Глобальный цикл азота

 

Содержание

1 Глобальный цикл азота  ………………………………………………………3

2 Роль биоты в поддержании глобальных циклов элементов ………………12

Выводы …………………………………………………………………………16

Список использованных источников …………………………………………17 
1 Глобальный цикл азота

Азот - важнейший элемент питания, необходимый для нормального развития растений. Он входит в состав белков (до 16-18% их массы), нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина, фосфатидов, алкалоидов. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новых клеток. В формировании почвенного покрова и плодородия экосистем, в повышении продуктивности земледелия и улучшении белкового питания человека азот столь же незаменим, как углерод. Азот накапливается преимущественно в живых организмах и почвах, но не в осадочных или изверженных породах. Это обусловлено неустойчивостью соединений азота вне живых организмов, их быстрым разложением, минерализацией и активной миграцией в биосфере. В почвах азот связан с живым органическим веществом или гумусом.

В биосфере азот присутствует в газообразной форме (N2, NН3, NO, NO2), в виде соединений азотной и азотистой кислот (нитраты и нитриты), солей аммония, а также входит в состав разнообразных органических соединений.

Главным источником азота в почве является гумус. Планетарные запасы азота в почвенном гумусе составляют 6 • 1010 т, однако он находится в недоступной растениям форме и непосредственно для их питания не используется. Азот гумуса переходит в растворимые и доступные формы лишь постепенно, в результате ряда сложных и длительных микробиологических превращений.

Устойчивые соединения азота, присутствующие в почвах, представлены формами со степенями окисления -3 и +5. Вне живых организмов азот в биосфере представлен молекулами N2, неорганическими соединениями (преимущественно NH4, NO3-, NO2-) и органическими формами. В биоценозах на долю минеральных соединений азота приходится не более 1-10%.

Перечисленные соединения азота входят как в состав неспецифических органических соединений почвы, так и в состав гумусовых кислот.

Трансформация соединений азота в почвах включает следующие процессы:

1) фиксация атмосферного  азота свободноживущими и клубеньковыми бактериями;

2) превращение азотсодержащих  соединений органических остатков в гумусовые кислоты;

3) аммонификация органических  азотсодержащих соединений;

4) нитрификация;

5) денитрификация и потеря  азота в атмосферу;

6) фиксация иона NH4+ глинистыми минералами;

7) вымывание различных  соединений азота с внутрипочвенным  и поверхностным стоком.

Азот поступает в почву с атмосферными осадками в виде NН3. Другим естественным источником азота является его фиксация свободноживущими микроорганизмами и клубеньковыми бактериями, а также появление соединений азота при разложении растительных и животных остатков. Существенным источником азота являются техногенные поступления в виде удобрений и отходов.

Рассмотрим важнейшие процессы, составляющие баланс азота в биоценозе. Биотический круговорот азота включает ряд очень сложных процессов, основную роль в которых играют микроорганизмы. Например, распад наиболее сложных высокомолекулярных азотосодержащих органических веществ - белков идет в несколько стадий.

На первой стадии происходит расщепление белков до аминокислот микроорганизмами, вырабатывающими ферменты протеазы:

БЕЛКИ → ПЕПТОНЫ → ПОЛИПЕПТИДЫ → АМИНОКИСЛОТЫ.

На второй стадии аминокислоты (RCHNH2COOH) разлагаются бактериями, актиномицетами, грибами как в аэробных, так и в анаэробных условиях:

RCHNH2COOH + О2 → RCOOH + NН3 + CO2     (1)

RCHNH2COOH + Н2О → RCOHCOOH + NН3.    (2)

Поскольку продуктом разложения аминокислот независимо от путей расщепления является аммиак NН3, то эта стадия называется аммонификацией.

Аммонификация — процесс разложения органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к образованию NН3 или NH4+.

