Круговорот углерода и азота

Литература

1. The Haber Process. Сайт chemguide;
2. Механизм биологической фиксации молекулярного азота. Сайт «Академик»;
3. Брей С.М. Азотный обмен в растениях. М.: Агропромиздат, 1986. — 199 с.;
4. Mylona P., Pawlowski K., Bisseling T. (1995). Symbiotic nitrogen fixation. Plant Cell. 7, 869–885;
5. Lacey J.M. and Wilmore D.W. (1990). Is glutamine a conditionally essential amino acid? Nutr. Rev. 48, 297–309;
6. Barnes M.R. and Gray I.C. Bioinformatics for geneticists. Wiley, 2003. — 350 p.;
7. Википедия: «Нитрификация» (en.);
8. Kuenen J.G. (2008). Anammox bacteria: from discovery to application. Nat. Rev. Microbiol. 6, 320–326;
9. Devol A.H. (2003). Nitrogen cycle: solution to a marine mystery. Nature. 422, 575–576;
10. Hongoh Y., Sharma V.K., Prakash T., Noda S., Toh H., Taylor T.D. et al. (2008). Genome of an endosymbiont coupling N2 fixation to cellulolysis within protist cells in termite gut. Science. 322, 1108–1109.

Сходный химический состав органических тел

Все живые организмы при ближайшем рассмотрении имеют примерно одинаковый химически элементарный состав. Жизнь определяют как способ существования белковых тел, называя ее углеродной, так как в составе любого органического вещества всегда присутствую молекулы углерода. В составе любого живого существа содержатся вода, органические соединения (белки, жиры, углеводы), а также неорганические соли.

Среди важнейших элементов, которые содержатся в протоплазме можно обозначить — углерод, кислород, водород, азот, серу, фосфор, калий, кальций, магний и железо. Эти компоненты мы называем макроэлементами. Среди микроэлементов в составе живых существ мы выделяем медь, цинк, бор, молибден, марганец, хлор, натрий, кремний, стронций, алюминий, фтор, бром.

Любой живой организм содержит воду. Вода — важнейшее соединение в составе живых клеток. Она является раствором, где протекают основные химические процессы, служит транспортной сетью для растворенных веществ, регулирует температуру.

В составе разных живых организмов представлено разное количество воды:

• Водоросли — до 98%,
• Листья деревьев — 50−97%,
• Сухие семена — 5−9%,
• Медузы — 95%,
• Кровь животных и человека — 79%,
• Сердце человека — 70%.

Значение круговорота азота в природе

Таким образом, круговорот азота является ни много ни мало важнейшим для жизнедеятельности всех живых организмов на Земле, для функционирования всей биосферы циклом. Азот постоянно присутствует в атмосфере, даже если какая-то его часть фиксируется микроорганизмами почвы, он потом неизбежно возвращается в атмосферу. Азот способствует минерализации почв, делает их плодородными, пригодными для роста растений, для выращивания сельскохозяйственных культур.

Тем более, что азот попадает в почву даже посредством грозового дождя. Азот играет ключевую роль в синтезе аминокислот и белков во всех органических веществах, во всех живых организмах. Азот же занимает важную роль в процессе разложения умерших организмов, ведь при распаде органики азот расщепляется на аммиак, нитриты и нитраты, и какая-то часть этих веществ может быть поглощена растениями.

И сам факт того, что в процессе расщепления азота в почве принимают участие многие микроорганизмы, доказывает то, что почва сама по себе является весьма сложной экосистемой. И даже усиливающееся с каждым годом антропогенное влияние не способно полностью разрушить сложившийся status quo.

Понятие круговорота

Среди атмосферы, литосферы, земных органических веществ и гидросферы протекает взаимообмен всевозможными химическими веществами. Взаимообмен происходит беспрестанно, перетекая из стадии в стадию. На протяжении всей истории существования нашей планеты, такое взаимодействие длится безостановочно и насчитывает уже 4,5 миллиарда лет.

Лучше всего понятия круговорота можно понять, обратившись к такой науке как геохимия. Эта наука такое взаимодействие объясняет четырьмя важнейшими правилами, которые проверенны и подтверждены не единожды проведенными опытами:

• беспрерывное распределение в земных оболочках всех химических элементов;
• беспрерывное перемещение во времени всех элементов;
• многообразное существование типов и форм;
• доминирование компонентов в рассредоточенном состоянии, над компонентами в объединенном состоянии.

Такие циклы тесно связаны с природой и деятельностью людей. Органические элементы взаимодействуют с неорганическими и образуют беспрерывный биохимический цикл называемый круговоротом.

