Реферат: Круговорот азота

<span Times New Roman",«serif»">Университетгорода Переславля

по курсу: “Экология”

тема: “Круговорот Азота”

студента2 курса, группы Э75

Азот составляет 79 %атмосферы, но огромноеколичество живых существ не способны прямо использовать этот запас азота.Сначала он должен быть фиксированным специализированными организмами иличеловеком – в этом последнем случае фиксация осуществляется с помощьюспециально разработанных промышленных процессов

Хотя люди и наземныеживотные живут на дне воздушного океана, на 79 % состоящего из азота, именноэтот элемент в наибольшей степени определяет запас растительной пищи дляобитателей этого океана. Все мы зависим от имеющихся ресурсов фиксированногоазота. «Фиксированным» называют азот, включенный в такое химическое соединение,которое может быть использовано растениями и животными. В атмосфере азот неактивен, но некоторые организмы все же могут связывать его. Меньшее количествоатмосферного азота фиксируется в природных процессах ионизации. Атмосфераионизируется космическими лучами, сгорающими метеоритами, электрическимиразрядами (молнии), за короткое время выделяющими большое количество энергии,необходимое для того, чтобы азот смог прореагировать с кислородом или водородомводы. Азот фиксируют даже некоторые морские организмы, но, видимо, самымикрупными поставщиками фиксированного азота в природе являются почвенныемикроорганизмы и симбиотические ассоциации между такими организмами ирастениями.

Из всех видов вмешательствачеловека в естественный круговорот веществ промышленная фиксация азота – самоекрупное по масштабам. С 1950 года ежегодное количество азота, фиксируемого впроцессе производства удобрений, возросло примерно в 5 раз, и сейчас за годпромышленным способом фиксируется столько азота, сколько могли зафиксироватьвсе экосистемы Земли до введения современной агротехники. В 1968 году мироваяпромышленность дала около 30 млн. т фиксированного азота; к 2000 году этацифра, вероятно, превысит 1000 млн. т.

В прежние времена, когда несуществовало массового производства искусственных  удобрений, когда еще не выращивались набольших площадях азотфиксирующие бобовые культуры, количество азота, удаляемогоиз атмосферы в процессе естественной фиксации, видимо, вполне уравновешивалосьего возвратом в атмосферу в результате деятельности организмов, превращающихорганические нитраты в газообразный азот. Сейчас мы не уверены в том, чтопроцессы денитрификации поспевают за процессами фиксации. Неизвестно, какиепоследствия 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 водаможет лишиться кислорода, что вызовет гибель рыбы и других нуждающихся вкислороде организмов. Самый известный пример этого – быстрая эвтрофизация озераЭри.

Чтобы получит представлениео сложно разветвленных путях, по которым движется азот в биосфере, давайтепроследим путь атомов азота из атмосфера в клетки микроорганизмов, затем впочву – уже в качестве фиксированного азота, а из почвы – в высшие растения,откуда связанный азот может поступать в организмы животных. Растения иживотные, отмирая, возвращают фиксированный азот в почву, откуда он либопоступает в новые поколения растений и животных, либо в виде элементарногоазота переходит в атмосферу.

Удивительно, что некоторыеорганизмы находят выгодным окислять соединения азота, тогда как другиеорганизмы, обитающие в той же среде, выживают лишь благодаря своей способностивосстанавливать эти соединения. Кроме фотосинтезирующих организмов,использующих энергию света, все живые существа получают энергию за счетхимических превращений. Обычно это окисление одного соединения с одновременнымвосстановлением другого, хотя иногда окисляться и восстанавливаться могутразные молекулы одного и того же вещества или даже разные фрагменты одноймолекулы. Круговорот азота в живой природе возможен потому, что при окисленииатмосферным кислородом восстановленных неорганических соединений азотавыделяется энергия в биологически эффективной форме. В анаэробных же условияхокисленные соединения азота могут служить окислителями органических соединений,опять-таки с выходом полезной энергии.