В результате белкового обмена в животных организмах выделяется мочевина СО(NН2)2, которая тоже служит источником NН3

СО(NН2)2 + Н2О → 2 NН3 + СО2    (3)

При аммонификации могут образовываться также сероводород H2S, индол C2Н7N, скатол C9H9N, этилмеркаптан C2H5SH. Все эти вещества обладают неприятным резким запахом, поэтому распад белков часто называют гниением.

Ион NH4+ усваивается растениями, вовлекается в процессы гумификации, частично фиксируется, а также подвергается нитрификации, он может быть выщелочен или поглощен в почвенном комплексе или необменно фиксирован трехслойными глинистыми минералами с расширяющейся решеткой. Содержание фиксированного аммония в почвах меняется от 1-2 до 10-12 м-экв/100 г почвы. Аммонификация — первая стадия минерализации азотосодержащих органических соединений.

Следующей стадией является нитрификация - окисление аммиака (аммония) до нитритов и нитратов. Этот процесс протекает в два этапа:

1) окисление NН3 в HNO2 через гидроксиламин NH2OH и гипонитриты (соли азотноватистой кислоты НО — N = N — ОН):

NН3 +  HNO2→ NH2OH → HO—N=N—OH → HO—N=О

(при участии бактерий Nitrosomonas):

2 NН3 + ЗО2    →( 2HNО2 + 2Н2О +Q1 (суммарное уравнение);   (4)

2) окисление N3+ до N5+ (при участии бактерий (Nitrobacter):

2HNО2 + О2   →2HNО3 + Q2  (5)

Реакции нитрификации идут с выделением энергии, которую бактерии используют для своей жизнедеятельности, т. е. они являются хемоавтотрофами. Образовавшиеся при нитрификации нитриты и нитраты могут быть потенциальным источником кислорода в анаэробных условиях. Нитрификация протекает в почвах в окислительных условиях при величине окислительно-восстановительного потенциала Eh около 0,4-0, 5 В.

Нитрат-ион частично вымывается, поглощается растениями, подвергается денитрификации, замыкая биогеохимический цикл азота.

 Денитрификация - процесс восстановления нитрат-ионов до молекулярного азота, который осуществляется биологическим путем с помощью бактерий — денитрификаторов Pseudomonas, Micrococcus.

NO3 → NO2 → NO → N2O →N2.

Денитрификация протекает с потреблением энергии за счет жизнедеятельности бактерий.

Безазотистые органические вещества окисляются за счет нитратов и нитритов, которые при этом восстанавливаются до газообразного азота, вновь поступающего в атмосферу

5Сорг + 4КNО3 → 2N2 + 2К2СО3 + 3СО2    (6)

или

5[CH2O] +  4NO3 ¯ + 4H+ → 2N2 + 5CO2 + 7H2O (7)

 

где Сорг и [CH2O] означает органическое вещество. Реакция денитрификации, замыкающая цикл азота, показывает, как молекулярный азот возвращается в атмосферу.

Воздух по объему почти на 80 % состоит из молекулярного азота N2 и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента.

Поступление азота в атмосферу происходит: 1) в процессе денитрификации, т. е. биохимического восстановления оксидов азота до молекулярного газа N2; 2) с вулканическими газами и 3) с дымом, выхлопными газами. Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в процессе азотфиксации благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и многих водорослей (прежде всего синезеленых), 2) в результате естественных физических процессов фиксации азота в атмосфере (электрические разряды при грозе и др.) и 3) в процессе промышленного синтеза NH3.

Минеральные соединения азота (NH4+, NО2-, NО3-) потребляются растениями при фотосинтезе. Животные, поедая растения, используют азот для построения белков протоплазмы, превращая его в органические формы.

Азотфиксация (связывание молекулярного азота) - процесс, обратный денитрификации. Оба процесса требуют энергии, которую микроорганизмы получают либо в виде солнечного света, либо в виде органического вещества.

