Круговорот азота в природе

Круговорот азота

  • К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот азота? Объясните, почему?

  • Как происходит круговорот азота в природе?

*Круговорот азота — это пример саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере. Воздух, на 78% состоящий из азота, представляет собой крупнейший «резервуар» и одновременно, вследствие своей малой химической активности, — «предохранительный клапан» системы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий и постоянно извлекается из атмосферы в результате деятельности азотфиксирующих бактерий и некоторых водорослей (биохимическая фиксация азота), а также действия электрических разрядов при грозе.

**Круговорот азота складывается из следующих процессов: фиксация, ассимиляция, нитрификация, денитрификация, разложение, выщелачивание, вынос, выпадение с осадками и т. д.


Круговорот азота (по П. Дювиньо и М. Тангу)

Круговорот азота в биосфере носит весьма своеобразный и замедленный характер. Фиксация азота в живом веществе осуществляется ограниченным количеством живых существ. Отдельные микроорганизмы, содержащиеся в почве и верхних слоях Мирового океана, способны расщеплять молекулярный азот (N2) и использовать его атомы для построения аминогрупп белков (-NH2) и других органических соединений. Атмосферный азот поглощается азотфиксирующими бактериями, некоторыми видами сине-зеленых водорослей. Они синтезируют нитраты, которые становятся доступными для использования другими растениями биосферы. Биофиксация азота осуществляется некоторыми бактериями в симбиозе с высшими растениями в почвах (например, клубеньковыми бактериями, живущими на корнях бобовых растений). После своей гибели растения и животные возвращают азот в почву, откуда он поступает в состав новых поколений растений и животных.

Определенная часть азота в виде молекул возвращается в атмосферу. В почвах происходит процесс нитрификации, который состоит из цепи реакций, когда при участии микроорганизмов происходит окисление иона аммония (NH4+) до нитрита (NO2-) или нитрита до нитрата (NO3-). Восстановление нитритов и нитратов до газообразного соединения молекулярного азота (N2) или оксидов азота (NxOy) составляют сущность процесса денитрификации.

Круговорот азота

Биосфера – это оболочка Земли, заселенная живыми организмами. Биосфера нашей планеты является сложной системой, в которой постоянно осуществляются круговороты различных веществ, тесно взаимосвязанных между собой. Азот – один из обязательных элементов важнейших органических соединений, из которых состоят ткани всех живых организмов (белков, АТФ, нуклеиновых кислот, т.д.).

Основные запасы данного химического элемента находятся в атмосфере в виде молекулярного азота, который не доступен для усвоения растениями в такой форме. Процесс круговорота азота начинается с поступления в экосистему соединений азота при выпадении осадков. Азотистые соединения образуются в атмосфере при разрядах молний во время гроз. С дождем они попадают в почву и воду.

Малая доля азотистых соединений выбрасывается в окружающую среду при извержениях вулканов. Ученые считают, что источником всего азота при формировании нашей планеты был вулканогенный NH3, который затем подвергся окислению атмосферным кислородом.

Таким образом, есть два пути вовлечения молекулярного азота в биогенный круговорот. Первый способ заключается в электрическом и фотохимическом окислении азота атмосферного воздуха. Второй путь – биологическая фиксация данного элемента микроорганизмами-азотфиксаторами, в т.ч. клубеньковыми бактериями.

Лишь некоторые прокариоты способны осуществлять связывание атмосферного азота. В результате их жизнедеятельности образуется в несколько раз больше оксида азота на кв.м. площади поверхности Земли в год, чем при окислении атмосферного азота кислородом.

Клубеньковые бактерии и другие азотфиксаторы переводят азот из молекулярного состояния в соединения, которые легко усваиваются растениями. Затем азот продвигается по пищевым цепочкам экосистем в биосфере до редуцентов, чаще в почвенном покрове. После гибели растений и животных их организмы разлагаются с участием многочисленных микробов. При этом органический азот участвует в различных химических реакциях. Так, в процессе денитрификации органических веществ образуется элементарный азот, который затем возвращается в атмосферу, где начинается новый виток его циркуляции по внешнему кругу. Но основные запасы азота экосистем размещены в почве. При разложении белков с участием гнилостных бактерий образуется аммиак его производные, которые окисляются нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов. Эти соединения поступают в воды Мирового океана и атмосферный воздух. Именно отсюда данный элемент попадает снова в организмы растений и далее «движется» по внутренним каналам круговорота. Таким образом, живые организмы выполняют ключевую роль в круговороте азота.

