Круговорот веществ в природе

Деятельность живых организмов сопровождается извлечением из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ.

После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду.

Так возникает биогенный круговорот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами.

Круговорот азота в природе

Азот непрерывно циркулирует в земной биосфере по сети замкнутых взаимосвязанных путей. К естественным процессам добавилось искусственное связывание азота при производстве минеральных удобрений.

Азот - одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме, при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота - N2. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот - его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота - чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве.

Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH3) или ионов аммония (NH4+). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO3–). Поступая в растения, этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота, так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом - огромного (азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·1015) тонн, а в океанах - около 20 триллионов (20·1012) тонн. Незначительная часть этого количества - около 100 миллионов тонн - ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных - все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и возвращается в атмосферу.

Главный поставщик связанного азота в природе - бактерии: благодаря ним связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота. Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, - порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота. Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны - растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Загрязнение озер водорослями - самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни.

Изотопы

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14 N - 99,635% и 15 N - 0,365%.

Известны радиоактивные изотопы азота с массовыми числами 11,12,13,16 и17. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них 13 N имеет период полураспада 10 мин.

Магнитный момент ядер изотопов I N 14 =1, I N 15 =1/2.

Распространенность

Вне пределов Земли азот (его соединения и радикалы - CN", NH", NH` 2 , NH 3) обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, межзвёздном пространстве. В атмосфере Венеры зафиксировано около 2% азота, но эта цифра ещё требует подтверждения. Азот - четвёртый по распространенности элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода). Жизнь многим обязана азоту, но и азот, по крайней мере, атмосферный, своим происхождением обязан не столько Солнцу, сколько жизненным процессам.

Большая часть азота находится в природе в свободном состоянии. Азот, в форме двухатомных молекул N 2 составляет большую часть атмосферы, где его содержание составляет 75,6% (по массе) или 78,084% (по объему), то есть около 3,87*10 15 тонн. В общем, мы обитаем в азотной атмосфере, умеренно обогащённой кислородом.

Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2*10 13 тонн, кроме того примерно 7*10 11 тонн азота содержатся в гидросфере в виде соединений.

Биологическая роль

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений. Он входит в состав белков (16-18% по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. в составе живых клеток по числу атомов азота около 2%, по массовой доле - около 2,5% (четвертое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9*10 11 тонн. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образовываться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры.

Круговорот азота в природе

Азот - бесцветный газ, не имеющий запаха и малорастворимый в воде. Он немного легче воздуха: масса одного литра азота равна 1,25г. Молекулярный азот - химически малоактивное вещество. При комнатной температуре он взаимодействует лишь с литием. Малая активность азота объясняется большой прочностью его молекул, обусловливающей высокую энергию активации реакций, протекающих с участием азота.

Общее содержание азота в земной коре составляет 0,04%(масс.). Азот составляет около 79% атмосферы, но огромное количество живых существ не способны прямо использовать этот запас азота. Сначала он должен быть фиксированным специализированными организмами или человеком - в этом последнем случае фиксация осуществляется с помощью специально разработанных промышленных процессов.

Несмотря на величайшую сложность, этот круговорот осуществляется быстро и беспрепятственно. Воздух, содержащий 78% азота, одновременно служит и огромным вместилищем и предохранительным клапаном системы. Он беспрерывно и в разных формах питает круговорот азота.

Цикл азота состоит в следующем. Его главная роль заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структур организма - аминокислот белка, а также нуклеиновых кислот. В живых организмах содержится примерно 3% всего активного фонда азота. Растения потребляют примерно 1% азота; время его круговорота составляет 100 лет.

От растений-продуцентов азотосодержащие соединения переходят к консументам, от которых после отщепления аминов от органических соединений азот выделяется в виде аммиака или мочевины, а мочевина затем также превращается в аммиак (вследствие гидролиза).

Рис. 1. Трансформация и использование СО 2 в природе

В дальнейшем в процессах окисления азота аммиака (нитрификации) образуются нитраты, способные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Все эти химические превращения возможны в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Эти удивительные бактерии - фиксаторы азота - способны использовать энергию своего дыхания для прямого усвоения атмосферного азота и синтезирования протеидов. Таким путем в почву ежегодно вносится около 25 кг азота на 1 га.

Но самые эффективные бактерии живут в симбиозе с бобовыми растениями в клубеньках, развивающихся на корнях растений. В присутствии молибдена, который служит катализатором, и особой формы гемоглобина (уникальный случай у растений) эти бактерии (Rhizobium ) ассимилируют громадные количества азота. Образующийся (связанный) азот постоянно диффундирует в ризосфере (часть почвы), когда клубеньки распадаются. Но еще азот поступает в наземную часть растений. Благодаря этому бобовые исключительно богаты протеинами и очень питательны для травоядных. Годовой запас, таким образом, накапливаемый в культурах клевера и люцерны, составляет 150-140 кг/га.

