Биологическая фиксация.

В природных условиях N₂ связывают преимущественно бактерии, обитающие в клубнях корней бобовых растений (горох, фасоль, земля­ные орехи, люцерна). В гидросфере азот фиксируют сине-зеленые водоросли. При этом происходит образо­вание аммиака

В воде аммиак существует в аммониевой форме (NH4)+ и подверга­ется двухступенчатой реакции нитрификации. Обе ступени пред­ставляют собой реакции окисления и осуществляются с помощью автотрофных бактерий нитрозомонасами и азотобактерами

В целом реакция имеет вид

Конечным продуктом окисления является нитрат-ион, т. е. та фор­ма, в которой азот ассимилируется при образовании аминокислот и протеинов.

При ферментативном восстановлении N₂ клубеньковыми бактерия­ми атомы Н воды участвуют в образовании NH3. Катализатором слу­жит фермент нитрогеназа. Интенсивное изучение этого фермента было начато в 60-х годах. Оказалось, это сложный ферментный комплекс, состоящий из двух белков разной молекулярной массы (230 ООО и 60 ООО ат.ед.), в состав которых входят кластеры Fe₄S₄ (соответственно 4 и 1). Более крупный белок содержит также два Fe, Мо-кофермента, содержащих по 6—8 атомов Fe и по одному атому Мо. Восстановление N₂ наблюдается только при наличии обоих белков. Остается только удивляться, насколько сложные каталитические процессы реализуются в биологических системах. Степень окисления азота в химических соединениях изменяется от -3 (в NH3) до +5 (в HNO3).

2N+6H2O+3C=4NH3+3CO2

При гибели организма бактерии других типов могут преобра­зовать азот, входящий в состав аминокислот, в аммиак в резуль­тате процесса, называемого аммонификацией

При этом аммиак или ион аммония возвращается в цикл и по­могает восстановить равновесие в природе. Чтобы завершить круго­ворот, нитрат- и нитрит-ионы преобразуются с помощью бактерий в процессе денитрификации в газообразное состояние в виде либо N2O. Таким образом, при нормальных условиях полное ко­личество фиксированного азота равно полному количеству газооб­разного азота, возвращенного в окружающую среду.

Если сказать кратко то, связанный в форме NH3 (NH₄)+ и NO3 азот поглощается растениями и используется для синтеза азотсодержащих соединений, в частности белков. В свою очередь, растительные белки служат пищей для живот­ных, в организме которых они расщепляются на аминокислоты и либо превращаются в животные белки, либо выводятся из организма с экскрементами. В природе существуют микроорганизмы, способные превращать экскременты снова в N2, и таким образом происходит биологический круговорот азота в природе. Схема цикла азота в биосфере:

Здесь {О}, {20Н}, {2Н} — двухэлектронные окислительные и восстановительные эквиваленты (акцепторы и доноры Н).

Промежуточное образование гидразина в процессе восстановления азота до аммиака, как и образование Н2О2 при восстановлении О2 до воды, возможно в качестве побочного продукта.

Процессы нитрификации-денитрификации и аммонификации осу­ществляются в результате деятельности соответствующих бактерий. Бактерии-денитрификаторы распространены в почвах и водах с малым содержанием О2. Образующийся в процессе их жизнедеятельности газ N2O частично поступает в атмосферу. Процесс денитрификации является важными составными частями, они завершают круговорот.

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—6 и ниже) поглощение азота корнями резко снижается.

В результате усиленной деятельности нитрифицирующих бактерий большое количество азота накапливается в парах (в чистом 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).

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*10⁶т. Наибольшие количества азота могут выйти из круговорота в результате накапливания на поверхности Земли селитры (калийных солей азотной кислоты).

Некоторая часть азота с речным стоком поступает с суши в океан. Количество азота, ежегодно выносимое реками в океан (24 млн. т), почти в 100 раз меньше того количества, которое захватывается живым веществом на суше. Относительно круговорота азота в океане данных очень мало. На содержание элементарного азота в океанической воде влияют биохимические процессы: с одной стороны, процессы минерализации азотсодержащих органических веществ— планктона и других организмов, детрита до освобождения свободного N₂, с другой стороны, обратный процесс фиксации элементарного азота, растворенного в воде, сине-зелеными водорослями, азотобактериями.

В 1 литре океанической воды в среднем содержится до 13 мг азота, а общие запасы азота в океане составляют 1, 4*10¹¹ т. Содержание азота в продуктах органического вещества океана составляет 2, 26*10⁹, с учетом антропогенных изменений в фито- и зоомассе. Причем наибольшее содержание органического азота отмечено в поверхностных слоях, затем оно падает до глубины 1000— 1500 м и затем несколько повышается и без заметных изменений прослеживается до дна.

Газообразный азот, растворенный в океанической воде, частично может образовываться в результате регенерации соединений азота, в свою очередь, являющихся продуктами разрушения планктонных и других организмов. К ним относятся N0₂, N0₃ и NH₃, образующиеся главным образом при минерализации более сложных органических соединений — белков, аминокислот и др. Процесс минерализации идет при участии разнообразных бактерий. Помимо того, NO₂, N0₃ и NH₃ привносятся в океан реками, а также атмосферными осадками (82 млн. т).

Прежде чем азот попадает в донные отложения, часть его захватывается организмами морского фитопланктона, в то же время часть его войдет в цикл питания плотоядных, заканчивающийся рыбами, которые служат кормом птицам и млекопитающим. Эта часть азота попадает с экскрементами птиц и млекопитающих на поверхность материков (гуано).

Азот выводится из биологического круговорота после того, как, достигнув океана, аккумулируется в донных осадках. Если принять массу осадков, отлагающихся ежегодно на океаническом дне, 1, 5*10¹⁰ т. в год, а среднее содержание азота в осадочных породах 0, 06 весовых процента, то количество азота, ежегодно захороняющееся в океанических осадках, составляет 9 млн. т.