Круговорот азота в природе

Биология в лицее

Круговорот азота в природе

Круговорот азота

Круговорот азота — биогеохимический процесс в биосфере, в котором участвуют организмы-редуценты, а также нитрифицирующие и клубеньковые бактерии.

При гниении органических веществзначительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:

2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СО2 + НOН

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа.

Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот).

Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота.

К таким процессам относятся, прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты.

Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот.

Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. 

Таким образом, основная часть молекулярного азота фиксируется при участии бактерий и некоторых других организмов, превращающих его в соединения аммония (NH4+).

Фиксация 1 г атмосферного азота требует расхода бактериями в клубеньках бобовых 167 кДж, т. е. окисления примерно 10 г глюкозы.

Симбиоз растений и азотфиксирующих бактерий основан на получении первыми азота в усваиваемой форме, а вторыми — «места жительства».

Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов. Благодаря высокой растворимости, они с дождевыми и грунтовыми водами попадают в Мировой океан.

Азот из тканей растений и животных после их гибели подвергается разложению и денитрификации, т. е. — выделению атомарного азота и его оксидов. Эти процессы идут также благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

Азотфиксирующие бактерии — бактерии, способные усваивать молекулярный азот воздуха. 

Азотфиксирующие бактерии могут быть как аэробами, так и анаэробами, свободно живущими в почве или в симбиозе с растениями. Они имеют очень важное значение в круговороте азота в природе, особенно в снабжении доступными формами азота растений, не способных усваивать его из воздуха.

Azotobacter chroococcum — бактерии, способные в результате азотфиксации переводить газообразный азот в форму, доступную для усваивания растениями

Эти бактерии, способные усваивать азот воздуха и превращать его в аммиак, а затем в аминокислоты, поселяются в корнях растений. Присутствие бактерий вызывает разрастание тканей корня и образование утолщений.

Утолщения на корнях называются клубеньками, поэтому азотфиксирующие бактерии также называют клубеньковыми. Растения в симбиозе с этими бактериями могут произрастать на почвах, бедных азотом, и обогащать им почву.

 

Гнилостные бактерии широко распространены в почве, воздухе, воде, животных и растительных организмах. Поэтому любой подходящий субстрат быстро подвергается гниению. Гнилостные бактерии разлагают органические соединения, содержащие атомы азота, до аммиака. 

Денитрифицирующие бактерии — бактерии, восстанавливающие нитраты до молекулярного азота. 

Все денитрифицирующие бактерии — аэробы и могут окислять органическое вещество за счёт кислорода воздуха, но, попадая в анаэробные условия, они используют кислород нитратов как акцептор электрона. Распространены в почве, воде и грунте водоёмов.

Источник: http://biolicey2vrn.ru/index/krugovorot_azota/0-652

Круговорот азота в природе

Круговорот азота в природе

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме (см.

Химические связи), при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N2. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние.

В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота.

Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ.

При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH3) или ионов аммония (NH4+). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO3–). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул.

После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова.

Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах).

Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается.

В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·1015) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·1012) тонн.

Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов.

Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений.

На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву.

Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду.

Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота.

И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота).

Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота.

Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности.

Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений.

Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).

Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом.

Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе.

Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки.

Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота азота — еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось человечество. В связи с этим можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации».

См. также:

Источник: https://elementy.ru/trefil/21177/Krugovorot_azota_v_prirode

Круговорот азота

Круговорот азота в природе

В зависимости от выполняемой в природе функции живые организмы разделяют на три группы.

1. Растения являются продуцентами, поскольку они синтезируют органические вещества, используя энергию солнца и углекислоту.

2. Животные являются потребителями (консументами), так как используют биомассу растений и животных для построения собственного тела.

3. Микроорганизмы служат деструкторами, осуществляя минерализацию — процесс разложения органических веществ животных и растений.

