बनिक नाइट्रोजन में बदलना पड़ता है। नाइट्रोजन के इन सभी रूपों का जीवों द्वारा आसानी से उपयोग किया जा सकता है।
• यदि नाइट्रोजन को N2 के रूप में लिया जाए तो यह प्राकृतिक पारिस्थितिकी तंत्र को प्रभावित कर सकता है और पौधों की वृद्धि को भी सीमित कर सकता है।
• नाइट्रोजन विभिन्न रूपों में मौजूद है, अर्थात कार्बनिक और अकार्बनिक दोनों रूपों में, जिनकी ऑक्सीकरण अवस्थाएँ अलग-अलग होती हैं। इसलिए, नाइट्रोजन के विभिन्न रूपों की वायुमंडल, जीवमंडल और भूमंडल में आवाजाही का अध्ययन नाइट्रोजन चक्र के अंतर्गत किया जाता है। यह चक्र प्रमुख जैव-भू-रासायनिक चक्रों में से एक है।

चित्र: नाइट्रोजन चक्र का आरेख

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नाइट्रोजन चक्र में शामिल चरण

नाइट्रोजन चक्र में पाँच मुख्य चरण होते हैं। इन सभी चरणों से गुज़रते हुए नाइट्रोजन जीवमंडल, वायुमंडल, भूमंडल से होकर गुज़रता है। नाइट्रोजन चक्र में शामिल चरण हैं: नाइट्रोजन फिक्सेशन, नाइट्रोजन अवशोषण, नाइट्रोजन खनिजीकरण, नाइट्रीकरण और विनाइट्रीकरण।

इन सभी चरणों में एक जीव जो महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है वह है सूक्ष्मजीव, मुख्य रूप से बैक्टीरिया। चूंकि ये सभी चरण अलग-अलग सूक्ष्मजीवों द्वारा संचालित होते हैं।

नाइट्रोजन स्थिरीकरण 

नाइट्रोजन के N2 रूप को अमोनियम या NH4+ में बदलने की प्रक्रिया को नाइट्रोजन फिक्सेशन या नाइट्रोजन स्थिरीकरण कहा जाता है। इस प्रक्रिया के ज़रिए ही जीव सीधे वायुमंडल से नाइट्रोजन प्राप्त कर सकते हैं। यह नाइट्रोजन स्थिरीकरण प्रक्रिया नाइट्रोजन-फिक्सिंग जीवों द्वारा की जाती है। राइज़ोबियम जैसे कुछ बैक्टीरिया में वायुमंडलीय नाइट्रोजन को स्थिर करने और चयापचय प्रक्रियाओं के माध्यम से उन्हें अमोनियम रूप में बदलने की क्षमता होती है।

• नाइट्रोजन फिक्सिंग बैक्टीरिया हमेशा मेज़बान पौधों के साथ सहजीवी संबंध दिखाते हैं। यह सहजीवी संबंध आमतौर पर मटर, सेम, तिपतिया घास जैसे फलीदार पौधों में देखा जाता है। इस संबंध प्रक्रिया के दौरान, नाइट्रोजन-फिक्सिंग बैक्टीरिया फलीदार पौधों की जड़ों की गांठों में रहते हैं और अपने मेज़बान पौधे से कार्बोहाइड्रेट और अनुकूल वातावरण प्राप्त करते हैं, बदले में वे पौधों के लिए नाइट्रोजन को ठीक करते हैं।
• नाइट्रोजन स्थिरीकरण करने वाले सहजीवी सहजीवी जीवाणुओं के साथ-साथ ऐसे मुक्त-जीवित जीवाणु भी होते हैं जो पौधों के बिना जीवित रहते हैं। ऐसे जीवाणुओं के उदाहरण: नीला हरा शैवाल या साइनोबैक्टीरिया।
• नाइट्रोजन स्थिरीकरण बैक्टीरिया के साथ-साथ, उच्च ऊर्जा प्राकृतिक घटना में भी N2 के मजबूत बंधनों को तोड़ने की प्रवृत्ति होती है, ऐसी प्रक्रिया को रासायनिक परिवर्तन कहा जाता है।