Помимо бобовых такие бактерии живут на листьях растений (в тропиках) из семейства Rublaceae , а также актиномицеты - на корнях ольхи, фиксирующие азот. В водной среде - это синие водоросли.

С другой стороны, бактерии-денитрификаторы разлагают нитраты, освобождают N 2 , который улетучивается в атмосферу. Но этот процесс не очень опасен, так как разлагает примерно 20% общего азота, и то лишь на почвах, очень удобренных навозом (примерно 50-60 кг азота 1 га).

Хотя люди и наземные животные живут на дне воздушного океана, в основном состоящего из азота, именно этот элемент в наибольшей степени определяет запас пищи для обитателей этого океана. Все мы зависим от имеющихся ресурсов фиксированного азота. «Фиксированным» называют азот, включенный в такое химическое соединение, которое может быть использовано растениями и животными. В атмосфере азот не активен, но некоторые организмы всё же могут связывать его. Меньшее количество атмосферного азота фиксируется в природных процессах ионизации. Атмосфера ионизируется космическими лучами, сгорающими метеоритами, электрическими разрядами (молнии) за короткое время выделяющими большое количество энергии, необходимое для того, чтобы азот смог прореагировать с кислородом или водородом воды. Азот фиксируют даже некоторые морские организмы, но, видимо, самыми крупными поставщиками фиксированного азота в природе являются почвенные микроорганизмы и симбиотические ассоциации между такими организмами и растениями.

Фиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям - абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25000 о С и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).

Однако основная часть молекулярного азота (около 1,4*10 8 т/год) фиксируется биогенным путём. Долгое время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов (хотя и широко распространённых на поверхности Земли): бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium , цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Сейчас известно, что этой способностью обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубнях ольхи и других деревьев (всего 160 видов). Все они превращают молекулярный азот в соединения аммония (NH 4 +). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10г глюкозы). Таким образом, видна взаимная польза от симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий - первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» - глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме.

Из всех видов вмешательства человека в естественный круговорот веществ промышленная фиксация азота - самое крупное по масштабам. В прежние времена, когда не существовало массового производства искусственных удобрений, когда ещё не выращивались на больших площадях азотфиксирующие бобовые культуры, количество азота, удаляемого из атмосферы в процессе естественной фиксации, вполне уравновешивалось его возвратом в атмосферу в результате деятельности организмов превращающих органические нитраты в газообразный азот. Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессе биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и, в конце концов, попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5 - 8*10 7 т/год).

Чрезмерный вынос азотистых соединений в реки может вызвать «цветение» водорослей и в результате усиления их биологической активности вода может лишиться кислорода, что вызовет гибель рыбы и других, нуждающихся в кислороде организмов. Самый известный пример этого - быстрая эвтрофизация озера Эри.

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержением вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.

Азот, включенный в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификции (разложению азотсодержащих сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации, то есть, выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.

Чтобы получить представление о сложно разветвлённых путях, по которым движется азот в биосфере, проследим путь атомов азота из атмосферы в клетки микроорганизмов, затем в почву - уже в качестве фиксированного азота, а из почвы - в высшие растения, откуда связанный азот может поступать в организмы животных. Растения и животные, отмирая, возвращают фиксированный азот в почву, откуда он либо поступает в новые поколения растений и животных, либо в виде элементарного азота переходит в атмосферу.

Некоторые организмы находят выгодным окислять соединения азота, тогда как другие организмы, обитающие в той же среде, выживают лишь благодаря своей способности восстанавливать эти соединения. Кроме фотосинтезирующих организмов, использующих энергию света, все живые существа получают энергию за счет химических превращений. Обычно это окисление одного соединения с одновременным восстановлением другого, хотя иногда окислятся и восстанавливаться могут разные молекулы одного и того же вещества или даже разные фрагменты одной молекулы. Круговорот азота в живой природе возможен потому, что при окислении атмосферным кислородом восстановленных неорганических соединений азота выделяется энергия в биологически эффективной форме. В анаэробных условиях окисленные соединения азота могут служить окислителями органических соединений, с выходом полезной энергии.