Образовавшиеся в результате этого процесса минеральные вещества растворяются в воде и используются растениями в качестве источника питания. Таким образом, круговорот веществ в природе объединяет два взаимно противоположных процесса: синтеза и распада органических веществ и обусловлен биологической ролью разных групп микроорганизмов.

Наиболее важными процессами превращения веществ являются круговороты азота и углерода в природе.

11.1. Круговорот азота

В цикл превращений азота входят реакции синтеза сложных азотсодержащих соединений и реакции минерализации органического азота до солей азотной и азотистой кислот или молекулярного азота (рис. 34).

Рис. 34. Схема круговорота азота в природе

Молекулярный азот в природе постоянно имеется в избытке (он составляет около 80 % земной атмосферы), но этот газ химически инертен, и поэтому большинство организмов не могут его использовать.

Питание всех растений, животных и большей части микроорганизмов зависит от источников связанного или фиксированного азота, который относительно дефицитен в почве и воде. Поэтому недостаток соединений азота часто служит фактором, лимитирующим развитие живых организмов.

В связи с этим циклическое превращение азотистых соединений играет первостепенную роль в снабжении необходимыми формами азота различных организмов.

Цикл азота состоит из четырех этапов:

1) азотфиксация — фиксация молекулярного азота;

2) аммонификация — минерализация органических азотсодержащих соединений;

3) нитрификация — окисление аммонийного азота до нитратов и нитритов;

4) денитрификация — восстановление нитратов до аммиака и молекулярного азота.

1. Азотфиксация — уникальный процесс связывания азота атмосферы, который осуществляют прокариотические микроорганизмы. Биологическая фиксация азота осуществляется в природе двумя группами микроорганизмов: свободноживущими бактериями родов Azotobacter и Clostridium и симбиотическими бактериями рода Rhizobium (клубеньковыми), существующими в симбиозе с растениями.

Бактерии рода Azotobacter представляют собой грамотрицательные аэробные палочки, расположенные одиночно или сцепленные попарно.

С возрастом они постепенно укорачиваются и превращаются в кокки, окруженные толстой слизистой капсулой. Молодые клетки азотобактера имеют перитрихиально расположенные жгутики и обладают подвижностью.

При старении клетки теряют подвижность. Azotobacter широко распространен в почвах и водоемах, имеющих нейтральное значение pH.

К свободноживущим азотфиксаторам относятся также бактерии видов Clostridium pasterianum, С. felsineum и др. Они представляют собой палочки, грамположительные, подвижные, образующие эндоспоры. При образовании спор палочки утолщаются и принимают форму веретена. Облигатные анаэробы могут размножаться в диапазоне pH 5,5-8,0.

Связывать молекулярный азот могут и другие микроорганизмы: Azotomonas fluorescens, цианобактерии, некоторые актиномицеты.

Биологическая фиксация азота идет восстановительным путем с участием специфического ферментного комплекса нитрогеназы. Донором электронов является железосодержащий белок ферредоксин, источником энергии — АТФ.

Клубеньковые бактерии представляют собой мелкие, грамотрицательные, подвижные палочки, не образующие спор. Между бактериями и растением устанавливаются симбиотические взаимоотношения: бактерии питаются углеродсодержащими веществами, вырабатываемыми растением, а растения усваивают азотистые соединения, образующиеся бактериями в результате фиксации молекулярного азота.

2. Аммонификация. Белки в виде остатков растений и животных попадают в почву и там разлагаются под действием микроорганизмов. При разложении белка выделяется аммиак, поэтому процесс распада белка получил название аммонификации (гниения).

Гниением называют ферментативный распад белков, обусловленный жизнедеятельностью микроорганизмов. На первом этапе белки расщепляются внеклеточными протеазами до полипептидов и олигопептидов и отчасти аминокислот.

Пептиды поступают в клетку и там расщепляются внутриклеточными пептидазами до свободных аминокислот. Аминокислоты либо используются клеткой для биосинтетических целей, либо подвергаются дальнейшим превращениям (рис.

