Круговорот азота

Азот составляет 79 %атмосферы, но огромное количество живых существ не способны прямо использовать этот запас азота. Сначала он должен быть фиксированным специализированными организмами или человеком – в этом последнем случае фиксация осуществляется с помощью специально разработанных промышленных процессов

Хотя люди и наземные животные живут на дне воздушного океана, на 79 % состоящего из азота, именно этот элемент в наибольшей степени определяет запас растительной пищи для обитателей этого океана. Все мы зависим от имеющихся ресурсов фиксированного азота. «Фиксированным» называют азот, включенный в такое химическое соединение, которое может быть использовано растениями и животными. В атмосфере азот не активен, но некоторые организмы все же могут связывать его. Меньшее количество атмосферного азота фиксируется в природных процессах ионизации. Атмосфера ионизируется космическими лучами, сгорающими метеоритами, электрическими разрядами (молнии), за короткое время выделяющими большое количество энергии, необходимое для того, чтобы азот смог прореагировать с кислородом или водородом воды. Азот фиксируют даже некоторые морские организмы, но, видимо, самыми крупными поставщиками фиксированного азота в природе являются почвенные микроорганизмы и симбиотические ассоциации между такими организмами и растениями.

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.

Сравнительная ценность ионов аммония и нитрита как источников азота для растений была объектом многих исследований. Казалось бы, ион аммония явно предпочтительнее: валентность азота в нем равна –3, т. е. та же, что у азота в аминокислотах; валентность же нитратного азота равна +5. Значит, для того чтобы использовать азот из нитратного иона, растение должно затратить энергию на восстановление пятивалентного азота до трехвалентного. На деле все обстоит сложнее: то, какая форма азота предпочтительнее, зависит. Как оказалось, совсем от других факторов. Так как ион аммония заряжен положительно, почти сразу же после его образования в почве он захватывается частицами ила, на которых и остается вплоть до окисления. Отрицательный ион нитрата, напротив, свободно движется в почве, а значит, легче попадает в зону корней.

Почвенные азотофиксирующие организмы оставались малоизученными вплоть до конца XIX века. Ученые даже опасались, 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 сэр У. Крукс набросал мрачную картину голода, который ожидает человечество в недалеком будущем, если не появится 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 году немецкие химики Ф. Габер и К. Бош предложили католический способ 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 к подкислению воды в океане нитратами. Началось бы выделение двуокиси углерода из карбонатных горных парод. Растения постоянно извлекали бы двуокись 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 реакции денитрификации, но наверняка это был бы непривычный для нас мир.

Азотфиксирующие организмы делятся на две большие группы: живущие самостоятельно и живущие в симбиозе с высшими растениями. Граница между этими группами не так резка, как думали раньше. Ведь степень взаимозависимости растений и микроорганизмов может быть различной. Симбиотические микроорганизмы непосредственно зависят от растения как источника энергии, а возможно и некоторых питательных веществ. Свободноживущие азотфиксаторы получают энергию от растения косвенным путем, а некоторые из них используют непосредственно световую энергию.

Видимо, главными поставщиками фиксированного азота на почвах, занятых злаками, и в других экосистемах, где нет растений с азотфиксирующими симбионтами, служат различные бактерии. В подходящих условиях сине-зеленые водоросли могут быть важным источником фиксированного азота. Их вклад в фиксацию азота особенно заметем на рисовых полях и в других местах, где условия благоприятствуют их развитию.

Но для Земли в целом естественным важнейшим источником фиксированного азота служат, видимо. Бобовые растения. Они важнее других азотфиксирующих растений с хозяйственной точки зрения и потому лучше изучены.

Говоря о мировой продовольственной проблеме, обычно подчеркивают необходимость расширения посевов бобовых культур. Ведь они не только обогащают почву азотом, но и сами по себе являются ценным пищевым продуктом, содержащим все необходимые аминокислоты. Однако широкое выращивание бобовых на больших площадях наталкивается на некоторые препятствие. Главное из них - традиция и вкусы. Во многих странах. Где бобовые никогда не употреблялись в пищу, введение из в качестве основной пищевой культуры, естественно, сопряжено с большими трудностями.

Рассмотрев основные реакции круговорота азота, мы можем теперь взглянуть на весь этот процесс в целом и попытаться понять его связи с другими процессами в природе. Морская вода имеет слегка щелочную реакцию, она может медленно отдавать в воздух аммиак, но количественно оценить этот приток аммиака почти невозможно, Суша служит в основном окислов азота. С дождями вносится в год около 25 млн. т фиксированного азота. Считается, что 70% этого количества фиксировано и циркулирует в биосфере уже довольно давно и лишь 305 фиксировано недавно под действием разрядов атмосферного электричества и в результате других атмосферных явлений.

В систему постоянно поступает новый азот в результате выветривания изверженных пород земной коры. Потеря азота уравновешивается поступлением в атмосферу так называемого «ювенильного азота» из вулканов. Этим путем в круговорот ежегодно возвращается 2…3 млн. т фиксированного азота.

Если в конце XIX века ученые опасались, как бы бактерии-денитрификаторы не обеднили почву, то сегодня, напротив, озабочены отставанием денитрификации от фиксации азота. Ведь большое количество фиксированного азота вносится в биосферу как следствие его промышленной фиксации и усиленного выращивания бобовых. Возникла необходимость больше узнать о денитрификации – узнать точно, где и в каких условиях она происходит.

Известно прежде всего, что в норме денитрификация почти не идет в аэробных условиях. Если доступен свободный кислород, то для организма энергетически выгоднее окислять с его помощью органические соединения, чем использовать кислород, связанный в нитратах. Однако в биосфере должны быть и обширные области с анаэробными условиями, благоприятствующими денитрификации. Такие условия складываются всюду, где поступление органических веществ превосходит поступление кислорода, необходимого для их разложения. Типичные примеры областей, где процесс денитрификации идет вблизи от поверхности – арктическая тундра, болота и другие сходные местообитания с ограниченным поступлением кислорода.

Что касается круговорота азота в океане в океане, то о нем известно еще. Мы знаем, что некоторые морские организмы фиксируют азот, но количественных данных у нас почти нет. Считается, что за год реки выносят в океан около 10 млн. т в форме нитратов и раза в два больше в форме органических веществ. Поскольку в осадочные породы уходит мало азота, можно считать, что океан до вмешательства человека в круговорот азота успевал денитрифицировать все это количество.

Так как мы недостаточно осмотрительно обращаемся с азотными удобрениями и азотсодержащими отбросами, реки и озера могут перенасытиться азотом, попадающим в них с водой. В таких водоемах и подземных водах концентрация азота может настолько повыситься, что вода станет вообще не пригодной для питья. Кое-где это уже произошло. Не исключено, что удастся использовать процессы микробной денитрификации для уменьшения количества связанного азота, но потребуется еще много усилий на то, чтобы разработать методы практического применения денитрификаторов.

Деятельность, направленная, на то, чтобы прокормить растущее народонаселение, должна быть уравновешена, поисками путей к сохранению равновесия в круговороте азота.