Хозяйственная деятельность человека крайне негативно сказывается на балансе азота в природе. До того, как человек стал интенсивно использовать азотные минеральные удобрения для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, процессы нитрификации и денитрификации в природе были полностью сбалансированы.

НОВОСТИ БИБЛИОТЕКА КАРТА САЙТА ССЫЛКИ О САЙТЕ

В природе имеется огромное количество азота. 4/5 объема окружающего нас воздуха составляет азот. Во всем живом мире (растения, животные) содержится 20-25 млрд. т азота, огромное количество его имеется в пахотном слое почвы — в подзоле примерно 6 г, а в черноземе до 18 г на 1 га. Но весь этот азот, свободный в атмосфере и связанный в органическом веществе, в почвенном гумусе, в торфе, не усваивается растениями, а следовательно, и животными. Таким образом, азот не может непосредственно участвовать в биогенном круговороте веществ. Его вовлечение в круговорот в природе осуществляется при помощи микроорганизмов, из которых одни производят разложение органических азотсодержащих веществ до минеральных азотистых соединений, легко усвояемых растениями; другие, так называемые азотфиксирующие, напротив, извлекают свободный азот из воздуха и синтезируют из него органические соединения.

Производимые микроорганизмами процессы непрерывного разрушения и синтеза азотсодержащих веществ лежат в основе биогенного круговорота азота в природе.

В круговороте азота можно выделить следующие основные биохимические процессы: 1) гниение, или аммонификация; 2) нитрификация; 3) денитрификация и 4) фиксация атмосферного азота.

1. Аммонификация

а. Гниение, или аммонификация, — это превращение органического азота в минеральный азот, разложение сложного белка до аммиака. Поэтому этот процесс и называется аммонификацией. Он проходит в несколько этапов в результате жизнедеятельности различных групп микроорганизмов, главным образом бактерий, а также актиномицетов и плесневых грибов.


Рис. 23. Proteus vulgaris (протейная палочка) (увеличено в 1000 раз)

Рис. 24. Вас. mycoides (микоидная палочка) (увеличено в 1000 раз)

Рис. 25. Вас. putrificus (увеличено в 1000 раз)

Рис. 26. Кишечная палочка

Белок и другие азотистые органические вещества всегда содержатся в больших количествах в остатках растений, животных и микробов. Микробы производят гидролитическое расщепление этих веществ при помощи ферментов протеаз. Гидролиз белка может идти с образованием растворимых продуктов по схеме: белок → пептон → полипептиды → аминокислоты. Образовавшиеся аминокислоты способны проникать внутрь микробной клетки, где они подвергаются дальнейшим превращениям — дезаминированию, при котором образуются аммиак, различные органические кислоты и другие более простые продукты.

Если процесс идет в аэробных условиях, то разложение идет до конечных продуктов, причем используется весь запас энергии белка. В анаэробных условиях расщепление белков идет менее глубоко. Если в составе белков имеется сера, то она освобождается в виде сероводорода или меркаптанов, имеющих неприятный запах. Из аминокислот ароматического ряда образуются фенол и дурно пахнущие индол и скатол.

Образовавшийся таким образом аммиак, во-первых, частично идет на синтез азотистых веществ тела самих микробов. Во-вторых, большая часть накапливается в почве, причем интенсивность накопления его в почве зависит от определенного более узкого соотношения углерода и азота (меньше чем 25:1), так как азот идет только на синтез белка, а углерод, кроме синтеза, еще расходуется в процессе дыхания.

