Азот - один из элементов-органогенов

Содержание

Введение        2

Биосферный цикл азота. Азотфиксация в океане и на суше. Роль микроорганизмов в трансформации соединений азота. Значение азота как ресурса, лимитирующего первичную продукцию в океане        3

Нитрификация и денитрификация. Последовательное появление этих процессов в эволюции биосферы        8

Азотфиксация на суше. Особая роль азотфиксирующих симбионтов высших растений        10

Производство и применение азотных удобрений        12

Накопление нитратов в грунтовых водах        15

Выбросы оксидов азота промышленными предприятиями        16

Трансформация соединений азота в атмосфере        18

Заключение        20

Список литературы        21

Введение

Азот – один из элементов-органогенов (т. е. из которых в основном состоят все органы и ткани), массовая доля которого в организме человека составляет до 2,5%. Азот является составной частью таких веществ, как аминокислоты (а, следовательно, пептидов и белков), нуклеотиды, гемоглобин, некоторых гормонов и медиаторов.

Чистый (элементарный) азот сам по себе не обладает какой-либо биологической ролью. Биологическая роль азота обусловлена его соединениями. Так в составе аминокислот он образует пептиды и белки (наиболее важный компонент всех живых организмов); в составе нуклеотидов образует ДНК и РНК (посредством которых передается вся информация внутри клетки и по наследству); в составе гемоглобина участвует в транспорте кислорода от легких по органам и тканей.

Некоторые гормоны также представляют собой производные аминокислот, а, следовательно, также содержат азот (инсулин, глюкагон, тироксин, адреналин и пр.). Некоторые медиаторы, при помощи которых «общаются» нервные клетки также имеют в своем составе атом азота (ацетилхолин).

Данная работа посвящена рассмотрению роли азота в природе и его биосферного цикла.

Биосферный цикл азота. Азотфиксация в океане и на суше. Роль микроорганизмов в трансформации соединений азота. Значение азота как ресурса, лимитирующего первичную продукцию в океане

Всю экосистему можно разделить на пять блоков, через них проходят химические вещества (рис. 1). Из которых три активных и два добавочных.

Рис. 1. Схема экосистемы:

а — ассимиляция продуктов; б — дыхание; выделение; в — гибель; выделение; г — детритное питание; д — окисление; разложение; вымывание; е — сжигание; ж— эрозия; з — образование торфа; угля; нефти; и — эрозия; биологическое связывание; к — осаждение [3]

Все эти блоки связаны между собой с помощью циклов. Здесь уместно еще раз напомнить в краткой форме закон цикличности.

Закон цикличности (или закон биогенной миграции атомов Вернадского): Все биогенные элементы совершают биогеохимические циклы, проходя через биоту.

При этом не надо забывать, что организмы являются открытыми биологическими системами. Они поглощают и выделяют кислород, углекислый газ и пр., а сами образуют осадки (донные отложения, гумус, торф и т. д.). Такие открытые, неравновесно устойчивые самоорганизующиеся системы, как уже говорилось, могут существовать только за счет притока внешней энергии, т. е. энергии солнца.

В каждом биогеохимическом цикле различаются два фонда: резервный и обменный (рис. 1). Первый медленно движет биогенные элементы (е–к — см. схему ), а второй быстро перемещает их между организмами и их окружением (а–д — см. схему 1). Любую экосистему (организм, стаю, поле, регион, биосферу) можно рассматривать с точки зрения как обмена элементами внутри, так и экспорта и импорта вещества и энергии снаружи (рис. 2).

Рис. 2. Обмен веществами и энергией в экосистеме:

1- медленное движение (резервный фонд), 2 – быстрое движение (обменный фонд) [3]

При этом, в отличие от вещества, энергия не подчиняется закону цикличности. Ее приток (поглощение света) сопровождается постоянным оттоком (выделение в виде тепла).

Среди биогеохимических циклов различают циклы газообразных веществ (атмосферные) и осадочных веществ (циклы гидро-, педо - и литосферы). К первым относятся циклы углерода, азота, кислорода — озона (цикл Чепмена), ко вторым — фосфора, железа, кальция и др. Причем первые хорошо забуферены, а вторые легко нарушаются.

