Г.А. Заварзин - Лекции по природоведческой микробиологии (1125587), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Важные изменения в азотный цикл внесло производство минеральных азотистых удобрений, приобретшее широкие масштабы в ХХ в. Таким образом, на входе в цикл азота располагается азотсодержащая мортмасса. Обсуждая состав атмосферы, мы не будем полностью рассматривать цикл азота, в котором органический азот и растворенный азот минеральных соединений количественно играет подчиненную роль. Основной резервуар азота находится в атмосфере. Вовлечение его в биогеохимические реакции в подавляющей степени обусловлено биотическими факторами, Вместе с тем летучие соединения окислов азота играют определяющую роль в фотохимии атмосферы, инициируя окислительный цикл, как об этом сказано выше. Летучие соединения азота удобнее начать рассматривать с аммиака.
Образование аммиака происходит при а4444онифинаттии органических азотистых соединений. Этот процесс идет в анаэробных условиях с образованием аммиака как основного или единственного продукта. В аэробных условиях часть аммиака перехватывается на иитрификацию, а часть — на конструктивные процессы растениями— и возвращается в рецикл. В анаэробных условиях источником аммония может служить аммонифицирующая нитратредукция, при которой, в отличие от денитрификации, образуются не 1ч4 и окислы азота, а аммиак. Улетучивание аммиака происходит в щелочных условиях, когда из иона аммония образуется аммиак, Такие условия довольно редки.
Характерным источником аммиака атмосферы служат пастбища, где локально создается высокая концентрация аммиака за счет разложения карбамида, а в просторечии — мочевины. Мочевина поступает прн разложении мочевой кислоты в орнитиновом цикле. Разложение мочевины осуществляет группа уробактерий, сейчас практически выпавших из внимания.
Уробактерии, как, например 5рагозагс1ла,игеа, обладают уреазой, под действием которой карбамид распадается на аммиак и углекислоту. В водной среде образуется бикарбонат аммония — великолепное средство для подщелачивания среды, из-за чего мочевину употребляют в импортной зубной пасте для борьбы с кариесом. Уробактерии в высокой степени алкалотолерантны и создают среду с рН > 10, при которой аммиак н улетучивается.
В атмосфере аммиак как единственная летучая щелочь играет очень важную роль, нейтрализуя БО, превращающуюся в серную кислоту кислотных дождей. Аммиак соединяется с ней, образуя кислый сернокислый аммоннй )чН4НЯО4. Выпадение сернокислого аммония служит важным фактором удобрения омбротрофных, т.е. имеющих дождевое питание, мест обитания, например лесо-болотных экосистем и верховых болот. В аэробных условиях, когда источником азота является ион аммония, происходит нитрификация.
Она ограничена с кислой стороны диссоциаций азотистой кислоты: в недиссоциированном виде азотистая кислота представляет сильный яд и мутаген. Первая комбинированная культура аммонификатора и возбудителей первой н второй фаз нитрификацин, давшая нвтрификацию органического азота, была получена В.Л. Омелянским, но его учитель С.Н. Виноградский проворчал, что такой результат можно было предвидеть, и дело дальше не пошло, На самом деле отношения здесь очень непростые.
Впоследствии такие примитивные трофические цепи были использованы для обезнитрачивания, важнейшего процесса в очистных сооружениях, предотвращающего евтрофикацию сточными водами. Здесь вслед за ступенями аммонифнкации и нитрификации была включена ступень денитрификации. Нитрификация служит мощным окислительным процессом. При разложении органического вещества в очистных сооружениях по потреблению кислорода она занимает второе место после образования углекислоты. Расход кислорода на нитрификацию в аэротенках приходится учитывать как существенную часть затрат.
Нитрификация осуществляется высокоспецифичными организмами-монотрофами в две фазы: 1- окисление аммиака в высокореакционоспособный нитрит, который появляется лишь в ничтожных концентрациях как промежуточный продукт; П- окисление нитрита в нитрат, который является термодинамически стабильной формой в окислительной атмосфере Земли.