Схема круговорота кислорода в природе

Это интересно: Живая и неживая природа

Круговорот азота в природе

Азот (или нитроген «N») – это один из важнейших элементов, который содержится в биосфере, и совершат круговорот. Около 80% воздуха содержит этот элемент, в котором два атома соединены в молекулу N2. Связь этих атомов весьма прочная. Азот, который находится в «связанном» состоянии, используется всеми живыми существами. Когда молекулы нитрогена расщепляются, атомы N принимают участие в различных реакциях, соединяясь с атомами иных элементов. Довольно часто N соединяется с оксигеном. Поскольку в таких веществах связь нитрогена с другими атомами весьма слабая, то он хорошо усваивается живыми организмами.

Как протекает круговорот нитрогена

Нитроген циркулирует в окружающей среде по путям замкнутым и взаимосвязанным. В первую очередь, N выделяется при распаде веществ в грунте. Когда растения попадают в почву, живые организмы извлекают из них азот, благодаря чему он превращается в молекулы, используемые для процессов обмена веществ. Оставшиеся атомы соединяются с атомами иных элементов, после чего освобождаются в виде ионов аммония либо аммиака. Затем азот связывается другими веществами, после чего образуются нитраты, которые поступают в растения. В результате N участвует в появлении молекул. Когда травы, кустарники, деревья и другая флора отмирает, попадает в землю, нитроген снова возвращается в грунт, после чего круговорот наступает снова. Азот теряется, если входит в состав осадочных веществ, преобразуется в минералы и породы, либо при деятельности денитрифицирующих бактерий.

Нитроген в природе

В воздухе содержится не около 4 квадриллионов тонн N, а в Мировом океане – примерно 20 трлн. тонн. Та часть нитрогена, имеющаяся в организмах живых существ, составляет примерно 100 млн. тонн. Из них 4 миллиона тонн находится во флоре и фауне, а остальные 96 миллионов тонн – в микроорганизмах. Таким образом, значительная часть нитрогена присутствует в бактериях, благодаря которым N связывается. Ежегодно во время различных процессов связывается 100-150 тонн нитрогена. Наибольшее количество этого элемента есть в минеральных удобрениях, которые производят люди.

Таким образом, цикл круговорота N – это неотъемлемая часть природных процессов. Благодаря этому вытекают различные изменения. В результате антропогенной деятельности происходит изменение круговорота азота в среде, но пока что это не представляет большой опасности для окружающей среды.

Обзор

Обобщенный биогеохимический цикл 

Энергия направленно течет через экосистемы, поступая в виде солнечного света (или неорганических молекул для хемоавтотрофов) и покидая их в виде тепла во время многочисленных переходов между трофическими уровнями. Однако вещества, из которых состоят живые организмы, сохраняются и перерабатываются. Шесть наиболее распространенных элементов, связанных с органическими молекулами — углерод, азот, водород, кислород, фосфор и сера — принимают различные химические формы и могут длительное время существовать в атмосфере, на суше, в воде или под поверхностью Земли. . Геологические процессы, такие как выветривание, эрозия, дренаж воды и субдукция континентальных плит, все играют роль в этой переработке материалов. Поскольку геология и химия играют важную роль в изучении этого процесса, переработка неорганического вещества между живыми организмами и окружающей их средой называется биогеохимическим циклом.

Шесть вышеупомянутых элементов используются организмами по-разному. Водород и кислород содержатся в воде и органических молекулах, которые необходимы для жизни. Углерод содержится во всех органических молекулах, тогда как азот является важным компонентом нуклеиновых кислот и белков. Фосфор используется для производства нуклеиновых кислот и фосфолипидов, из которых состоят биологические мембраны. Сера имеет решающее значение для трехмерной формы белков. Цикличность этих элементов взаимосвязана. Например, движение воды имеет решающее значение для вымывания серы и фосфора в реки, которые затем могут течь в океаны. Минералы циркулируют в биосфере между биотическими и абиотическими компонентами и от одного организма к другому.

Экологические системы ( экосистемы ) имеют множество биогеохимических циклов, действующих как часть системы, например водный цикл, углеродный цикл, азотный цикл и т. Д. Все химические элементы, встречающиеся в организмах, являются частью биогеохимических циклов. Помимо того, что эти химические элементы являются частью живых организмов, они также участвуют в круговороте абиотических факторов экосистем, таких как вода ( гидросфера ), земля ( литосфера ) и / или воздух ( атмосфера ).

