Кругообіг азоту

Схематичне уявлення проходження азоту через біосферу. Ключовим елементом циклу є різні види бактерій (Англ.)

Кругообіг азоту - біогеохімічний цикл азоту. Більша його частина обумовлена ​​дією живих істот. Дуже велику роль в круговороті грають грунтові мікроорганізми, що забезпечують азотистий обмін грунту - кругообіг в грунті азоту, який присутній там у вигляді простого речовини (газу - N 2) та іонів: нітритів (NO 2 -), нітратів (NO 3 -) і амонію (NH 4 +). Концентрації цих іонів відображають стан грунтових співтовариств, оскільки на ці показники впливає стан біоти (рослин, мікрофлори), стан атмосфери, вимивання з грунту різних речовин. Вони здатні знижувати концентрації азотвмісних речовин, згубні для інших живих організмів. Вони можуть переводити токсичний для живих істот аміак у менш токсичні нітрати і в біологічно інертний атмосферний азот. Таким чином, мікрофлора грунту сприяє підтриманню стабільності її хімічних показників.


1. Роль грунтових мікроорганізмів у кругообігу азоту

1.1. Азотфіксация

Запаси азоту в природі дуже великі. Загальний вміст цього елемента в організмах складає більше 25 млрд. тонн, велика кількість азоту знаходиться також в грунті. У повітрі азот присутній у вигляді газу N 2. Однак газ азот (N 2), вміст якого в атмосфері сягає 78% за об'ємом, еукаріоти самі по собі асимілювати не можуть. А унікальною здатністю перетворювати N 2 в азотовмісні сполуки мають деякі бактерії, які називають азотфіксуючими, або азотфиксаторами. Фіксація азоту можлива багатьма бактеріями і ціанобактеріями. Вони живуть або в грунті, або в симбіозі з рослинами, або з декількома різновидами тварин. Наприклад, сім'я бобових рослин (Fabaceae) містить такі бактерії на своїх коріннях. Типовим представником вільноживучих азотфіксуючих мікроорганізмів є Azotobacter - грамнегативна бактерія, що зв'язує азот повітря. Продукти фіксації азоту - аміак (NH 3), нітрити.


1.2. Нітрифікація

Азот у формі аміаку та сполук амонію, получающийся в процесах біогенної азотфіксації, швидко окислюється до нітратів і нітритів. Цей процес носить назву нітрифікації, він здійснюється нитрифицирующих бактерій. Однак немає такої бактерії, яка б прямо перетворювала аміак в нітрат. У його окисленні завжди беруть участь дві групи бактерій: одні окислюють аміак, утворюючи нітрит, а інші окислюють нітрит в нітрат. Найбільш відомі види нитрифицирующих бактерій-це Nitrosomonas і Nitrobacter. Nitrosomonas окисляє аміак:

NH 3 + 1 O 2 = (NO 2 -) + 2H + + H 2 O

Nitrobacter окислюють нітрит:

(NO 2 -) + O 2 = NO 3 -

Бактерії, що окислюють аміак, поставляють субстрат для бактерій, що окислюють нітрит. Оскільки високі концентрації аміаку надають на Nitrobacter токсичну дію, Nitrosomonas, використовуючи аміак і утворюючи кислоту, тим самим покращує і умови існування для Nitrobacter.

Нітріфікатори-грамнегативні бактерії, що належать до сімейства Nitrobacteracea. Їм не потрібні відновлені з'єднання вуглецю для нормального росту і розмноження, вони здатні відновлювати CO 2 до органічних сполук, використовуючи для цього енергію окислення мінеральних сполук азоту-аміаку і нітритів. Тобто нітріфікатори-бактерії, які здатні харчуватися виключно неорганічними сполуками і здійснюють процес хемосинтезу, синтезу органічних сполук з мінеральних. Хемосинтез-шлях засвоєння живими істотами неорганічного вуглецю, альтернативний фотосинтезу. Рослини використовують нітрати для освіти різних органічних речовин. Тварини споживають з їжею рослинні білки, амінокислоти та ін азотовмісні речовини. Таким чином, рослини роблять органічний азот доступним для інших організмів-консументів.

Всі живі організми поставляють азот в навколишнє середовище. З одного боку, всі вони виділяють в ході життєдіяльності продукти азотистого обміну: аміак, сечовину і сечову кислоту. Останні два сполуки розкладаються в грунті з утворенням аміаку (який при розчиненні у воді дає іони амонію).


1.3. Аммонификация

Сечова кислота, виділювана птахами і рептиліями, також швидко минерализуется особливими групами мікроорганізмів з утворенням NH 3 і СО 2. З іншого боку, азот, включений до складу живих істот, після їх загибелі піддається аммонификации (розкладання містять азот складних сполук з виділенням аміаку і іонів амонію (NH 4 +)) і нітрифікації.

1.4. Денітрифікація

Продукти нітрифікації - NO 3 - і (NO 2 -) в подальшому піддаються денітрифікації. Цей процес цілком відбуваються завдяки діяльності денитрифицирующих бактерій, які мають здатність відновлювати нітрат через нітрит до газоподібної закису азоту (N 2 O) і азоту (N 2). Ці гази вільно переходять в атмосферу.

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

За відсутності кисню нітрат служить кінцевим акцептором водню. Здатність отримувати енергію шляхом використання нітрату як кінцевого акцептора водню з утворенням молекули азоту широко поширена у бактерій. Тимчасові втрати азоту на обмежених ділянках грунту, безсумнівно, пов'язані з діяльністю денитрифицирующих бактерій. Таким чином, кругообіг азоту неможливий без участі грунтової мікрофлори.


