Неорганических соединений азота

Для построения органических веществ нужны в первую оче­редь кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор и некоторые другие химические элементы. Растения не испытывают недостат­ка в кислороде и водороде, получая их из воздуха и воды. Запасы азота в природе тоже неисчерпаемы, ведь 4/5 объема окружающе­го нас воздуха состоит из этого элемента. Столб воздуха над гек­таром почвы содержит до 80 тысяч тонн азота. Весьма значитель­ны запасы азота и в почве, а между тем именно в нем органичес­кая жизнь чаще всего испытывает острую нужду. И плохая уро­жайность сельскохозяйственных культур связана, в первую оче­редь, с недостатком азотистого питания. Это происходит потому, что растениями может быть усвоена только небольшая группа азотистых соединений. И свободный азот атмосферы, и многие фор­мы связанного азота не могут служить для них питанием. Только специальные физиологические группы микроорганизмов обладают способностью фиксировать и трансформировать азот, переводить его в минеральную форму, после чего он становится доступным для растений. В зеленых частях растений происходит синтез орга­нических азотистых соединений, которые усваивают соли азотной кислоты, содержащиеся в почве. Животные питаются органичес­кими веществами, образованными растениями, и используют их для синтеза своих белковых веществ.

Цикл трансформации азотсодержащих веществ в природе со­стоит из четырех взаимосвязанных процессов: биологической фик­сации атмосферного азота, аммонификации, нитрификации и денитрификации.

Биологическая фиксация молекулярного азота. Биоло­гическая фиксация молекулярного азота атмосферы, который нахо­дится в недоступной для высших растений форме, является одним из главнейших источников пополнения запасов азота в почве. Био­логической фиксацией молекулярного азота обладают микроорга­низмы, получившие название азотфиксирующих. Они фиксируют азот при обычном атмосферном давлении и нормальной темпера­туре. В промышленных условиях фиксация азота идет химическим путем при температуре 400°С-500°С и давлении 35 МПа, что тре­бует затраты большого количества энергии. Процесс биологичес­кой фиксации азота удовлетворяет около 20% потребности расте­ний. По приблизительным подсчетам, на пашей планете почвенные микроорганизмы фиксируют ежегодно до 130 млн. тонн, а водные микроорганизмы - до 190 млн. тонн азота, в то время как мировое производство азотных удобрений пока не превышает 60-70 млн. тонн. Следует при этом отметить, что микробиологическая азотфиксация является источником дешевого, безвредного для окружающей среды, биологического азота.

Азотфиксирующие свободно живущие микроорганизмы еже­годно переводят в почву по 15-18 кг азота на 1 га, а микроорганиз­мы, живущие в симбиозе с растениями (клубеньковые бактерии), накапливают в почве до 70-80 кг азота на 1 га.

Типичными представителями свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов являются бактерии родов Clostridium и Azotobacter. Большую роль в биологической азотфиксации играют сине-зеленые водоросли.

Суть химизма биологической азотфиксации состоит в посте­пенном разрыве тройной связи, которой связаны атомы в молекуле азота. Наиболее трудно разрывается первая связь, намного легче разрываются вторая и третья. Постепенный разрыв этих связей осуществляется нитрогеназной мультиферментной системой азот­фиксирующих микроорганизмов. При этом освободившийся атом азота замещается атомом водорода. Поэтому фиксация азота пред­ставляет собою восстановительный процесс. На восстановление одной молекулы азота до аммиака затрачивается 12 молекул АТФ. Энергию, затрачиваемую на этот процесс, свободно живущие азот-фиксаторы добывают за счет реакции катаболизма (от греч. katabole - распад), т.е. распада сложных органических соединений.

Конечным продуктом восстановления молекулы азота явля­ется аммиак, который накапливается в окружающей среде и под­вергается нитрификации. В ходе этого процесса образуются про­межуточные продукты, которые не накапливаются в окружающей среде, а преобразуются в конечный продукт (аммиак) на одном и том же ферментном комплексе:

N N HN = NH H₂N - HN₂ 2NH₃

Азот Диамид Гидразин Аммиак

Симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы представ­лены клубеньковыми бактериями, которые тесно связаны с миром высших растений. Они выполняют грандиозную по своим масшта­бам работу разрушения и минерализации органических веществ.