Факторы жизни на планете в совокупности могут быть названы биосферой. Все питательные вещества, такие как углерод , азот , кислород , фосфор и сера, используемые в экосистемах живыми организмами, являются частью замкнутой системы ; поэтому эти химические вещества рециркулируются вместо того, чтобы теряться и постоянно пополняться, как в открытой системе.

На диаграмме справа показан обобщенный биогеохимический цикл. Основные части биосферы связаны потоком химических элементов и соединений. Во многих из этих циклов важную роль играет биота. Материя из недр Земли выбрасывается вулканами. Атмосфера быстро обменивается некоторыми соединениями и элементами с биотой и океанами. По сравнению с этим обмен материалами между камнями, почвой и океанами обычно происходит медленнее.

Поток энергии в экосистеме — это открытая система ; Солнце постоянно дает планете энергию в форме света, в то время как она в конечном итоге используется и теряется в виде тепла на трофических уровнях пищевой сети. Углерод используется для производства углеводов, жиров и белков, основных источников пищевой энергии . Эти соединения окисляются с выделением углекислого газа, который может улавливаться растениями с образованием органических соединений. Химическая реакция питаются от световой энергии солнца.

Солнечный свет необходим для объединения углерода с водородом и кислородом в источник энергии, но экосистемы в глубоком море , куда не может проникать солнечный свет, получают энергию из серы. Сероводород вблизи гидротермальных источников может использоваться такими организмами, как гигантский трубчатый червь . В круговороте серы сера может быть навсегда переработана в качестве источника энергии. Энергия может высвобождаться за счет окисления и восстановления соединений серы (например, окисления элементарной серы до сульфита, а затем до сульфата ).

Хотя Земля постоянно получает энергию от Солнца, ее химический состав по существу фиксирован, поскольку дополнительная материя лишь изредка добавляется метеоритами. Поскольку этот химический состав не восполняется, как энергия, все процессы, которые зависят от этих химикатов, должны быть переработаны. Эти циклы включают как живую биосферу, так и неживую литосферу, атмосферу и гидросферу.

Биогеохимические циклы можно противопоставить геохимическим циклам . Последний имеет дело только с коровыми и подкоровыми коллекторами, хотя некоторые процессы в обоих случаях перекрываются.

Виды круговоротов

Химические вещества, которые доступны для живых организмов в биосфере, ограничены. Поэтому только цикличность процессов позволяет жизни непрерывно существовать и развиваться на протяжении миллиарда лет.

Различают три круговорота:

• биологический;
• геологический;
• антропогенный.

Геологический или большой круговорот происходит под воздействием солнечной, гравитационной и внутренней энергии планеты, излучения. Организмы не принимают в нем участия. Он работает на протяжении всей геологической истории планеты.

После появления первых живых организмов на планете запустился биологический круговорот – его еще называют малым. Он представляет собой непрерывный процесс превращения элементов и веществ.

Биотический круговорот ограничен границами биосферы. Для растений и животных наиболее важны биогенные циклы воды, углерода, фосфора, азота, серы.

Совокупность биологических и геологических процессов составляет биогеохимический цикл.

Антропогенный круговорот – следствие вмешательства человека. Здесь есть две составляющие: одна из них связана с биологической природой человека, вторая – с его деятельностью.

Круговорот фосфора

В круговороте фосфора, в отличие от круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе в больших количествах содержится в минералах горных пород и попадает в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и соответственно в водные экосистемы. Растения поглощают фосфор в виде растворимых фосфатов из водного или почвенного раствора и включают его в состав органических соединений – нуклеиновых кислот, систем переноса энергии ( АДФ, АТФ), в состав клеточных мембран. Другие организмы получают фосфор по пищевым цепям. В организмах животных фосфор входит в состав костной ткани, дентина.

В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом органические фосфаты поступают в окружающую среду в составе экскретов. Организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и, таким образом, снова вовлекаться в круговорот.

Поскольку в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза, фосфор как и другие биогенные элементы почвы, циркулирует в экосистеме лишь в том случае, если отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Нарушение круговорота фосфора может происходить, например, в агроэкосистемах, когда урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится на значительные расстояния, и они не возвращаются в почву в местах потребления.

После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде, в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и бигенного разрушения.

Внесение фосфорных удобрений, представляющих собой продукты переработки осадочных пород, позволяет восполнить потребленный фосфор в регионах с интенсивным сельскохозяйственным производством. Однако, смыв удобрений с полей, а также поступление в водоемы фосфатов с продуктами жизнедеятельности животных и человека может приводить к перенасыщению водных экосистем фосфатами и нарушению в них экологического равновесия.