1.5. Асиміляція

Засвоювані сполуки азоту можуть накопичуватися в грунті в неорганічній формі (нітрат) або можуть бути включені в живий організм як органічний азот. Асиміляція і мінералізація визначає поглинання сполук азоту з грунту, об'єднання їх в біомолекули рослин і конверсію в неорганічний азот після відмирання рослин, відповідно. Асиміляція - перехід неорганічного азоту (типу нітрату) в органічну форму азоту як, наприклад, амінокислоти. Нітрат переходить за допомогою ферментів спочатку в нітрит (редуктаза нітрату), потім в аміак (редуктаза нітриту). Аміак входить до складу амінокислот.


2. Фактори, що впливають на кругообіг азоту в антропогенних біоценозах

У відсутність діяльності людини процеси зв'язування азоту і нітрифікації практично повністю врівноважені протилежними реакціями денітрифікації. Частина азоту надходить в атмосферу з мантії з виверженнями вулканів, частина міцно фіксується в грунтах і глинистих мінералах, крім того, постійно йде витік азоту з верхніх шарів атмосфери у міжпланетний простір. Але в даний час на кругообіг азоту впливають багато факторів, викликаних людиною. По-перше, це кислотні дощі - явище, при якому спостерігається пониження pH дощових опадів і снігу через забруднень повітря кислотними оксидами (наприклад, оксидами азоту). Хімізм цього явища полягає в наступному. Для спалювання органічного палива в двигуни внутрішнього згоряння і котли подається повітря або суміш палива з повітрям. Майже на 4/5 повітря складається з газу азоту і на 1/5 - з кисню. При високих температурах, створюваних всередині установок, неминуче відбувається реакція азоту з киснем і утворюється оксид азоту:

N 2 + O 2 = 2NO - Q

Ця реакція ендотермічна і в природних умовах відбувається при грозових розрядах, а також супроводжує іншим подібним магнітним явищах в атмосфері. У наші дні людина в результаті своєї діяльності сильно збільшує накопичення оксиду азоту (II) на планеті. Оксид азоту (II) легко окислюється до оксиду азоту (IV) вже при нормальних умовах:

2NO + O 2 = 2NO 2

Далі оксид азоту реагує з атмосферною водою з утворенням кислот:

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

утворюються азотна і азотиста кислоти. У крапельках атмосферної води ці кислоти дисоціюють з утворенням, відповідно нітрат - і нітрит-іонів, а іони потрапляють з кислотними дощами в грунт. Друга група антропогенних факторів, що впливають на азотистий обмін грунтів, - це технологічні викиди. Оксиди азоту - одні з найпоширеніших забруднювачів повітря. А неухильне зростання виробництва аміаку, сірчаної та азотної кислоти безпосередньо пов'язаний із збільшенням об'єму газів, що відходять, а отже, зі збільшенням кількості викидаються в атмосферу оксидів азоту. Третя група чинників - переудобреніе грунтів нітритами, нітратами ( селітрою) і органічними добривами. І нарешті, на азотистий обмін грунтів негативно впливає підвищений рівень біологічного забруднення. Можливі його причини: скид стічних вод, недотримання санітарних норм (вигул собак, неконтрольовані звалища органічних відходів, погане функціонування каналізаційних систем та ін.) Як наслідок грунт забруднюється аміаком, солями амонію, сечовиною, індол, меркаптанами та іншими продуктами розкладання органіки. У грунті утворюється додаткова кількість аміаку, який потім переробляється бактеріями в нітрати.


3. Актуальність вивчення кругообігу азоту в антропогенних біоценозах

Між літосферою, гідросферою, атмосферою та живими організмами Землі постійно відбувається обмін хімічними елементами. Цей процес має циклічний характер: перемістившись з однієї сфери в іншу, елементи знову повертаються в первісний стан.

Антропогенні біоценози - це особливі природні співтовариства, що сформувалися під безпосереднім впливом людини, яка сама може створювати нові ландшафти і серйозним чином змінювати екологічну рівновагу. Крім того, діяльність людини робить величезний вплив на кругообіг елементів. Особливо помітним воно стало в останнє сторіччя, тому що відбулися серйозні зміни в природних круговоротах за рахунок додавання або видалення присутніх в них хімічних речовин в результаті викликаних людиною впливів. Азот є елементом, необхідним для існування тварин і рослин, він входить до складу білків, амінокислот, нуклеїнових кислот, хлорофілу, гемов та ін У зв'язку з цим значна кількість пов'язаного азоту міститься в живих організмах, "мертвою органіці" і дисперсному речовині морів і океанів.

Дуже важливо вивчати і контролювати кругообіг азоту, особливо в антропогенних біоценозах, тому що невеликий збій в якій-небудь частині циклу може привести до серйозних наслідків: сильним хімічних забруднень грунтів, заростання водойм та забруднення їх продуктами розкладання відмерлої органіки (аміак, аміни та ін), високому вмісту розчинних сполук азоту в питній воді.

Для вивчення особливостей кругообігу азоту можна використовувати комплексну методику з вивчення вмісту іонів нітритів (NO 2 -), нітратів (NO 3 -) і амонію (NH 4 +) в грунті і її мікробіологічних показниках.


Література

  • Біологічний енциклопедичний словник / глав. ред. М. С. Гіляров. - М.: Радянська енциклопедія, 1986. - 831 с.
  • Одум Ю. Екологія: У 2-х т. / пер. з англ. - М.:. Світ, 1986. - Т. 1. - С. 205-209.
  • Хоулт Дж. Короткий визначник бактерій Берги. М.: Мир, 1980, 496 с.
  • Шилов И. А. Екологія. - М.: Вища школа, 1997. - С. 50-51.
  • Шлегель Р. Загальна мікробіологія. М.: Мир, 1987, 567 с.