Специфическая роль азота в биологических процессах обусловлена необычно большим числом степеней окисления, то есть валентностей. Валентность - это свойство атома данного элемента присоединять или замещать определённое число атомов другого элемента. В организме животных и растений большая часть азота присутствует или в виде иона аммония, или в виде аминосоединений. В обеих формах азот сильно восстановлен: соединившись с тремя другими атомами, он принял от них три электрона, то есть имеет степень окисления -3. В другой сильно окислённой форме (нитрат-ион (NO 3 +5) пять внешних электронов атома азота участвуют в образовании связей с атомом кислорода, приобретая при этом степень окисления +5. Нитрат-ион - главная форма, в которой азот присутствует в почве. При переходе иона аммония или аминокислот в почвенные нитраты валентность азота должна меняться на 8 единиц, то есть атом теряет 8 электронов. При переходе нитратного азота в азот аминогруппы атом приобретает 8 электронов.

Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших количествах, если не считать натриевую селитру NaNO 3 , образующую мощные пласты на побережье Тихого океана в Чили. Почва содержит не значительные количества азота, преимущественно в виде солей азотной кислоты. Но в виде сложных органических соединений - белков - азот входит в состав всех живых организмов. Превращения, которым подвергаются белки в клетках растений и животных составляют основу всех жизненных процессов. Без белка нет жизни, а так как азот является обязательной составной частью белка, то понятно, какую важную роль играет этот элемент в живой природе.

В целом протекающие в почве реакции, в которых азот восстанавливается, дают значительно больше энергии, чем окислительные реакции, в результате которых у атомов азота отнимаются электроны. Обобщая, можно сказать, что в природе любая реакция, в которой при превращении одного соединения в другое образуется хотя бы 15 ккал / моль, служит источником энергии для того или иного организма или группы организмов.

Фиксация азота требует энергии. Сначала азот надо «активировать», то есть разбить молекулу азота на два атома. На это уйдёт по меньшей мере 160 ккал / моль. Сама фиксация, то есть соединение двух атомов азота с тремя молекулами водорода с образованием двух молекул аммиака, даёт около 13 ккал. Значит, в целом на реакцию расходуется не менее 147 ккал. Но неизвестно, приходится ли азотфиксирующим организмам, в самом деле, расходовать такое количество энергии. Ведь в реакциях, катализируемых ферментами, происходит не просто обмен энергией между реагирующими веществами и конечными продуктами, а снижение энергии активации.

Животные потребляют с пищей растительные белки, аминокислоты и др. азотсодержащие вещества. Таким образом, растения делают органический азот доступным для других организмов - консументов.

Все живые организмы поставляют азот в окружающую среду. С одной стороны, все они выделяют в ходе жизнедеятельности продукты азотистого обмена: аммиак (NH 3), мочевину (СО(NH 2) 2) и мочевую кислоту. Последние два соединения разлагаются в почве с образованием аммиака (который при растворении в воде дает ионы аммония).

Мочевая кислота, выделяемая птицами и рептилиями, также быстро минерализуется особыми группами микроорганизмов с образованием NH 3 и СО 2 . С другой стороны, азот, включённый в состав живых существ, после их гибели подвергается аммонификации (разложение содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и нитрификации.

Аммиак или ион аммония, образовавшийся в почве, может поглощаться корнями растений. Азот при этом включается в аминокислоты и становится частью белка. Если растение затем поедается животным, то азот включается в другие белки. В любом случае белок в конечном итоге возвращается в почву, где распадается на составляющие его аминокислоты. В аэробных условиях в почве содержится множество микроорганизмов, способных окислять аминокислоты до двуокиси углерода, воды и аммиака. При разложении, например, глицина выделяется 176 ккал / моль.

Некоторые микроорганизмы из рода Nitrosomonas используют нитрификацию иона аммония как единственный источник энергии. В присутствии кислорода аммиак даёт нитритный ион и воду; выход энергии в этой реакции составляет 65 ккал / моль, а этого вполне достаточно для «приличного» существования. Nitrosomonas относится к группе так называемых автотрофов - организмов, которые не потребляют энергию, запасённую в органических веществах. Фотоавтотрофы используют энергию света, а хемоавтотрофы, подобные Nitrosomonas , получают энергию из неорганических соединений.

Другая специализированная группа микроорганизмов, представителем которой является Nitrobacter , способна извлекать из нитритов энергию, которой пренебрёг Nitrosomonas. При окислении нитритного иона в нитратный освобождается около 17 ккал/моль - немного, но вполне достаточно для того, чтобы поддержать существование Nitrobacter .

В почве немало разных видов бактерий - денитрификаторов, которые попав в анаэробные условия, могут использовать нитратный и нитритный ионы как акцепторы электронов при окислении органических соединений.

