2.2. Глобальный цикл азота

Одним из главных резервуаров азота на Земле является атмосфера. В ней содержится примерно 3,87·10⁶ Гт этого элемента в форме молекулы N₂. В земной коре общее количество азота оценивается в пределах (0,7–1,5)·10⁶ Гт, а в верхней мантии оно находится на уровне 13·10⁶ Гт.

Таким образом, главным источником этого элемента для географической оболочки Земли служит верхняя мантия. Выделение из нее азота происходит в процессе вулканизма.

Если принять, что гидросфера и атмосфера находятся в равновесии, то масса растворенного в океанах молекулярного азота может быть оценена величиной 2·10⁴ Гт. Кроме того, в гидросфере присутствует еще около 700 Гт азота в виде ионов.

Азот входит в состав аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и многих других биомолекул. Общее его содержание в живых организмах, «мертвой органике» и в дисперсном органическом веществе морей и океанов довольно значительно – оценивается примерно в 190 Гт [10].

Молекулярный азот в силу химической инертности молекул N₂ недоступен для прямого усвоения большинству видов организмов. Для разрыва тройной связи в молекуле азота необходима энергия, равная 950 кДж/моль. Однако в природе происходят процессы, приводящие к образованию термодинамически менее устойчивых соединений азота. В атмосферном воздухе присутствуют оксиды азота (N₂О, NО, NО₂) и аммиак. В почвах и гидросфере присутствуют нитрит NО₂^- и нитрат NО₃^- ионы, ионы аммония NН₄⁺, а также аминокислоты и белки. На рис.7 приведены главные химические формы, участвующие в цикле азота, а также показаны изменения степени его окисления и относительной устойчивости (ΔG) генетически связанных соединений азота.

В глобальном биогеохимическом цикле азота ведущая роль принадлежит массообмену между педосферой и атмосферой, поскольку протекающие в почвенном покрове процессы обеспечивают образование основных количеств доступных для растений форм азота.

Биологический процесс связывания молекулярного азота воздуха с образованием соединений азота, в доступных для использования другими организмами формах, называется азотофиксацией. Он требует энергии, которую микроорганизмы получают либо в виде солнечного света, либо в виде органического вещества.

Рис.7. Химические соединения, участвующие в цикле азота,

отличающиеся по степени окисления и относительной устойчивости

Цифрами обозначены процессы азотофиксации (1), нитрификации (2), включения в растительные ткани (3), аммонификации (4), денитрификации (5), стока из атмосферы при сухом и влажном осаждении на поверхность (6) и осадконакопления (7)

Азотофиксация осуществляется свободно обитающими микроорганизмами рода Azotobacteracea, Clostridium, или симбиотичными с некоторыми видами растений – например, клубеньковыми бактериями рода Rhizobium, а также сине-зелеными водорослями Anabaena, Nostoc и др. Кроме того, оказалось, что примитивные грибы (актиномицеты) в клубеньках ольхи и других деревьев фиксируют азот не менее эффективно. Эти фиксаторы содержат в клетках энзим нитрогеназу, в состав которого входят атомы молибдена и железа, способные осуществлять перенос электронов в процессе восстановления азота.

В клетках азотофиксирующих микроорганизмов процесс поглощения молекулой азота одного электрона сопряжен с реакцией окисления углеводов. Суммарный процесс может быть представлен в общем виде следующим уравнением реакции:

3[CH₂O] + 3H₂O + 2N₂ + 4H⁺ → 3CO₂ +4NH₄⁺

Согласно современным оценкам, микроорганизмы ежегодно фиксируют примерно 140·10⁶ т азота, что намного превышает поток из атмосферы образующихся при грозовых разрядах окисленных соединений азота.

В почвах и водных экосистемах происходит довольно быстрая нитрификация – окисление ионов аммония с образованием более доступных растениям нитритных и нитратных ионов:

4NH₄⁺ + 6О₂ → 4NО₂^- + 8Н⁺ + 4Н₂O

4NО₂^- + 2О₂ → 4NО₃^-

Нитраты и нитриты не накапливаются в почвах, несмотря на постоянную деятельность азотофиксирующих микроорганизмов. Это связано с тем, что водорастворимые соединения азота легко вымываются из почв и с континентальным стоком поступают в моря и океаны. Водная миграция ежегодно захватывает от 25 до 80 Мт азота.

Таким образом, в природе осуществляется азотофиксация и последующее включение атомов азота в биомолекулы.

После гибели растений и животных содержащие азот химические соединения подвергаются микробиологическому разложению с образованием свободного аммиака. Этот процесс называется аммонификацией.

На примере разложения аминокислоты глицина представлен процесс аммонификации:

Н₂NСН₂СООН + 1,5О₂ → NН₃ + 2СО₂ + Н₂О

Азот проходит по всей пищевой сети и в виде детрита – органических остатков растений и животных и отходов их жизнедеятельности, таких как мочевина (NН₂)₂СО, попадает в конечном итоге к редуцентам (рис.8). Часть редуцентов способна переводить этот азот в ионы аммония, которые вновь используют растения.

Рис.8. Круговорот азота в биосфере. Содержание азота в резервуарах дано в Гт,

интенсивность потоков между резервуарами в Мт/год

В невозмущенной человеком биосфере азотофиксация и нитрификация в масштабах планеты почти полностью уравновешиваются противоположным процессом, называемым денитрификацией. Это микробиологический процесс восстановления окисленных соединений азота до газообразных азотистых продуктов.

Образование молекулярного азота из органических соединений, нитратов и нитритов происходит в почвах и водных экосистемах в аэробных и анаэробных условиях.

Денитрификация не всегда приводит к выделению молекул N₂. Она может завершаться также образованием оксидов азота.

[CH₂O] + 4NО₃^-+ 4H⁺ → 4NO₂ + CO₂ + 3H₂O

[CH₂O] + 4NО₂^-+ 4H⁺ → 4NO + CO₂ + 3H₂O

Реакция денитрификации, замыкающая цикл азота, показывает, как молекулярный азот возвращается в атмосферу.

Уравнения, описывающие в общем виде процессы азотофиксации и денитрификации, демонстрируют тесную взаимосвязь биотических составляющих циклов азота и углерода: окисление молекул N₂ и восстановление окисленных форм азота происходят с поглощением энергии, выделяющейся при окислении органических соединений, вырабатываемых живыми организмами.

Следовательно, можно утверждать, что биота поддерживает содержание в атмосфере Земли «безжизненного» (от греч. azoos – безжизненный) азота.