Микроорганизмы, участвующие в разложении белка, широко распространены в природе, во всех почвах и водоемах. Обычно здесь наблюдается определенная последовательность разложения белка. Сначала аммонификаторы разлагают белок с образованием аммиака, а затем нитрификаторы окисляют аммиак до азотной кислоты.

Из аэробных бактерий сюда относятся: спороносные — Бас. mycoides, Вас. mesentericus (картофельная палочка), Вас. subtilis (сенная палочка) и др.; неспороносные — Bact. prodigiosum (чудесная палочка), имеющая красный пигмент, Bact. fluorescens, выделяющая зеленоватый пигмент, и др. Из факультативных анаэробных — протейная палочка, одна из вызывающих наиболее глубокий распад белков (NH3, СН4, СО2, Н2О и др.), кишечная палочка, в обилии живущая в кишечнике и фекалиях человека и животных. К анаэробным бактериям относятся Вас. sporogenes, Вас. putrificus, также часто встречающиеся в кишечнике и фекалиях. Проникая после смерти человека и животных через стенку кишечника в полости тела, они вызывают быстрое зловонное разложение трупов.

Гнилостные процессы, происходящие в кишечнике, не приводят к полной минерализации азотистых веществ, поэтому фекалии и свежий навоз малопригодны для питания растений. Они должны подвергнуться дальнейшему распаду в почве с образованием аммиачных и азотнокислых солей.

б. Разложение мочевины. Человек и животные выделяют с мочой большое количество связанного азота в виде мочевины — диамида угольной кислоты CO(NH2)2. Человек за сутки выделяет 30-50 г мочевины, а все человечество — около 200 тыс. т. Попадая в почву, мочевина подвергается разложению особыми уробактериями, имеющими фермент уреазу. Мочевина превращается ими в нестойкую углеаммиачную соль, разлагающуюся до аммиака и углекислоты.

В почве связанный азот содержится в основном в форме перегнойных, или гумусовых, веществ. Аммонификация их микроорганизмами также имеет место в почве, но процесс этот происходит очень медленно. Считают, что в умеренном климате в течение года разлагается только 1-3% общего запаса гумуса.

2. Нитрификация

Конечные продукты разложения белка и других азотных веществ — аммиачные соли — уже сами по себе могут усваиваться растениями. Однако наиболее легко усвояемыми для растений являются соли азотной кислоты. Процесс окисления солей аммиака в соли азотной кислоты называется нитрификацией (nitrum — селитра).

Ученые очень долго не могли выяснить сущность процесса нитрификации, так широко распространенного в почве. Эту задачу разрешил русский микробиолог С. Н. Виноградский. Он отказался от обычных бактериологических питательных сред и стал изучать процесс нитрификации на чисто минеральных средах. В результате он доказал, что этот процесс осуществляется особой физиологической группой бактерий. Он также показал, что процесс нитрификации проходит в две фазы. В первой фазе аммиачные соли окисляются в соли азотистой кислоты — нитриты: 2NH3+3О2→2HNО2+2H2О+158 ккал. Во второй фазе образовавшиеся соли азотистой кислоты окисляются в соли азотной кислоты — нитраты: 2HNО2+О2=2HN03+48 ккал.


Рис. 27. Нитрофицирующие бактерии, выделенные из разных почв: А — Nitrosomonas; Б — Nitrobacter

Первая фаза вызывается бактериями, называемыми нитрозными, которые разделяются на несколько видов и разновидностей (Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosocistis и др.). Вторая фаза вызывается нитратными бактериями (Nitrobacter). Эти бактерии широко распространены в почве, в иле. Это строгие автотрофы, аэробы, нуждающиеся в большом количестве кислорода. Они очень чувствительны к кислой реакции среды. Оптимальный рН для них 8,6. Окисление же аммиака приводит к подкислению почвы, которое может привести к прекращению их размножения, если не будет произведено известкование. Нитрификаторы создают органическое вещество из углекислоты воздуха и воды за счет химической энергии окисления аммиака.

Окисление аммиака и нитритов — процесс экзотермический, при котором освобождается энергия, затрачиваемая бактериями на усвоение углерода из углекислоты. По расчетам С. Н. Виноградского, на одну часть ассимилированного углерода должно быть окислено 35 частей азота в первой фазе и 135 частей во второй фазе.