Продукты нитрификации - NO 3 - и (NO 2 -) в дальнейшем подвергаются денитрификации. Этот процесс целиком происходят благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, которые обладают способностью восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота (N 2 O) и азота (N 2). Эти газы свободно переходят в атмосферу.

10 [H] + 2H+ +2NO 3 - = N 2 + 6H 2 O

В отсутствии кислорода нитрат служит конечным акцептором водорода. Способность получать энергию путем использования нитрата как конечного акцептора водорода с образованием молекулы азота широко распространена у бактерий. Временные потери азота на ограниченных участках почвы, несомненно, связаны с деятельностью денитрифицирующих бактерий. Таким образом, круговорот азота невозможен без участия почвенной микрофлоры.

Сравнительная ценность ионов аммония и нитрита как источников азота для растений была объектом многих исследований. Казалось бы, ион аммония явно предпочтительнее: степень окисления азота в нём равна -3, то есть та же, что у азота в аминокислотах; степень окисления же нитратного азота равна +5. Значит, для того чтобы использовать азот из нитратного иона, растение должно затратить энергию на восстановлении пятивалентного азота до трехвалентного. На деле всё обстоит сложнее: то, какая форма азота предпочтительнее, зависит, как оказалось, совсем от других факторов. Так как ион аммония заряжен положительно, почти сразу же после его образования в почве он захватывается частицами ила, на которых и остаётся вплоть до окисления. Отрицательный ион нитрата, напротив, свободно движется в почве, а значит, легче попадает в зону корней.

Почвенные азотофиксирующие организмы оставались малоизученными вплоть до конца XIX века. Учёные даже опасались, что денитрифицирующие бактерии, как раз в то время открытые, постепенно исчерпают запас фиксированного азота в почве и снизят плодородие. В своей речи перед королевским обществом в Лондоне сэр У. Крукс набросал мрачную картину голода, который ожидает человечество в недалёком будущем, если не появятся искусственные способы фиксации азота. В то время главным источником селитры и для производства удобрений, и для выработки взрывчатых веществ были залежи в Чили. Именно потребность во

После того как круговорот азота был в общих чертах изучен, стала понятна роль бактерий - денитрификаторов. Без таких бактерий, возвращающих азот в атмосферу, большая часть атмосферного азота находилась бы сейчас в связанной форме в океане и в осадочных породах. В настоящее время в атмосфере недостаточно кислорода для перевода всего свободного азота в нитраты. Но вполне вероятно, что односторонний процесс в отсутствии денитрификаторов привёл к подкислению воды в океане нитратами. Началось бы выделение двуокиси углерода из карбонатных горных пород. Растения постоянно извлекали бы двуокись углерода из воздуха, углерод с течением времени откладывался бы в форме каменного угля или других углеводородов, а свободный кислород насыщал бы атмосферу и соединялся с азотом. Из-за многообразия и сложности всех этих процессов трудно сказать, как выглядел бы мир реакции денитрификации, но, наверняка, это был бы непривычный для нас мир.

Процесс биологической фиксации азота известен далеко не во всех деталях. Хотелось бы знать, каким образом активирующий фермент, используемый азотфиксирующими бактериями, может при обычной температуре и нормальном давлении выполнять то, что происходит в химическом реакторе при сотнях градусов и атмосфер. Во всем мире наберётся несколько килограммов этого удивительного фермента.

Азотфиксирующие организмы делятся на две большие группы: живущие самостоятельно и живущие в симбиозе с высшими растениями. Граница между этими группами не так резка. Степень взаимозависимости растений и микроорганизмов может быть различной. Симбиотические микроорганизмы непосредственно зависят от растения как источника энергии, а возможно и некоторых питательных веществ. Свободноживущие азотфиксаторы получают энергию от растения косвенным путем, а некоторые из них используют непосредственно световую энергию.

Главными поставщиками фиксированного азота на почвах, занятых злаками, и в других экосистемах, где нет растений с азотфиксирующими симбионтами, служат различные бактерии. В подходящих условиях сине-зелёные водоросли могут быть важным источником фиксированного азота. Их вклад в фиксацию азота особенно заметен на рисовых полях и в других местах, где условия благоприятствуют их развитию. Но для Земли в целом естественным важнейшим источником фиксированного азота служат бобовые растения. Они важнее других азотфиксирующих растений с хозяйственной точки зрения и потому лучше изучены.

Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека. С одной стороны, массовое производство азотных удобрений и их использование приводит к избыточному накоплению нитратов. Азот, поступающий на поля в виде удобрений, теряется из-за отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации.

