Статьи

Круговорот азота. Фиксация азота воздуха. Круговорот фосфора.

Азот (N) является структурной составляющей аминокислот и протеинов, рибонуклеиновой кислоты (РНК), хранителя наследственности — дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и многочисленных органических-химических циклических соединений. Как правило, живые существа могут воспринимать азот только в виде соединений, чаще всего в виде нитрата (NO₃^-), В цикл попадают атмосферный азот и нитраты, сохранившиеся до сих пор в литосфере.

В экосистемы он попадает такими путами:

фотохимическое превращение азота воздуха в NH₃, и NO, под действием высокоэнергетического высотного излучения поставляет в среднем 35 мг/м² в год:
фиксация азота синезелёными водорослями н бактериями приносит 140мг/м² в год.

Оба процесса обогащают азотный цикл на 6,7% ежегодно, поэтому возврат соединений азота в цикл из отходов экологически важен. Фиксация азота микроорганизмами разнообразна. В морях это совершают свободно живущие многочисленные бактерии (Azobakter, Clostridium, Desulfovibrio) и синезелёные водоросли (Nostacaceae, Anabaena, Trichodesium). На суше существенное значение имеют симбиотные бактерии, например клубеньковые бактерии, и пионерные растения типа бобовых и ольхи, способствующие заселению бедных азотом почв.

Рисунок схема. Круговорот азота.

Фиксация азота воздуха.

N₂ → 2N, Δ Н = + 670 кДж.

2N + ЗН₂ → 2NH₃, Δ Н = - 54 кДж.

Поскольку недостаток азота замедляет рост растений и к тому же вместе с урожаем азот извлекается с возделываемых площадей, необходимо компенсировать его недостаток путем внесения азотсодержащих удобрений. При техн. фиксации азота атмосферы для изготовления искусств, удобрений и при сжигании топлива человек вносит в экосистемы нитраты и оксиды азота, тем самым нарушая природное равновесие в системе Переход разово добавленного в систему азота в полезные соединения обеспечивается микроорганизмами, которые не могут использовать свет в качестве источника энергии. Необходимую для синтеза энергию они добывают из энергии химических связей органических (органотрофных) или неорганических (литотрофных) молекул (хемосинтез), В богатой кислородом окружающей среде такие органические молекулы, как аминокислоты, аммиак (NH₃) и нитрит (NO₂^-), окисляются. Аммонификация, например псевдомонас (Pseudomonas):

2CH₂NH₂COOH + 3О₂ → 4СО₂ + 2Н₂O + 2NH₃, Δ Н = 737 кДж/моль глицина.

Нитрификация, например нитросомас (Nitrosomas):

2NH₂^-, + ЗО₂ → 2Н⁺ + 2NO₃^- + Н₂О, Δ Н = - 552 кДж.

Например нитробактер (Nitrobacter):

2NO₂^- + О₂ → 2NO₃^-, Δ Н = - 146 кДж.

В анаэробных условиях, например в стоячей воде и эвтрофных водах, бактерии используют ионы NO₃^-, в качестве источника кислорода и как акцептор Н⁺. Восстановление нитрата идет через нитрит до иона аммония (NH₄⁺) (нитратаммонификация), N₂O и элементарного азота (денитрификация). В виде N₂O и N₂ азот для живых существ потерян. Аммонификация нитратов, например псевдомонас (Pseudomonas):

2C₆H₁₂O₆ + 6NO₃^- → 12СО₂ + 6ОН^- + 6NH₃

(данные по энергетическому эффекту реакции отсутствуют).

Денитрификация, например нитрококков (Nitrococcus):

С_бН₁₂О₆ + 6NO₃^-→ 6СО₃^-+ 3Н₂О + ОН^- + 3N₂O, Δ Н = - 2282 кДж/моль глюкозы;

5С₆Н₁₂О₆ + 24NO₃^- → 30СО₂ + 18Н₂О + 24ОН^- + 3N₂, Δ Н = - 2387 кДж/моль глюкозы;

например денитрификация тиобациллами:

5S + 6NO₃^- + СаСО₃ → 3SO₄^2- + 2CaSO₄ + 2СО₂ + 3N₂, Δ Н = - 553 кДж/моль серы.

Круговорот фосфора.

Фосфор — основной элемент экосистемы, ограничивающий рост. В минеральный цикл фосфор попадает в виде фосфат-иона (PO₄^3-). Фосфаты вымываются при выветривании из материнской породы или добываются при горных разработках и используются растениями. Многочисленные виды фосфатов плохо растворимы в воде и выпадают из цикла вследствие осаждения. В этом простом по сравнению с азотом цикле газовая фаза отсутствует. Круговорот Р в живет организмах (эндогенный цикл) может происходить весьма быстро. Фитопланктон усваивает фосфаты за 5 минут. Выделение фосфора происходит в среднем через 3 суток непосредственно в воду или в зоопланктон, который выделяет столько фосфатов, сколько и содержится в нем (А. Р. Померой).

Рисунок схема. Круговорот фосфора.

Часть фосфатов остается в растениях в течение 15 — 20 суток, что объясняется их оборотом во внутренних циклах (Ц. Р. Балль, Ф. Ф. Хупер). Более половины Р в организмах содержится в фосфатах, а остаток — в неорганических молекулах или связан в органических соединениях. Фосфат играет особую роль в энергообменных процессах организмов, поскольку благодаря переносу фосфат-иона к молекуле ДДФ появляется высоко энергетическая и легко транспортируемая молекула АТФ. Большое количество фосфора в организме содержится прежде всего в нуклеиновых кислотах РНК и ДНК и в мембранах в виде фосфолипидов.

Добавить комментарий