Как известно, основное количество азота находится в воздухе (около 80%). Однако растения, кроме бобовых (и некоторых бактерий), не могут его использовать напрямую. По пищевой цепи он проходит в основном в виде детрита и мочевины (карбамида). Далее азот попадает к редуцентам, превращающим его в аммиак (точнее, в катион аммония) или нитрат-анион, и он становится доступным для растений. После этого совершается новый круг (рис. 3).

Рис. 3. Круговорот азота [3]

Одной из важнейших реакций в цикле азота является восстановление нитрат-аниона до свободного азота, которая осуществляется анаэробными бактериями-денитрификаторами. Более подробно ее можно записать следующим образом:

Именно она приводит к потере азота в почве и в составе удобрений.

За счет деятельности азотфиксирующих бактерий в океан из атмосферы попадает за год около 140 миллионов тонн азота. Примерно такое же количество азота возвращается в атмосферу в результате осуществляемого другими бактериями процесса денитрификации — восстановления нитратов. Ранее предполагалось, что азотфиксация и денитрификация пространственно разобщены (к примеру, атмосферный азот, связанный в Северной Атлантике, возвращается в атмосферу на севере Индийского океана), но недавние исследования показали, что это не так. Азот связывается азотфиксаторами поблизости от тех мест, где он наиболее активно теряется в ходе денитрификации. Такие области выявлены, в частности, в Тихом океане и в Аравийском море.

Основную массу органического вещества в океане создает фитопланктон — микроскопические взвешенные в толще воды водоросли — и цианобактерии. За счет дальнейшего использования этого вещества существует в океане почти вся остальная жизнь. Однако распределение фитопланктона по акватории Мирового океана (такие карты сейчас получают с помощью спутников, дистанционно измеряющих концентрацию хлорофилла в поверхностных водах) крайне неравномерное. Огромные по площади области в тропических и субтропических районах характеризуются крайне низкой продуктивностью. Высокая же продукция (и биомасса) фитопланктона наблюдается только в Северной Атлантике, в северной части Тихого океана, в некоторых местах Южного океана (недалеко от Антарктиды), а также непосредственно около берегов всех континентов и в районах подъема глубинных вод — апвеллинга. Основная причина крайне низкой продуктивности тропических вод — недостаточное количество азота и фосфора, элементов, абсолютно необходимых всем организмам.

Углерод, азот и фосфор соотносятся в веществе океанического планктона в среднем как 106 : 16 : 1. То есть. на 1 атом фосфора приходится 16 атомов азота и 106 атомов углерода. Это соотношение называют «соотношением Редфильда» — по имени американского океанолога Альфреда Редфильда, выявившего его еще в 1930-х годах. «Соотношение Редфильда» — это удобная точка отсчета, позволяющая судить о том, какой конкретно элемент — азот или фосфор — ограничивает в том или ином месте развитие фитопланктона (углерод можно не принимать во внимание: его в океанической среде всегда более чем достаточно). Получив данные по концентрации растворенного в воде минерального, то есть пригодного для использования фитопланктоном, азота (обычно это NO3–) и фосфора (обычно PO43–), исследователи сравнивают их количественное отношение с соотношением Редфильда (то есть с тем, что в клетках). Если N : P > 16, то, скорее всего, фитопланктон ограничен нехваткой фосфора, если N : P < 16, то нехваткой азота [5].