С другой стороны, при снижении скорости превращения аммиака в нитраты аммонийные удобрения накапливаются в почве. Возможно подавление деятельности микроорганизмов в результате загрязнения почвы отходами промышленности. Однако эти процессы носят локальный характер. Гораздо большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на ТЭЦ, транспорте, заводах («лисий хвост» (NO 2)). В промышленных районах их концентрация в воздухе становится очень опасной. Под воздействием излучения происходят реакции органики (углеводородов) с оксидами азота с образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений.

Факторы, влияющие на круговорот азота

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство. Но в настоящее время на круговорот азота влияет много факторов, вызванных человеком. Во-первых, это кислотные дожди - явление, при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков и снега из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (например, оксидами азота). Химизм этого явления состоит в следующем. Для сжигания органического топлива в двигатели внутреннего сгорания и котлы подается воздух или смесь топлива с воздухом. Почти на 4/5 воздух состоит из газа азота и на 1/5 - из кислорода. При высоких температурах, создаваемых внутри установок, неизбежно происходит реакция азота с кислородом и образуется оксид азота:

N 2 + O 2 = 2NO - Q

Эта реакция эндотермическая и в естественных условиях происходит при грозовых разрядах, а также сопутствует другим подобным магнитным явлениях в атмосфере. В наши дни человек в результате своей деятельности сильно увеличивает накопление оксида азота (II) на планете. Оксид азота (II) легко окисляется до оксида азота (IV) уже при нормальных условиях:

2NO 2 + H 2 O = HNO 3 + HNO 2

образуются азотная и азотистая кислоты. В капельках атмосферной воды эти кислоты диссоциируют с образованием, соответственно нитрат- и нитрит-ионов, а ионы попадают с кислотными дождями в почву. Вторая группа антропогенных факторов, влияющих на азотистый обмен почв, - это технологические выбросы. Оксиды азота одни из самых распространенных загрязнителей воздуха. А неуклонный рост производства аммиака, серной и азотной кислоты напрямую связан с увеличением объёма отходящих газов, а следовательно, с увеличением количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота. Третья группа факторов - переудобрение почв нитритами, нитратами (натриевая селитра (NaNO 3), калийная селитра (KNO 3), кальциевая селитра (Ca(NO 3)2), нитрат аммония NH 4 NO 3) и органическими удобрениями. И наконец, на азотистый обмен почв отрицательно влияет повышенный уровень биологического загрязнения. Возможные его причины: сброс сточных вод, несоблюдение санитарных норм (выгул собак, неконтролируемые свалки органических отходов, плохое функционирование канализационных систем и др.). Как следствие почва загрязняется аммиаком, солями аммония, мочевиной, индолом, меркаптанами и другими продуктами разложения органики. В почве образуется дополнительное количество аммиака, который затем перерабатывается бактериями в нитраты.

Актуальность изучения круговорота азота

Между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние.

Антропогенные биоценозы - это особые природные сообщества, сформировавшиеся под непосредственным влиянием человека, который сам может создавать новые ландшафты и серьёзным образом изменять экологическое равновесие. Кроме того, деятельность человека оказывает огромное влияние на круговорот элементов. Особенно заметным оно стало в последнее столетие, потому что произошли серьёзные изменения в природных круговоротах за счет добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в результате вызванных человеком воздействий. Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, генов и др. В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов.

Для изучения особенностей круговорота азота можно использовать комплексную методику по изучению содержания ионов нитритов (NO 2 -), нитратов (NO 3 -) и аммония (NH 4 +) в почве и её микробиологических показателях.

Очень важно изучать и контролировать круговорот азота, особенно в антропогенных биоценозах, потому что небольшой сбой в какой-либо части цикла может привести к серьёзным последствиям: сильным химическим загрязнениям почв, зарастанию водоемов и загрязнению их продуктами разложения отмершей органики (аммиак, амины и др.), высокому содержанию растворимых соединений азота в питьевой воде.

Токсикология азота и его соединений

Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь. Животные, помещенные в атмосферу азота, быстро погибают, но не вследствие ядовитости азота, а из-за отсутствия кислорода.

Многие соединения азота очень активны и нередко токсичны

В подземные воды уходит до 13% азота, содержащегося в минеральных удобрениях. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) приняла предельно допустимую концентрацию нитратов в питьевой воде: 45 мг/л для умеренных широт и 10 мг/л для тропиков.

12.2. Круговорот азота, кислорода, углерода

Круговорот азота (рисунок 12.2) является одним из самых сложных круговоротов в природе. Охватывает всю биосферу, а также атмосферу, литосферу, гидросферу. Очень важную роль в круговороте азота играют микроорганизмы. В круговороте азота выделяют следующие этапы:

1-й этап (фиксация азота): а) азотфиксирующие бактерии связывают (фиксируют) газообразный азот с образованием аммонийной формы (NH и солей аммония) – это биологическая фиксация; б) вследствие грозовых разрядов и фотохимического окисления образуются оксиды азота, при взаимодействии с водой они образуют азотную кислоту, в почве она превращается в нитратный азот.