Таким образом, С. Н. Виноградский первый открыл процесс синтеза органического вещества с использованием не солнечной, а химической энергии. Этот процесс называется, в отличие от фотосинтеза, хемосинтезом.

Нитрифицирующие бактерии благодаря накоплению азотнокислых солей в почве являются чрезвычайно полезными бактериями, обусловливающими урожайность полей. В течение года в почве может накопляться свыше 300 кг азотной кислоты на 1 га. Это количество вполне достаточно для азотного питания растений, и оно оказывает большое влияние и на их фосфорное питание, ибо азотная кислота растворяет труднорастворимые фосфорнокислые соли, превращая их в усвояемые растениями формы.

3. Денитрификация

Кроме процесса нитрификации в природе могут возникать и противоположные процессы разложения азотнокислых солей вплоть до образования газообразного азота, уходящего обратно в атмосферу. Такие процессы восстановления нитратов с образованием как конечного продукта молекулярного азота называются денитрификацией. Денитрификацию вызывают микроорганизмы, широко распространенные в почве, навозе, на поверхности и корнях растений. Это факультативные анаэробы. Попадая в анаэробные условия или даже в условия недостаточного притока кислорода в среде, денитрифицирующие бактерии отщепляют кислород из азотно- или азотистокислых солей, восстанавливая их до азота. Отщепленным кислородом они окисляют безазотистые органические соединения, получая таким образом необходимую им энергию. Эту так называемую прямую денитрификацию вызывают Bact denitrificans, Bact. fluorescens, синегнойная палочка, палочка Штуцера, Thiobac. denitrificans и др.

Наибольшие потери азота почва несет при плохой аэрации и большой влажности ее. Денитрификация — крайне нежелательный процесс в почве, так как ведет к обеднению почвы нитратами. Борьба с ним заключается в аэрации почвы путем перепахивания.

Потеря азота почвой может происходить еще за счет косвенной денитрификации. Самые различные бактерии восстанавливают нитраты до нитритов (например, кишечная палочка) или разлагают белки с образованием аминокислот и амидов. Между нитритами, аминными и амидными соединениями может происходить чисто химическое взаимодействие с выделением молекулярного азота.

Круговорот азота заканчивается возвращением его в атмосферу в процессе денитрификации.

4. Фиксация атмосферного азота

Огромные запасы газообразного азота совершенно недоступны для высших растений и животных. Вовлечение его в биогенный круговорот совершается двумя путями. В первом случае азот превращается в двуокись азота NO2 под влиянием электрических разрядов, происходящих во время гроз, или в результате фотохимического окисления. Двуокись азота растворяется в воде, в почве и окисляется дальше. Этим путем за год 1 м2 поверхности получает 30 мг NO3.

Второй путь вовлечения азота в круговорот осуществляется азотфиксирующими микроорганизмами. Эти микробы разделяются на две группы: 1) клубеньковые бактерии, фиксирующие азот в симбиозе с бобовыми растениями, и 2) свободноживущие бактерии. Еще в глубокой древности было замечено, что большинство растений с течением времени истощает почву, бобовые же растения, наоборот, повышают плодородие почвы. Долголетнее изучение этого явления учеными выяснило, что в небольших клубеньках корней бобовых растений находится огромное количество бактерий. Впервые это было установлено М. С. Ворониным в 1865 г. В 1886 г. Г. Гельригель и Т. Вильфарт нашли, что бобовые растения не могут сами фиксировать азот из воздуха. Они фиксируют азот только в симбиозе с живыми бактериями клубеньков. В 1888 г. М. Бейеринк, крупный голландский микробиолог, выделил эти бактерии в чистой культуре и назвал их Bact. radicicola. В настоящее время род этих бактерий чаще называют Rhisobium. Клубеньковые бактерии снабжают растения азотнокислыми соединениями, а растения обеспечивают их безазотистыми органическими веществами.

