Кругообіг Азоту

Університет міста Переславля.

ДОКЛАД.

за курсом: «Экология».

тема: «Круговорот Азота».

студента 2 курсу, групи Э75.

Чевтаева Александра.

Переславль-Залесский, 1999 год.

Азот становить 79%атмосфери, але дуже багато живих істот неспроможні прямо використовувати цей запас азоту. Спочатку повинен бути фіксованим спеціалізованими організмами чи людиною — у тому цьому разі фіксація здійснюється з допомогою спеціально розроблених промислових процессов.

Хоча люди і наземні тварини живуть дно якої повітряного океану, на 79% що складається з азоту, саме такий елемент найбільше визначає запас рослинної їжі мешканців того океану. І ми залежний від наявних фіксованого азоту. «Фіксованим» називають азот, включений у таке хімічну сполуку, що може бути використана рослинами і тваринами. У атмосфері азот не активний, та деякі організми все-таки можуть пов’язувати його. Менше кількість атмосферного азоту фіксується у природних процесах іонізації. Атмосфера іонізується космічними променями, сгорающими метеоритами, електричними розрядами (блискавки), швидко що виділяють дуже багато енергії, необхідне, щоб азот зміг прореагувати з киснем чи воднем води. Азот фіксують навіть деякі морські організми, але, певне, найбільшими постачальниками фіксованого азоту у природі є грунтові мікроорганізми і симбиотические асоціації між такими організмами і растениями.

З усіх видів втручання людини у природний круговорот речовин промислова фіксація азоту — найбільше в масштабах. З 1950 року щорічне кількість азоту, фіксованої у процесі виробництва добрив, зросла приблизно 5 разів, і нині понад рік промисловим способом фіксується стільки азоту, скільки могли зафіксувати все екосистеми Землі до запровадження сучасної агротехніки. У 1968 року світова промисловість дала близько тридцяти млн. т фіксованого азоту; до 2000 року цю цифру, мабуть, перевищить 1000 млн. т.

За часів, коли існувало виробництва штучних добрив, коли ще вирощувалися великих площах азотфиксирующие бобовими культурами, кількість азоту, удаляемого з атмосфери у процесі природної фіксації, певне, цілком врівноважувалося його поверненням у повітря внаслідок діяльності організмів, перетворюють органічні нітрати в газоподібний азот. Сьогодні ми невпевнені у цьому, що процеси денитрификации встигають за процесами фіксації. Невідомо, які наслідки потягне у себе тривалий перевага фіксації над денитрификации. Ми знаємо, що надмірний винесення азотистих сполук, у річки може викликати «цвітіння» водоростей і цього посилення їх біологічну активність вода може втратити кисню, що викликає загибель риби та інших що потребують кисні організмів. Найвідоміший приклад цього — швидка эвтрофизация озера Эри.

Щоб отримає уявлення про складно розгалужених шляхах, якими рухається азот в біосфері, давайте простежимо шлях атомів азоту з атмосфера у клітини мікроорганізмів, потім у грунт — вже як фіксованого азоту, та якщо з грунту — у вищі рослини, звідки пов’язаний азот може вступати у організми тварин. Рослини і домашні тварини, отмирая, повертають фіксований азот у ґрунт, звідки ж він або вступає у нове покоління рослин та тварин, або у формі елементарного азоту перетворюється на атмосферу.

Дивно, деякі організми знаходять вигідним окисляти сполуки азоту, тоді як інші організми, котрі живуть у тій середовищі, виживають тільки завдяки своєї здатності відновлювати ці сполуки. Крім фотосинтезирующих організмів, використовують енергію світла, будь-які живі істоти отримують енергію з допомогою хімічних перетворень. Зазвичай це окислювання одного з'єднання з одночасним відновленням іншого, хоча іноді окисляться і відновлюватися можуть різні молекули однієї й тієї ж речовини і навіть різні фрагменти однієї молекули. Круговорот азоту в живої природи може бути тому що за окислюванні атмосферним киснем відновлених неорганічних сполук азоту виділяється енергія в біологічно ефективної формі. У анаеробних умов окислені сполуки азоту можуть бути окислювачами органічних сполук, зновутаки після виходу корисною энергии.