Нитрификация и денитрификация. Последовательное появление этих процессов в эволюции биосферы

При соответствующих условиях (наличие кислорода, температура выше 4° С и др.) под действием аэробных микроорганизмов (нитрифицирующих бактерий) происходит окисление азота аммонийных солей, в результате чего образуются сначала соли азотистой кислоты, или нитриты, а при дальнейшем окислении — соли азотной кислоты, или нитраты, т. е - происходит процесс нитрификации. Этот биохимический процесс был открыт в 70-х годах XIX в. Но только в конце XIX в. русскому микробиологу удалось выделить чистую культуру нитрифицирующих бактерий. Одна группа этих бактерий окисляет аммиак в азотистую кислоту (нитритные бактерии), вторая — азотистую кислоту в азотную (нитратные бактерии). Нитрификация имеет большое значение в очистке сточных вод, так как этим путем накапливается запас кислорода, который может быть использован для окисления органических безазотистых веществ, когда полностью уже израсходован для этого процесса весь свободный (растворенный) кислород. Связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов под действием микроорганизмов (денитрифицирующих бактерий) и вторично расходуется для окисления органического вещества. Процесс этот называется денитрификацией. Он сопровождается выделением в атмосферу свободного азота в форме газа.

Масса кислорода, заключающегося в нитритах и нитратах, может быть определена следующим образом.

Реакция окисления азота аммонийных солей

(NH4)2СО3 + 3О2 = 2HNО2 + СО2 + 3Н2О;

2HNO2 + О2 = 2HNО3.

Для образования нитритов по уравнению на 2 масс. ч. азота требуется 6 масс. ч. кислорода, а для образования нитратов  —еще 2 масс. ч. кислорода, т. е. всего 8 масс. ч. Так как относительная атомная масса азота равна 14, а кислорода —16, то на окисление до нитратов требуется на 2-14 = 28 масс. ч. азота 8+16= 128 масс. ч. кислорода, или на 1 мг азота 128 : 28=4,57 мг кислорода.

Процесс нитрификации является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических загрязнений. Наличие нитратов в очищенных сточных водах служит одним из показателей степени их полной очистки; поэтому необходимо применять такие очистные сооружения, которые обеспечили бы оптимальные условия для жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий [4].

Азотфиксация на суше. Особая роль азотфиксирующих симбионтов высших растений

Запасы газообразного N2 в атмосфере неисчерпаемы: в атмосферном воздухе 79 % N2.

Азот – инертное соединение, он не доступен высшим организмам.

Фиксировать азот способны более 30 видов бактерий различных систе­матических групп (клостридии, сульфатредукторы, энтеробактерии, спириллы, актиномицеты, цианобактерии).

В природе азотфиксация происходит биологическим и небио­логическим путями.

Голландский микробиолог М. Бейеринк (1901) открыл Azotobacter chroococcum (семейство Azotobacteriaceae).

Молодые клетки Azotobacter – аэробные палочки, превращающиеся в крупные кокки Палочковидные клетки имеют жгутики, кокки неподвижны.

Наиболее изучены Az. chroo­coccum, Az. vinelandii и Az. agilis.

Активные культуры связывают 15-20 мг N2 на 1 г органического вещества. Azotobacter проявляет высокую по­требность в органических веществах, фосфоре, молибдене. Обитает в высокоплодо­родных, достаточно влажных почвах с нейтральной или близкой к ней реакцией среды.

Бактерии рода Beijerinckia отличаются кислотоустойчивостью, кальцифобностью. Имеют палочковидную, овальную или круглую форму, некоторые подвижны, образуют капсулы. Менее требовательны к фосфору и молибдену, менее чувствительны к повышенной концентрации солей «Fe» и «Al». Beijerinckia широко распространена в кислых почвах субтропической и тропической зон.

Свободноживущие фиксаторы N2 виды родов Derxia, Arthrobacter, Azomonas, Klebsiella, Erwinia, Pseudomonas fluorescens, Azospirillum lipoferumиAz. brasilense.

Анаэробные азотфиксаторы – пред­ставители рода Clostridium(семейство Bacillaceae), впервые выделенные (1893). Это спорообразующие палочки, перитрихи, растут при рН от 4,5-5,5 – 8-9.

Clostridium – слабоактивный азотфиксатор: связывает от 1 до 3 мг (10-12) «N» на 1 г сброженного сахара.

Способны фиксировать N2 Cl. pasteurianum Cl. butyricum, Cl. acetobutylicum, Cl. pectinovorum, Cl, felsineum.

Анаэробные азотфиксаторы: Bacillus polymyxа, некоторые олиготрофы, корине - и микобактерии, Methylomonas, пурпурные и зеленые серные и несер­ные бактерии.