Клубеньковая бактерия — аэроб. Она проходит особый цикл развития. В молодых клубеньках бактерии имеют вид мелких подвижных палочек. В дальнейшем они теряют подвижность, в них появляются вакуоли, которые как бы образуют пояски на теле их, наряду с прямыми появляются ветвистые палочки, называемые бактероидами. Бактероиды могут распадаться на кокки, которые опять превращаются в подвижные палочки.

Различают несколько форм клубеньковых бактерий. Одни ученые эти формы считают видами, другие — расами. Они специфичны. Каждая раса образует клубеньки на корнях определенных видов бобовых растений. Так, раса, заражающая клевер, никакую другую бобовую культуру не заражает. Раса, заражающая горох, может также заражать вику, чечевицу, чину и конские бобы. Но эта специфичность не абсолютна. Так, соя, привезенная с Дальнего Востока, в Европейской части Союза при посеве на одном поле не образует клубеньков несколько лет, позднее же начинает образовывать клубеньки. По-видимому, за этот период местные клубеньковые бактерии приспосабливаются к новому для них растению.


Рис. 28. Цикл развития клубеньковой бактерии (по Торнтону)

Специфичность некоторых клубеньковых бактерий к бобовым растениям:

1. Клевер 2. Горох …Вика …Чечевица …Конские бобы 3. Люцерна …Донник 4. Люпин …Сераделла 5. Соя 6. Фасоль 7. Эспарцет 8. Белая акация 9. Желтая акация

В корень растения бактерии проникают через корневые волоски. Клетки корня в местах проникновения их быстро размножаются и образуют клубеньки. Осенью клубеньки разрушаются и бактерии попадают вновь в почву.

По сосудисто-волокнистым пучкам от растений к бактериям поступают сахара, минеральные соединения, которые частью с ассимилированным азотом превращаются в азотистые соединения. Часть последних (25%) идет на построение белка тела бактерии, а большая часть (75%) усваивается бобовыми растениями. Наличие бора способствует фиксации азота. При отсутствии бора клубеньковые бактерии из симбионтов превращаются в паразитов бобового растения.

На корнях ольхи имеются особые деревянистые вздутия (клубеньки), в которых живут актиномицеты. Ольха также находится в симбиозе с актиномицетами, в результате этого симбиоза происходит усвоение атмосферного азота.

С. Н. Виноградский (1893) открыл свободноживущую азотфиксирующую бактерию: в честь Пастера он назвал ее Clostridium Pasteurianum. Он выделил ее на специальной питательной среде, содержащей только глюкозу и необходимые минеральные соли и совершенно не содержащей азота ни в органической, ни в минеральной форме. Опыт был поставлен в анаэробных условиях. Эта бактерия — строгий анаэроб. Клетка ее довольно больших размеров. Она образует споры, которые шире ее поперечника, отчего палочка со спорой принимает вид веретена, поэтому и названа клостридиум, т. е. веретено.

Чтобы усваивать атмосферный азот, эта бактерия нуждается в азоте воздуха, вредный же для нее кислород воздуха поглощается аэробными сапрофитными бактериями, сожительствующими с ней в почве. Они усваивают масляную кислоту, выделяемую клостридиумом. Ассимилируя азот, клостридиум улучшает условия развития сапрофитов. Здесь наблюдаются симбиотические отношения.

Источником энергии для связывания азота служит масляно-кислое брожение безазотистых веществ, глюкозы, сахарозы и др. Крахмал и клетчатку клостридий не усваивает. Он фиксирует 2-3 мг азота на 1 г сброженного сахара. В условиях обильного питания аммиачными солями он предпочитает совсем не усваивать молекулярный азот. Клостридий широко распространен в природе, находится во всех почвах благодаря широкому рН — 4,5-9,0, при котором он развивается. Азот фиксируют и другие виды маслянокислых бактерий, но в меньшей степени.

В 1901 г. М. Бейеринк выделил другой азотфиксатор, названный азотобактером.

