Круговорот азота. Проблема нитратов

Круговорот  азота. Проблема нитратов.

     Азот - необходимый компонент аминокислот - веществ состава 

R- С -СООН

I

NH₂ 

(исключение - пролин), а также нуклеиновых кислот. При распаде аминокислот в нашем организме образуется мочевина 

NH₂

/

о = с

\

NH₂ 

     Водные  животные выделяют азот в виде аммиака, насекомые, птицы, рептилии (не все) - мочевой  кислоты, пауки - гуанина. Бактерии разлагают их до аммиака, который в присутствии кислорода другие водные и почвенные бактерии быстро окисляют до нитритов NO₂^- и затем до нитратов NО₃^-. Нитраты захватываются растениями и восстанавливаются до аминогрупп аминокислот (аммоний растения тоже могут усваивать). Много азота может быть связано с гумусом, который медленно минерализуется или выщелачивается с образованием нитратов. Часть нитратов смывается с континентов в моря; в анаэробных условиях (в частности, в океанских грунтах) некоторые бактерии из группы Псевдомонас восстанавливают нитраты до молекулярного азота и часть его возвращается в атмосферу.

     Пока  цикл азота кажется идентичным циклу  серы. Однако у них есть два важных различия. Во-первых, литосфера содержит много серы и при выветривании горных пород она становится доступной для организмов, но азота в материнской породе почти нет. Во-вторых, "атмосферная" сера усваивается биотой, а молекулярный азот необходимо перевести в аммиак или нитрат, чтобы он стал доступен высшим растениям. Чтобы разорвать тройную связь в молекуле N₂, нужно затратить много энергии. Азот превращается в аммиак под действием грозовых разрядов, и в результате усилий микроорганизмов - азот-фиксирующих бактерий и сине-зеленых водорослей. Соотношение этих процессов оценивается по разному: пока господствует точка зрения, по которой биологическая фиксация азота дает в 5 раз больше аммиака, чем молнии, однако сейчас появились аргументы в пользу того, что эти потоки приблизительно равны.

     На  примере водных сообществ в главе 2.1 можно было убедиться, что продуктивность экосистем можно резко повысить, если расширить продуцентам доступ к источникам азота. Это справедливо и для многих агроценозов суши. Казалось бы - добавим азота в почву, и пусть крутится в биологических циклах. Но "из почвы с урожаем происходит постоянный вынос азота, превышающий 100 млн. т/год. Производство минеральных азотных удобрений, исчисляемое 60-70 млн. т/год (по азоту), требует больших энергозатрат, которые составляют в ряде развитых стран 40% и более от общего объема энергопотребления в сельском хозяйстве. В то же время коэффициент их использования растениями не превышает 50%. Следовательно, при широком применении минеральных азотных удобрений очень много азота не включается в урожай и избытки его вызывают загрязнение отдельных экосистем и биосферы в целом, что приводит к негативным последствиям. Таким образом, проблема азота превратилась в глобальную социальную проблему" (Бабьева, Зенова, 1989). Между тем, так называемый "биологический азот" - азот, связанный живыми организмами используется экосистемой гораздо эффективнее. Поэтому стоит приглядеться внимательнее к его естественному циклу.

Аммонификация. Мертвая органика гниет и при этом азотсодержащие органические вещества разлагаются с выделением аммиака. С выделением аммиака разлагается мочевина и другие продукты азотного обмена животных. "Процесс минерализации азотсодержащих органических соединений с выделением аммиака носит название а м м о н и ф и к а ц и и. На каждые 100 г разложенного органического вещества (т. е. 50 г углерода) бактерии используют на синтез белка биомассы 2 г азота (C:N=25). При содержании азота в органическом веществе разлагающейся растительной массы менее 2% азот будет полностью иммобилизован в клетках организмов, а при более высоком его содержании будет выделяться аммиак. Это проявляется при использовании разных удобрений.

     Биологическая фиксация азота. "Нисколько не принижая роли фотосинтеза, можно сказать, что фиксация углерода - лишь один из трех (по меньшей мере) главных процессов в мировом синтезе белка. Две другие реакции, восстановление азота и серы, проводятся микробами в анаэробных условиях. Таким образом, ареной этих реакций служат анаэробные илы и почвы" (Диви мл., 1972).

     Фиксацией атмосферного азота способны заниматься только прокариоты - существа, как принято  считать, имеющие единственную молекулу ДНК. Но бывают у них еще маленькие  кусочки ДНК, которые бактерии могут передавать друг другу, невзирая на видовую принадлежность. Это - плазмиды, и в одной из них - nif-плазмиде - находится ген нитрогепазы, белка, переводящего атмосферный азот в аммиак. Поэтому обладателей этого гена очень много - сине-зеленые водоросли и бактерии самых разных групп, плюс архебактерии, у которых белок-фиксатор азота какой-то особый, и даже кишечная палочка человека. Однако в любом случае нитрогеназу нужно беречь от кислорода воздуха - в аэробных условиях она работать не будет.

     Нитрификация. Если окислить грамм-молекулу аммиака до нитрита NO2, то выделится 66 ккал энергии - чуть больше, чем запасено в 6 грамм-молекулах АТФ. Если нитрит окислить до нитрата NO₃^-, то выделится еще 17,5 ккал/г-моль. Растения способны поглощать аммиак, но в присутствии кислорода бактерии-нитрификаторы быстро окислят его излишки. Любителей поживиться за счет аммиака много - есть бактерии, которые только этим и живут, есть и такие, которые аммиак окисляют, но энергию реакции не используют. Для человека нитрификация - перевод аммиака в нитраты - часто является нежелательным процессом. Нитраты более подвижны в почве, чем аммоний (тот, как положительно заряженный ион, может сравнительно прочно прикрепляться к коллоидным частичкам почвы), поэтому пашня при нитрификации может быстро потерять азот, а соседний пруд - эвтрофицироваться. Сейчас даже разработаны специальные вещества, подавляющие процесс нитрификации. Благодаря им внесение аммиачных удобрений оказывается более эффективным.

     Денитрификация. Денитрификация - это окисление или восстановление с таким трудом связанного азота до N₂. В анаэробных условиях нитраты могут очень эффективно окислять органику.. Если глюкоза при взаимодействии с кислородом по схеме

     С₆Н₁₂О_б + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О дает 686 ккал/моль, то реакция

     С₆Н₁₂О₆ + 24XNO₃ = 30 СО₂ + 18 Н₂О + 24 ХОН + 12 N₂ - 570 ккал на r-моль глюкозы. Реакции такого типа называются "нитратным дыханием". При окислении органики азот не обязательно восстанавливается до молекулярного. Нитраты могут восстанавливаться микробами до NO₂^-,- NO,- N₂0, каждый промежуточный продукт может дальше участвовать в реакциях окисления-восстановления, но газообразные NO, N₂0 способны выходить в атмосферу (см. фиг. 45). Это - опасные парниковые газы да к тому же еще и разрушители озона. По такому пути уходит из почвы часть азота нитратных удобрений.