Схема круговорота фосфора приведена на рис. 7.

Водород

на Земле находится, преимущественно, в гидросфере в составе воды. Содержание его в литосфере и атмосфере сравнительно невелико. Он входит также в состав органических веществ. Огромные массы водорода, наряду с кислородом, участвуют в круговороте воды – одном из наиболее мощных циклических процессов на планете.

Особенностью водорода является его способность (наряду с гелием) уходить из поля тяготения Земли благодаря своей малой атомной массе. Эти потери компенсируются выделением водорода из мантии. Молекулярный водород поступает в атмосферу Земли в результате вулканической деятельности, его выделяют также некоторые бактерии. После появления на нашей планете живых организмов водород стал связываться в органическом веществе. См. также

ВОДОРОД.

Обогащение почвы

Естественное азотное обогащение почвы – работа исключительно микроорганизмов, в том числе и клубеньковых. До недавнего времени считалось, что только клубеньковые бактерии относятся к микроорганизмам, которые способны фиксировать атмосферный азот из воздуха. Причем ключевую роль в этом процессе играют бобовые растения, поскольку они единственные могут являться симбионтами клубеньковых микробов.

Однако сегодня такая позиция считается устаревшей, поскольку за последнее время найдено огромное количество самых разных бактерий, которые способны превращать молекулярный азот в соединения аммония, а именно аммоний (NH4) уже может усваиваться растениями. Так, например, актиномицеты живут в азотфиксирующем симбиозе как минимум со ста видами деревьев.

Так как же происходит это обогащение почв:

1. Растения, заинтересованные в симбиозе с клубеньковыми бактериями, насыщают почву вокруг своих корней особыми органическими соединениями – флавинами. При этом каждый вид растений вырабатывает индивидуальные и уникальные флавины, на которые реагирует только один вид бактерий. В микробиологии даже названия таким бактериям дают по названию растения, которое для них является напарником по симбиозу.
2. Привлеченные флавинами бактерии, способные фиксировать азотные молекулы воздуха, подбираются ближе к корневым волоскам такого растения и, проникая через клеточные стенки покровной ткани корневого волоска, пробираются внутрь корня.
3. Проникнув внутрь, бактерии размножаются, а чтобы создать для них достаточное пространство для выполнения возложенной роли, клетки корня начинают делиться и формируют клубенек.
4. В процессе своей жизнедеятельности в клубеньке бактерии снабжают растение добытым из воздуха и почв аммонием, а от растения получают углеводы, которые являются для бактерий источником энергии (АТФ).
5. Когда растение-симбионт отмирает или сбрасывает листву, его насыщенные аммонием органические ткани попадают в верхние слои почвы и, перегнивая, насыщают это почву азотистыми соединениями в органических молекулах.
6. Главная роль этого перегнившего естественного азотного удобрения – стать источником органических азотистых соединений для тех растений, которые впоследствии будут расти на этих почвах, но сами не в состоянии вступить в симбиоз с фиксирующими из воздуха азот бактериями и получить необходимый аммоний напрямую из атмосферы.

Этот естественный биологический механизм испокон веков используется в сельском хозяйстве. Заметив ту важную роль, которую играют бобовые растения в деле повышения плодородности почв, земледельцы засевают поля бобовыми, после чего перепахивают поле вместе с выросшей на нем зеленой массой, и уже через несколько недель на таком поле можно высаживать сельскохозяйственные культуры, которые после такой азотной обработки дадут хороший урожай.

Круговорот фосфора

Значение фосфора для биосферы. Фосфор — составная часть важнейших для организмов органических соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав сложных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существенную роль в дыхании и размножении организмов. При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустойчивость растений, увеличивается в них содержание ценных веществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фосфор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кислоты — ионов Н2РО4-, НРО42-. В почве их образуют три группы усвояемых фосфорных соединений: природные, органические и промышленные.

В земной коре фосфора довольно много — около 0,1% по массе. Разведанные запасы фосфатного сырья составляют около 26 млрд т. Известно примерно 120 фосфорсодержащих минералов: апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния и др. Однако все они трудно растворимы в воде и, следовательно, малоэффективны. Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования — ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений составляет 20-60%. Промышленность выпускает фосфорные удобрения, которые хорошо усваиваются растениями. Это двойной суперфосфат Са(Н2РО4)2-Н2О, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцентами); б) потребление животными (консументами), редуцентами; в) дефосфорилирование. В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн т в год. Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложениях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс. т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Считается, что круговорот фосфора — единственный в природе пример простого незамкнутого цикла. Человек, производя фосфорные водорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн т в год апатита и фосфоритов. При таком расходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

Азот — «безжизненный» газ, крайне важный для всего живого

Азот — газ, простое химическое вещество, неметалл, элемент таблицы Менделеева. Латинское название Nitrogenium переводится как «рождающий селитры».