2-й этап – превращение в растительный белок. Обе формы (аммонийная и нитратная) фиксированного азота усваиваются растениями и превращаются в сложные белковые соединения.

3-й этап – превращение в животный белок. Животные поедают растения, в их организме растительные белки превращаются в животные.

4-й этап – разложение белка, гниение. Продукты метаболизма растений и животных, а также ткани отмерших организмов под воздействием микроорганизмов разлагаются с образованием аммония (процесс аммонификации).

5-й этап – процесс нитрификации. Аммонийный азот окисляется до нитритного и нитратного азота.

6-й этап – процесс денитрификации. Нитратный азот под воздействием денитрифицирующих бактерий восстанавливается до молекулярного азота, который поступает в атмосферу. Круг замыкается.

Рисунок 12.2 – Структурная схема круговорота азота

(по Н. И. Николайкину, 2004)

Антропогенное воздействие на круговорот азота заключается в следующем:

1 Промышленное использование азота для получения аммиака примерно на 10% повышает общее количество азота, фиксированного естественным путем.

2 Широкое использование азотных удобрений, превышающее потребности растений, приводит к загрязнению окружающей среды, при этом часть избыточного азота смывается в водоемы, вызывая опасное явление «евтрофирования». Оно вызывает вторичное загрязнение водоемов, нарушение круговорота веществ, изменение их трофического статуса.

Круговорот кислорода сопровождается его приходом и расходом.

Приход кислорода включает : 1) выделение при фотосинтезе; 2) образование в озоновом слое под воздействием УФ-излучения (в незначительном количестве); 3) диссоциацию молекул воды в верхних слоях атмосферы под воздействием УФ-излучения; 4) образование озона – О 3 .

Расход кислорода включает : 1) потребление животными при дыхании; 2) окислительные процессы в земной коре; 3) окисление окиси углерода (СО), выделяющегося при извержении вулканов.

Круговорот кислорода тесно связан с круговоротом углерода.

Круговорот углерода (рисунок 12.3). Масса углекислого газа (СО 2) в атмосфере оценивается в 10 12 тонн.

Приход углекислого газа включает : 1) дыхание живых организмов; 2) разложение отмерших организмов растений и животных микроорганизмами, процесс брожения; 3) антропогенные выбросы при сжигании топлива; 4) вырубку лесов.

Расход углекислого газа включает : 1) фиксацию углекислого газа из атмосферы при фотосинтезе с освобождением кислорода; 2) потребление части углерода животными, питающимися растительной пищей; 3) фиксацию углерода в литосфере (образование органогенных пород – уголь, торф, горючие сланцы, а также почвенных компонентов, как гумуса); 4) фиксацию углерода в гидросфере (образование известняков, доломитов).

Постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере в сочетании с другими причинами привело к «парниковому эффекту», влияющему на тепловой баланс, на климат нашей планеты.

Большую роль в общем круговороте веществ в природе кроме рассмотренных элементов играют также фосфор, сера, железо.

Рисунок 12.3 – Структурная схема круговорота углерода

(по Н. И. Николайкину, 2004)

Одним из самых распространенных химических элементов в окружающей среде является азот. Количество азота в атмосфере велико - четыре пятых атмосферы состоит из этого химического элемента. Большая часть элемента пребывает в свободной форме, при котором два атома образуют молекулу N 2 . Из-за достаточно прочной связи между атомами в молекуле использовать такое соединение напрямую не представляется возможным.

Чтобы живые организмы могли полноценно усваивать этот химический элемент, его нужно перевести в «связанное» состояние. В таком состоянии азот представляет собой заряженный нитрат-ион NO3-, в таком виде он может усваиваться растениями.

Круговорот азота в природе невозможен без процесса «связывания», так как именно расщепление молекулы N 2 дает возможность поддерживать различные жизненные процессы на нашей планете.

Характеристики азота

Азот является бесцветным неядовитым газом, который большей частью находится в природе в свободном (несвязанном) состоянии. Это основная часть атмосферы - почти 80% ее занимает молекулярное вещество. В молекулярном виде азот бесполезен для живой природы - молекулы его при нормальных условиях химически реагируют только с литием. Зато значение азота в природе биосферы трудно переоценить. Это вещество является неотъемлемой частью любой, даже самой простой молекулы белка. А ведь именно белок является необходимым элементом всех живых организмов.

