Круговорот азота в природе. Свойства азота. Роль азота в природе
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 N2. Из-за достаточно прочной связи между атомами в молекуле использовать такое соединение напрямую не представляется возможным.
Круговорот азота в природе невозможен без процесса «связывания», так как именно расщепление молекулы N2 дает возможность поддерживать различные жизненные процессы на нашей планете.
Характеристики азота
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 N2 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 N2 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
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.
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.
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 N2 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.
Дальнейшее изучение круговорота азота в природе поможет предотвратить последствия таких проблем и соблюсти баланс между хозяйственной деятельностью человека и природными экосистемами.
Круговорот азота в природе
Азот непрерывно циркулирует в земной биосфере под влиянием различных химических и нехимических процессов, причем в последнее время связанный азот попадает в атмосферу в основном благодаря деятельности человека.
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 (см. Химические связи), 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, например с кислородом, 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 (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), 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 — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — 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 (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится 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 (4·10 15 ) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·10 12 ) 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 в конце концов возвращается в атмосферу.
Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). 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 (происходит 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, все то же 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 (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).
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. Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.
Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота азота — еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось человечество. В связи с этим можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации».
Значение круговорота N2 для биосферы
Для того чтобы дать описание и схему круговорота азота в природе, нужно помнить, что этот элемент — важная часть белков и ДНК. Без него жизни, какой её знает человечество, могло и не быть. Но биологические существа способны усвоить его только в определённом виде. В результате различных геологических процессов этот элемент принимает ту форму, которой могут воспользоваться организмы. Обмен элементами между живыми существами, воздухом, водой и земной корой получил название биогеохимических циклов.
Таким образом, микроэлементы, являющиеся частью биологического организма, возвращаются в природу. В этом процессе частицы постоянно перемещаются между воздухом, водой и живыми организмами, в противном случае жизнь давно бы истратила свои ресурсы.
N2 входит в состав всего живого. Это один из самых популярных в природе элементов. Атмосфера земли на 78% состоит из N2. Он также содержится в воде и почве и входит в состав белков.
Этот элемент включается в синтез важнейших органических молекул, белков и нуклеиновых кислот. Азот в виде газа, содержащийся в атмосфере, довольно инертен и немногие организмы способны получать его из воздуха. Растения могут поглощать лишь связанный микроэлемент, то есть в составе химических соединений.
Молекулярный азот — очень стойкое соединение. Для его разрушения необходимо большое количество энергии.
Связывание или фиксация происходит тремя способами:
Для того чтобы понять, какие организмы принимают участие в круговороте азота, надо вспомнить класс биологии. Существуют важнейшие азотфиксаторы цианобактерии. Они играют важную роль в водных экосистемах. N2 также свободно фиксируется свободноживущими почвенными бактериями. При помощи специального фермента бактерии фиксируют атмосферный азот, синтезируя аммиак и нитраты. Получается взаимовыгодное существование. Микроорганизмы обеспечивают растения азотом, а растения питают бактерии сахарами.
Большинство видов растений получает нитраты из почвы. Растительные белки становятся частью травоядных животных, а затем хищников. В круговороте бактерии играют важнейшую роль, разлагая сложные азотсодержащие соединения, чтобы их усвоили растения. В условиях недостатка кислорода некоторые бактерии разлагают органические вещества до получения газообразного азота. Он возвращается в атмосферу и весь цикл повторяется вновь.
Этапы круговорота атмосферного азота
Для того чтобы кратко описать и понять этот процесс, нужно представить биосферу, как два соединяющихся сосуда разных размеров. В большом находится вещество из воздуха и воды, в маленьком — элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. В трубке, которая их соединяет — переходящий в разные состояния азот. Так в живой природе происходит его поступление в организм.
Процесс круговорота очень медленный. Он имеет определённую последовательность:
Азот в живой природе
Роль азота в природе ещё не изучена до конца. Любая экологическая система усваивает небольшое количество вещества. Поэтому при производстве удобрений нарушается баланс между газом из органических соединений, вернувшимся в атмосферу, и элементами из воздушной среды.
Было отмечено, что его состояние может переходить из техногенного потока в природный. Лишнее количество газа накапливается в природе и вызывает отрицательные последствия. Выявлена закономерная связь между сельским хозяйством, например, применением различных добавок, и загрязнением окружающей среды.