Специфічна роль азоту в біологічні процеси обумовлена незвичайно великою кількістю ступенів окислення, тобто. валентностей. Валентність — це властивість атома даного елемента приєднувати чи заміщати певна кількість атомів іншого елемента. У організмі тварин і звинувачують рослин більшість азоту присутній або у вигляді іона амонію, або у вигляді аминосоединений. У обох формах азот сильно відновлено: об'єднавшись з трьома іншими атомами, він прийняв від нього три електрона, т. е. Має валентність -3. У другій сильно окисленої формі (нитрат-ион) п’ять зовнішніх електронів атома азоту беруть участь у освіті зв’язку з атомом кисню, набуваючи у своїй валентність +5. Нитрат-ион — головна форма, у якій азот є у грунті. При переході іона амонію чи амінокислот в грунтові нітрати валентність азоту має змінюватися на 8 одиниць, т. е. Атом втрачає 8 електронів. І, навпаки, під час переходу нітратного азоту в азот аминогруппы атом набуває 8 электронов.

У цілому нині які у грунті реакції, у яких азот відновлюється, дають значно більше енергії, ніж окисні реакції, внаслідок яких в атомів азоту віднімаються електрони. Узагальнюючи, можна сказати, що у природі будь-яка реакція, у якій при перетворення одного з'єднання перетворені на інше утворюється хоча б 15 ккал/моль, є джерелом енергії у тому чи іншого організму чи групи организмов.

Фіксація азоту вимагає енергії. Спочатку азот треба «активувати», т. е. розбити молекулу азоту на два атома. А ще піде по меншою мірою 160 ккал/моль. А сама фіксація, т. е. поєднання двох атомів азоту із трьома молекулами водню із заснуванням двох молекул аміаку, дає близько 14 Ккал. Отже, загалом реакцію витрачається щонайменше 147 Ккал. Але невідомо, чи доводиться азотфиксирующим організмам, справді, витрачати стільки енергії. Адже реакціях, катализируемых ферментами, відбувається просто обмін енергією між що реагують речовинами і кінцевими продуктами, а зниження енергії активации.

Аміак чи іон амонію, створений у грунті, може поглинатися корінням рослин. Азот у своїй входить у амінокислоти і невдовзі стає частиною білка. Якщо рослина потім з'їдається тваринами, то азот входить у інші білки. У кожному разі білок зрештою повертається у грунт, де розпадається на складові його амінокислоти. У аеробних умовах перетворюється на грунті міститься безліч мікроорганізмів, здатних окисляти амінокислоти до двоокису вуглецю, води та аміаку. Під час розкладання, наприклад, глицина виділяється 176 ккал/моль.

Деякі мікроорганізми з цієї родини Nitrosomonas використовують нитрификацию іона амонію як генератор. У присутності кисню аміак дає нитритный іон і воду; вихід енергії у цій реакції становить 65 ккал/моль, а цього досить для «пристойного» існування. Nitrosomonas належить до групи про автотрофов — організмів, які споживають енергію, запасену в органічних речовинах. Фотоавтоторфы використовують енергію світла, а хемоавтотрофы, подібні Nitrosomonas, отримують енергію одержуючи їх із неорганічних соединений.

Інша спеціалізована група мікроорганізмів, представником якої є Nitrobacter, здатна отримувати від нітритів енергію, якої зневажив Nitrosomonas. При окислюванні нітритного іона в нітратний вивільняється близько 17 ккал/моль — трохи, але цілком достатньо у тому, аби підтримати існування Nitrobacter.