Как происходит круговорот

Круговорот азота в природе, по сути, является цепочкой замкнутых взаимосвязанных путей, которыми азот циркулирует в биосфере Земли. В природе основным поставщиком этого связанного элемента выступают различные микроорганизмы. Именно благодаря микроскопическим труженикам от 90 до 140 млн. тонн иона азота переходит в нужное для биосферы состояние.

Нахождение азота в природе во многом связано с жизнедеятельностью бактерий и водорослей. Круговорот N 2 в природе берет свое начало в деятельности различных микроорганизмов, которые извлекают азот из разлагающихся отходов. Одна часть элемента преобразуется в молекулы, необходимые для существования этих микроорганизмов. Другая часть высвобождается в виде ионов аммония и молекул аммиака. Различные разновидности бактерий переводят азот из этих веществ в форму нитратов. Азотистые соединения в виде удобрения усваиваются растениями, а через них и животными. После смерти организма микроэлемент возвращается в почву, чтобы заново совершить круговорот азота в природе. Схема движения азота представлена ниже.

Во время совершения круговорота N 2 может включаться в состав неорганических отложений или высвобождаться в результате деятельности некоторых бактерий. Кроме этого, извержения вулканов, работа гейзеров увеличивают долю этого вещества в земной атмосфере.

Применение азота в сельском хозяйстве

Удобряя землю азотистыми соединениями из расчета - килограмм удобрений на гектар земли, можно повысить урожайность зерновых культур на несколько процентов.
В сельском хозяйстве в виде урожая азот выносится в количестве 1 млн. тонн, при этом азотистых удобрений используется в два раза меньше. Несмотря на высокую рентабельность использования минеральных удобрений, потребности растений в этом веществе покрываются искусственным путем всего на 20-25%. Остальное его количество извлекается из грунта за счет биологической фиксации (естественные удобрения). Дальнейшее повышение урожайности будет зависеть лишь от рационального применения навоза, наращивания производства минеральных удобрений и эффективного использования «биологического» (произведенного микроорганизмами) связанного азота.

Применение азота в промышленности

Применяется азот и в промышленности. Большая часть синтезированного вещества приходится на производство аммиака, взрывчатых систем, различных красителей. Применяется он и в обрабатывающей промышленности - например, при обработке кокса. Свойства азота широко известны и учитываются при производстве различных пищевых добавок. Жидкий азот - отличный хладагент и широко применяется для заморозки продуктов питания. Но все равно основным способом применения его является производство минеральных удобрений.

Самые известные бактерии, преобразующие азот, содержатся в клубнях растений семейства бобовых.

Полезные свойства азота помогают повышать плодородие грунта: в поле сначала сеют чечевицу, горох или фасоль, потом растения запахивают в землю. Затем на этом месте выращивают другие культуры, которые могут использовать азот в качестве естественного удобрения.

Минеральные удобрения

Но природного азота, пригодного в качестве удобрений, оказалось недостаточно для поддержания урожайности. И люди начали использовать минеральные удобрения, включающие в себя связанный азот.

Технология связывания азота в промышленных масштабах была открыта немецкими военными учеными накануне Первой мировой войны. Тогда была разработана схема производства аммиака для нужд оборонной промышленности. Доработав технологию, ученые придумали надежную схему производства связанного азота для сельского хозяйства. Сейчас аграриями применяется более 80 млн. тонн связанного азота для выращивания продовольственных культур.

Природный связанный азот

Удивительно, но определенная часть атмосферного азота связывается во время грозы. Вспышки молний происходят гораздо чаще, чем принято думать. В течение 10 секунд в мире сверкает около пятисот молний. Разряд электричества разогревает вокруг себя атмосферу, азот соединяется с кислородом. Происходит реакция горения азота, на выходе которой и получаются различные виды соединений азота с кислородом. Это довольно красивая форма связывания азота, но она высвобождает только около 10 млн. тонн в год.

Искусственный связанный азот

Как было написано выше, основным источником азота являются минеральные удобрения, которые активно используются в сельском хозяйстве большинства стран мира. Сгорание всех видов ископаемого топлива (уголь, газ, нефтяные производные) также приводит к связыванию свободного азота. Помимо прямого сгорания, при работе двигателей и электрогенераторов также возникает теплота, необходимая для реакции азота с кислородом. В общем, в течение года при сжигании получается около 20 миллионов тонн азота, пригодного для биосферы.