Приблизительно 36% азота, который проникает в землю с удобрениями, просачивается в сточные воды. В них оказывается большое количество нитратов азота, которые, попадая в реки и озёра, вызывают усиленное размножение растений.
Этот процесс получил название эвтрофикация, то есть загрязнение водных ресурсов водорослями. Это одно из самых важных экологических последствий в применении этого вещества. Молекулы служат питательной средой для водяных растений. Путём накапливания они разрастаются очень быстро, затемняют водоём и не дают развиваться другим растениям. Со временем водоросли отмирают. Для их разложения необходимо очень большое количество воздуха.
Водный фонд становится бедным на наличие кислорода. Из неё уходят все возможные живые организмы, такие как ракообразные и рыба. Вода заболачиваются, превращаясь со временем в болото, и пересыхает.
Ещё одной причиной загрязнения являются фермы. Есть три фактора:
При этом в воздух попадает аммиак. На расстоянии двух километров от ферм наблюдается его распространение и загрязнение воздуха. В результате близлежащие водоёмы оказываются загрязнены. Для предотвращения этого ниже по склону устраиваются пруды. А площадки откорма скота обязательно проектируются с учётом отметки грунтовых вод.
Последствием нарушения баланса азота в атмосфере является увеличение количества нитратов в продуктах питания. В культурах, которые выращивают в сельском хозяйстве, могут содержаться большие дозы нитратного азота. Его образование возможно при неправильной транспортировке, а также при помощи бактерий. При попадании в организм и взаимодействии с гемоглобином они нарушают проникновение кислорода в кровь. Это серьёзно отражается на здоровье человека.
Окислы также входят в состав азотного соединения. Соединения образуются и оказываются в атмосфере путём сжигания газа, выделяются при использовании автомобиля или турбинных самолётов. Они не причиняют вреда только в том случае, если не окисляются озоном до двуокиси азота. Нахождение большой концентрации в организме приводит к тяжёлым заболеваниям.
Для предотвращения чудовищных последствий этой проблемы необходимо тщательно изучать круговорот азота. Нужно найти способы соблюдения баланса между экосистемой и человеком. Можно заметить, что в современном мире при описании круговорота элементов возникают определённые затруднения, так как не все его процессы до конца изучены.
Влияние человека на круговорот
Деятельность людей имеет непосредственное отношение к этому. Промышленность является самым интенсивным вмешательством в этот процесс. Главным источником распространения лишнего объёма газа в атмосфере считается сельское хозяйство. Выращиваемые культуры поглощают множество питательных веществ, тем самым обедняя её. Картофель, свёкла, зерновые, каждый год потребляют до 200 кг вещества с одного гектара земли.
Если применение органических удобрений недостаточно или полностью отсутствуют бобовые растения, то при исчерпании резервных сил и вымывании полезных элементов из почвы ухудшается ее состояние и плодородие. И наоборот. Чрезмерное накопление удобрений приводит к увеличению количества вещества для наземных растений и уменьшению свободного азота, попадающего в атмосферу.
Круговорот азота в природе
Что такое круговорот азота в природе
Азот является неотъемлемой частью биосферы Земли, поскольку является веществом, так или иначе влияющем на жизнедеятельность всех живых организмов. В частности, воздух, которым дышат все живые существа, состоит на 78 процентов именно из азота. По замкнутым взаимосвязанным путям азот совершает полноценный круговорот во всей биосфере, в научной сфере этот круговорот называется биогеохимическим циклом. И чаще всего этот самый круговорот осуществляется именно за счёт почвенных процессов.
Обитающие там микроорганизмы играют ключевую роль в этом процессе, осуществляя при этом отдельный круговорот ‒ уже в почве. Азот может существовать в почве в форме газа и в форме нитритов, нитратов и аммония, иными словами, азот в почве представлен простым веществом и ионами. Уровень концентрации этих ионов напрямую связан с состоянием атмосферы, с происходящими с почвой процессами, с состоянием экосистем. Происходящие в почве процессы позволяют сократить опасные для живых существ концентрации веществ с содержанием азота, стабилизируют химический состав почвы, а это, в свою очередь, влияет на всю биосферу Земли.
