«Круговорот азота в природе»

Из всех видов вмешательства человека в естественный круговорот веществ промышленная фиксация азота – самое крупное по масштабам. С 1950 года ежегодное количество азота, фиксируемого в процессе производства удобрений, возросло примерно в 5 раз, и сейчас за год промышленным способом фиксируется столько азота, сколько могли зафиксировать все экосистемы Земли до введения современной агротехники. В 1968 году мировая промышленность дала около 30 млн. т фиксированного азота; к 2000 году эта цифра, вероятно, превысит 1000 млн. т.

В прежние времена, когда не существовало массового производства искусственных удобрений, когда еще не выращивались на больших площадях азотфиксирующие бобовые культуры, количество азота, удаляемого из атмосферы в процессе естественной фиксации, видимо, вполне уравновешивалось его возвратом в атмосферу в результате деятельности организмов, превращающих органические нитраты в газообразный азот. Сейчас мы не уверены в том, что процессы денитрификации поспевают за процессами фиксации. Неизвестно, какие последствия повлечет за собой длительный перевес фиксации над денитрификации. Мы знаем, что 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.

Чтобы получит представление о сложно разветвленных путях, по которым движется азот в биосфере, давайте проследим путь атомов азота из атмосфера 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.

Удивительно, что 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 окисляться 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 же условиях окисленные соединения азота могут служить окислителями органических соединений, опять-таки с выходом полезной энергии.

Специфическая роль азота в биологических процессах обусловлена необычно большим числом степеней окисления, т.е. валентностей. Валентность – это свойство атома данного элемента присоединять или замещать определенное 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, т. е. Имеет валентность –3. В другой сильно окисленной форме (нитрат-ион) пять внешних электронов атома азота участвуют в образовании связей с атомом кислорода, приобретая при этом валентность +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, т. е. Атом теряет 8 электронов. И, наоборот, при переходе нитратного азота в азот аминогруппы атом приобретает 8 электронов.

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», т. е. разбить молекулу азота на два атома. На это уйдет по меньшей мере 160 ккал/моль. Сама же фиксация, т. е. соединение двух атомов азота с тремя молекулами водорода с образованием двух молекул аммиака, дает 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.

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 животными, 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 дает 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, запасенную в органических веществах. Фотоавтоторфы используют энергию света, а хемоавтотрофы, подобные Nitrosomonas, получают энергию получая ее из неорганических соединений.

Другая специализированная группа микроорганизмов, представителем которой является Nitrobacter , способна извлекать из нитритов энергию, которой пренебрег Nitrosomonas. При окислении нитритного иона в нитратный высвобождается 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.

Самые активные потребители азота – бактерии на корневой системе растений семейства бобовых. Каждому виду этих растений присущи свои особые бактерии, которые превращают азот в нитраты. В процессе биологического цикла нитрат-ионы (NO3-) и ионы аммония (NH4+), поглощаемы растениями из почвенной влаги, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты и т.д. Далее образуются отходы в виде погибших организмов, являющихся объектами жизнедеятельности других бактерий и грибов, преобразующих их в аммиак. Так возникает новый цикл круговорота. Существуют организмы, способные превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот. Основные звенья круговорота азота в биосфере представлены схемой на рис. 1.

Биологическая активность организмов дополняется промышленными способами получения азотосодержащих органических и неорганических веществ, многие из которых применяются в качестве удобрений для повышения продуктивности и роста растений.