Заключение

Как происходит круговорот азота в природе? Схема этого движения может быть представлена наглядно. Например, можно вообразить, что вся биосфера представляет собой две сообщающиеся между собой емкости. Большая ёмкость представляет собой нахождение азота в природе главным образом в гидросфере и атмосфере. Очень маленькая содержит азот, который является частью жизнедеятельности. Узкий проход соединяет обе ёмкости, в нем азот тем или иным образом переходит в связанное состояние. В естественной среде именно через такие проходы азот попадает в живые организмы и становится частью неживой природы после своей гибели.

За сравнительно короткий период времени деятельность человека стала влиять на уровень N 2 в естественной среде. Роль азота в природе до конца еще не изучена. Уже сейчас ясно, что каждая экологическая система способна усвоить лишь определенное количество этого вещества. Излишек азота в любой экосистеме приводит к чрезмерному росту растений, засоренности рек и водоемов.

Такая проблема называется эвтрофикацией - загрязнением водорослями. При возникновении этой проблемы водоросли затемняют водоем, вытесняя из него конкурирующие формы жизни. После гибели большого количества водорослей понадобится весь кислород, содержащийся в воде, чтобы остатки растений смогли разложиться. Из бедных кислородом водоемов уходит рыба, ракообразные и другие животные. Вода заболачивается и через несколько лет покрывается тиной. Озеро или пруд превращается в мертвое болото.

Дальнейшее изучение круговорота азота в природе поможет предотвратить последствия таких проблем и соблюсти баланс между хозяйственной деятельностью человека и природными экосистемами.

Азот является одним из элементов, поведение которого в условиях земного шара тесно связано с биологическими процессами. Главная часть запасов азота Земли сосредоточена в атмосфере. Сотни миллионов тони азота находятся в биомассе растений и животных. Довольно велико содержание азота в каменном угле и других горючих ископаемых, в почвенном перегное и в природных водных бассейнах.

При гниении отмерших частей растений и других органических остатков часть азота биоорганических соединений в результате гидролитических процессов при участии микроорганизмов превращается в аммиак, который питрофицирующими бактериями превращается в ионы азотной кислоты. Катионами в почвенных нитратах могут быть К + , Ыа + , ЫЩ, Са 2+ и другие широко распространенные катионы. Некоторая часть биологического азота при гниении различных остатков превращается в диазот и выделяется в атмосферу. В почве есть также денитрифицирующие бактерии, которые восстанавливают нитраты, превращая некоторую часть нитратного азота в простое вещество. Таким образом, почва непрерывно теряет доступный для растений азот, возвращая его в атмосферу.

Непрерывная убыль азотных соединений в почве давно должна была бы привести к катастрофическому дефициту азота, доступного для живых организмов. Однако в природе есть механизмы превращения атмосферного азота в химические соединения. К числу таких процессов относятся происходящие в атмосфере грозовые разряды, при которых образуется некоторое количество оксидов азота. При последующем участии кислорода и воды оксиды превращаются в азотную кислоту. Она растворяется в атмосферной воде и с ней переходит в почву. Здесь азотная кислота реагирует с карбонатами и образует нитраты. За счет этого восполняется содержание нитратов в почве.

Другим источником повышения содержания азота в почве является жизнедеятельность нитробактерий, усваивающих непосредственно атмосферный азот. Эти бактерии содержат фермент нитрогеназу, катализирующий восстановление азота. Нитрогеназа подробно изучена, и установлено, что в этом ферменте имеются атомы молибдена, играющие ключевую роль в восстановлении азота. Нитробактерии обнаружены в клубеньках на корнях растений из семейства бобовых (рис. 20.4). Нитрифицирующие бактерии имеются также на корнях ольхи. Соединения азота, синтезированные бактериями, используются и самими растениями. За 1 год на 1 га земли нитробактериями может быть накоплено до 48 кг азота в составе органических соединений.

Рис. 20.4.

Встречными процессами выведения азота из почвы в атмосферу и обратного перевода его в почву в виде соединений обусловлен круговорот азота, схема которого показана на рис. 20.5.

Рис. 20.5.

При сельскохозяйственной деятельности человека происходит дополнительное обеднение почвы по содержанию азота и некоторых других элементов. Этот процесс постоянно нарастает из-за быстрого увеличения численности населения. Земля должна производить все большие массы продуктов питания. Человек вынужден был разработать третий путь пополнения содержания азота в почве. Он состоит во внесении в почву минеральных азотных удобрений. Азот для этих удобрений происходит от аммиака, производство которого достигло огромных масштабов. Среди веществ, производимых для применения в качестве азотных удобрений, можно назвать нитрат аммония, сульфат аммония, нитрат натрия, нитрат кальция. Мировое производство азотных удобрений в пересчете па содержание азота достигает 100 млн т в год.