Этапы круговорота азота в природе
Круговорот азота в природе осуществляется в результате нескольких этапов. Во-первых, происходит азотфиксация, когда атмосферный азот (N2) фиксируют микроорганизмы, бактерии или цианобактерии, живущие в почве, а также вступающие в симбиоз с растениями или отдельными животными; в результате азотфиксации образуются нитриты и аммиак (NH3).
Во-вторых, происходит аммонификация, когда органические азотсодержащие вещества переходят в минеральный азот, и такое осуществляется, в частности, в ходе гниения органических веществ, и почвенные бактерии напрямую влияют на этот процесс, в ходе которого сложные белки распадаются на ионы аммония и аммиак.
В-третьих, осуществляется нитрификация, когда соли аммиака постепенно переходят в соли азотной кислоты, в нитриты и нитраты, при этом часть связанных с этим почвенных бактерий производят окисление аммиачных солей в нитриты, а другая часть завершает дело, окисляя нитриты в нитраты.
В-четвёртых, осуществляется денитрификация, когда в результате деятельности бактерий и микроорганизмов азотосодержащие вещества подвергаются обратным процессам, то есть, нитраты переходят в нитриты, а после в газообразные оксиды, и возвращаются обратно в атмосферу. После этого цикл повторяется вновь.
В-пятых, происходит ассимиляция, когда неорганическая форма азота, например, нитраты, становится органической (переходит, например, в аминокислоты) и усваивается растениями, после гибели которых содержащийся азот вновь становится неорганическим в результате аммонификации.
Факторы, влияющие на круговорот азота в природе
В естественных условиях процессы в рамках круговорота находятся в равновесии, то есть, фиксация азота и нитрификация уравновешивают денитрификацию. Какая-то часть азота постоянно присутствует в почве, какое-то количество выходит на поверхность Земли из недр во время вулканических процессов, часть атмосферного азота оказывается в верхних слоях атмосферы и впоследствии улетучивается в космический вакуум.
Азотфиксация
Азотфиксация также может называться диазотрофией, и осуществляется деятельностью почвенных прокариотных бактерий. Азотфиксация может служить краеугольным камнем круговорота азота в природе. Из-за тройной ковалентной связи атомов молекулы азота это вещество не способно самостоятельно принимать участие в окислительных и восстановительных реакциях, и растения и животные не могут таким образом использовать азот. Катализаторами для этих реакций являются выделяемые микроорганизмами ферменты наподобие ферредоксина, гидрогеназы и нитрогеназы.
Азотфиксация требует большое количество энергии: например, на одну молекулу азота потребуется минимум 12 молекул аденозинтрифосфата, или на 1 миллиграмм азота нужно будет примерно 500 миллиграммов сахарозы. Азотфиксация осуществляется преимущественно в анаэробных условиях, поскольку важнейший для азотфиксации фермент, нитрогеназу, молекулярный кислород попросту блокирует. Некоторые аэробные бактерии имеют свои способы защиты фермента от кислородного блокирования.
Азотфиксацию осуществляют свободноживующие прокариотные бактерии, тесно связанные с растениями бактерии (места их скоплений ‒ прикорневая зона и листья), а ещё бактерии, живущие в симбиозе. Человек в каком-то смысле может способствовать азотфиксации в почве путём внесения небольших доз азотных удобрений (но лишь небольших, поскольку повышенные дозы окажут противоположный эффект). Также есть ряд особых бактериальных удобрений, направленных на повышение урожайности отдельных культур, для которых свойственен симбиоз с бактериями-азотфиксаторами.
Нитрификация
В ходе нитрификации аммиак переходит в азотистую и азотную кислоту. Это аэробный процесс, который происходит преимущественно в почве, но также и в воде. Нередко приводит к тому, что в почве и в воде появляется много токсичных нитратов. Процессы нитрификации состоят из двух этапов. В первом этапе аммиак сложным путём окисляется нитрозными бактериями, после чего становится нитрит-анионом, бактерии для этого используют ферменты-катализаторы аммиакмонооксигеназу, гидроксиламиноксидоредуктазу и цитохромоксидоредуктазу.
Во втором этапе нитрит-анион (в азотистой кислоте) окисляется уже нитратными бактериями и становится нитрат-анионом (в азотной кислоте), для этого используется нитрит-оксидоредуктаза. Осуществляющие эти сложные химические реакции бактерии относятся к протеобактериям, являющимся самыми распространёнными на Земле бактериями. Нитрификация может проводиться как автотрофным способом, так и гетеротрофным.
