MPSC 2023 पूर्व परीक्षा पेपर-१ · प्रश्न 17 / 100

बरोबर उत्तर पर्याय (3). मातीतील जिवाणू नायट्रोजनयुक्त खतावर जी क्रिया करतात तिला नायट्रीकरण म्हणतात, आणि तिचे उत्पादन म्हणजे नायट्रेट — छापलेल्या पर्यायातील NO3. क्रम असा : जमिनीत घातलेले युरिया किंवा अमोनियमयुक्त खत प्रथम अमोनियम आयनमध्ये रूपांतरित होते. युरियाचे विघटन युरिएज या विकराने होते, आणि हे विकर मातीतील सूक्ष्मजीव भरपूर प्रमाणात पुरवतात; त्यातून अमोनियम मिळते. त्यानंतर अमोनियमचे ऑक्सिडीकरण जिवाणूंच्या दोन टप्प्यांत होते — नायट्रोसोमोनास व तत्सम जिवाणू त्याचे नायट्राइट करतात, आणि नायट्रोबॅक्टर व त्याचे नातलग नायट्राइटचे नायट्रेट करतात. या दोन्ही टप्प्यांना प्राणवायू लागतो, म्हणजे नेहमीच्या हवा खेळती असलेल्या शेतजमिनीत हेच घडते. साखळी नायट्रेटपाशी थांबते, आणि ती तिथेच थांबण्याला शेतीच्या दृष्टीने महत्त्व आहे : बहुतेक पिके मुळांवाटे नायट्रोजन याच रूपात शोषून घेतात. अडचणही याच रूपामुळे येते. नायट्रेट हा ऋण भारित आयन असल्याने मातीतील ऋण भारित चिकणमाती व ह्यूमसच्या पृष्ठभागांवर तो धरून ठेवला जात नाही; अमोनियमप्रमाणे तो जागी राहत नाही. त्यामुळे पाणी व पाऊस त्याला खाली भूजलात आणि बाजूने ओढ्यांत वाहून नेतात — तिथे पिण्याच्या पाण्यातील नायट्रेट प्रदूषण होते, ज्याचा संबंध लहान बालकांतील मेथेमोग्लोबिनेमियाशी जोडला जातो, आणि सरोवरे व किनारी पाण्यात पोषकद्रव्यांची वाढ होऊन शैवालाचा बहर व सुपोषण घडते. नायट्रोजनयुक्त खताच्या अतिवापराविरुद्धचा संपूर्ण पर्यावरणीय आक्षेप हाच आहे, आणि तो प्रश्नात वर्णन केलेल्या जिवाणूंच्या रूपांतरावरच उभा आहे. छापलेल्या पर्यायाविषयी एक सावधगिरीची सूचना : NO3 म्हणजे नायट्रेट आयन, जो ऋण भाराने लिहिला जातो, आणि 'नायट्रोजन ट्रायऑक्साइड' हे रसायनशास्त्रज्ञ त्याला देणारे नाव नव्हे — पेपरातले नाव सैल आहे, पण सूत्र मात्र पदार्थ नि:संदिग्धपणे ओळखून देते. मराठी प्रश्नात व इंग्रजी प्रश्नात दोन्हींकडे वाक्याच्या मध्ये रिकाम्या जागेची रेघ छापलेली आहे.

