Роль биосферы в круговороте азота.

Круговорот азота. Азот имеет важнейшее значение для жизнедеятельности всех организмов. Он входит в состав аминокислот, из которых состоят белки, нуклеиновых кислот, витаминов и т.д. В живых организмах содержится в среднем 3% азота. Запасы азота на Земле огромны. Только в атмосфере его содержание составляет по объему 78%. Однако, как это ни парадоксально, запасы азота в Биосфере крайне ограничены, а от его недостатка страдают многие живые организмы. Это обусловлено тем, что практически весь атмосферный азот содержится в молекулярной форме (N2). Молекулярный азот не ядовит (иначе Земля была бы необитаемой), однако не поддерживает жизненных процессов. Само название «азот» в переводе с древнегреческого означает «безжизненный» (а – отрицательная частицы, «зоон» – жизнь). Молекулярный азот обладает очень слабой реакционной способностью. Это не так уж плохо, поскольку в противном случае азот и кислород в атмосфере реагировали с образованием нитритов:

N2 + 2 О2 → 2 NО2

и далее – азотной кислоты:

NО2+ Н2О → HNO3

Ни один вид эукариотов не способен усваивать газообразный азот из атмосферы. Они могут использовать только «связанный азот», входящий в состав неорганических и органических веществ, таких как аммиак (NH4), нитриты (NО2-) и нитраты (NО3-), а также белков. Например, человек в сутки должен потреблять не менее 100 – 150 г белков. В большинстве случаев он берет эти белки из мясных и рыбных продуктов, вегетарианцы используют белки растительного происхождения (соя), а также молочных продуктов. От количества связанного азота в почве в огромной степени зависит ее плодородие. Еще в Древней Греции и Риме знали, что бобовые растения (фасоль, вика, горох, люпин) резко повышают плодородие почвы, тогда как остальные культуры ее снижают. Об этом писали основоположник ботаники Теофраст, римские ученые Катон, Варрон, Плиний Старшй и Вергилий. Однако только в 1838 году французский агрохимик Буссенго установил, что бобовые значительно увеличивают количество связанного азота в почве. Однако из этого Буссенго сделал неправильный вывод. Он предположил, что бобовые растения способны усваивать из атмосферы не только углекислый газ, но и молекулярный азот и что процесс фиксации азота, как и фотосинтез, происходит в листьях.

Лишь в конце XIX века было доказано, что атмосферный азот усваивают не сами растения, а симбимонтные бактерии, которые поселяются в их корнях. Важная роль в этом открытии принадлежит русскому ботанику К. А. Тимирязеву. Процесс связывания молекулярного азота живыми организмами называется азотфиксацией., а организмы, способные его усваивать – азотфиксирующими, или азотфиксаторами.

Механизм биологический фиксации азота очень сложен и еще до конца выяснен. В общем виде он представляет реакцию взаимодействия азота с водородом с образованием аммиака, которая происходит на внутренней поверхности клеточной мембраны:

2N2 + 3Н2 → 2 -NН3

Водород для этой реакции не берется организмами из атмосферы, как считалось ранее, а является продуктом разложения воды или сероводорода в процессах фотосинтеза и хемосинтеза. Аналогичная реакция фиксации азота используется для промышленного производства азотных удобрений. Промышленный синтез аммиака происходит в специальных герметических установках при давлении 200 – 1000 атмосфер и температуре до 400 – 500оС. Он требует огромных затрат энергии (до 70% от себестоимости удобрений) и приводит к значительному загрязнению природной среды. Многим странам выгоднее не производить, а импортировать азотные удобрения; поэтому импорт азотных удобрений в мировой торговле приравнивается к импорту энергоносителей.

