17.2B: Цикл азоту

Величезна енергія блискавки розбиває молекули азоту і дозволяє їх атомам поєднуватися з киснем у повітрі, утворюючи оксиди азоту. Вони розчиняються в дощі, утворюючи нітрати, які переносяться на землю. Фіксація атмосферного азоту, ймовірно, сприяє деяким 5-8% від загального зафіксованого азоту.

Промислова фіксація

Під великим тиском, при температурі 600° C і з використанням каталізатора, атмосферний азот і водень (зазвичай отримують з природного газу або нафти) можуть бути об’єднані з утворенням аміаку (NH ₃ ). Аміак можна використовувати безпосередньо як добриво, але більша його частина додатково переробляється до сечовини і аміачної селітри (NH ₄ NO ₃ ).

Біологічна фіксація

Здатність фіксувати азот є тільки у певних бактерій і архей.

• Деякі живуть в симбіотичних стосунках з рослинами сімейства бобових (наприклад, соя, люцерна).
• Деякі встановлюють симбіотичні відносини з рослинами, відмінними від бобових (наприклад, вільхи).
• Деякі встановлюють симбіотичні відносини з тваринами, наприклад, термітами та «корабельними черв’яками» (двостулкові дрова).
• Деякі азотфіксуючі бактерії живуть вільно в грунті.
• Ціанобактерії, що фіксують азот, мають важливе значення для підтримки родючості напівводних середовищ, таких як рисові поля.

Біологічна азотфіксація вимагає складного набору ферментів і величезних витрат АТФ. Хоча першим стабільним продуктом процесу є аміак, він швидко включається в білок та інші органічні сполуки азоту.

Розпад

Білки, вироблені рослинами, входять і проходять через харчові мережі так само, як і вуглеводи. На кожному трофічному рівні їх метаболізм виробляє органічні сполуки азоту, які повертаються в навколишнє середовище, головним чином у виділеннях. Кінцевими бенефіціарами цих матеріалів є мікроорганізми гниття. Вони розщеплюють молекули в виділеннях і мертвих організмах на аміак.

нітрифікація

Аміак може бути прийнятий безпосередньо рослинами – як правило, через їх коріння. Однак велика частина аміаку, що утворюється при розпаді, перетворюється в нітрати. До недавнього часу вважалося, що це завжди досягається в два етапи:

1. Бактерії роду Nitrosomonas окислюються \(\ce\) до нітритів ( \(\ce>\) ).
2. Бактерії роду Nitrobacter окислюють нітрити до нітратів ( \(\ce>\) ).

Ці дві групи автотрофних бактерій називаються нітрифікуючими бактеріями. Завдяки своїй діяльності (яка постачає їх усіма енергетичними потребами) азот стає доступним до коріння рослин. Однак у 2015 році дві групи повідомили про виявлення того, що бактерії роду Nitrospira змогли виконувати обидва етапи: аміак до нітриту і нітрит до нітрату. Ця здатність називається «comammox» (для повного окислення аміаку).

Крім того, як ґрунт, так і океан містять археальні мікроби, призначені для Кренархеоти, які перетворюють аміак в нітрити. Вони більш рясні, ніж нітрифікуючі бактерії і можуть виявитися відігравати важливу роль у циклі азоту.

Багато бобових, крім фіксації атмосферного азоту, також виконують нітрифікацію – перетворюючи частину свого органічного азоту в нітрити та нітрати. Вони досягають ґрунту, коли скидають листя.

Денітрифікація

Три вищевказані процеси видаляють азот з атмосфери і пропускають його через екосистеми. Денітрифікація знижує нітрати і нітрити до газу азоту, тим самим заповнюючи атмосферу. В процесі утворюється кілька проміжних продуктів:

• оксид азоту (NO)
• закис азоту (N ₂ O) (парниковий газ в 300 разів потужніший, як СО ₂ )
• азотна кислота (HONO)

Знову ж таки, бактерії є агентами. Вони живуть глибоко в грунті та у водних відкладах, де умови анаеробні. Вони використовують нітрати як альтернативу кисню для кінцевого акцептора електронів у диханні.