Специфическая роль азота вбиологических процессах обусловлена необычно большим числом степеней окисления,т.е. валентностей. Валентность – этосвойство атома данного элемента присоединять или замещать определенное числоатомов другого элемента. В организме животных и растений большая часть азотаприсутствует или в виде иона аммония, или в виде аминосоединений. В обеихформах азот сильно восстановлен: соединившись с тремя другими атомами, онпринял от них три электрона, т. е. Имеет валентность –3. В другой сильно окисленной форме (нитрат-ион) пять внешних электроноватома азота участвуют в образовании связей с атомом кислорода, приобретая приэтом валентность +5. Нитрат-ион – главная форма, в которой азот присутствует в почве. При переходе иона аммония или аминокислот впочвенные нитраты валентность азота должна меняться на 8 единиц, т. е. Атомтеряет 8 электронов. И, наоборот, при переходенитратного азота в азот аминогруппы атом приобретает 8 электронов.

В целомпротекающие в почве реакции, в которых азот восстанавливается, дают значительнобольше энергии, чем окислительные реакции, в результате которых у атомов азота отнимаютсяэлектроны. Обобщая, можно сказать, что в природе любая реакция, в которой припревращении одного соединения в другое образуется хотя бы 15 ккал/моль, служитисточником энергии для того или иного организма или группы организмов.

Фиксация азота требуетэнергии. Сначала азот надо «активировать», т. е. разбить молекулу азота на дваатома. На это уйдет по меньшей мере 160 ккал/моль.Сама же фиксация, т. е. соединение двух атомов азота с тремя молекуламиводорода с образованием двух молекул аммиака, дает около 13 ккал. Значит, вцелом на реакцию расходуется не менее 147 ккал. Но неизвестно, приходится лиазотфиксирующим организмам, в самом деле, расходовать такое количество энергии.Ведь в реакциях, катализируемых ферментами, происходит не просто обмен энергиеймежду реагирующими веществами и конечными продуктами, а снижение энергииактивации.

Аммиак или ион аммония, образовавшийся в почве,может поглощаться корнями растений. Азот при этом включается в аминокислоты истановится частью белка. Если растение затем поедается животными, то азотвключается в другие белки. В любом случае белок в конечном итоге возвращается впочву, где распадается на составляющие его аминокислоты. В аэробных условиях впочве содержится множество микроорганизмов, способных окислять аминокислоты додвуокиси углерода, воды и аммиака. При разложении, например, глицина выделяется176 ккал/моль.

Некоторыемикроорганизмы из рода Nitrosomonas используют нитрификацию иона аммониякак единственный источник энергии. В присутствии кислородааммиак дает нитритный ион иводу; выход энергии в этой реакции составляет 65 ккал/моль, а этого вполнедостаточно 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 специализированнаягруппа микроорганизмов, представителем которой является Nitrobacter, способна извлекать изнитритов энергию, которой пренебрег Nitrosomonas. При окислении нитритного иона в нитратный высвобождаетсяоколо 17 ккал/моль – немного, но вполнедостаточно для того, чтобы поддержать существование Nitrobacter.

В почве немало разных видовбактерий-денитрификаторов, которые, попав в анаэробные условия, могутиспользовать нитратный и нитритный ионы как акцепторы электронов при окисленииорганических соединений.

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

Почвенные азотофиксирующиеорганизмы оставались малоизученными вплоть до конца XIXвека. Ученые дажеопасались, денитрифицирующие бактерии, как раз в то время открытые, постепенноисчерпают запас фиксированного азота в почве и снизят плодородие. В своей речиперед Королевским обществом в Лондоне сэр У. Крукснабросал мрачную картину голода, который ожидает человечество в недалекомбудущем, если не появится искусственные способы фиксации азота. В то времяглавным источником селитры и для производства удобрений, и для выработкивзрывчатых веществ были залежи в Чили. Именно потребность во взрывчатыхвеществах стала главным стимулом для химиков. В 1914 году немецкие химики Ф. Габер и К. Бош предложили католический способ промышленнойфиксации азота.

После того как круговоротазота был в общих чертах изучен, стала понятна роль бактерий-денитрификаторов.Без таких бактерий, возвращающих азот в атмосферу, большая часть атмосферногоазота находилась бы сейчас в связанной форме в океане и в осадочных породах. Внастоящее время в атмосфере, разумеется, недостаточно кислорода для переводавсего свободного азота в нитраты. Но вполне вероятно, что односторонний процессв отсутствие денитрификаторов привел к подкислению воды в океане нитратами.Началось бы выделение двуокиси углерода из карбонатных горных парод. Растенияпостоянно извлекали бы двуокись углерода из воздуха, углерод с течением времениоткладывался бы в форме каменного угля или других углеводородов, а свободный кислороднасыщал бы атмосферу и соединялся с азотом. Из-за многообразия и сложности всехэтих процессов трудно сказать, как выглядел бы мир реакции денитрификации, нонаверняка это был бы непривычный для нас мир.