Это довольно крупные сплюснутые парные шарики, размером 1-10 мк, покрытые общей слизистой капсулой. Аэроб в молодом возрасте подвижен. Деление его происходит путем перетяжки. Он растет на синтетических средах, не содержащих азота, при наличии следов молибдена, который для него является фактором роста. Азотобактер получает энергию за счет окисления Сахаров, органических кислот. Механизм фиксации азота еще недостаточно изучен. Ассимиляция азота осуществляется (по М. В. Федорову) ферментной системой, в которой активными являются карбонильная группа и тяжелые металлы. Азотобактер находится только в 30% всех почв, так как очень чувствителен к реакции почвы. В почвах с рН ниже 5,6 он уже не встречается. Фиксация азота азотобактером происходит более активно, чем у клостридия, 2-12 мг на 1 г сахара.


Рис. 29. Azotobacter chroococcum

Рис. 30. Clostridium Pasteurianum

Азот атмосферы усваивают также некоторые синезеленые водоросли (Nostoc muscorum), отдельные виды актиномицетов, грибы из рода Phoma (Cladosporium) и некоторые почвенные бактерии, микобактерии. Все они фиксируют азот в меньших количествах, но все же надо учитывать и этот источник, принимая во внимание их широкое распространение.

Недавно открытая азотфиксирующая бактерия бейеринкия, названная в честь Бейеринка, — аэроб, в молодом возрасте подвижна. Развивается при широком рН среды — 4,9-9. Хорошо растет на кислых почвах. Благодаря способности к фотосинтезу и усвоению азота из воздуха синезеленые водоросли чрезвычайно неприхотливы и могут существовать там, где совсем не встречаются другие организмы.

Клубеньковые бактерии усваивают от 50 до 400 кг атмосферного азота на 1 га посевов. Свободноживущие бактерии связывают 20-50 кг азота на 1 га почвы. Фиксация азота микроорганизмами дает пахотной почве в Советском Союзе за год 3,5 млн. т азота (Е. Н. Мишустин). Все это ясно указывает, какое значение имеет этот процесс в природе вообще и в сельском хозяйстве в частности. Общая схема круговорота азота представлена на таблице (по А. А. Имшенецкому).

Рис. 31. Схема круговорота азота

Основная статья: Биогенная миграция атомов

Круговорот азота — это биогеохимический цикл азота в природе.

Одним из наиболее важных элементов является азот. Он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Часть азота усваивается во время молнии, соединяясь с кислородом и образуя оксиды азота. Но основная масса азота переходит в почву и воду в результате фиксации атмосферного азота живыми организмами (рис. 77).

Таким образом, в процессе биогенной миграции в результате взаимодействия живой (биотической) и неживой (абиотической) природы происходит переход неорганической материи в живые организмы и их превращение с возвратом в абиотическое состояние. Этот круговорот азота происходит в природе беспрерывно, и совершается за счёт четырёх последовательных процессов: азотфиксации, аммонификации, нитрификации и денитрификации.

Картинки (фото, рисунки)


  • Рис. 77. Круговорот азота в биосфере

На этой странице материал по темам:

  • Азот конспект кратко

  • D rheujdjhjnt fpjnf exfcnde.n

  • Круговорот азота изображения

  • Круговорот азота рисунок

  • Этапы круговорота азота

Вопросы к этой статье:

  • Какие организмы участвуют в круговороте азота?

  • Назовите этапы превращения азота.

  • Почему Л. Пастер назвал бактерии «могильщиками живой природы»?

  • Назовите азотфиксирующие бактерии.

  • Что такое нитрификация?

  • Что такое денитрификация?

Материал с сайта http://WikiWhat.ru

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра геоэкологии

Реферат

По дисциплине: Экология мегаполисов и промагломераций

Тема: «Круговорот азота»

Выполнила: студентка гр. ИЗ-07-1 /Муравьева А.А./

Проверил: доцент /Исаков А.Е./

Санкт-Петербург

2009 г.

