Биохимический цикл азота (стр. 1 из 2)
Газообразный азот (N2) в атмосфере крайне инертен, иными словами, необходимо очень большое количество энергии, чтобы связи в молекуле азота (N2) разорвались и образовались другие соединения, например оксиды. Однако азот является важнейшим компонентом биологических молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и т. д. Переводить атмосферный азот в доступную для организмов форму (нитриты и нитраты) способны лишь некоторые бактерии. Этот процесс называется азотфиксацией и представляет собой основной путь поступления азота в биотический компонент экосистемы.
Азотфиксация
Азотфиксация — энергоемкий процесс, поскольку требует разрушения очень прочной связи между двумя атомами азота в его молекуле. Бактерии используют для этого фермент нитрогеназу и энергию, заключенную в АТФ. Неферментативная азотфиксация требует гораздо больше энергии, получаемой в промышленности за счет сгорания ископаемого топлива, а в атмосфере в результате действия ионизирующих факторов, например молний и космического излучения.
Азот так важен для плодородия почвы, и потребность в нем сельского хозяйства так велика, что ежегодно на химических заводах производятся колоссальные количества аммиака, который применяется в составе азотных удобрений, таких как нитрат аммония (NH4NO3) или мочевина [CO(NH2)2].
Сейчас масштабы промышленной азотфиксации сравнимы с природными, но мы до сих пор плохо представляем возможные последствия постепенного накопления в биосфере доступных организмам соединений азота. Компенсационных механизмов, возвращающих связываемый нами азот в атмосферный пул, не существует.
Круговорот азота. Азот составляет 79% объема атмосферы — главного резервуара этого элемента.
Относительно небольшое количество фиксированного азота (5-10%) дает ионизация в атмосфере. Образующиеся оксиды азота, взаимодействуя с дождевой водой, дают соответствующие кислоты, которые, попав в почву, в конечном итоге превращаются в нитраты.
Вероятно, главный природный источник фиксированного азота — представители семейства бобовых, например клевер, соя, люцерна, горох. На корнях бобовых имеются характерные утолщения, называемые клубеньками, в которых внутриклеточно живут азотфиксирующие бактерии рода Rhizobium. Этот симбиоз мутуалистичен, поскольку растение получает от бактерий фиксированный азот в форме аммиака, а взамен снабжает их энергией и некоторыми органическими веществами, например углеводами. В пересчете на единицу площади клубеньковые бактерии могут дать в 100 раз больше фиксированного азота, чем свободноживущие. Неудивительно, что бобовые растения часто высевают для обогащения почвы этим элементом, получая заодно и урожай высококачественных кормовых трав.
Все азотфиксаторы связывают азот в форме аммиака, но он сразу же используется для синтеза органических соединений, в первую очередь белков.
Разложение и денитрификация
Большинство растений в качестве источника азота используют нитратионы. Животные в свою очередь прямо или косвенно получают усвояемый азот из растений. На рис. 10.11 показано, как образуются нитраты после разложения белка мертвых тканей сапротрофными бактериями и грибами. Этот процесс включает окислительные реакции с участием кислорода и аэробных бактерий. Белки сначала расщепляются до аминокислот, а затем аминокислоты дают аммиак. Этот же продукт образуется при разложении экскретов и фекалий животных. Хемосинтезирующие бактерии Nitrosomonas и Nitrobacter осуществляют так называемую нитрификацию — поэтапно окисляют аммиак до нитратов.
Денитрификация
В некотором смысле процессом, обратным нитрификации, является денитрификация, также осуществляемая бактериями, которые в результате понижают плодородие почвы. Денитрификация происходит в анаэробных условиях, когда нитраты используются при дыхании вместо кислорода в качестве окислителя органических соединений (акцептора электронов). Сами нитраты при этом восстанавливаются, обычно до азота. Следовательно, денитрифицирующие бактерии относятся к факультативным аэробам.
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 °C 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 1,4×108 т/год) фиксируется биотическим 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, цианобактерииAnabaena, 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 (NH4+). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г 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.
Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах 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—8×107 т/год).
Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот 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.
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.
ХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
Азот вслед за водородом, гелием и кислородом является четвертым по распространенности элементом Солнечной системы. Азот обнаружен в спектрах звезд, в том числе в фотосфере Солнца, в метеоритах, кометах, солнечном ветре и в межзвездных облаках газа. Молекулярный азот наблюдается в атмосферах Венеры и Марса, а аммиак характерен для Юпитера и Сатурна. Во всех космических объектах азот встречается только в восстановленном состоянии.
В земной коре по распространенности азот занимает 20-е место. Подавляющая его часть сосредоточена в следующих основных резервуарах: атмосфере (3,86-Ю15 т), литосфере (1,7• 1015 т), гидросфере (2,2 -1013 т) и биосфере (~ 10'" т). В атмосфере свободный азот в виде молекулярного Na составляет 78,09% по объему (или 75,6% по массе), не считая незначительных примесей его в виде аммиака и окислов.
В литосфере среднее содержание азота составляет 6-10~3 вес.%. Основная масса азота в силикатах находится в химически связанном состоянии в виде NHJ, изоморфно замещающего ион калия в силикатной решетке. Кроме того, в природе встречаются и азотные минералы: нашатырь (NH4C1), выделяющийся из вулканов в довольно больших количествах, баддингтовят (NH4AlSi308-•0,5 Н2О) — единственный найденный аммониевый алюмосиликат с пеолитной водой. В самых приповерхностных областях литосферы обнаружен ряд минералов, состоящих в основном из нитратных солей. Среди них широкоизвестная селитра (NaN03), крупные скопления которой характерны для сухого пустынного климата (Чили, Средняя Азия). Долгое время селитра была главным источником связанного азота. (Сейчас основное значение имеет промышленный синтез аммиака из азота воздуха и водорода.) В природе обнаружены и нитриды: сильвестрин (Fe6N2) в лавах Везувия и осборнит (TiN), синоит (Si2N20), карлсбергит (CrN) в метеоритах.
По сравнению с силикатными минералами ископаемое органическое вещество существенно обогащено азотом. Нефть содержит от 0,01 до 2% азота, а каменный уголь — от 0,2 до 3%. Как правило, повышенное содержание азота имеют алмазы (до 0,2%).
В гидросфере среднее содержание азота составляет 1,6-• Ю-3 вес.%. Основную часть этого азота составляет молекулярный азот, растворенный в воде; химически связанный азот, которого примерно в 25 раз меньше, представлен нитратной и органической формами. В меньших количествах в воде содержится аммиачный и нитритный азот. Концентрация связанного азота в океане примерно в 10* раз меньше, чем в почвах, пригодных для сельскохозяйственного производства. Это ставит под сомнение оптимистические высказывания по поводу безграничных резервов Мирового океана.
Хотя название азота означает «не поддерживающий жизни», на самом деле это необходимый для жизнедеятельности элемент. В растительных организмах его содержится в среднем 3%, в живых организмах до 10% от сухого веса. Азот накапливается в почвах (в среднем 0,2 вес.%). В белке животных и человека среднее содержание азота составляет 16%. Человек и животные не могут синтезировать 8 незаменимых аминокислот (валин, изолейцин, лейцин, фенилаланин, триптофан, метионин, треонин, лизин), и поэтому для них основным источником этих аминокислот являются белки растений и микроорганизмов.