Процесс биологическойфиксации азота известен далеко не во всех деталях. Хотелось бы знать, какимобразом активирующий фермент, используемый азотофиксирующими бактериями. Можетпри обычной температуре и нормальном давлении выполнять то, что происходит вхимическом реакторе при сотнях градусов и атмосфер. Во всем мире наберется неболее нескольких килограммов этого удивительного фермента.

Азотфиксирующие организмыделятся на две большие группы: живущие самостоятельно и живущие в симбиозе свысшими растениями. Граница между этими группами не так резка, как думалираньше. Ведь степень взаимозависимости растений и микроорганизмов может бытьразличной. Симбиотические микроорганизмы непосредственно зависят от растениякак источника энергии, а возможно и некоторых питательных веществ.Свободноживущие азотфиксаторы получают энергию от растения косвенным путем, анекоторые из них используют непосредственно световую энергию.

Видимо, главнымипоставщиками фиксированного азота на почвах, занятых злаками, и в другихэкосистемах, где нет растений с азотфиксирующими симбионтами, служат различныебактерии. В подходящих условиях сине-зеленые водоросли могут быть важнымисточником фиксированного азота. Их вклад в фиксацию азота особенно заметем нарисовых полях и в других местах, где условия благоприятствуют их развитию.

Но для Земли в целоместественным важнейшим источником фиксированного азота служат, видимо. Бобовыерастения. Они важнее других азотфиксирующих растений с хозяйственной точкизрения и потому лучше изучены.

Говоря о мировойпродовольственной проблеме, обычно подчеркивают необходимость расширенияпосевов бобовых культур. Ведь они не только обогащают почву азотом, но и самипо себе являются ценным пищевым продуктом, содержащим все необходимыеаминокислоты. Однако широкое выращивание бобовых на больших площадяхнаталкивается на некоторые препятствие. Главное из них — традиция и вкусы. Вомногих странах. Где бобовые никогда не употреблялись в пищу, введение из вкачестве основной пищевой культуры, естественно, сопряжено с большимитрудностями.

Рассмотрев основные реакциикруговорота азота, мы можем теперь взглянуть на весь этот процесс в целом ипопытаться понять его связи с другими процессами в природе. Морская вода имеетслегка щелочную реакцию, она может медленно отдавать в воздух аммиак, ноколичественно оценить этот приток аммиака почти невозможно, Суша служит восновном окислов азота. С дождями вносится в год около 25 млн. т фиксированногоазота. Считается, что 70% этого количества фиксировано и циркулирует в биосфереуже довольно давно и лишь 305 фиксировано недавно под действием разрядоватмосферного электричества и в результате других атмосферных явлений.

В систему постояннопоступает 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 возвращается2…3 млн. т фиксированного азота.

Если в конце XIX векаученые опасались, как бы бактерии-денитрификаторы не обеднили почву, тосегодня, напротив, озабочены отставанием денитрификации от фиксации азота. Ведьбольшое количество фиксированного азота вносится в биосферу как следствие егопромышленной фиксации и усиленного выращивания бобовых. Возникла необходимостьбольше узнать о денитрификации – узнать точно, где и в каких условиях онапроисходит.

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

Что касается круговоротаазота в океане в океане, то о нем известно еще. Мы знаем, что некоторые морскиеорганизмы 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 двабольше в форме органических веществ. Поскольку в осадочные породы уходит малоазота, можно считать, что океан до вмешательства человека в круговорот азотауспевал денитрифицировать все это количество.

Так как мы недостаточноосмотрительно обращаемся с азотными удобрениями и азотсодержащими отбросами, рекии озера могут перенасытиться азотом, попадающим в них с водой. В таких водоемахи подземных водах концентрация азота может настолько повыситься, что водастанет вообще не пригодной для питья. Кое-где это уже произошло. Не исключено,что удастся использовать процессы микробной денитрификации для уменьшенияколичества связанного азота, но потребуется еще много усилий на то, чтобыразработать методы практического применения денитрификаторов.

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