Аммонификация
Процесс аммонификации неизбежно связан с гниением, а точнее, с разложением органических веществ, и в первую очередь ‒ белка. Микроорганизмы осуществляют гидролиз белка с помощью фермента под названием протеаза, белок переходит в пептон, потом из него создаются полипептиды, а те идут на формирование аминокислот, которые подвергаются процессу, известному как дезаминирование, и среди продуктов этого процесса есть и аммиак.
Аэробные условия позволяют разложить белок максимально глубоко и окончательно, с полным расходованием энергетического запаса белка, а вот анаэробные условия не позволяют сильно глубоко расщепить белок. Возникающий при гниении неприятных запах связан с выделением сероводорода и меркаптана из тех белков, в которых содержалась сера, а также с выделением индола и скатола, а ещё фенола, возникающие при расщеплении аминокислот. Большая часть выделенного аммиака остаётся в итоге в почве, другая его часть поступает в тела бактерий и микроорганизмов, где и синтезируется.
Те бактерии, что осуществляют аммонификацию, тоже имеют очень широкое распространение во всех видах почв и водоёмов. При этом бактерии, отвечающие за аммонификацию, осуществляют расщепление белка и выделяют аммиак, который может быть окислен и превращён в азотную кислоту в ходе нитрификации. На аммонификацию способны отдельные виды как аэробных, так и анаэробных бактерий, в том числе те, что могут быть частью кишечной микрофлоры животных и человека и в их экскрементах.
После гибели организма животного или человека такие бактерии, бывшие частью микрофлоры, начинают осуществлять ускоренное разложение мёртвого организма с выделением зловония. Вместе с тем, свежие экскременты и навоз невозможно использовать в качестве питательных веществ, поскольку азотистые вещества в них не до конца минерализованы, и им ещё предстоит продолжить распадаться на аммиачные и азотнокислотные соли уже в слое почвы. Ещё аммонификация может осуществляться в перегное и гумусе, но содержащиеся там азотистые вещества распадаются крайне медленно, и в условиях умеренного климата за год может разложиться лишь один-три процента гумуса.
Лучше же разлагается мочевина, или диамид угольной кислоты, её в почве расщепляют уробактерии, выделяющие фермент под названием уреаза, и мочевина сначала становится углеаммиачной солью, которая распадается на аммиак и углекислоту.
Денитрификация
В отличие от нитрификации и аммонификации, денитрификация является восстановительным процессом, а не окислительным, и он связан с возвращением азота в атмосферу. На такое способны как бактерии-прокариоты (и археи-прокариоты), так и эукариотами, а именно: грибами (в том числе дрожжевыми) и клетками печени животных.
Денитрификация осуществляется в анаэробных условиях, поскольку подавляется молекулами кислорода, а ещё относится к анаэробному дыханию. Это процесс, в котором именно нитраты и продукты реакций восстановления нитратов, а не кислород, используются для окислительных реакций, и одни бактерии тем самым осуществляют окисление органических веществ, а другие окисляют минеральные вещества; при такого рода окислении выделяется энергия, и это часть метаболических процессов микроорганизмов.
В осуществлении денитрификации участвуют ферменты наподобие нитратредуктазы, редуктазы окиси и закиси азота. Полный процесс реакции с получением энергии под силу лишь прокариотам, способным как к обычному кислородному дыханию, так и к анаэробному, у эукариотов такое невозможно. Отдельные микроорганизмы проводят процесс не полностью, поскольку обладают лишь частью ферментов.
А есть такие микроорганизмы способны не только к денитрфикации, но и к азотфиксации. Эукариоты при денитрифкации не получают энергию, но они проводят этот процесс с целью очистить организм (как свой, так и окружающий “большой” организм, если речь идёт о клетках печени) от нитритов.
Ассимиляция
Указанная ранее денитрификация является диссимиляционным процессом восстановления нитрата, но она может осуществляться ассимиляционным путём. Иначе говоря, ассимиляция тоже является денитрификацией, но иного толка. Ассимиляция связана с жизнедеятельностью растений, части грибов и прокариотов, способных существовать в нитратных средах. Этот процесс всегда требует энергии.
