Біохімічний цикл азоту
Газоподібний азот(N2) в атмосфері вкрай інертний, іншими словами, необхідна дуже велика кількість енергії, щоб зв'язки в молекулі азоту (N2 ) розірвалися та утворилися інші сполуки, наприклад оксиди. Однак азот є найважливішим компонентом біологічних молекул, таких як білки, нуклеїнові кислоти і т. д. Перекладати атмосферний азот у доступну для організмів форму (нітрити та нітрати) здатні лише деякі бактерії. Цей процес називається азотфіксацією і є основний шлях надходження азоту в біотичний компонент екосистеми.
Азотфіксація- енергоємний процес, оскільки вимагає руйнування дуже міцного зв'язку між двома атомами азоту в його молекулі. Бактерії використовують для цього фермент нітрогеназу та енергію, укладену в АТФ. Неферментативна азотфіксація вимагає набагато більше енергії, одержуваної в промисловості за рахунок згоряння викопного палива, а в атмосфері в результаті дії факторів, що іонізують, наприклад блискавок і космічного випромінювання.
Азоттак важливий для родючості ґрунту, і потреба в ньому сільського господарства така велика, що щороку на хімічних заводах виробляються колосальні кількості аміаку, який застосовується у складі азотних добрив, таких як нітрат амонію (NH4NO3) або сечовина [CO (NH2)2].
Заразмасштаби промислової азотфіксаціїможна порівняти з природними, але ми досі погано уявляємо можливі наслідки поступового накопичення в біосфері доступних організмам сполук азоту. Компенсаційних механізмів, які повертають зв'язуваний нами азот в атмосферний пул, немає.
Кругообіг азоту. Азот становить 79% обсягу атмосфери - головного резервуару цього елемента.
Відносно невелика кількість фіксованого азоту (5-10%) дає іонізація в атмосфері. Оксиди азоту, що утворюються, взаємодіючи з дощовою водою, дають відповідні кислоти, які, потрапивши в грунт, зрештою перетворюються на нітрати.
Ймовірно, головне природне джерело фіксованого азоту - представники сімейства бобових, наприклад конюшина, соя, люцерна, горох. На корінні бобових є характерні потовщення, звані бульбочками, в яких внутрішньоклітинно живуть азотфіксуючі бактерії роду Rhizobium. Цей симбіоз мутуалістичний, оскільки рослина отримує від бактерій фіксований азот у формі аміаку, а натомість забезпечує їх енергією та деякими органічними речовинами, наприклад, вуглеводами. У перерахунку на одиницю площі бульбочкові бактерії можуть дати в 100 разів більше фіксованого азоту, ніж вільноживучі. Не дивно, що бобові рослини часто висівають для збагачення ґрунту цим елементом, отримуючи заразом і врожай високоякісних кормових трав.
Всі азотфіксаторизв'язують азот у формі аміаку, але він відразу ж використовується для синтезу органічних сполук, в першу чергу білків.
Розкладання та денітрифікація
Більшість рослиняк джерело азотувикористовують нітратіони. Тварини своєю чергою прямо чи опосередковано отримують засвоюваний азот із рослин. На рис. 10.11 показано, як утворюються нітрати після розкладання білка мертвих тканин сапротрофними бактеріями та грибами. Цей процес включає окисні реакції за участю кисню та аеробних бактерій. Білки спочатку розщеплюються до амінокислот, а потім амінокислоти дають аміак. Цей продукт утворюється при розкладанні екскретів і фекалій тварин. Хемосинтезуючі бактерії Nitrosomonas і Nitrobacter здійснюють такзвану нітрифікацію - поетапно окислюють аміак до нітратів.
У певному сенсі процесом,зворотним нітрифікації, є денітрифікація, що також здійснюється бактеріями, які в результаті знижують родючість ґрунту. Денітрифікація відбувається в анаеробних умовах, коли нітрати використовуються при диханні замість кисню як окислювач органічних сполук (акцептора електронів). Самі нітрати у своїй відновлюються, зазвичай до азоту. Отже, денітрифікуючі бактерії відносяться до факультативних аероб.
Фіксація атмосферного азоту в природі відбувається за двома основними напрямками - абіогенним і біогенним. Перший шлях включає головним чином реакції азоту з киснем. Так як азот хімічно дуже інертний, для окислення потрібні великі кількості енергії (високі температури). Ці умови досягаються при розрядах блискавок, коли температура досягає 25000 ° C і більше. У цьому відбувається освіту різних оксидів азоту. Існує також можливість, що абіотична фіксація відбувається в результаті фотокаталітичних реакцій на поверхні напівпровідників або широкосмугових діелектриків (пісок пустель).
