Круговороты азота и серы.
1. Круговорот азота.
2. Круговорот серы.
Круговорот азота.
Круговорот азота - пример очень сложного и хорошо забуференного круговорота газообразных веществ. Воздух, на 78% состоящий из азота, представляет собой крупнейший "резервуар" и одновременно "предохранительный клапан" системы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий и постоянно возвращается в круговорот в результате деятельности азотфиксирующих бактерий или водорослей (биологическая фиксация азота), а также действию физических процессов (например молний), в которых происходит фиксация азота.
Путь прохождения азота через экосистему отличается от пути углерода и кислорода в нескольких важных аспектах. Во-первых, большинство организмов не могут ассимилировать азот из огромного его фонда (3,85·1021 г N2), имеющегося в атмосфере. Во-вторых, азот не принимает непосредственного участия в высвобождении химической энергии при дыхании: главная его роль сводится к тому, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, которые создают структуру биологических систем и регулируют их функционирование. В-третьих, биологическое разложение азотсодержащих органических соединений до неорганических форм слагается из нескольких стадий, и некоторые из этих стадий могут осуществляться только специализированными бактериями. В-четвертых, большая часть биохимических превращений, участвующих в разложении азотсодержащих соединений, происходит в почве, где доступность азота растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений.
Содержание азота в живых тканях составляет чуть больше 3 % содержания его в активных фондах экосистемы; остальной азот распределен между детритом и нитратами, содержащимися в почве и океане. Кроме того, относительно небольшие количества азота находятся на промежуточных стадиях разложения белка - в виде аммиака и нитритов (табл. 3). Растения ежегодно ассимилируют 86·1014 г азота - менее 1 % активного фонда, поэтому общее время круговорота азота превышает 100 лет.
При круговороте азота происходит поэтапный распад органических соединений, в котором участвует много разных организмов и в результате которого азот в конечном счете переходит в нитратную форму.
Из всех доступных растениям форм, в каких азот содержится в почве, наиболее желательной является аммиак (NН3) или ион аммония (NН4+), потому что их превращение в органические соединения требует минимальных химических перестроек. Аммиак, однако, не может служить источником азота в почве потому, что в высоких концентрациях он токсичен для растительных тканей, и также потому, что он не удерживается в почве. Аммиак легко растворяется в воде и быстро вымывается из почвы. В кислых почвах аммиак превращается в ион аммония. Этот положительно заряженный ион в результате электростатического взаимодействия может присоединяться к поверхности глинисто-гумусовой мицеллы, однако он легко вытесняется в кислых почвах ионами водорода и тем самым тоже довольно легко вымывается водой. Некоторые глинистые минералы просто адсорбируют ионы аммония, включая их в свою кристаллическую решетку, и притом так прочно, что эти ионы не поддаются вымыванию и тем самым становятся недоступными для растений. Тот аммиак, который избежал вымывания из почвы, подвергается действию специализированных бактерий, извлекающих энергию путем окисления азота аммиака до нитритов (NО2-) и нитратов (NO3-). Отрицательно заряженные нитрит- и нитрат-ионы совершенно не связываются с частицами глины, а поэтому легко вымываются. Образовавшиеся в почве нитраты быстро ассимилируются корнями растений. В наземных экосистемах главные запасы азота представляет азот, входящий в состав органического детрита. В водных экосистемах азот содержится главным образом в виде растворенных нитратов.
Таблица 3.
Распределение азота между активными фондами и годовые скорости переноса
(все фонды содержат в сумме около 1018 г азота )
| Фонд | Азот, % | Скорость переноса за год, % |
| Органические формыРастенияЖивотныеДетрит Неорганические формы в почвах и океанахАммиак (NН4+ в пересчете на NН3)Нитриты (NО2-)Нитраты (NO3-) | 11 11 6100 286 138 4180 | 25 1,4 30 63 2,1 |
Биохимические превращения азотсодержащих соединений чрезвычайно разнообразны, потому что азот может соединяться с другими элементами несколькими различными способами. Наиболее важные процессы в круговороте азота - это распад органических азотсодержащих соединений в результате аммонификации и нитрификации, восстановление нитратов и нитритов до молекулярного азота (N2) в результате денитрификации и его высвобождение в атмосферу, а также процесс биологической ассимиляции атмосферного азота путем его фиксации.