Активные азотфиксаторы – аэробные цианобактерии: Anabaena, Nostoc, Cylindrospermum, Calothris, Tolypothrix и Scytonema. Они распространены во всех почвенно-климатических зонах. Многие живут в симбиозе с растениями, грибами [4].

Производство и применение азотных удобрений

Соли азотной кислоты (HNО3) с давних пор используются как азотные удобрения. Самое большое распространение получили:

калийная селитра — KN О3; чилийская селитра — NaNО3; кальциевая селитра — Ca(NО3)2; аммиачная селитра — NH4NО3.

Не так давно нитраты относили к слаботоксичным веществам, их даже иногда назначали как мочегонное средство. В данный момент отношение к ним пересматривается. Дело в том, что из нитратов при некоторых условиях образуются нитриты, которые порождают процессы, приводящие к метгемоглобинемии, онкологии и другим болезням.

Нитриты образуются из нитратов, которые содержатся в растительных и животных продуктах, как во время хранения и кулинарной обработки, так и в период усвоения продуктов организмом человека.

Нитриты — соли азотистой кислоты (HNО2) — могут восстанавливаться из нитратов различными микроорганизмами.

Процесс превращения нитратов делят на несколько этапов, на каждом из которых (при наличии благоприятных условий) могут синтезироваться опасные для человека нитриты и канцерогенные нитрозосоединения.

Одним из важнейших воздействий на почву сегодня является антропогенное. Это, наряду с прочим, и применение удобрений. Их часто вносят или меньше, чем изымается биогенов с урожаем, или больше. Норма азота, фосфора и калия — 9 кг в год на человека (по нитратам — около 200 мг на 1 кг живого веса, по нитритам — около 10 мг на 1 кг живого веса). Для этого азотные, фосфорные и калийные удобрения надо вносить в количестве примерно 100 кг на 1 га в год. Но не все, что вносится, утилизируется в почве. Около 50% (а в некоторых случаях до 90%) составляют потери.

Кроме удобрений, почва загрязняется ядохимикатами, бытовыми и промышленными отходами, а также транспортом. В частности, вдоль дорог концентрация свинца в почве на порядок и более превышает среднюю по региону.

Как известно, потеря почвой азота особенно опасна. Это приводит к торможению роста и делению растительных клеток, поскольку азот нужен для синтеза белков, хлорофилла, при этом снижается и производство органического вещества. Следует отметить важность внесения азота и других биогенов на определенных стадиях развития растений. Все удобрения особенно нужны на стадии роста.

Кроме недостатка удобрений, опасен и их избыток. Так, увеличение в 1,5 раза количества многих из них по сравнению с нормой приводит не к увеличению, а к снижению урожайности (внешне это выражается в полегании посевов), а двойной избыток может снижать всхожесть семян. Причем такой избыток приводит к вымыванию биогенов, например азота в виде нитратов, и их попаданию в водоемы со всеми вытекающими последствиями.

Таким образом, следует уяснить, что значительный избыток удобрений не дает пропорционального прироста урожая. Так, учеными США показано, что пятикратное увеличение количества азотных удобрений даже в оптимальных условиях (нужная фаза роста, отсутствие вымывания, требуемая температура и влажность) увеличивает урожайность лишь на 30%. А ежегодный избыток азота, вносимого в почву во всех странах, составляет около 9 млн т. Куда же он девается? Кроме всего прочего, он оказывается и у нас на столе. Проблема избыточного внесения удобрений в почву— это и проблема увеличения их производства. В результате — увеличение выбросов, например соединений азота в промышленности азотных удобрений (до 50%). А это, кроме газообразных отходов, также нитраты и нитриты, оказывающиеся в сточных водах, а следовательно, в избытке в почве и продуктах питания.

Заметим, что и те и другие оказывают серьезное негативное воздействие на животных. Причем, нитраты в организме превращаются в нитриты, которые в пять раз опаснее. Они влияют на дыхание и обмен веществ, приводят к сердечной недостаточности. А сами нитриты в кислой среде превращаются в нитрозамины — сильнейшие канцерогены, вызывающие рак органов пищеварения.