35).

Рис. 35. Схема распада белка

Глубина расщепления белков зависит от видов микроорганизмов и условий их жизнедеятельности: температуры, влажности, доступа кислорода воздуха.

В аэробных условиях происходит полная минерализация белков, при этом конечными продуктами становятся аммиак, диоксид углерода, сероводород, соли фосфорной кислоты и др. Такой процесс называют тлением.

В анаэробных условиях гнилостное разложение белка не приводит к немедленному освобождению всего аминного азота в виде аммиака.

Под действием анаэробных гнилостных бактерий некоторые аминокислоты подвергаются декарбоксилированию. Продуктами декарбоксилирования аминокислот являются диоксид углерода и биогенные амины.

Среди них наиболее известны кадаверин, путресцин и др. (ранее их называли «трупными ядами»):

Дезаминирование — процесс отщепления аммиака от аминокислоты. Различают окислительное, гидролитическое дезаминирование, а также дезаминирование, приводящее к образованию ненасыщенных жирных кислот.

Окислительное дезаминирование — наиболее распространенный тип распада аминокислот, приводящий к образованию кетокислот:

Гидролитическое дезаминирование происходит при участии гидролаз и приводит к образованию оксикислот:

Примером дезаминирования с образованием ненасыщенных кислот является превращение аспарагиновой кислоты в фумаровую:

Гнилостные бактерии широко распространены в природе, они встречаются в почве, воде, воздухе, на растениях, в кишечнике человека и животных, в пищевых продуктах.

Процесс гниения способны осуществлять разнообразные микроорганизмы: бактерии, актиномицеты, плесневые грибы.

Среди аэробных гнилостных бактерий наиболее часто встречаются Bacillus mycoides (грибовидная палочка), Bacillus mesentericus (картофельная палочка), Bacillus subtilis (сенная палочка), Bacillus meghaterium, Pseudomonas fluorescens (флюоресцирующая палочка) и др.

Наиболее типичными представителями факультативно анаэробных бактерий являются Proteus vulgaris (палочка протея), Escherichia coli (кишечная палочка), Serratia marcescens(чудесная палочка). Представителями анаэробных гнилостных бактерий являются Clostridium putrificum, Clostridium sporogenes.

В наибольшей степени подвержены гниению пищевые продукты с высоким содержанием белка: мясные, рыбные, молочные.

Для предохранения продуктов от гнилостной порчи их консервируют, используя различные физические и химические способы: охлаждение, замораживание, пастеризацию, стерилизацию, посол, засахаривание, копчение, вяление, высушивание, добавление различных химических веществ, подавляющих развитие микроорганизмов, — консервантов.

3. Нитрификация. Аммиак, образующийся в процессе гниения, под действием микроорганизмов превращается в нитраты — соли азотной кислоты. Этот процесс окисления аммиака называют нитрификацией. Он состоит из двух этапов.

На первом этапе аммиак окисляется до азотистой кислоты:

Первый этап нитрификации осуществляют бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira. В последние годы выделены еще два рода бактерий, способных к нитрификации: Nitrosolobus и Nitrosovibrio.

На втором этапе азотистая кислота окисляется до азотной бактериями рода Nitrobacter.

Процесс нитрификации более интенсивно протекает в почве в присутствии кислорода. В результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий за год в почве может накапливаться до 300 кг/га нитратов.

4. Денитрификация — процесс восстановления нитратов до нитритов и молекулярного азота, протекающий по схеме:

Денитрификацию осуществляют бактерии видов Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, P. stutzeri, Paracoccus denitriflcans, Thiobacillus denitrificans и др. В результате денитрификации снижается плодородие почвы, так как образовавшийся азот удаляется в атмосферу.

Источник: https://lifelib.info/microbiology/microbiology_1/45.html

Vse-referaty
Добавить комментарий