Ранее считалось, что бактерии осуществляют процесс азотфиксации с меньшими затратами энергии. Теперь выяснилось, что энергетическая стоимость этого процесса очень высока – от 16 молекул до 20 – 30 молекул АТФ на 1 молекулу иона -NН3. При этом до 25% АТФ тратится только на разложение воды или сероводорода. Для компенсации таких затрат все сообщество клубеньковых бактерий потребляет до 12% чистой первичной продукции растения-хозяина. Поэтому азотфиксирующие бактерии при наличии в среде достаточного количества связанного азота прекращают фиксацию атмосферного азота. Механизм биологический фиксации азота контролирует небольшая группа из 20 компактно расположенных генов («nif-система»; nif – сокращение от nitrogen fixation). Ее структура у разных у разных групп азотфиксаторов (бактерии, цианобактерии) практически одинакова. Некоторые вирусы отрывать nif-систему от молекулы ДНК азотфиксирующей бактерии и присоединять ее к ДНК других видов бактерий. Предполагается, что nif- система возникла сравнительно недавно у какого-то одного вида бактерий; затем она посредством вирусов была перенесена в другие виды бактерий и цианобактерий. Скопление большого количества азотфиксирующих бактерий в тканях корней растений приводит к образованию на них утолщений, или клубеньков. Поэтому азотфиксирующие бактерии, живущие в корнях, иногда называются клубеньковыми бактериями. В нестоящее время известно около 13 тысяч видов бобовых растений, на корнях которых поселяются азотфиксирующие бактерии. Кроме того, последние поселяются и на корнях около 200 видов растений из других семейств, например, ольхи, облепихи и др. Среди азотфиксирующих бактерий имеются и свободноживущие виды, обитающие в почве, воде, донных илах и т.д. Некоторые виды встречаются даже в рубце жвачных животных. Фиксировать азот способы также некоторые актиномицеты и цианобактерии. Поэтому последние способны жить в водоемах, почти не содержащих биогенных элементов, например, в геотермальных источниках. Высокие урожаи риса в странах Юго-Восточной Азии во многом обусловлены тем, что на затапливаемых водой рисовых полях интенсивно развиваются цианобактерии, обогащающие донный ил связанным азотом. Азотфиксирующие цианобактерии образуют мутуалистические ассоциации с некоторыми видами мхов, например, со сфагнумом, водным папоротником азоллой, голосемянными и цветковыми растениями. Симбионтная фиксация азота оценивается в среднем в 100 -200 кг на га в год, а его фиксация свободноживущими организмами – только 1- 5 кг на га в год. Считается, что биологическая фиксация азота в Биосфере составляет 150 миллионов тонн. Для сравнения, мировое производство азотных удобрений в 2000 г. равнялось 85 миллионов тонн. Значительное, по сравнению с этими цифрами, количество связанного азота образуется в атмосфере при грозовых разрядах, или при извержениях вулканов:

2N2 + O2 → 2 NO2

Этот азот, ранее не входивший в состав Биосферы, называется “ювенильный азот”. Растения, имеющие симбионтов-азотфиксаторов, часто являются пионерными видами, которые поселяются на бедных азотом почвах на начальных стадиях сукцессии. В результате их деятельности содержание связанного азота в почве может повыситься настолько, что оно перестает быть лимитирующим фактором для других видов растений. Далее в процессе сукцессии такие почвы быстро заселяются другими видами растений, которые затем вытесняют пионерные виды. Поэтому бобовые растения практически никогда не доминируют в климаксных сообществах. По этой же причине в сельском хозяйстве невозможно выращивать на одном и том же поле несколько лет подряд бобовые растения. Их посевы глушатся сорняками, интенсивно развивающимися на обогащенных азотом почвах. Поэтому бобовые растения иногда называют «растениями-самоубийцами» или «растениями- камикадзе». Другие группы бактерий (нитрификаторы) переводят аммиак в нитриты:

NН3 + О2 → НNO2

А другие – в нитраты:

NН3 + О2 → -NO2 →-NO3

Эти реакции идут с выделением энергии, которая используется нитрификаторами для образования АТФ и синтеза органических соединений. Поэтому процессы нитрификации иногда называют «азотным дыханием». Накапливающийся в растениях связанный азот усваивается гетеротрофными организмами. Он используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих соединений, из которых затем образуются белки и другие жизненно важные органические вещества. Организмы в процессе жизнедеятельности выделяют во внешнюю среду продукты азотистого обмена