• (1)नायट्रोजन डायऑक्साइड (NO2) — नायट्रोजन डायऑक्साइड हा तांबूस-तपकिरी वायू असून तो नायट्रोजन व प्राणवायू उच्च तापमानाला एकत्र आल्यावर तयार होतो — वाहनांच्या इंजिनांत, भट्ट्यांत आणि वीजनिर्मिती केंद्रांत. म्हणजे तो मृदेच्या रसायनशास्त्राचा नव्हे तर ज्वलन व वायुप्रदूषणाच्या रसायनशास्त्राचा भाग आहे. NOx या गटात मोडणारा हा वायू प्रकाशरासायनिक धुरके व भूपृष्ठालगतचा ओझोन तयार करणाऱ्या अभिक्रियांत भाग घेतो आणि आम्लवर्षावालाही हातभार लावतो. यांतले काहीही जिवाणूंचे कार्य नाही आणि जमिनीतल्या खताच्या बाबतीत यांतले काहीही घडत नाही. हा पर्याय पहिला ठेवला आहे कारण त्याचे सूत्र उत्तराच्या सूत्रासारखेच दिसते, आणि घाईने वाचणारा उमेदवार खालचा 2 आणि खालचा 3 यांत गफलत करू शकतो.
• (2)नायट्रस ऑक्साइड (N2O) — खत घातलेल्या जमिनीतून नायट्रस ऑक्साइड बाहेर पडतो हे खरे, पण तो प्रश्नात वर्णन केलेल्या मार्गाने नव्हे. तो विनायट्रीकरणाचे उत्पादन आहे, आणि विनायट्रीकरण घडते ते जमीन पाणथळ असताना व प्राणवायू कमी असताना : अशा वेळी जिवाणू प्राणवायूऐवजी नायट्रेटचा वापर करून त्याचे टप्प्याटप्प्याने क्षपण करतात आणि नायट्रस ऑक्साइड व शेवटी नायट्रोजन वायू वातावरणात सोडतात. म्हणजे तो नायट्रेट तयार झाल्यानंतर त्यावर चालणारा हानीचा मार्ग आहे, आणि त्याला हवा खेळती असलेल्या नेहमीच्या शेतजमिनीऐवजी प्राणवायूविरहित परिस्थिती लागते. नायट्रस ऑक्साइड बहुधा हवामानबदलाच्या प्रकरणात, दीर्घायुषी हरितगृह वायू म्हणून वाचलेला असतो, आणि खतातून काय बाहेर पडते असा प्रश्न आल्यावर तीच आठवण या पर्यायाला आकर्षक बनवते.
• (4)नायट्रोजन (N2) — नायट्रोजन वायू हा खताच्या विघटनाचे उत्पादन नसून नायट्रोजन चक्राचा प्रारंभबिंदू आहे. वातावरणाच्या सुमारे अठ्ठ्याहत्तर टक्के भाग तोच व्यापतो आणि तो जवळजवळ निष्क्रिय असतो — म्हणूनच वनस्पतींना वापरता येण्यासाठी त्याचे स्थिरीकरण करावे लागते : मुळांवरील गाठींतील रायझोबियमकडून, जमिनीतील मुक्त जिवाणूंकडून, विजेच्या कडकडाटातून, किंवा औद्योगिक हेबर-बॉश पद्धतीने. खत तयार करणे म्हणजेच हा न वापरता येणारा नायट्रोजन वापरण्याजोग्या रूपात आणण्याचे काम; मातीतल्या जिवाणूंनी त्याचे पुन्हा तेच रूप करून टाकले तर सगळा हेतूच फसेल. जमिनीतून नायट्रोजन वायू बाहेर पडतो तो केवळ विनायट्रीकरणाच्या अगदी शेवटच्या टप्प्यात, पाणथळ परिस्थितीत — आणि ती शेतकऱ्याच्या दृष्टीने हानी असते, खताची नेहमीची गती नव्हे.

नायट्रोजन चक्र हा शेती, जलप्रदूषण आणि हवामानबदल यांना एकाच आकृतीत जोडणारा भाग आहे, आणि त्याचे टप्पे क्रमाने लक्षात ठेवले की या विषयावरचे बहुतेक प्रश्न सुटतात. चक्राची सुरुवात वातावरणातील निष्क्रिय नायट्रोजन वायूपासून; तो वनस्पतींना वापरता येण्यासाठी स्थिरीकरण करावे लागते — रायझोबियमसारख्या सहजीवी जिवाणूंकडून, मुक्त जिवाणूंकडून, विजेतून किंवा औद्योगिक हेबर-बॉश पद्धतीने. जमिनीत आलेल्या सेंद्रिय नायट्रोजनचे अमोनियममध्ये रूपांतर होते, आणि तिथून नायट्रीकरणाचे दोन टप्पे सुरू होतात : नायट्रोसोमोनास अमोनियमचे नायट्राइट करतात आणि नायट्रोबॅक्टर नायट्राइटचे नायट्रेट. हे दोन्ही टप्पे प्राणवायूवर चालतात, म्हणजे हवा खेळती असलेल्या मशागत केलेल्या जमिनीत ते घडतात, आणि पिके नायट्रेट याच रूपात शोषून घेतात. याउलट विनायट्रीकरण पाणथळ, प्राणवायू कमी असलेल्या जमिनीत घडते आणि तिथे नायट्रेटचे क्षपण होऊन वायू वातावरणात परत जातात. या दोन प्रक्रियांतला मुख्य फरक प्राणवायूचा आहे, आणि तोच ओळखता आला की कोणत्या परिस्थितीत काय तयार होते हे नक्की सांगता येते. नायट्रेट पाण्यात विरघळून वाहून जात असल्याने खताच्या अतिवापराचे पर्यावरणीय परिणाम — भूजलातील नायट्रेट आणि जलाशयांतील सुपोषण — याच टप्प्यावर उभे आहेत.