Однак основна частина молекулярного азоту (близько 1,4 10 8 т/рік) фіксується біотичним шляхом. Довгий час вважалося, що зв'язувати молекулярний азот можуть лише невелика кількість видів мікроорганізмів (хоча і широко поширених на поверхні Землі): бактеріїAzotobacterтаClostridium, бульбочкові бактерії бобових рослинRhizobium, ціанобактеріїAnabaena,Nostocта ін. Зараз відомо, що цією здатністю володіють багато інших організмів у воді та ґрунті, наприклад, актиноміцети в бульбах вільхи та інших дерев (всього 160 видів ). Усі вони перетворюють молекулярнийазот у сполуки амонію (NH4 + ). Цей процес вимагає значних витрат енергії (для фіксації 1 г атмосферного азоту бактерії в бульбах бобових витрачають близько 167,5 кДж, тобто окислюють приблизно 10 г глюкози). Таким чином, видно взаємну користь від симбіозу рослин і азотфіксуючих бактерій — перші надають другим «місце для проживання» і забезпечують отриманим в результаті фотосинтезу «паливом» — глюкозою, другі забезпечують необхідний рослинам азот у засвоюваній ними формі.
Азот у формі аміаку та сполук амонію, що виходить у процесах біогенної азотфіксації, швидко окислюється до нітратів та нітритів (цей процес носить назву нітрифікації). Останні, не пов'язані тканинами рослин (і далі по харчовому ланцюгу травоїдними та хижаками), недовго залишаються у ґрунті. Більшість нітратів і нітритів добре розчиняються, тому вони змиваються водою і, зрештою, потрапляють у світовий океан (цей потік оцінюється в 2,5—8×10 7 т/рік).
Азот, включений у тканини рослин і тварин, після їх загибелі піддається амоніфікації (розкладу містять складних сполук азот з виділенням аміаку та іонів амонію) і денітрифікації тобто виділенню атомарного азоту, а також його оксидів. Ці процеси цілком відбуваються завдяки діяльності мікроорганізмів в аеробних та анаеробних умовах.
У відсутність діяльності людини процеси зв'язування азоту та нітрифікації практично повністю врівноважені протилежними реакціями денітрифікації. Частина азоту надходить в атмосферу з мантії з виверженнями вулканів, частина міцно фіксується в ґрунтах та глинистих мінералах, крім того, постійно йде витік азоту з верхніх шарів атмосфери у міжпланетний простір.
ХОДЖЕННЯ В ПРИРОДІ
Азот слідом за воднем, гелієм такиснем є четвертим за поширеністю елементом Сонячної системи. Азот виявлений у спектрах зірок, у тому числі у фотосфері Сонця, у метеоритах, кометах, сонячному вітрі та у міжзоряних хмарах газу. Молекулярний азот спостерігається в атмосферах Венери та Марсу, а аміак характерний для Юпітера та Сатурна. У всіх космічних об'єктах азот зустрічається лише у відновленому стані.
У земній корі за поширеністю азот займає 20 місце. Переважна його частина зосереджена в таких основних резервуарах: атмосфері (3,86-15 т), літосфері (1,7 • 1015 т), гідросфері (2,2 -1013 т) і біосфері (
10'" т). В атмосфері вільний азот у вигляді молекулярного Na становить 78,09% за обсягом (або 75,6% за масою), не рахуючи незначних домішок його у вигляді аміаку та оксидів.
3 вага.%. Основна маса азоту в силікатах знаходиться в хімічно зв'язаному стані у вигляді NHJ, що ізоморфно заміщає іон калію в силікатних гратах. Крім того, в природі зустрічаються і азотні мінерали: нашатир (NH4C1), що виділяється з вулканів у досить великих кількостях, баддінгтовять (NH4AlSi308-0,5 Н2О) - єдиний знайдений амонієвий алюмосилікат з пеолітною водою. У самих приповерхневих областях літосфери виявлено низку мінералів, які в основному складаються з нітратних солей. Серед них широковідома селітра (NaN03), великі скупчення якої характерні для сухого клімату (Чилі, Середня Азія). Довгий час селітра була основним джерелом зв'язаного азоту. (Зараз основне значення має промисловий синтез аміаку з азоту повітря та водню.) У природі виявлені і нітриди: сильвестрин (Fe6N2) у лавах Везувію та осборніт (TiN), синоїт (Si2N20), карлсбергіт (CrN) у метеоритах.