– аммиак, мочевую кислоту и мочевину, которые вновь включаются в круговорот азота. После смерти организмов их остатки разлагаются бактериями-редуцентами до простых неорганических соединений. Среди них есть особая группа бактерий-денитрификаторов, которые разрушают белки и другие азотсодержащие вещества до молекулярного азота, который возвращается в атмосферу:

-NO3 → -NO2 → N2O → N2

Последний этап этой цепочки (образование молекулярного азота) требует значительных затрат энергии Деятельность азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий взаимно уравновешивает друг друга. Поэтому количество атмосферного азота, связываемого атотфиксаторами, приблизительно равно его количеству, возвращаемому денитрификаторами в атмосферу. Поэтому запасы азота в Биосфере практически постоянны. Период круговорота всего запаса азота в Биосфере оценивается приблизительно в 1000 лет. Однако деятельность азотфиксирующих бактерий и другие источники связанного азота не способны поддерживать запасы азота в почве на необходимом для растений уровне. Поэтому для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур в почву необходимо вносить азотные удобрения. Это могут быть органические удобрения, или продукты жизнедеятельности живых организмов, навоз, торфокрошка, перегнившая листва и др., минеральные удобрения – суперфосфат, аммиачная селитра и др.

Природные залежи фиксированного азота весьма невелики по сравнению с запасами фосфоритов и сильвинитов – сырья для производства фосфорных и калийный удобрений. На побережьях многих морей на птичьих базарах за многие тысячелетия образовались огромные отложения экскрементов птиц (гуано), очень богатые связанными соединениями азота. В результате ряда химических и физических процессов эти залежи превращаются в минерал селитру (NH4NO3). Среди них особо выделяются районы тихоокеанского побережья севера Чили и юга Перу. Установление контроля ними стало причиной войны между Боливией и Чили («Селитряная война», 1879 – 1883 гг.). В результате ее Боливия потеряла выход к Тихому океану, лишившись, таким образом, и залежей селитры.

В связи переходом в начале ХХ столетия сельского хозяйства передовых стран Европы и Северной Америки на интенсивный путь развития, природные запасы азотных удобрений быстро иссякли. Это привело к значительному росту промышленного производства азотных удобрений. Если в 1970 их производство в мире составляло около 30 млн. тонн, то к 2000 году оно превысило 80 миллионов тонн. Широкое, а в ряде случаев неправильное применение минеральных удобрений (азотных, фосфорных, калийных) в сельском хозяйстве привело к вымыванию их атмосферными осадками и грунтовыми водами из почвы в водоемы. Особенно большое количество соединений азота накапливается в стоячих и водоемах – прудах, малопроточных озерах, а также в колодцах, берущих воду из самого верхнего водоносного слоя. Значение ПДК для содержания нитратов в питьевой воде составляет 45 мг/л, нитритов – 3 мг/л. Повышение содержания биогенных элементов в водоеме приводит к интенсивному развитию в них автотрофных организмов, в первую очередь планктонных водорослей. При этом в водоеме увеличивается валовая и чистая первичная продукция. Увеличение продуктивности водных экосистем в результате накопления в воде биогенных элементов в результате действия антропогенных или природных факторов называется эвтрофикацией, или эвтрофированием. Ее наглядным примером является цветение водоемов, что имеет такие неприятные последствия, как снижение рекреационных свойств водоемов, ухудшение качества воды, гибель многих видов водных организмов. Поэтому в последние годы разрабатываются нетрадиционные методы увеличения содержания азота в почве. Налажено выращивание ряда штаммов азотфиксирующих бактерий на заводах белково-витаминных препаратов. Их концентрированную культуру в сочетании с минеральными удобрениями вносят в почву или добавляют в корм скоту. Делаются эксперименты по внедрению генов азотфиксирующих бактерий, которые регулируют фиксацию азота, в другие виды почвенных бактерий. Проводятся исследования по выведению штаммов азотфиксирующих бактерий, которые могли бы развиваться на корнях культурных растений, например, злаковых, и крестоцветных и пасленовых.