Аммоний и нитраты из почвы, которые поглощают микробные и бактериальные клетки, на время выпадают из процесса круговорота азота, будучи включёнными в особые полимеры клеток, и за это время неорганические азотистые вещества становятся органическими, когда они включаются в состав молекул клеток растений. Под влиянием фермента нитратредуктазы нитрат становится нитритом, а под действием другого фермента, нитритредуктазы, нитрит становится аммиаком, который является составляющей аминокислот, и после этого азот может вернуться в атмосферу.
Азот в атмосфере
Без азота, по сути, не была бы возможна жизнь на Земле в принципе. Поэтому столь высоко содержание азота в атмосфере (78 процентов), при этом лишь сотая процента азота может содержаться в литосфере. Азот как часть аммиака (NH3) был одним из тех летучих веществ, что выбралась из недр во время активной вулканической деятельности на ещё только появившейся Земле миллиарды лет тому назад.
Потом, когда в атмосфере возник свободный кислород (в том числе за счёт появления первых организмов, способных к фотосинтезу), он начал вступать в реакцию с аммиаком, и продуктом этого становился свободный азот. В естественных условиях невозможна реакция между свободным азотом и свободным кислородом, поэтому и атмосфера с момента образования её основного состава не меняется; часть же аммиака растворилась в водах первого Мирового океана.
Азотные соединения генерируются во время гроз. При разряде молнии мощностью в 200 миллионов киловатт воздух мгновенно накаляется до двадцати тысяч градусов, это провоцирует распад молекул азота и кислорода, после чего эти молекулы вначале могут соединиться в окись азота, а после мгновенного охлаждения воздуха после разряда окисление продолжается и формируется двуокись азота.
Атмосферная влага и осадки провоцируют превращение двуокиси азота в слабую азотную кислоту, которая затем попадает в почву и тем самым минерализует её. Фиксация азота в атмосфере может произойти и по фотохимическому сценарию: молекула азота (N2) может поглотить квант света, после чего становится активированной и ей становится намного легче соединиться с кислородом.
Азот в почве
Фиксация атмосферного азота в ходе деятельности свободноживущих и симбиотических организмов позволяет насыщать азотом почву (это в естественных условиях, но есть ещё и минеральные и органические азотные удобрения как продукт антропогенной деятельности).
Практически весь почвенный азот представлен в гумусе, и больше всего гумуса в чернозёмных почвах (толщина гумусового горизонта может составлять полтора-два метра, уровень запасов составляет от 600 до 900 тонн на гектар). Куда меньший уровень гумуса (от 120 до 140 тонн на гектар) имеют дерново-подзолистые почвы, у которых азот скапливается в верхнем горизонте (до 25 сантиметров).
В естественных условиях около четырёх-пяти процентов всего азота содержится в гумусе, но в ходе продолжительного использования почв без органических удобрений количество азота в гумусе подрастает до шести-семи процентов. Лишь два процента азота в пахотном почвенном слое являются минеральными соединениями, остальной объём ‒ органический.
Уровень нитратов серьёзно вариьируется из-за процессов, связанных с круговоротом азота (ранее упомянутые аммонификация, нитрификация, денитрификация), а ещё с уровнем азотной ассимиляции, с тем, как применяют удобрение, и ещё на это влияет водный режим.
От 75 до 95 процентов азота в составе слабощелочных и нейтральных почв присутствует в форме нитратов. Уровень хозяйственного использования почвы влияет на уровень нитратов в пахотном слое (от 30 до 150 килограммов на гектар). Минеральный азот накапливается перед посевом, в начале развития культурных растений и после уборки урожая, однако эти вещества подвергаются ассимиляции растущими растениями, и это снижает уровень минерального азота до уровня в пять-восемь килограммов на гектар.
Азот в живых организмах
Азот не только влияет на жизнь на Земле, но и влияет на жизнедеятельность всех живых организмов в отдельности. от 16 до 18 процентов массы белков занимает азот, он есть в нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК), в нуклеопротеидах, в аминокислотах, хлорофилле, гемоглобине.