एमपीएससीच्या विज्ञान विभागात पर्यावरणाशी जोडलेले प्रश्न मुख्यतः चक्रांमधून येतात — नायट्रोजन, कर्ब, स्फुरद आणि जल — आणि त्यांत नायट्रोजन चक्र सर्वाधिक वेळा येते, कारण ते शेती, जलप्रदूषण व हवामान या तिन्हींना एकत्र बांधते. प्रश्न बहुधा दोन प्रकारचे असतात : ठरावीक टप्प्यासाठी जबाबदार जीव विचारणे, किंवा ठरावीक टप्प्याचे उत्पादन विचारणे. दोन्हींची उत्तरे चक्र चित्रासारखे नव्हे तर रूपांतरांची साखळी म्हणून लक्षात ठेवल्यास मिळतात, आणि कोणत्या टप्प्याला प्राणवायू लागतो व कोणत्या टप्प्याला त्याचा अभाव लागतो हे लक्षात ठेवणे सर्वांत उपयुक्त ठरते — एवढ्या एका फरकाने नायट्रीकरण व विनायट्रीकरण वेगळी होतात आणि या विषयावरचा बराच मोठा भाग सुटतो. हा प्रश्न रिकामी जागा भरण्याच्या रूपात छापला असल्याने पर्यायांची तुलना करण्याऐवजी वाक्य पूर्ण करण्याची पद्धत वापरावी : 'मातीतील खत जिवाणूंनी तोडल्यावर काय मिळते' या प्रश्नाचे उत्तर आधी मनात तयार करावे आणि मग तेच पर्यायांत शोधावे. शेवटी, रासायनिक सूत्रे दोन्ही भाषांत एकाच लॅटिन रूपात छापली जातात, त्यामुळे नावापेक्षा सूत्रावर विसंबणे अधिक सुरक्षित असते.

• नायट्रीकरण म्हणजे प्राणवायूच्या उपस्थितीत नायट्रोसोमोनासकडून अमोनियमचे नायट्राइटमध्ये आणि नायट्रोबॅक्टरकडून नायट्राइटचे नायट्रेटमध्ये होणारे जिवाणूजन्य ऑक्सिडीकरण; युरिया वा अमोनियमयुक्त खतावर मातीतील जिवाणू हीच क्रिया करतात.
• बहुतेक पिके मुळांवाटे नायट्रोजन नायट्रेट याच रूपात शोषून घेतात, म्हणूनच हवा खेळती असलेल्या नेहमीच्या शेतजमिनीत ही साखळी नायट्रेटपाशी थांबते.
• नायट्रेट आयनावर ऋण भार असल्याने मातीतील ऋण भारित चिकणमाती व ह्यूमसच्या पृष्ठभागांवर तो धरून ठेवला जात नाही; त्यामुळे तो सहज निथळून भूजलात उतरतो आणि अपधावातून ओढ्यांत जातो.
• पिण्याच्या पाण्यातील नायट्रेट प्रदूषणाचा संबंध लहान बालकांतील मेथेमोग्लोबिनेमियाशी जोडला जातो, तर पृष्ठजलातील नायट्रेटच्या वाढीमुळे शैवालाचा बहर व सुपोषण घडते.
• नायट्रस ऑक्साइड व नायट्रोजन वायू जमिनीतून बाहेर पडतात ते विनायट्रीकरणाने — म्हणजे हवा खेळती असलेल्या जमिनीत नव्हे, तर पाणथळ व प्राणवायू कमी असलेल्या परिस्थितीत नायट्रेटवर चालणाऱ्या वेगळ्या मार्गाने.
• इथे उत्तर म्हणून दिलेल्या पर्यायात 'नायट्रोजन ट्रायऑक्साइड' या नावाखाली NO3 हे सूत्र छापले आहे; NO3 म्हणजे नायट्रेट आयन, आणि पदार्थ ओळखून देणारे छापील नाव नव्हे तर सूत्र आहे.

