Dotaz

V půdě se jedná o vyčerpatelnou živinu, která nemůže být získávána dalším rozrušováním hornin např. vylučováním organických kyselin kořeny, jako je tomu u fosfátu a síranu. Nedostatek dusíku v půdě přináší zemědělcům neustálou starost dusičnany do půdy doplňovat, v současnosti především formou anorganických hnojiv, ale ideálně ve formě organických hnojiv (rozložených organických zbytků ve formě hnoje nebo kompostu), kde dusičnany v rámci koloběhu N v přírodě poskytují nitrifikační bakterie (viz níže).

Fotosyntéza

Rostliny jsou důležitou součástí koloběhu dusíku v přírodě, 99 % organického dusíku v biosféře vzniká asimilací dusičnanu, ve zbylém procentu případů rostliny využívají amonné ionty. Příjem dusičnanu do kořenových a mezofylových buněk listů pomocí transportérů, stejně jako samotná asimilace enzymy metabolismu dusíku jsou velice energeticky náročné procesy, které rostliny pokrývají výtěžkem fotosyntézy. Do značné míry tedy proces asimilace dusičnanu na fotosyntéze a světelném záření závisí. 

Světelná fáze fotosyntézy poskytuje zdroj energie ATP a redukční ekvivalenty nezbytné pro enzymy asimilace dusičnanu. V sekundární fázi fotosyntézy (Calvinův cyklus) jsou pak poskytovány sacharidy a sacharidové prekursory. Ty jsou degradovatelné za zisku energie potřebné v kořenech (heterotrofních tkáních), zároveň představují uhlíkové skelety (např. 3-fosfoglycerát, fosfoenolpyruvát, 2-oxoglutarát, oxalacetát, erythrosa-4-fosfát, ribosa-5-fosfát a fosfoglykolát), ze kterých vychází biosyntéza konečného produktu asimilace dusičnanu: aminokyselin.

Dusičnan přijatý kořenovou buňkou může být dočasně skladován v její vakuole. Když je tato kapacita vyčerpána, je dusičnan z kořenů uvolněn do xylémových cév a přenesen transpiračním proudem do listů, kde může být rovněž využit k biosyntéze aminokyselin nebo být opět skladován ve vakuole. V cytosolu buněk listů i kořenů je dusičnan nejprve redukován na dusitan (enzymem nitrátreduktasou). Redukce dusitanu na amonné ionty už probíhá v chloroplastu nebo leukoplastu (enz. nitritreduktasa) stejně jako navázání amonných iontů na uhlíkové skelety (enz. glutaminsyntetasa a glutamátsynthasa). 

Během fotosyntézy by měla asimilace CO₂ a vznik sacharidových prekurzorů odpovídat asimilaci dusíku. Asimilace dusíku může probíhat pouze tehdy, když světelná část fotosyntézy poskytuje ATP a redukční ekvivalenty a když asimilace CO₂ Calvinovým cyklem poskytuje uhlíkové skelety. Jakmile příjem dusičnanu překročí možnost jeho asimilace, začne se v rostlinných pletivech hromadit. Asimilace dusíku musí být kromě toho regulována tak, aby produkce aminokyselin nepřekročila požadavky buňky. 

A konečně je také důležité, aby redukce dusičnanu nebyla rychlejší než redukce dusitanu, což by vedlo ke hromadění toxického množství dusitanu. Z tohoto důvodu je klíčový enzym v asimilaci dusičnanu (nitrátreduktasa) regulována slunečním světlem. Aktivita nitrátreduktasy je regulována již na úrovni genu jak světlem, tak dostupností sacharidů a dusičnanu. Navíc je aktivita proteinu nitrátreduktasy regulována fosforylací prostřednictvím specifické kinasy, dalšího enzymu, který také závisí na světle. A zajímavé je, že podobně fosforylací je regulována i sacharosafosfátsynthasa (klíčový enzym v syntéze sacharosy).

Vedle délky, intenzity a kvality světelného záření a z ní plynoucí proměnlivé schopnosti fotosyntézy ovlivňuje hromadění dusičnanu v rostlině také celá řada dalších faktorů, např. různé druhy/genotypy rostlin se v obsahu dusičnanu liší, nebo záleží, jak moc a jak často jsou aplikována dusičnanová hnojiva, zda v půdě nechybějí klíčové prvky pro enzymy metabolismu dusíku (Mo, Fe), na teplotě a koncentraci CO₂ pro Calvinův cyklus, na znečištění ovzduší a vody, ale třeba i na fázi a denní době sklizně. 

Například v listech špenátu byla nalezena nejvyšší koncentrace dusičnanu brzy ráno. Je to proto, že vakuola může být asimilací dusičnanu během dne vyprázdněna a opět se naplní v noci. Pro dospělého člověka dusičnany v ovoci a zelenině (především listové a kořenové) nepředstavují závažnou zdravotní hrozbu, neboť smrtelná dávka více jak stokrát převyšuje denní příjem akceptovatelný EU. Problém může nastat u novorozenců a batolat, kterým dusičnany v potravě mohou způsobit získanou methemoglobinaemii (oxidaci Fe²⁺ iontů hemoglobinu na Fe³⁺) projevující se modrým nádechem kůže. Zároveň jsou také diskutovány potenciálně nebezpečné N-nitrososloučeniny, dusitan a NO, reakční produkty dusičnanu přeměněného ústními bakteriemi a enzymy slin. 

Syntéza amoniaku

V minulosti měly přírodní zdroje dusíku cenu zlata - např. i guáno, trus mořských ptáků (kormoránů, pelikánů), který je bohatý na N, P, K a Mg a hromadí se na ostrovech poblíž Peru, Chile a Brazílie. Historie používání hnojiv je pestrá a bizarní zároveň, jako hnojivo se používaly kromě hnoje, rašeliny a guána např. i kosti, krevní moučka, koňská kopyta, čistírenské kaly, mořské řasy a dokonce i pozůstatky uhynulých  velryb. Na začátku 20. století se zvyšujícím se počtem obyvatel bylo zřejmé, že amoniak bude muset být získáván laboratorní syntézou a zdroj (atmosférický dusík, zaujímající 78 % v atmosféře) se přímo nabízel. Uměle syntetizovaná hnojiva vycházejí z Haber-Boschova procesu (3 H₂ + N₂ → 2 NH₃), který vzhledem k vysoké vazebné energii trojné vazby molekuly N₂ musí probíhat za vysokých teplot a tlaků, čímž je energeticky velice náročný, a proto jsou anorganická hnojiva tolik drahá a jednostranná zároveň (poskytují pouze N). Používání takto získaných anorganických hnojiv přineslo až několikanásobně vyšší výnosy zemědělských plodin, ale lidé chtěli více a více a používání hnojiv neustále zvyšovali, i když to už další význam nemělo. Zároveň mohou rostliny asimilovat dusičnan i listy, paradoxně rostlinám nevadí přijímat dusičnan pocházející z automobilového a průmyslového znečištění, kdy oxidy dusíku z ovzduší se k rostlinám vracejí ve formě tzv. kyselých dešťů obsahujících kyselinu dusičnou. 

Reference: Heldt, H.-W., Piechulla, B., Heldt, F.: Plant Biochemistry, Academic Press, 4. vydání (2011) Colla et al. (2018) Scientia Horticulturae 237 (2018) 221–238, https://doi.org/10.1016/j.scienta.2018.04.016

Foto v záhlaví Shutterstock.com