Подсчитано, что выброс 1500 г нитратов и нитритов в год в данном регионе может вызвать рост раковых заболеваний у населения на 5%. Кроме этого, избыток азота в почве стимулирует образование микотоксинов почвенными грибами, которые также являются канцерогенным фактором.

Важно также отметить, что наличие нитратов и нитритов в пищевых продуктах ухудшает их качество, снижает устойчивость при хранении, уменьшает пищевую ценность, например понижает процент сахара в сахарной свекле. Увеличение процента азота приводит к потере гумуса почвой, снижению доли микрофлоры в ней, а его удаление в атмосферу — к увеличению в ней концентрации оксидов азота, например веселящего газа [3].

Накопление нитратов в грунтовых водах

Присутствие нитратов в воде очень грубо можно определить на вкус. Вяжущий, кисловатый вкус нитратов ощущается уже при концентрации 8 миллиграмм/литр. С увеличением содержания нитратов в воде кисло-соленый привкус усиливается, и при концентрации нитратов 1600—2000 миллиграмм/литр вкус воды становится горьковатым.

Многие исследователи связывают увеличение количества нитратов в грунтовых водах и водоемах Европы с использованием минеральных удобрений. Учёные приводят такие результаты исследования. Они вносил под виноград азотные удобрения (сульфат аммония): осенью—120, летом — 30 килограмм/га. В результате за 6 лет содержание нитратов в воде достигло 113 миллиграмм/литр.

Таким образом, «запасные» нитраты не пропадают бесследно, а бумерангом возвращаются к человеку в питьевой воде [1].

Выбросы оксидов азота промышленными предприятиями

Оксид азота (I), образующийся главным образом естественным путем, безвреден для человека. Он представляет собой бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым вкусом. Вдыхание небольших количеств N2O приводит к притуплению болевой чувствительности, вследствие чего этот газ иногда в смеси с кислородом применяют для наркоза. В малых количествах N2O вызывает чувство опьянения (отсюда название «веселящий газ»). Вдыхание чистого N2O быстро вызывает наркотическое состояние и удушье.

       Оксид азота NO и диоксид азота N2O в атмосфере встречаются вместе, поэтому чаще всего оценивают их совместное воздействие на организм человека. Только вблизи от источника выбросов отмечается высокая концентрация NO. При сгорании топлива в автомобилях и в тепловых электростанциях примерно 90% оксидов азота образуется в форме монооксида азота. Оставшиеся 10% приходятся на диоксид азота. Однако в ходе химических реакций значительная часть NO превращается в N2O - гораздо более опасное соединение. Монооксид азота NO представляет собой бесцветный газ. Он не раздражает дыхательные пути, и поэтому человек может его не почувствовать. При вдыхании NO, как и CO, связывается с гемоглобином. При этом образуется нестойкое нитрозосоединение, которое быстро переходит в метгемоглобин, при этом Fe2+ переходит в Fe3+. Ион Fe3+ не может обратимо связывать O2 и таким образом выходит из процесса переноса кислорода. Концентрация метгемоглобина в крови 60 – 70% считается летальной. Но такое предельное значение может возникнуть только в закрытых помещениях, а на открытом воздухе это невозможно. [2]

       По мере удаления от источника выброса все большее количество NO превращается в NO2 - бурый, обладающий характерным неприятным запахом газ. Диоксид азота сильно раздражает слизистые оболочки дыхательных путей. Вдыхание ядовитых паров диоксида азота может привести к серьезному отравлению. Диоксид азота вызывает сенсорные, функциональные и патологические эффекты. Рассмотрим некоторые из них. К сенсорным эффектам можно отнести обонятельные и зрительные реакции организма на воздействие NO2. Даже при малых концентрациях, составляющих всего 0,23 мг/м3, человек ощущает присутствие этого газа. Эта концентрация является порогом обнаружения диоксида азота. Однако способность организма обнаруживать NO2 пропадает после 10 минут вдыхания, но при этом ощущается чувство сухости и першения в горле. Хотя и эти признаки исчезают при продолжительном воздействии газа в концентрации, в 15 раз превышающей порог обнаружения. Таким образом, NO2 ослабляет обоняние.