• NO2 आणि NO3 ही सूत्रे घाईत सारखी वाचणे — पहिला ज्वलनातून येणारा वायुप्रदूषक आहे, दुसरा मातीतील जिवाणूंच्या क्रियेचे उत्पादन
• प्राणवायू असलेली व प्राणवायू नसलेली परिस्थिती एकच मानणे; नायट्रीकरण हवा खेळती असताना घडते आणि विनायट्रीकरण पाणथळ जमिनीत
• नायट्रोजन वायूला खताच्या विघटनाचे उत्पादन मानणे, तर तो चक्राचा प्रारंभबिंदू असून खतनिर्मितीचा हेतूच त्याचे रूपांतर करण्याचा असतो
• पर्यायातील छापील नावावर विसंबणे; इथे नाव सैल आहे आणि सूत्रच पदार्थ नक्की ओळखून देते

जीवशास्त्र व पर्यावरणाच्या सीमेवरचे प्रश्न आयोग बहुधा चक्रांतील एका टप्प्यावर बोट ठेवून विचारते, आणि उत्तर देण्यासाठी संपूर्ण चक्र नव्हे तर त्या टप्प्याच्या आधीचे व नंतरचे रूप माहीत असणे पुरते. या प्रश्नात 'जिवाणूद्वारे तोडल्यास' हे शब्द निर्णायक आहेत, कारण ते क्रिया जिवाणूंची आहे आणि ती जमिनीत घडते एवढे निश्चित करतात — म्हणजे ज्वलनातून येणारे वायू आपोआप बाद होतात. दुसरे निरीक्षण म्हणजे रिकामी जागा भरण्याच्या रूपातील प्रश्न : असे प्रश्न पर्यायांची तुलना करण्याऐवजी उत्तर आधी मनात तयार करून मग जुळवण्याच्या पद्धतीने सोडवावेत, कारण चारही पर्याय एकाच रासायनिक कुटुंबातले असल्याने तुलना करत बसणे गोंधळात टाकते. तिसरे म्हणजे सूत्रांवर विसंबणे : रासायनिक सूत्रे मराठी व इंग्रजी दोन्ही स्तंभांत एकाच रूपात छापली जातात, आणि नावाचे भाषांतर सैल असले तरी सूत्र नेमके राहते.

या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  मातीतील अमोनियमचे नायट्राइटमध्ये आणि पुढे नायट्राइटचे नायट्रेटमध्ये रूपांतर करणारे जिवाणू अनुक्रमे कोणते ?

  • (a)रायझोबियम व ॲझोटोबॅक्टर
  • (b)नायट्रोसोमोनास व नायट्रोबॅक्टर
  • (c)स्यूडोमोनास व क्लॉस्ट्रिडियम
  • (d)ॲनाबीना व नॉस्टॉक

  उत्तर(b) नायट्रोसोमोनास व नायट्रोबॅक्टर — नायट्रीकरणाच्या या दोन टप्प्यांना प्राणवायू लागतो, म्हणून ते हवा खेळती असलेल्या शेतजमिनीत घडतात आणि त्यांतून पिकांना शोषून घेता येईल असे नायट्रेट तयार होते. रायझोबियम व ॲझोटोबॅक्टर नायट्रोजन स्थिरीकरण करतात, तर ॲनाबीना व नॉस्टॉक ही नायट्रोजन स्थिर करणारी निळी-हिरवी शैवले आहेत.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  जमिनीत टाकलेले नायट्रोजनयुक्त खत भूजल प्रदूषणाचे कारण ठरते, याचे मुख्य कारण काय ?

  • (a)नायट्रेट आयन ऋण भारित असल्याने तो मातीत धरून ठेवला जात नाही व निथळून जातो
  • (b)खत पाण्यात अविद्राव्य असल्याने ते जमिनीवरच साचून राहते
  • (c)खतामुळे मातीचा सामू अत्यंत आम्लधर्मी होतो
  • (d)खतातील नायट्रोजन थेट वायुरूपात भूजलात मिसळतो

  उत्तर(a) नायट्रेट आयन ऋण भारित असल्याने तो मातीत धरून ठेवला जात नाही व निथळून जातो — मातीतील चिकणमाती व ह्यूमसचे पृष्ठभागही ऋण भारित असल्याने अमोनियमप्रमाणे नायट्रेट जागी राहत नाही, आणि पाऊस व पाणी त्याला भूजलात व ओढ्यांत वाहून नेतात. त्यातूनच पिण्याच्या पाण्यातील नायट्रेट प्रदूषण आणि जलाशयांतील सुपोषण हे दोन्ही प्रश्न उभे राहतात.