Природная фиксация азота

Цель занятия: изучив природный и техногенный циклы азота, сформировать модели химии атмосферы в областях с повышенной антропогенной нагрузкой

Значимость темы: особенности физико-химических превращений компонентов атмосферы связаны с природными (фаза солнечной активности, географическое положение, время суток) и с антропогенными факторами. Для разработки методов защиты окружающей среды от промышленных загрязнений необходимо знание механизмов и кинетики образования продуктов химических реакций, протекающих в атмосфере, а также умение рассчитывать как фоновые концентрации компонентов атмосферы и загрязняющих её веществ, так и их изменения, возникающие под действием антропогенных факторов..

Теоретическое введение

Глобальный цикл азота изучен толь­ко в общих чертах, и оценки потоков этого элемента между раз­личными резервуарами отягощены большими неопределенно­стями. Так, приводимые разными исследователями значения, характеризующие потоки азота в системе атмосфера – почва, различаются в 5…10 раз.

В атмосфере содержится 3, 87∙ 10⁶ Гт N почти полностью в форме молекул N₂. В составе атмосферных микропримесей присутствуют

N₂O, NH₃ и NH₄⁺, NO и NO₂, HNO₃

В земной коре содержится (0, 7…1, 5)∙ 10⁶ Гт азота (в осадочной части коры 6∙ 10⁵Гт N, в гранитном слое 1, 65∙ 10⁵Гт N), в верхней мантии 13∙ 10⁶ Гт N. Таким образом, главным источником азота для географической обо­лочки Земли является верхняя мантия, выделение азота из нее происходило и продолжает происходить в процессах вулка­нической деятельности.

В живом веществе суши (представленном преимущественно растительностью) содержится около 25 ГтN, в органическом веществе почвы более 100 Гт.

В гидросфере содержится 2∙ 10⁴Гт растворенного N₂ (0, 5 % от общего количества N₂ в атмосфере), 700 Гт N в виде ионов, 300 Гт N в составе органического вещества морей и океанов («мертвой органики», дис­персного органического вещества), около 0, 5 Гт N содержат живые организмы.

Природная фиксация азота

Азот является элементом, необходимым для жизни, он входит в состав молекул белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул. Однако молекула атмосферного N₂ химически инертна и усвоение из нее N невозможно для зеленых растений суши (основных продуцентов) без процессов фиксации азота – перевода его в биологически усвояемые ионные формы.

В атмосфере во время грозовых электрических разрядов образуются оксиды азота N₂О, NО, NO₂. Впоследствии они взаимодействуют с водяными парами и другими компонентами атмосферы:

N₂O → N₂ + O∙,

∙ ОН + NO₂ → HNO₃ ,

NO₂ + О₃ → NO₃ ∙ + О₂ ,

NO₂ + NO₃∙ → N₂O₅,

N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃ .

Так происходит абиотическая фиксация азота. Биологически усвояемые формы азота (NО₃^– и содержащийся в атмосфере NH₄⁺) выпадают на сушу с дождями и снегом в количестве около 10∙ 10⁶ т N в год (3…30 кгN/га в год, что немаловажно для некоторых организмов, таких как лишайники на скалах, мхи верховых болот). Предполагается, что абиотическая фиксация азота возможна и на поверхности песчинок в пустыне, что может объяснить быстрое развитие растительности весной (в течение короткого влажного периода).

Однако гораздо большее количество азота – на суше (44…200)∙ 10⁶ тN/год, в океане (1…120)∙ 10⁶ тN/год – поступает из атмосферы в результате его фиксации микроорганизмами. Реакцию осуществляют почвенные бактерии родов Azotobacter, Clostridium, Frankia и других. Среди них встречаются свободноживущие и симбиотические формы. Хорошо известны бактерии рода Rhizobium, образующие клубеньки на корнях бобовых растений; благодаря этому около 95% фиксированного атмосферного азота (в форме иона аммония) переходит в цитоплазму растения-хозяина. Деревья и кустарники (облепиха, ольха, восковик) живут в симбиозе с азотфиксирующими грибами-актиномицетами. Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы дают 5…15 кгN/га, симбиотические клубеньковые бактерии 70…300 кгN/га в год.

Фиксировать азот могут также сине-зеленые водоросли, что играет важную роль в обогащения азотом рисовых полей. Эти цианобактерии живут изолированно или в симбиозе с грибами (образуя лишайники) или с папоротниками.

Энергетически реакция фиксации молекулярного азота невыгодна, поэтому она происходит за счет использования энергии расщепления углеводов (приведено суммарное уравнение реакции):

3[СН₂О] + ЗН₂О + 2N₂ + 4Н⁺ → ЗСО ₂ + 4NH₄⁺ + Δ H

В цитоплазме клетки ион NH₄⁺ реагирует с кетокислотами, образуя аминокислоты, используемые впоследствии для построения белков и других биомолекул (происходит ассимиляция аммония).

В процессе жизнедеятельности организма происходит постоянное образование и разрушение (деградация) азотсодержащих органических веществ. Продукты распада этих веществ различны у разных организмов – аммоний (рыбы), мочевина (млекопитающие, земноводные), мочевая кислота (насекомые, птицы). Однако наибольший вклад в возращение минеральных компонентов азота в окружающую среду вносят микроорганизмы, разлагающие органические вещества.