       Но диоксид азота воздействует не только на обоняние, но и ослабляет ночное зрение – способность глаза адаптироваться к темноте. Этот эффект же наблюдается при концентрации 0,14 мг/м3, что, соответственно, ниже порога обнаружения.

Также следует отметить еще одну проблему, связанную с присутствием в атмосфере оксидов азота. Соединяясь с атмосферной влагой, оксиды азота образуют слабые растворы азотистой и азотной кислот. Это приводит к выпадению так называемых кислотных дождей. Под воздействием кислотных дождей происходит закисление почв и обеднение их питательными элементами. От кислотных дождей происходит деградация и полная гибель лесных массивов.

В местах интенсивного выброса оксидов азота (как правило в городах с развитой промышленностью и автомобильным движением) происходит снижение прозрачности атмосферы и образование фотохимического тумана – смога [2].

Трансформация соединений азота в атмосфере

Наиболее распространенными соединениями азота, встречающимися в воздухе, являются N2O, NO, NO2, НNO3, NН3 , NO3– , NН4+. Многие из них разрушают озоновый слой, а оксиды азота приводят к появлению фотохимического смога и кислотных дождей.

Их основными источниками, кроме атмосферных процессов и окисления азотсодержащих соединений бактерия ми в воде и в почве, являются химическая промышленность и транспорт. В частности, оксид N2O, так называемый веселящий газ, производят как активный пенообразователь и распылитель. Монооксид азота NO образуется, например, в высокотемпературных выхлопах машин в количестве 1–2 г за 1 км пробега по реакции

Он отрицательно влияет на эпителий органов дыхания, а при длительном воздействии нарушаются функции ЦНС.

Наиболее ядовитым из перечисленных соединений является диоксид азота NO2. Он получается в результате реакции окисления монооксида азота, которая спонтанно протекает в воздухе:

Его образование связано и с природными процессами (около 40 млн т в год), и с деятельностью человека (около 20 млн т в год).

Хорошо известно, что при растворении в воде он образует азотную и азотистую кислоты:

Человек, находящийся в атмосфере с высокой концентрацией диоксида азота (более 0,005%), в течение первых часов никаких недомоганий не ощущает. Примерно к восьмому часу появляется удушье, кашель, тошнота, боли в животе. При этом учащается пульс и наступает расстройство сердечной деятельности. Таким образом, диоксид в первую очередь поражает органы дыхания (слизистую, легкие), вызывая отеки, а эффект образуемых им кислот аналогичен эффекту от действия серной кислоты. В частности, пары азотной кислоты раздражают кожу и слизистые, разрушают зубы.

Аммиак выделяется в результате биоразложения различных остатков в почве. Его концентрация высока в воздухе животноводческих ферм (коровников, свинарников и пр.), поскольку он выделяется с мочой животных, а так же вблизи химических предприятий. Аммиак производят практически во всех развитых странах, но главным производителем является Россия. Используется он в том числе и для получения азотных удобрений, а в природе образует соли азотной и серной кислот. Биологический эффект аммиака знает каждый, кто нюхал нашатырный спирт (раствор аммиака в воде). В высоких концентрациях он чрезвычайно токсичен [2].

Заключение

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме, при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N2. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние.

В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере.

Список литературы

, Синякова окружающей среды. Химия гидросферы. Учебное пособие. - СПб., СПбГТУРП, 2013. - 90 с. Гришина химии окружающей среды. Часть 1. Химические процессы в атмосфере. Учебное пособие. - Владимир, ВлГУ, 2006. - 68 с. Гусакова H. B. Химия окружающей среды. Учебник. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2004. - 192 с. Зилов окружающей среды. - Иркутск: Изд-во ИрГУ, 2006. - 176 с. Ушакова окружающей среды. Учебно-методический комплекс. - Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2009. – 111 с.