Анаммокс (аеробні боєприпаси)

В анаеробних умовах в морських і прісноводних відкладах інші види бактерій здатні окислювати аміак (з \(\ce>\) ) утворюючи газ азоту.

Анаммоксна реакція може становити цілих 50% денітрифікації, що відбувається в океанах. Всі ці процеси беруть участь в закритті азотного циклу.

Чи підтримують денітрифікатори?

Сільське господарство тепер може нести відповідальність за половину фіксації азоту на землі за рахунок використання добрив, вироблених промисловою фіксацією, та вирощування бобових культур, таких як соя та люцерна. Це неабиякий вплив на природний цикл. Чи підтримують денітрифікатори цикл азоту в рівновазі? Напевно, ні. Безумовно, є приклади збагачення азотом в екосистемах. Один тривожний приклад: «цвітіння» водоростей в озерах і річках як азотні добрива вимивають з грунту сусідніх господарств (і газонів). Накопичення розчинених поживних речовин у водоймі називається евтрофікацією.

Recommended articles

1. Article type Section or Page License CC BY License Version 3.0 Show Page TOC No on Page
2. Tags
   1. authorname:kimballj
   2. comammox
   3. nitrogen cycle
   4. nitrogen fixation
   5. source@https://www.biology-pages.info/
   6. source[translate]-bio-5821

   Азот

   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.

   Биологическая роль азота

   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).

   Такое соединения как оксид азота (II) и его источники (например, нитроглицерин – лекарственное средство для снижения давления) воздействуют на гладкую мускулатуру кровеносных сосудов, обеспечивая ее расслабление и расширение сосудов в целом (приводит к снижению давления).

   Пищевые источники азота

   Не смотря на доступность азота для живых организмов (составляет почти 80% атмосферы нашей планеты), человеческий организм не способен усваивать азот в такой (элементарной) форме. В организм человека азот в основном поступает в составе белков, пептидов и аминокислот (растительных и животных), а также в составе таких азотсодержащих соединений, как: нуклеотиды, пурины, и др.

   Дефицит азота

   Как явление никогда не наблюдают дефицит азота. Поскольку организму в элементарной форме он не нужен, дефицита, соответственно, никогда и не возникает. В отличие от самого азота, дефицит веществ его содержащих (прежде всего белков) явление достаточно частое.

   Причины дефицита азота

   • Нерациональная диета, содержащая недостаточное количество белка или неполноценного по аминокислотному составу белка (белковое голодание);
   • Нарушение переваривания белков в желудочно-кишечном тракте;
   • Нарушение всасывания аминокислот в кишечнике;
   • Дистрофия и цирроз печени;
   • Наследственные нарушения обмена веществ;
   • Усиленное расщепление белков тканей;
   • Нарушение регуляции азотистого обмена.

   Последствия дефицита азота

   • Многочисленные расстройства, отражающие нарушения обмена белков, аминокислот, азотсодержащих соединений и связанных с азотом биоэлементов (дистрофия, отеки, различные иммунодефициты, апатия, гиподинамия, задержка умственного и физического развития и пр.).

   Избыток азота

   Как и дефицит, избыток азота как явление не наблюдается никогда – можно говорить только об избытке веществ, его содержащих. Наиболее опасно, когда азот поступает в значительных количествах в организм человека в составе токсичных веществ, например, нитратов и нитритов.

   Причины избытка азота

   • Несбалансированная диета по белку и аминокислотам (в сторону увеличения последнего);
   • Поступление азота с токсичными компонентами пищевых продуктов (в основном нитраты и нитриты);
   • Поступление азота с токсичными веществами различного происхождения (оксидами, аммиаком, азотной кислотой, цианидами и пр.).

   Последствия избытка азота

   • Повышение нагрузки на почки и печень;
   • Отвращение к белковой пище;
   • Клинические признаки отравления токсичными азотсодержащими веществами.

   Суточная потребность в азоте:

   10-20 г (соответствует 60-100 г белка в сутки)