Введение

1. Круговорот азота

2. Влияние хозяйственной деятельности человека на круговорот азота

Список литературы

Введение

Азот – газ, молекула которого состоит из двух атомов. Он содержится в атмосфере – на его долю приходится 4/5 всего воздуха. В чистом виде азот соединяется лишь с очень немногими веществами и большинству живых организмов не нужен. Мы сами, например, с каждым вдохом вбираем немалое количество этого химического элемента, который потом выдыхается обратно. Часть его растворяется в крови, но и там с ним ничего не происходит.

Но если заставить азот соединиться с другими атомами, то образуются соединения, необходимые для всего живого. Растения и животные не могут способствовать образованию этих соединений. Таким свойством наделены некоторые бактерии, живущие в почве, — их называют азотфиксирующими. Только их присутствие в почве делает возможным существование всех других форм жизни.

Азотофиксация – процесс связывания свободного азота атмосферы биохимическим путем с помощью бактерий. Способностью к азотофиксации обладают бактерии Rhizobium, проникающие в корни растений (особенно в бобовые), свободноживущие Azotobakter, Clostribium, Azotomonos, а также отдельные роды сине – зеленых водорослей. Эти организмы называют азотофиксаторами. Биохимическая фиксация азота играет большую роль в азотном балансе почв и в земледелии.

1. Круговорот азота

Круговорот важнейшего элемента живого вещества — азота — охватывает все составные части геосферы и является одним из основных биогеохимических циклов, обеспечивающих поддержание жизни на нашей планете.

Азот — один из наиболее распространенных элементов на Земле. Его запасы в атмосфере нашей планеты составляют 4*1015 т. (78,09% — по объему; 65,6% — по массе).

Азот поступает на земную поверхность вместе с другими газами при извержениях (около 30 т., из них 8 т. на суше, 22 т. за счет подводного вулканизма), при процессах ионизации атмосферы. Соединения азота, синтезированные при ионизации атмосферы, попадают на Землю с осадками в количестве 22 млн. т. азота (над сушей) и 82 т. (над океаном) в год.

Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

4NH3 + 3O2 => 2N2 + 6H2 O

Важнейшим источником поступления азота на земную поверхность является его биологическая фиксация — связывание молекулярного азота атмосферы в азотистые соединения различными микроорганизмами, в том числе клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с бобовыми растениями.

Некоторые количества связанного азота в почвах могут дать микроскопические сине-зеленые водоросли (Cyauphyccal), которые являются фотосинтезирующими микроорганизмами. Однако вряд ли поступление азота в почву в результате их деятельности в условиях неорошаемого земледелия превышает несколько килограммов на 1 га в год.

Азот, накопившийся в почве, принимает участие в биологическом круговороте. Ежегодно в биологическом круговороте на суше участвуют 2,3*109 т. азота (в пересчете на реальный растительный покров). Он входит в состав живого вещества и является основой растительной и в конечном итоге животной массы. Большая часть азота растений представлена белковыми веществами.

Азот является составной частью таких жизненно важных веществ, как нуклеиновые кислоты, хлорофилл, некоторых ростовых веществ (гетероауксин) и витаминов группы В.

Количество азота, вовлекаемого в продукцию живого вещества, в естественных условиях уравновешивается тем количеством, которое возвращается в почву при его отмирании и разложении.

Биологический азот претерпевает в почвах циклические превращения (из нитратов и нитритов — в аммиак и аминокислоты и обратно), в процессе которых он меняет свои валентности.

В результате процесса микробиологического превращения аммонийных солей в нитраты (нитрификация) азот накапливается в той форме, которая вполне доступна растениям. Интенсивность процесса нитрификации в значительной мере зависит от климатических и почвенных условий, температурного режима, увлажнения, химических и физических свойств почвы (степень аэрации, кислотность и др.). Количество общего азота, участвующего в биологическом круговороте, в экваториальном и тропическом поясах наиболее велико. Высокий окислительный потенциал среды способствует быстрой нитрификации азотсодержащих веществ.

Нитрификация – процесс микробиологического превращения аммонийных солей в нитраты – основную форму азотного питания растений. Протекает в почве и воде водоемов. Проходит в две стадии:

1) сначала ион аммония окисляется бактериями в нитрит – ион

NH3 + O2 + CO2 = HNO2 + — органическое вещество.