У грунті чимало різних видів бактерий-денитрификаторов, які, потрапивши в анаэробные умови, може використати нітратний і нитритный іони як акцептори електронів при окислюванні органічних соединений.

Порівняльна цінність іонів амонію і нітриту як джерел азоту для рослин була об'єктом багатьох досліджень. Здається, іон амонію переконливішими: валентність азоту у ньому дорівнює -3, т. е. той самий, що з азоту в амінокислотах; валентність ж нітратного азоту дорівнює +5. Отже, щоб використовувати азот з нітратного іона, рослина має затратити енергію На оновлення пятивалентного азоту до трехвалентного. Насправді все складніше: то, яка форма азоту краще, залежить. Як виявилося, зовсім з інших чинників. Оскільки іон амонію заряджений позитивно, майже відразу після його освіти у грунті він захоплюється частинками мулу, у яких і залишається до окислення. Негативний іон нітрату, навпаки, вільно рухається у грунті, отже, легше потрапляє у зону корней.

Грунтові азотофиксирующие організми залишалися малоизученными аж остаточно ХІХ століття. Вчені навіть побоювалися, денитрифицирующие бактерії, як разів у той час відкриті, поступово вичерпають запас фіксованого азоту в грунті і знизять родючість. У своїй промові перед Королівським суспільством, у Лондоні сер У. Крукс накидав похмуру картину голоду, який очікує у майбутньому, а то й з’явиться штучні способи фіксації азоту. Тоді головним джерелом селітри й у виробництва добрив, й у вироблення вибухових речовин були поклади до Чилі. Саме потреба в вибухових речовинах стала головним стимулом для хіміків. У 1914 року німецькі хіміки Ф. Габер і Ко. Бош запропонували католицький спосіб промислової фіксації азота.

Коли круговорот азоту був у найзагальніших рисах вивчений, стала зрозуміла роль бактерий-денитрификаторов. Без таких бактерій, повертають азот у повітря, більшість атмосферного азоту була б зараз у пов’язаної формі в океані й у осадових породах. Нині в атмосфері, зрозуміло, недостатньо кисню для перекладу всього вільного азоту в нітрати. Але цілком можливо, що односторонній процес за відсутності денитрификаторов призвів до подкислению води в океані нітратами. Почалося б виділення двоокису вуглецю з карбонатних гірських парод. Рослини постійно вилучали б двоокис вуглецю з повітря, вуглець з часом відкладався чи в формі кам’яного вугілля чи інших вуглеводнів, а вільний кисень насичував б атмосферу і поєднувався з азотом. Через різноманіття складності всіх таких процесів важко, як би світу реакції денитрификации, але напевно це було б незвичний нам мир.

Процес біологічної фіксації азоту відомий не в всіх деталях. Хотів би знати, як активуючий фермент, використовуваний азотофиксирующими бактеріями. Може при звичайній певній температурі й нормальному тиску виконувати те, що відбувається у хімічному реакторі при сотнях градусів і атмосфер. В усьому світі лише кілька кілограмів цього фермента.

Азотфиксирующие організми діляться на великі групи: живуть самостійно й більше що у симбіозі з вищими рослинами. Кордон між цими групами негаразд різка, як думали раніше. Адже рівень взаємозалежності рослин i мікроорганізмів може бути різною. Симбиотические мікроорганізми безпосередньо залежить від рослини як джерела енергії, а можливо, й деяких поживних речовин. Свободноживущие азотфиксаторы отримують енергію від рослини непрямим шляхом, і деякі їх використовують безпосередньо світлову энергию.

Певне, головними постачальниками фіксованого азоту на грунтах, зайнятих злаками, та інших екосистемах, де немає рослин з азотфиксирующими симбионтами, служать різні бактерії. У підхожих умовах синьо-зелені водорості може бути важливим джерелом фіксованого азоту. Їх внесок у фіксацію азоту особливо заметемо на рисових полях та інших місцях, де умови сприяють їх развитию.

