Биогеохимический круговорот азота
Азот – является основой земной атмосферы, где его содержание составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму). Его масса здесь 3,87×1015 т.
Азот - двухатомный газ, без цвета, вкуса и запаха с молекулярной массой 28. Атомы азота, образующие его молекулу связаны между собой прочной ковалентной связью. Даже при 3000 °C степень термической диссоциации N2 составляет всего 0,1 %, и лишь при температуре около 5000 °C достигает нескольких процентов (при нормальном давлении). В высоких слоях атмосферы происходит фотохимическая диссоциация молекул N2. Вследствие этого азот достаточно инертен и при нормальных условиях непосредственного влияние на организмы человека и млекопитающих не оказывает. Тем не менее, при повышенном давлении у человека он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь, способную вызывать смерть.
Азо́т — элемент главной подгруппы пятой группы второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 7. Обозначается символом N (лат. Nitrogenium). В природе азот представлен двумя стабильными изотопами:
14N — 99,635 % и 15N — 0,365 %.
Азот мало растворим в воде (2,3 мл/100г при 0 °C, 0,8 мл/100 г при 80 °C), плотность 1,2506 кг/м³ (при нормальном атмосферном давлении и температуре 0оС).
В 1772 году азот (под названием «испорченного воздуха») как простое вещество в своей магистерской работе описал Даниэль Резерфорд. Он указал в ней основные свойства азота (не реагирует со щелочами, не поддерживает горения, непригоден для дыхания). Именно Даниэль Резерфорд и считается первооткрывателем азота
Впервые выделил азот в лаборатоных условиях в 1777 году Кавендиш.
Название открытого газа Азо́т (от др.-греч. ἄζωτος — безжизненный, лат. nitrogenium), предложил в 1787 году Антуан Лавуазье.
Вне пределов Земли азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, межзвёздном пространстве и др. Азот — четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода).
Содержание азота в земной коре, по данным разных авторов, составляет (0,7—1,5)×1015 т (причём в гумусе — порядка 6×1010 т).
В мантии Земли азота— 1,3×1016 т.
Масса растворённого в гидросфере азота составляет около 2×1013 т, кроме того, примерно 7×1011 т азота содержатся в гидросфере в виде соединений.
Это позволяет предполагать, что главным источником азота служит верхняя часть мантии, откуда он поступает в другие оболочки Земли с извержениями вулканов. Часть азота из атмосферы, в виде его соединений, прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.
Превращения атмосферного азота в его соединения, усваиваемые живой природой, в природе происходит по двум основным направлениям — абиогенному и биогенному.
Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25000 °C и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).
Основная часть молекулярного азота (около 1,4×108 т/год) фиксируется биотическим путём.
Способностью связывать молекулярный азот обладают азотфиксирующие микроорганизмы (весьма распространённые в почве и водоемах): это бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium, цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Они обитают на корнях и в организмах ряда наземных и водных растений. От такого симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий выигрывают как растения, так и микроорганизмы— первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» — глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме.
Установлено, что способностью фиксировать молекулярный азот обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубнях ольхи и других деревьев (всего таких известно 160 видов).
Все азотфиксирующие организмы превращают молекулярный азот в соединения аммония (NH4+). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г глюкозы).
Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и в конце концов попадают в Мировой океан (этот поток оценивается в 2,5—8×107 т/год).
Нитраты частично потребляются растениями, а их остаток подвергается микробиологической денитрификации.
Растения используют потребленные нитраты при синтезе белков, из которых состоят их организмы. Они частично отмирают, частично потребляются животными, при этом содержащиеся в них соединения азота переходят в организмы животных.
Животные также отмирают. Кости, зубы, когти, перья и чешуя осаждаются на дно водоемов, образуя современные осадочные породы. Мягкие ткани мертвых растений и животных разлагаются редуцентами до уровня аминокислот.
Аминокислоты из которых ранее состояли ткани растений и животных, после их гибели подвергаются биогенной аммонификации - ( превращению аммонифицирующими организмами в аммиак и ионы аммония).
Аммиак образуется и в недрах Земли, откуда через вулканы и другие каналы дегазации выделяется в морскую среду и атмосферу.
Аммиак преобразуется нитритными бактериями в нитриты.
Нитриты преобразуются нитратными бактериями в нитраты.
Нитраты, которые не были потреблены растениями, подвергаются биологической денитрификации. При этом они последовательно превращаются в NO, N2O, N2. Эти процессы происходят в аэробных и анаэробных условиях.
В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации.
Оксиды азота, образующиеся в биогеохимическом круговороте азота, оказывают существенное влияние на биосферу. Поэтому рассмотрим и их свойства.