2) нитрит – ион окисляется в нитрат – ион

HNO2 + O2 + CO2 = HNO3 + — органическое вещество.

Процессы разложения органических остатков протекают также исключительно интенсивно и, наряду с господством промывного режима почв, приводят к быстрой потере органических и минеральных веществ.

В более высоких широтах темпы разложения органических остатков замедляются, сезонность климата обеспечивает перерывы во времени поступления опада.

Это способствует лучшей аккумуляции питательных элементов в почвах, в том числе азота. Ежегодно с опадом во влажнотропических лесах возвращается 260 кг/га азота, в субтропических лесах — 226, лесах умеренного пояса—45—90 (иногда и менее), в степях — 90—161, пустынях — 14—18 кг/га.

На темпы разложения органического вещества почвы и нитрификации оказывают влияние термические и окислительно-восстановительные условия. С повышением температуры темпы нитрификации систематически возрастают, достигая максимума при 34,5

. Этот процесс не приостанавливается и при низких температурах, но идет крайне медленно, так как нитрифицирующие бактерии чувствительны к пониженной температуре.

При температуре ниже 8—10

, наряду с некоторыми снижениями поступлений в корни нитратного и аммиачного азота, ослабляется использование азота на образование органических азотных соединений и передвижение азота из корней в надземные органы. При еще более низких температурах (5—6и ниже) поглощение азота корнями резко снижается.

В результате усиленной деятельности нитрифицирующих бактерий большое количество азота накапливается в парах (вчистом пару количество нитратного азота в 2— 2,5 раза выше, чем в занятом).

Ядохимикаты также оказывают определенное воздействие на деятельность почвенной микрофлоры и, таким образом, влияют на уровень обеспеченности растений азотом. Так, хлорорганические соединения (гексахлоран, гептахлор и др.) в случае применения в высоких дозах могут тормозить процессы нитрификации. Фосфорорганические соединения при внесении в повышенных дозах также способны в определенных условиях несколько депрессировать нитрификационные процессы. Такие препараты, как симазин, атразин и др. и производные хлорфеноксиуксусной и хлорфеноксимасляной кислот, к числу которых принадлежат широко распространенные гербициды, как правило, не оказывают депрессирующего влияния на почвенную микрофлору, хотя в отдельных случаях отмечается заметное угнетение нитрификации и стимулирующее влияние на аммонификацию. В то же время производные хлоруксусных и хлорпропионовых кислот проявляют себя довольно сильными ингибиторами нитрификации.

В результате разложения органических веществ, содержащих азот (аммонификация ), в почве накапливаются соли аммония и др. В присутствии кислорода разложение происходит быстрее с образованием продуктов глубокого распада. Без кислорода белок обычно расщепляется до полипептидов и аминокислот, т. е. сравнительно неглубоко. Конечными продуктами аммонификации являются аммиак, углекислота, метан, водород, вода.

Круговорот азота, обусловленный деятельностью живых организмов, не полностью замкнут, так как часть азота при участии бактерий превращается в элементарный азот и возвращается в атмосферу (денитрификация ).

Бактерии-денитрификаторы постоянно отдают азот в атмосферу: они разлагают нитраты в азот, который улетучивается. Эти бактерии активны главным образом в почвах, которые очень богаты азотом и углеродом (особенно в удобренных навозом). Количество азота, образующегося ежегодно в процессе денитрификации, составляет около 147*106 т. Результатом денитрификации являются, например, подземные газовые струи из чистого азота. На биогенный характер струй указывает отсутствие в них аргона, обычного в атмосфере.

Часть азота может выйти из круговорота за счет захоронения органического вещества в закрытых водоемах. Если принять суммарную мощность годового прироста торфообразователей для всей площади болот 11,3*1014 г, то количество азота, ежегодно захороняющегося на суше (0,8—2,9% от веса торфообразователей), составляет около 20*106 т. Наибольшие количества азота могут выйти из круговорота в результате накапливания на поверхности Земли селитры (калийных солей азотной кислоты).

Добавить комментарий

Закрыть меню