Круговорот азота

Круговорот азота охватывает реакции синтеза сложных азотистых  соединений и реакции минерализации  органических азотсодержащих веществ  до различных минеральных форм азота. Круговорот состоит из четырех этапов [31].

Первый этап – это фиксация молекулярного  азота, т.е. связыва-ние свободного газообразного азота воздуха и превращение его в вещества белковой природы. Осуществляется процесс микробами, которые носят название азотфиксаторов. Известно, что за счет азотфиксаторов в почву поступает около 60–75% азота от общего его содержания в почве, в связи с чем существенно пополняется азотный фонд почвы. Азотфиксаторы подразделяют на две группы: свободно живущие (классическим примером являются аэробные микробы азотобактер) и симбиотические, вступающие в сожительство с высшими растениями (к ним принадлежат клубеньковые бактерии, чаще всего встречающиеся на корнях бобовых растений). Механизм азотфиксации изучен недостаточно. Данные последних лет свидетельствуют о том, что фиксация молекулярного азота является сложным многоступенчатым процессом, тесно связанным с дыханием микробов.

Второй этап в круговороте азота  – это аммонификация белковых соединений. В почве на долю азота  белка приходится около 99% от всего  запаса азота; белок образуется азотфиксаторами, его вносят отмирающие растения и животные, он попадает вместе с удобрениями (навоз) и т.д. Но растения не могут усваивать азот белка, им необходим минеральный азот. Разложение белка выполняют микроорганизмы аммонификаторы, представленные многочисленными видами. Процесс разложения весьма сложный, многоступенчатый, приводит сначала к образованию аминокислот. Последние в аэробных условиях могут быть полностью разрушены до СО2, Н2О и NH3, а в анаэробных разрушаются частично. Hо од-ним из продуктов и в этом случае является NН3.

Третий этап преобразования азота  – это нитрификация, суть ко-торой  заключается в окислении аммония  до азотистой, а затем до азотной  кислот. Бактерии-нитрификаторы, осуществляющие процесс, принадлежат к числу  аэробных автотрофных форм. Реакции  идут в две стадии по схеме

NН3 + H2О +М.О. → HNО2, + 65,6 ккал;                   (17)

НN02 + H2О + М.О. → HNО3 + 20,9 ккал,                     (18)

где М.О –условное обозначение  микроорганизмов.

За счет выделяющейся энергии развиваются  нитрифицирующие бактерии. Бактерии эти строго специализированы, источниками угле-рода для них являются С02 и карбонаты. Распространены они во всех почвах, где обусловливают очень важный процесс образования нит-ратных солей, нужных растениям. Установлено, что для нитрифици-рующих бактерий необходимо определенное количество кислорода и влаги, поэтому специальная обработка почвы (вспашка, боронование), способствующая поглощению влаги и циркуляции воздуха, оказывает благоприятное воздействие на их жизнедеятельность.

Четвертый этап в круговороте азота – это процесс денитрифика-ции. Он выражается в восстановлении нитратов до нитритов, аммиака, молекулярного азота и осуществляется бактериями денитрификаторами, относящимися преимущественно к анаэробным организмам. Реакции протекают по схеме

2НNО3 → 2HNО2 → 2HNО → NH2ОН  → NH3 → N3.      (19)

Для почв денитрификация (достигающая  конечной стадии – вы-деления свободного азота) имеет отрицательное значение, так как превращает азот в форму, которая не усваивается растениями. Основными условиями денитрификации являются плохая аэрированность почв и переувлажнение.

Гидрогеохимическое значение реакций  биогенного круговорота азота заключено  в серии превращений, которые  претерпевают воднорастворимые соединения азота. Прямое их воздействие приводит в зависимости от условий среды к накоплению в природных водах или NH4 (анаэробная обстановка), или NО3 (аэробные условия). Глубоких изменений в химическом составе воды эти превращения не вызывают, поскольку они затрагивают компоненты, не являющиеся главными в химическом составе воды. Однако косвенная роль микробиологических реакций, связанных с круговоротом азота, в гидрогеохимических изменениях оказывается также весьма важной: процесс биохимической аммонификации белковых соединений приводит к образованию кроме аммиака различных окси- и аминокислот, которые способны давать со многими полиметаллами хелаты, имеющие высокую подвижность в водных растворах. В ряде случаев аммонификация сопровождается выделением углекислого газа, значение которого в химии природных вод показано выше достаточно подробно.

Обобщая изложенный материал, можно  сделать следующие выводы:

1. В верхних оболочках Земли  (в биосфере), где источником ве-щества  природных вод служат горные породы с их ионно-солевым комплексом и газы надземной и подземной атмосфер, живые организмы (а среди них преимущественно микроорганизмы) являются прямыми или косвенными участниками всех сложных превращений, характеризующих систему порода – вода – газ – живое вещество.

2. Микроорганизмы и продукты  их жизнедеятельности (ферменты  и пр.) обусловливают разрушение  и возможность полного или  частичного перехода в раствор  практически всех твердых минералов  литосферы.

3. Микроорганизмы, определяя процесс  минерализации органического вещества отмерших живых существ, переводят в раствор ряд органических соединений и, поскольку минерализация сопровождается мощным газообразованием с выделением таких агрессивных газов, как СО2, О2, Н2S и др., усиливают растворяющую способность природных вод по отношению к горным породам; аналогичную функцию выполняют и некоторые другие живые организмы.

4. Газообразные продукты, имеющие  источником не биохимические  процессы (в частности, термокаталитические), в верхних геосферах также  вовлекаются в биогенные круговороты (например, CH4 окисляется при помощи соответствующих бактерий до СO2, сероводород вулканических районов – до серной кислоты и т.д.). В результате и таким путем образуются агрессивные компоненты природных вод, повышающие их растворяющую способность.

5. Формирующаяся при активном  участии биогенного фактора система  природная вода – растворенное  вещество развивается в верхних  геосферах также при определяющей  роли живых организмов: микроорганизмы  обусловливают процесс преобразования морских и океанических вод в иловые и поровые растворы; с жизнедеятельностью микроорганизмов связаны восстановительные обстановки в недрах литосферы, где благодаря этому возникает система вода – растворенное вещество специфического состава; деятельности живых существ обязано карбо-натное равновесие, играющее огромную роль в поверхностных и неглубоко залегающих подземных водах Земли, и т.д.

6. Поскольку выявлено громадное  влияние на поведение многих  химических элементов биогенного  фактора и установлено участие живого вещества (прямое или косвенное) в большинстве гидрогеохимических процессов, современная гидрогеохимия должна, очевидно, в значительной мере опираться на биохимию, микробиологию и биологию