Круговорот азота в окружающей среде

Круговорот азота. Особое место среди биогенных элемен­тов занимает азот - важный строительный материал для бел­ков, нуклеиновых кислот и других соединений. Азот распрос­транен в биосфере крайне неравномерно. В больших количес­твах он содержится в биогенных ископаемых (уголь, нефть, битум, торф). Вследствие высокой растворимости солей азот­ной кислоты и солей аммония содержащегося в почвах азота, как правило, недостаточно для нормального питания расте­ний. В почве его содержится всего от 0,02 до 0,5%, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов некоторых расте­ний и разложению органических веществ. В то же самое вре­мя миллионы тонн азота в атмосфере давят на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образно говоря, «висит» до 80 тыс. т этого элемента. Недаром азот называют инертным газом (от греч. - «безжизненный»). Почему же так получает­ся? Дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном состоянии, т.е. в бездействии. Элементом жизни он становит­ся только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного (хотя бы в простые оксиды) азота в воздухе нет.

Исключением является техногенное поступление азота в ат­мосферу. Это происходит в результате выбросов автомобильного транспорта, тепловых электростанций, котельных, промышлен­ных предприятий. При сжигании ископаемого топлива (нефть, уголь, газ) происходит выброс в атмосферу оксидов азота (N2O, NO2), которые являются загрязнителями окружающей среды.

Несмотря на то что в атмосфере присутствует довольно боль­шое количество азота, большинство организмов не может асси­милировать его. Буквально купаясь в азоте, растения не в состо­янии извлечь его из воздуха. Азот практически не участвует в гео­химических процессах и лишь накапливается в атмосфере.

Рис. 2.5. Круговорот азота в биосфере

Основными стадиями круговорота азота являются фиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация (рис. 2.5).

Пути фиксации азота в биосфере могут быть разными. Прежде всего, это поступление его вместе с дождевыми вода­ми из атмосферы, главным образом во время гроз. Небольшая часть азота попадает в биосферу при вулканических изверже­ниях и значительное количество - в результате выбросов про­мышленных предприятий. Но основным источником азота яв­ляется биологическая фиксация - связывание атмосферного азота свободноживущими азотфиксирующими бактериями - азотобактером, цианобактериями и другими, а также азотфик- саторами, живущими в симбиозе (совместное сожительство) с высшими растениями, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, таких, как арахис, соя, чечевица, фасоль, люцерна, клевер, люпин и др. Фиксируя атмосферный азот, они снабжают растение-хозяина доступными для него соединениями азота в виде нитратов и нитритов.

Корни бобовых растений вступают в симбиоз с живущими в почве клубеньковыми бактериями рода Rhizobium. Эти бактерии обладают удивительной способностью улавливать азот из возду­ха и перерабатывать в нитрат аммония. В обмен на сахар и безо­пасный приют в корневых клубеньках бобовых бактерии обиль­но снабжают их готовыми растворимыми соединениями азота.

В таких симбиотических системах азот становится досту­пен растениям в виде иона аммония (NH4). После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается орга­ническими и минеральными формами азота. Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а так­же мочевина и мочевая кислота, выделяемая животными и грибами, расщепляются гнилостными бактериями до аммиака. Такой процесс получил название аммонификации.

Нитрификация заключается в том, что часть аммиака может поглощаться в виде иона аммония NH4 непосредственно расте­ниями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак окис­ляется специализированными нитрифицирующими бактерия­ми до нитритов и нитратов, которые вновь используются расте­ниями.

Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми бактериями до ок­сидов и молекулярного азота, Этот процесс называется денит­рификацией.

На каждом из этапов выделяется кислород, который необ­ходим денитрифицирующим бактериям (например, из рода Pseudomonas), для дыхания при отсутствии в почве свободно­го кислорода.

Почвенные азотфиксирующие организмы оставались мало­изученными вплоть до конца XIX в. Ученые даже опасались, что денитрифицирующие бактерии, как раз в то время откры­тые, постепенно исчерпают запас фиксированного азота в поч­ве и снизят плодородие. В своей речи перед Королевским об­ществом в Лондоне У. Крукс набросал мрачную картину голо­да, который ожидает человечество в недалеком будущем, если не появятся искусственные способы фиксации азота. В то вре­мя главным источником селитры и для производства удобре­ний, и для выработки взрывчатых веществ были залежи в Чи­ли. Именно потребность во взрывчатых веществах стала глав­ным стимулом для химиков. В 1914 г. немецкие химики Ф. Га­бер и К. Бош предложили каталитический метод промышлен­ной фиксации азота.

После того как круговорот азота был в общих чертах изу­чен, стала понятна роль бактерий-денитрификаторов. Без та­ких бактерий, возвращающих азот в атмосферу, большая часть атмосферного азота находилась бы сейчас в связанной форме в океане и в осадочных породах. В настоящее время в атмо­сфере, разумеется, недостаточно кислорода для перевода все­го свободного азота в нитраты. Но вполне вероятно, что одно­сторонний процесс в отсутствие денитрификаторов привел бы к подкислению воды в океане нитратами. Началось бы выде­ление диоксида углерода из карбонатных горных пород. Рас­тения постоянно извлекали бы диоксид углерода из воздуха, углерод с течением времени откладывался бы в форме камен­ного угля или других углеводородов, а свободный кислород насыщал бы атмосферу и соединялся с азотом. Из-за многооб­разия и сложности всех этих процессов трудно сказать, как выглядел бы мир без реакции денитрификации, но наверняка это был бы непривычный для нас мир.

Таким образом, в ходе денитрификации связанный азот удаляется из почвы и воды, и в виде газообразного азота воз­вращается в атмосферу. Денитрификация замыкает цикл азо­та и препятствует накоплению его оксидов, которые в высо­ких концентрациях токсичны.

В прежние времена, когда не существовало массового про­изводства искусственных удобрений и 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 денитрифика­цией. 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.