Азот помогает в формировании пептидных связей, в формировании всех видов белков, является критически необходимым при создании аминокислот, “строительного материала” белков и нуклеиновых кислот. Аминокислоты также лежат в основе биосинтеза таких веществ, как пигменты, витамины, медиаторы, гормоны, пиримидиновые и пуриновые основания. Около 44-х процентов массы тела составляют белки, формируемые в том числе азотом.
Оксид азота (NO) может использоваться в медицине в качестве иммунотропного медиатора; в человеческом организме оксид азота формируется и накапливается в эндотелии. Оксида азота контролирует тонус гладкой мускулатуры сосудистой системы, контролирует нормальное артериальное давление, для желудочно-кишечного тракта и мочеполовой системы является нейромедиатором, а также помогает уничтожать внутриклеточных паразитов.
В то же время, если организм столкнулся с сепсисом, происходит выброс оксида азота, а это ускоряет наступление септического шока. Также оксида азота участвует в развитии заболеваний, то есть, служит нейромедиатором при бронхиальной астме, хроническом гломерулонефрите, рассеянном склерозе, туберкулёзе, СПИДе, болезни Крона и онкологических заболеваниях.
Значение круговорота азота в природе
Таким образом, круговорот азота является ни много ни мало важнейшим для жизнедеятельности всех живых организмов на Земле, для функционирования всей биосферы циклом. Азот постоянно присутствует в атмосфере, даже если какая-то его часть фиксируется микроорганизмами почвы, он потом неизбежно возвращается в атмосферу. Азот способствует минерализации почв, делает их плодородными, пригодными для роста растений, для выращивания сельскохозяйственных культур.
Тем более, что азот попадает в почву даже посредством грозового дождя. Азот играет ключевую роль в синтезе аминокислот и белков во всех органических веществах, во всех живых организмах. Азот же занимает важную роль в процессе разложения умерших организмов, ведь при распаде органики азот расщепляется на аммиак, нитриты и нитраты, и какая-то часть этих веществ может быть поглощена растениями.
И сам факт того, что в процессе расщепления азота в почве принимают участие многие микроорганизмы, доказывает то, что почва сама по себе является весьма сложной экосистемой. И даже усиливающееся с каждым годом антропогенное влияние не способно полностью разрушить сложившийся status quo.
Влияние человека на круговорот азота в природе
В последние столетия влияние человеческой деятельности на естественную циркуляцию азота в природе стало весьма ощутимым. Промышленная деятельность, загрязняющая воздух кислотными веществами, в числе которых есть и оксиды азота, приводит к кислотным дождям ‒ осадкам и снегу с пониженным pH (водородным показателем). Оксид азота создаётся в результате высоких температур, при которых осуществляется химическая реакция с соединением азота и кислорода (который составляет лишь 20 процентов воздуха).
На промышленных предприятиях, в том числе на тех, где сжигается органическое топливо, такие высокие температуры, подходящие для создания оксида азота, возникают в двигателях внутреннего сгорания и котлах. В естественных условиях оксид азота образуется во время грозы, при разрядах молний. Из-за антропогенной деятельности количество выделяемого оксида азота (II) увеличилось сверх естественной нормы, а оксид азот (II) может достаточно легко перейти в оксид азота (IV), после чего так же легко вступает в контакт с атмосферной влагой, и результатом становится формирование азотной и азотистой кислот, и эти кислоты во время осадков оказываются в почве, делая её менее благоприятной для жизнедеятельности, к примеру, растений.
Негативным последствием человеческой деятельности являются выбросы в атмосферу оксидов азота вследствие активного промышленного производства аммиака, азотной и серной кислот. Именно оксиды азота являются одним из наиболее распространённых загрязняющих веществ. Также активно изготавливают нитриты, нитратную селитру, органические удобрения, предназначенные для полевых, огородных и садовых работ, и чрезмерное насыщение почв этими веществами пагубно влияет на минеральный состав почвы, делая её менее плодородной.
Ещё одним примером отрицательного воздействия на азотистый почвенный обмен являются сточные воды, неконтролируемый выгул собак, свалки бытовых отходов, изношенная канализация ‒ иными словами, биологическое загрязнение почвы.
Результатом такого становится то, что в почве оказывается слишком много аммиака и солей аммония, меркаптанов и индола, других продуктов гниения органических веществ. Излишки аммиака под действием бактерий переходят в излишки нитратов, которые накапливаются в почве, отражаясь на её плодородности.