Для Землі загалом природним найважливішим джерелом фіксованого азоту служать, певне. Бобові рослини. Вони важливіше інших азотфиксирующих рослин з господарського думки і тому краще изучены.

Ведучи мову про світової продовольчої проблемі, зазвичай підкреслюють необхідність розширення посівів бобових культур. Адже вони лише збагачують грунт азотом, а й собою вже є цінним харчовим продуктом, що містить всі необхідні амінокислоти. Проте широке вирощування бобових великих площах наштовхується певні перешкода. Головне їх — традиція, і смаки. У багатьох країнах. Де бобові будь-коли вживалися для харчування, запровадження з як основного харчової культури, природно, пов’язане з великими трудностями.

Розглянувши основні реакції круговороту азоту, ми можемо тепер подивитись все це процес загалом і спробувати зрозуміти його зв’язки й з іншими процесами у природі. Морська вода має злегка лужну реакцію, вони можуть повільно віддавати у повітря аміак, але кількісно оцінити цей приплив аміаку практично неможливо, Суша служить переважно окислів азоту. З дощами вносять у рік близько 25 млн. т фіксованого азоту. Вважається, що 70% цієї кількості фіксоване і циркулює в біосфері вже досить що й лише 305 фіксоване недавно під впливом розрядів атмосферного електрики і цього інших атмосферних явлений.

У систему постійно надходить новий азот внаслідок вивітрювання вивержених порід земної кори. Втрата азоту врівноважується надходженням в атмосферу з так званого «ювенільного азоту» з вулканів. Цим шляхом в круговорот щорічно повертається 2…3 млн. т фіксованого азота.

Коли наприкінці ХІХ століття вчені побоювалися, хіба що бактеріїденитрификаторы не збіднили грунт, то сьогодні, навпаки, стурбовані відставанням денитрификации від фіксації азоту. Адже дуже багато фіксованого азоту вносять у біосферу як наслідок його промислової фіксації і посиленого вирощування бобових. Виникла необхідність більше дізнатися про денитрификации — дізнатися точно, й у яких умовах вона происходит.

Відомо передусім, що у нормі денитрификация майже іде у аеробних умовах. Якщо доступний вільний кисень, то тут для організму енергетично вигідніше окисляти з її допомогою органічні сполуки, ніж використовувати кисень, пов’язаний в нитратах. Однак у біосфері би мало бути і великі області з анаэробными умовами, благоприятствующими денитрификации. Такі умови складаються скрізь, де надходження органічних речовин перевершує надходження кисню, який буде необхідний їх розкладання. Типові приклади областей, де процес денитрификации йде поблизу поверхні - арктична тундра, болота та інші подібні місцеперебування з обмеженою надходженням кислорода.

Що ж до круговороту азоту в океані в океані, про ньому відомо ще. Ми знаємо, деякі морські організми фіксують азот, але кількісних даних ми майже немає. Вважається, що з рік річки виносять в океан близько 20 млн. тонн на формі нітратів і приблизно вдвічі більше коштів у формі органічних речовин. Бо у осадові породи йде мало азоту, можна вважати, що океан до втручання людини у круговорот азоту встигав денитрифицировать усе це количество.

Оскільки ми недостатньо обачно звертаємося з азотними добривами і азотовмісними покидьками, річки й озера можуть перенасытиться азотом, які у їх із водою. У цих водоймах і підземних водах концентрація азоту може настільки підвищитися, що вода стане взагалі придатної для пиття. Де-не-де це сталося. Ймовірно, що вдасться використовувати процеси мікробної денитрификации зменшення кількості пов’язаного азоту, але треба ще багато зусиль те що, щоб розробити методи практичного застосування денитрификаторов.

Діяльність, спрямована, те що, щоб прогодувати що зростає народонаселення, повинна бути врівноважена, пошуками шляхів для збереження рівноваги в круговерті азота.