Название «азот» и созвучные ему используются во многих странах: во Франции, Италии, России, Турции, в некоторых восточнославянских и в странах бывшего СССР. По основной версии, название «азот» происходит от греческого слова azoos — «безжизненный», так как не пригоден для дыхания.

Азот в основном встречается как газ — в воздухе его около 78% (по объему). Месторождения полезных ископаемых, а которых он содержится — например, чилийской селитры (нитрат натрия), индийской селитры (нитрат калия) большей частью уже истощены, поэтому в промышленных масштабах реактив добывают химическим синтезом прямо из атмосферы.

Свойства

В нормальных условиях N2 — газ без вкуса, цвета и запаха. Не горит, пожаро- и взрывобезопасен, плохо растворяется в воде, спиртах, не токсичен. Плохо проводит тепло и электричество. При температуре ниже -196 °С становится сначала жидким, потом твердым. Жидкий азот — прозрачная, подвижная жидкость.

Молекула азота очень стабильна, поэтому химреактив в основном инертен, взаимодействует в нормальных условиях только с литием, цезием и комплексами переходных металлов. Для проведения реакций с другими веществами требуются особые условия: очень высокая температура и давление, а иногда и катализатор. Не вступает в реакции с галогенами, серой, углеродом, кремнием, фосфором.

Элемент крайне важен для жизни всего живого. Он является неотъемлемой частью белков, нуклеиновых кислот, гемоглобина, хлорофилла и многих других биологически важных соединений. Играет основную роль в обмене веществ живых клеток и организмов.

Азот выпускается в виде сжатого при 150 атмосфер газа, поставляется в баллонах черного цвета с крупной и четкой надписью желтого цвета. Жидкий реагент хранят в сосудах Дьюара (термос с двойными стенками, с серебрением изнутри и вакуумом между стенок).

Опасность азота

В обычных условиях азот не вреден для человека и животных, но при повышенном давлении вызывает наркотическое опьянение, а при нехватке кислорода — удушье. С азотом и его воздействием на кровь человека при резком снижении давления связана очень опасная кессонная болезнь.

Это интересно

Вероятно, все хотя бы однажды видели в фильмах или сериалах, как жидким азотом мгновенно замораживают людей или замки на решетке, сейфе и т. п., после чего они становятся хрупкими и легко разбиваются. На самом деле жидкий азот замораживает достаточно медленно, ввиду своей малой теплоемкости. Именно поэтому с его помощью нельзя замораживать людей для последующей разморозки — не получается равномерно и одномоментно заморозить все тело и органы.

Азот относится к пниктогенам — химическим элементам той же подгруппы таблицы Менделеева, что и он сам. Кроме азота к пниктогенам относят фосфор, мышьяк, сурьму, висмут и искусственно полученный московий.

Жидкий азот — идеальный материал для тушения пожаров, особенно с ценными объектами. После тушения азотом не остается ни воды, ни пены, ни порошка, а газ просто выветривается.

Применение

— Три четверти всего выпускаемого в мире азота идет на производство аммиака, из которого, в свою очередь, производят широко использующуюся в разных сферах промышленности азотную кислоту. — В сельском хозяйстве соединения азота используются как удобрения, а сам азот — для лучшей сохранности овощей в овощехранилищах.— Для производства взрывчатых веществ, детонаторов, топлива для космических аппаратов (гидразина).— Для изготовления красителей, медикаментов.— При перекачке горючих веществ по трубам, в шахтах, в электронных приборах.— Для тушения кокса в металлургии, для создания нейтральной атмосферы в промышленных процессах.— Для продувки труб и резервуаров; распирания пластов в горнодобыче; прокачки топлива в ракетах.— Для закачки в самолетные шины, иногда — в автомобильные.— Для производства особой керамики — нитрида кремния, обладающего повышенной механической, термической, химической стойкостью и многими другими полезными характеристиками. — Пищевую добавку Е941 используют для создания в упаковках консервирующей среды, исключающей окисление и развитие микроорганизмов. Жидкий азот используют при разливе напитков и масел.

Жидкий азот применяется как:

— Хладагент в криостатах, вакуумных установках и т. п. — В криогенной терапии в косметологии и медицине, для проведения некоторых видов диагностики, для хранения образцов биоматериалов, спермы, яйцеклеток.

Сохранить