नाइट्रोजन अवशोषण

नाइट्रोजन फिक्सिंग बैक्टीरिया द्वारा उत्पादित अमोनियम (NH4+) को मेज़बान पौधों, अन्य जीवों और बैक्टीरिया द्वारा ग्रहण किया जाता है। नाइट्रोजन के इन भस्म अमोनियम रूपों को प्रोटीन और डीएनए जैसे अन्य नाइट्रोजन यौगिकों में शामिल किया जाता है। यह अमोनियम रूप खाद्य श्रृंखला के माध्यम से मनुष्य जैसे अन्य उच्च जीवों द्वारा ग्रहण किया जाता है

• NH4+ → कार्बनिक N

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नाइट्रोजन अमोनीकरण

एक बार जब नाइट्रोजन कार्बनिक पदार्थ में शामिल हो जाता है, तो वे खनिजीकरण प्रक्रिया के माध्यम से अकार्बनिक नाइट्रोजन में परिवर्तित हो जाते हैं। इस प्रक्रिया को क्षय प्रक्रिया के रूप में भी जाना जाता है। यह प्रक्रिया तब होती है जब जीव मर जाते हैं और सड़ने लगते हैं। इस सड़ने की प्रक्रिया के दौरान नाइट्रोजन अमोनियम में बदल जाती है।

• इस चरण के बाद नाइट्रोजन के अमोनियम रूप का उपयोग पौधों द्वारा भी किया जा सकता है और नाइट्रीकरण नामक प्रक्रिया के माध्यम से इसे नाइट्रेट (NO3-) में परिवर्तित किया जाता है।
• कार्बनिक N → NH4+

नाइट्रीकरण

अपघटन प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न अमोनियम की कुछ मात्रा को नाइट्रीकरण की प्रक्रिया के माध्यम से नाइट्रेट के रूप में परिवर्तित कर दिया जाता है। इस रासायनिक अभिक्रिया को करने के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। इसलिए, यह कहा जा सकता है कि यह अभिक्रिया ऑक्सीजन युक्त वातावरण में ही होती है।

• NH4+ → NO3-
• नाइट्रेट का रूप मिट्टी की उर्वरता को कम करता है तथा नीचे की सतह और भूजल को समृद्ध करता है।

विनाइट्रीकरण

वह प्रक्रिया जिसमें नाइट्रोजन के ऑक्सीकृत रूप जैसे नाइट्रेट (NO3-) और नाइट्रेट (NO2-) को डाइनाइट्रोजन (N2) और (NO2) नाइट्रस ऑक्साइड गैस में परिवर्तित किया जाता है। यह प्रक्रिया डिनाइट्रीफाइंग बैक्टीरिया द्वारा की जाती है, जो नाइट्रेट को डाइनाइट्रोजन में परिवर्तित करने में मदद करते हैं।

नाइट्रेट को डाइनाइट्रोजन में रूपान्तरित करने में सम्मिलित चरण।

NO3- → NO2- → NO → N2O → N2.

नाइट्रिक ऑक्साइड और नाइट्रस ऑक्साइड ऐसी गैसें हैं जिनका पर्यावरण पर प्रभाव पड़ता है। नाइट्रिक ऑक्साइड (NO) स्मॉग के निर्माण में मदद करता है, जबकि नाइट्रस ऑक्साइड (N2O) एक महत्वपूर्ण ग्रीनहाउस गैस है, जो वैश्विक जलवायु परिवर्तन में योगदान देती है।

नाइट्रेट्स या नाइट्राइट को डाइनाइट्रोजन रूप में परिवर्तित करने के बाद, उन्हें पुनः जैविक रूप में उपलब्ध रूप में परिवर्तित करना संभव नहीं है।

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नाइट्रोजन चक्र पर मानवीय प्रभाव

ऐसी कई मानवीय गतिविधियाँ हैं जो नाइट्रोजन चक्र प्रक्रिया को बदल देती हैं। जैसे कि फसल में नाइट्रोजन उर्वरकों के उपयोग से विनाइट्रीफिकेशन की दर में वृद्धि होती है और नाइट्रेट्स का भूजल में रिसाव होता है। इस प्रक्रिया से नाइट्रोजन भूजल में प्रवेश करता है जो आगे चलकर भाप, नदियों, झीलों और नदियों के मुहाने में बह जाता है। नाइट्रोजन की यह अतिरिक्त मात्रा यूट्रोफिकेशन प्रक्रिया का कारण बनती है। कुछ प्रमुख परिवर्तन जो इसके कारण होते हैं, नीचे सूचीबद्ध हैं:

• जीवाश्म ईंधन के दहन और वनों के जलने से भी वायुमंडल में नाइट्रोजन का जमाव बढ़ जाता है।
• पशुपालन से पर्यावरण में अमोनिया की मात्रा बहुत बढ़ जाती है। यह अमोनिया पशुओं के अपशिष्ट से बनता है। इसके बाद यह नाइट्रोजन निक्षालन, भूजल प्रवाह और अपवाह के माध्यम से मृदा प्रणाली और फिर जल विज्ञान प्रणाली में प्रवेश करता है।

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महासागर में नाइट्रोजन चक्र

महासागर में नाइट्रोजन चक्र एक जटिल प्रक्रिया है जिसमें समुद्री पारिस्थितिकी तंत्र के भीतर नाइट्रोजन यौगिकों का परिवर्तन और चक्रण शामिल है। यह समुद्री जीवन, प्राथमिक उत्पादकता और समग्र पारिस्थितिकी तंत्र के कामकाज को बनाए रखने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

नाइट्रोजन चक्र नाइट्रोजन फिक्सेशन से शुरू होता है, जहाँ वायुमंडलीय नाइट्रोजन (N2) जैविक या औद्योगिक प्रक्रियाओं के माध्यम से अमोनिया (NH3) या अमोनियम (NH4+) में परिवर्तित हो जाता है। यह रूपांतरण मुख्य रूप से नाइट्रोजन-फिक्सिंग बैक्टीरिया द्वारा किया जाता है, जो कुछ समुद्री पौधों के साथ सहजीवी संबंधों में रहते हैं।

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उत्पन्न अमोनिया का समुद्री जीवों द्वारा सीधे उपयोग किया जा सकता है, या इसे नाइट्रीकरण के माध्यम से और भी परिवर्तित किया जा सकता है। नाइट्रीकरण वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा अमोनिया को नाइट्रीकरण करने वाले बैक्टीरिया द्वारा नाइट्राइट (NO2-) में ऑक्सीकृत किया जाता है। फिर इसे बैक्टीरिया के विभिन्न समूहों द्वारा नाइट्रेट (NO3-) में ऑक्सीकृत किया जाता है। नाइट्रेट नाइट्रोजन का एक महत्वपूर्ण रूप है जो समुद्री पौधों, शैवाल और फाइटोप्लांकटन के लिए प्राथमिक पोषक तत्व के रूप में कार्य करता है।

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नाइट्रोजन चक्र में अवशोषण एक अन्य महत्वपूर्ण प्रक्रिया है, जिसमें समुद्री जीव आसपास के जल से नाइट्रेट और अमोनिया को अपने ऊतकों में समाहित करते हैं।

महासागर पारिस्थितिकी तंत्र में अतिरिक्त नाइट्रोजन को विनाइट्रीफिकेशन के माध्यम से हटाया जाता है। विनाइट्रीफिकेशन वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा कुछ बैक्टीरिया नाइट्रेट को वायुमंडलीय नाइट्रोजन गैस में परिवर्तित करते हैं, जिससे नाइट्रोजन चक्र पूरा होता है। विनाइट्रीफाइंग बैक्टीरिया ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में नाइट्रेट का उपयोग करते हैं।

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कृषि में अत्यधिक उर्वरक उपयोग, औद्योगिक प्रदूषण और शहरी अपवाह जैसी गतिविधियाँ समुद्र में नाइट्रोजन चक्र को गंभीर रूप से बदल सकती हैं। इन गतिविधियों के कारण समुद्री पर्यावरण में नाइट्रोजन यौगिकों का अत्यधिक प्रवेश हो सकता है। इससे यूट्रोफिकेशन, हानिकारक शैवाल खिलना और पारिस्थितिकी तंत्र के प्राकृतिक संतुलन में व्यवधान हो सकता है।

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