Если следовать термодинамическим равновесиям, то доминирующей формой азота в биогенной кислородной атмосфере должен был бы быть нитрат. Однако нитрат накапливается лишь в условиях невозможности его использования растениями, з геохимических ловушках. Такими ловушками служат селитряницы, где разложение азотистых органических веществ не сопровождается вымыванием нитрата или включением в бнотический круговорот. Высолы нитратов появляются при эвапоритовой тяге. Деятельность нитрификаторов в целом ведет к переводу соединений азота в растворимые формы. Однако по пути ннтрнфикации в качестве промежуточного продукта образуется Х,О, которая может выделяться в атмосферу, составляя один из важных источников этою газа в связи с легкостью обмена с атмосферой. Накопление нитрнтов как при окислении аммиака, так и при нитратредукции может приводить к образованию в побочных реакциях весьма токсичных нитрозаминов.
Денитрификация и образование окислов азота. Нитраты и нвтриты становятся исходным материалом для образования окислов 134 азота ХО и ХО,, получивших общее обозначение ХО,. Эти окислы образуются и при высокотемпературных реакциях с участием воздуха — пожарах, электрических разрядах в атмосфере, но особенно в двигателях внутреннего сгорания. Их участие в фотохимических реакциях в тропосфере делает их исключительно важными загрязннтелями, Высшие окислы азота легко вымываются из атмосферы. Ключевая роль окислов азота в тропосферном фотохимическом цикле как катализаторов окислительных процессов упоминалась выше.
Образование ХО имеет существенное значение в химии тропосферы. Измерение потоков ХО часто обнаруживает не только образование, но и поглощение, причем потоки очень варьируют в зависимости от условий и времени. Обычная величина потока составляет от -12 до +250 нг Х/(м' с). Образование ХО, потребление, диффузия регулируются независимо. Главным источником ХО считается денитрификация.
Образование окислов азота было обнаружено еще в Х!Х в. при открытии деввтрификации. Дополнительными источниками служат нитратное дыхание, свойственное очень широкому кругу организмов; гетеротрофная денитрификация; химическая дисмутация нитрата. Дени1рнфикаторы образуют ХО при восстановлении нитрита, Продукция ХО при денитрификации на порядки превышает продукцию в аэробной зоне, однако требует строго анаэробных условий, при которых обмен с воздухом затруднен. Сродство денитрнфикаторов к ХО очень высоко, и К,„< бнМ. Регуляция обмена ХО зависит не только от регуляции на уровне клетки, но и от смены микробных популяций. Одним из определяющих факторов для состава популяций служит температурная адаптация.
Повышение рН кислых почв сильно увеличивает разнообразие ХО-образующих организмов. Закись азота ХзО относится к числу постоянных микропримесей атмосферы с содержанием 0,3 ррш, причем в Северном полушарии ее содержание выше. Концентрация ее быстро возрастает за последнее время, и это приписывают возрастающему употреблению азотных удобрений. По своему парниковому эффекту Х,О превосходит метан и углекислоту, однако наибольший интерес они представляет в связи с реакциями в стратосфере.
ХзО представляет химически устойчивый газ со сравнительно высокой растворимостью. Однако через тропосферу она проходит без больших потерь, так как совершенно не участвует в фотохимических реакциях в тропосфере. Вымывание атмосферными осадками для нее незначительно по сравнению с высшими окислами азота. Для возбуждения ХзО необходим УФ с длиной волны меньше 340 нм. Тогда ХзО реагирует с активным кислородом, образующимся при фотолизе озона, н дает две молекулы ХО, которые участвуют в фотохимическом цикле, ведущем к понижению концентрации озона.
135 Концентрация ХгО остается постоянной на протяжении тропосферы и убывает лишь с переходом в стратосферу. Это иллюстрирует отсутствие тропосферного стока. Перенос Х20 через границу тропосферы оценивается в 10-15 Тг/год, а суммарная мощность реакции образования ХΠ— 1 — 1,6 Тг/год, и соответственно время пребывания ХгО в атмосфере оценивается в 100 — 150 лет. Источники ХгО находятся на поверхности Земли, и ими считаются наземная и океаническая денитрификация и нитрификация. Для океанической эмиссии ХгО поток рассчитывается по разности концентрации в воде и атмосфере и оценивается величиной порядка 40 Тг/год. Дисбаланс между поглощением и выделением ХгО составляет для океана около 5 Тг/год.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