В процессе денитрификации азот удаляется из активных фондов почвы и поверхностных слоев воды и попадает в атмосферу; в результате же процесса фиксации атмосферный азот возвращается в активный круговорот, происходящий в экосистеме. Эти процессы представляются второстепенными по сравнению с общим круговоротом азота в экосистеме, однако в тех местах, где содержание азота в почве недостаточно для нормального роста растений, фиксация азота нередко приобретает важное значение .
В органических соединениях азот обычно представлен амино- или какой-либо родственной группой, входящей в состав той или иной органической молекулы. У животных выведение из организма избыточного азота происходит путем отщепления аминов от органических соединений и выделения их в сравнительно неизменной форме, главным образом в виде аммиака (NН3) или мочевины СО(NH2)2. Почвенные микроорганизмы легко превращают мочевину в аммиак путем гидролиза:
СО(NH2)2 + H2O ® 2 (NН3) + CO2
Эта реакция, однако, не сопровождается высвобождением энергии, которая могла бы использоваться для выполнения каких-либо биологических функций.
Некоторые специализированные, и повсеместно встречающиеся бактерии могут высвобождать химическую энергию, содержащуюся в аминогруппе, в результате ряда реакций нитрификации, для которых необходим кислород. Nitrosomonas превращает ион аммония в нитрит; Nitrobacter завершает процесс нитрификации, окисляя нитрит до нитрата.
Нитрификация представляет собой решающий этап в круговороте азота, так как она в конечном счете определяет скорость, с которой азот переходит в форму, доступную зеленым растениям, и тем самым оказывает влияние на продуктивность местообитания. Любые почвенные условия, подавляющие активность бактерий, - высокая кислотность и плохая аэрация почвы, низкая температура и недостаток влаги - подавляют также и нитрификацию. Медленное поступление в почву биогенных элементов, характерное для холодных и засушливых условий, может, в дополнение к непосредственному воздействию этих факторов на фотосинтез, еще больше снижать продуктивность растений. Кроме того, если содержание азота в органическом детрите невелико по сравнению с содержанием в нем углерода, то бактерии расходуют весь этот азот на построение своих клеток, а не используют его в качестве субстрата для метаболизма. В результате азот оказывается связанным в биомассе бактерий, вместо того, чтобы стать доступным растениям.
Денитрификация, в процессе которой нитраты превращаются в азот, происходит в несколько этапов:
NO3-® NО2-® N2O ® N2,
причем на каждом из этих этапов выделяется кислород. (Бактерия Pseudomonas добывает с помощью этого процесса необходимый для дыхания кислород при отсутствии в почве свободного кислорода). Оксид азота (N2O) и молекулярный азот (N2 ) выделяются в атмосферу и, тем самым, исключаются из фондов активного азота. Денитрификация может происходить также чисто химическим путем, без участия микроорганизмов. Например, в кислых почвах происходит реакция:
СО(NH2)2 + 2HNO3® CO2 + 2N2 + 3H2O.
Следует обсудить энергетические взаимоотношения между компонентами круговорота азота, необходимые для функционирования этого круговорота. Ступенчатый процесс разложения белков до нитратов сам служит источником энергии для организмов, осуществляющих это разложение, а обратный процесс требует других источников энергии, таких, как органическое вещество или солнечный свет.
Фиксация азота требует особенно больших затрат энергии, так как много энергии идет на разрыв тройной связи в молекуле азота N2, чтобы с добавлением водорода из воды превратить ее в две молекулы аммиака (NН3). Бактерии в клубеньках бобовых расходуют на биофиксацию 1 г азота около 10 г глюкозы (примерно 40 ккал), полученной растением в фотосинтезе, то есть эффективность составляет 10%.
Для фиксации азота необходимы специализированные биохимические механизмы, отсутствующие, по-видимому, у высших растений; лишь прокариоты, безъядерные, самые примитивные организмы, такие как сине-зеленые водоросли, бактерия Azotobacter и др., могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы. Когда эти микроорганизмы образуют взаимно выгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота значительно усиливается. Растение предоставляет бактериями подходящее местообитание (т.е. корневые клубеньки, листья), защищает от излишка кислорода, который мешает фиксации, и поставляет им необходимую высококачественную энергию - глюкозу. За это растение получает легкоусваемый фиксированный азот.