Долгое время считалось, что фиксировать N2 атмосферы могут немногие, но широко распространенные в природе микроорганизмы, а именно: бактерии Azotobacfer и Clostndwm, клубеньковые бактерии бобовых растений - Rhizobium, сине-зеленые водоросли Anabaena, Nostoc и др. Затем было обнаружено, что многие водные и почвенные бактерии также обладают этой способностью. Кроме того, оказалось, что примитивные грибы (актиномицеты) в клубеньках ольхи и других деревьев (около 160 видов) фиксируют N2 не менее эффективно. В отличие от бобовых, эти фиксаторы приспособлены к бедным песчаным или болотистым почвам, где доступного для растений азота мало. Поэтому ольха, например, может увеличивать продукцию деловой древесины, если ее сажать вместе с ценными породами деревьев. Биологическая фиксация азота идет в автотрофном и гетеротрофном ярусах экосистем, в аэробных и анаэробных зонах.

Но большинство наземных растений и высших водорослей, несмотря на огромное количество азота в атмосфере, способны усваивать его лишь в виде ионов, т. е. в виде NH4+, NО2-, NО3-.

2 N2 + 4 H+ + 3 [CH2O] + 3 H2O → 4NH4+ + 3 CO2

Итак, только примитивные микроорганизмы могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, усвояемые растениями. Они образуют взаимовыгодные ассоциации с высшими растениями, усиливающие фиксацию азота. Растения предоставляют бактериям «квартиры» (корневые клубеньки), защищают от избытка кислорода и поставляют необходимую энергию (органические вещества). За это растения получают азот в доступной для них форме. Для расщепления N2 бактериям необходимо много энергии на разрыв тройной связи (N=N). Бактерии в клубеньках бобовых расходуют на фиксацию 1 г атмосферного азота около 10 г глюкозы (примерно 167,5 кДж), синтезируемой растением на свету. При промышленной фиксации N2 (получение NH3) также расходуется много энергии горючих ископаемых, поэтому азотные удобрения стоят дороже любых других.

В атмосфере азот представлен разнообразными оксидами: N2O, NO, NO2, N2O3, N2O5, NO3∙

N2O3 → NO + NO2

N2O5 → N2O3 + O2

N2O5 + H2O → HNO3

2 NO2 ↔ N2O4

NO3∙ → NO + O2

N2O – наиболее устойчивый оксид в атмосфере и вступает в реакции только в стратосфере:

N2O → N2 + O (´D)

N2O → NO + N

N2O + O(´D) → 2NO

N2O + O(´D) → N2 + O2

NO образуется при горении топлива, азотфиксации. Высоко реакционноспособный газ:

NO + O3 → NO2 + O2

NO + ROO∙ → NO2 + RO∙

NO + HOO∙ → NO2 + HO∙

NO2 + O3 → NO3∙ + O2

NO2 → NO + O(3p)

Образование азотной кислоты в атмосфере происходит по следующему механизму:

NO2 + HO∙ → HNO3

N2O5 + H2O → 2 HNO3

В ночное время протекает реакция:

NO3∙ + NO2 → N2O5 → HNO3

NO3 + RCOH → HNO3 + RCO∙

Таким образом, центральное место в биотической циркуляции азота занимает NH3 (рис. 1).

Рис. 1- Схема превращений азота в биотическом круговороте

 

В водоемы соединения азота поступают: с поверхностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий; с подземными водами; с городскими и промышленными стоками; со сточными водами сельскохозяйственных производств.

В океан азот попадает в виде различных соединений с материковым стоком и атмосферными осадками. Ориентировочное содержание «связанного» азота (органический, нитратный и аммиачный) составляет для различного стока 0,6 мг/л, а в атмосферных осадках - 0,3 мг/л. Азот атмосферных осадков и азот материкового стока в сумме своей компенсируют процесс денитрификации (процесс перевода соединений азота в свободный азот) в океане, а количество азота, попадающего в донные осадки, мало. Процессом азотфиксации, поскольку он имеет ограниченное развитие, можно пренебречь. В таком случае денитрификация приводит к ежегодной потере около 0,3 г азота на 1 м2 поверхности Мирового океана (рис. 2).