В процессе роста растений на поверхности корней и надзем­ных частей выделяются органические вещества, синтезированные растительным организмом. Образуется так называемый экзосмос растений, содержащий органические кислоты, витамины, ростовые вещества и т.д. Это создает благоприятные условия для жизнеде­ятельности на корнях и надземных частях растений обильной сап­рофитной микрофлоры. Эта микрофлора перерабатывает органи­ческие и минеральные соединения, делая их доступными для рас­тений, синтезирует ростовые вещества (гибберелин и гетероауксин), вырабатывает антибиотические вещества, подавляющие рост фито патоген ной микрофлоры. Поэтому корневая система растений всегда обильно заселена микроорганизмами. Они располагаются как на поверхности корней, так и в почве, прилегающей к корням. Эта область носит название ризосфера (греч. rtiiza - корень), а клу­беньковые бактерии объединены в обширный род Rhisobium.

Особенно обильно обогащают почву азотом бобовые расте­ния. Это явление было отмечено еще древнеримским философом Варроном за 37 лет до н.э. В 1838 году, французский ученый Ж.Б. Буссенго установил, что содержание азота в бобовых растениях значительно превосходит количество, которое они могли получить из почвы и воды. И только в 1866 году, русский ученый М.С. Воро­нин описал бактерии, обнаруженные им в клубеньках бобовых рас­тений, и высказал предположение об их непосредственной связи с образованием клубеньков. Выделить бактерии из клубеньков уда­лось в 1888 году. Бейеринку и С.Н. Виноградскому.

В дальнейшем была установлена способность микробов в симбиозе с бобовыми фиксировать молекулярный азот из воздуха. Это было великое открытие. Механизм процесса азотфиксации клу­беньковыми бактериями подробно изучен японским ученым Кубо. Он обнаружил, что клубеньки имеют розовый цвет; и установил, что он обусловлен пигментом леггемоглобином. Он назвал его ге­моглобином клубеньковых растений. Этот пигмент образуется толь­ко при симбиозе бобовых растений и клубеньковых бактерий, что позволяет им фиксировать в среднем до 200 кг азота на 1 га, при­чем 2/3 его они берут из воздуха, а 1/3 из почвы. При этом клубень­ковые бактерии используют соединения углерода, синтезированные бобовыми растениями, энергию АТФ из митохондрий клетки-хозяина.

Однако, несмотря на высокую эффективность фиксации азота, симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы в общем азот­ном балансе биосферы занимают лишь второе место, уступая первое место свободноживущим азотфиксаторам. Это определяется, прежде всего, незначительной долей бобовых растений в естественных био­ценозах. Нередко в экосистемах бобовые вовсе отсутствуют.

Формировать клубеньки и фиксировать азот воздуха в симби­озе с микроорганизмами могут не только бобовые растения. На корнях ольхи, березы, облепихи, хвойных и других растений имеются образования, подобные клубенькам бобовых, симбионтами в которых являются микроскопические грибы. По способности фик­сации азота такие растения не уступают бобовым.

После выделения Бейеринком чистой культуры клубеньковых бактерий родилась идея использовать их для улучшения образова­ния клубеньков, усиления фиксации атмосферного азота, а следо­вательно, повышения урожайности. С этой целью в 1896 году в Гер­мании получены препараты клубеньковых бактерий под названием «нитрагин». В настоящее время получение препаратов клубенько­вых бактерий поставлено на промышленную основу.

Аммонификация. Разнообразные органические азотсодер­жащие соединения составляют до 99% всего запаса азота в почве. Первое место среди них занимают белки, на долю которых прихо­дится не менее 50% от органических соединений.

Превращение органического азота в неорганический (амми­ачный) происходит при гниении белков. Попадая в почву, белковые вещества становятся субстратом для обильного размножения в них гнилостных микробов, которые посредством своих протеолитических экзоферментов расщепляют молекулу белка на более простые соединения - пептиды и олигопептиды. Эти соединения проникают в бактериальную клетку через цитоплазматическую мембрану, где расщепляются эндоферментами пептидазами до аминокислот. Раз­рушение аминокислот в аэробных условиях начинается с их дезаминирования, т.е. отщепления аминогруппы от молекулы аминокис­лоты, что приводит к выделению аммиака:

R-CHNH₂-COOH + О₂ R-COOH + СО₂ + NH₃

В аэробных условиях процесс дезаминирования аминокислот идет энергично с образованием аммиака, углекислого газа, воды и сульфатов. В анаэробных условиях некоторые аминокислоты под­вергаются декарбоксилированию с образованием углекислоты и первичных аминов, к числу которых относятся такие высокоток­сичные соединения, как кадаверин, путресцин и агматин, извест­ные под названием трупных ядов. Анаэробное разрушение амино­кислот сопровождается накоплением в окружающей среде специ­фических веществ с резким неприятным запахом - запахом аммиа­ка, индола, скатола, меркаптана, летучих жирных кислот и другие. Конечными продуктами анаэробного распада являются аммиак, сероводород, углекислый газ, водород и вода.

У аммонифицирующих бактерий имеется своя специализация, то есть одни микробы разлагают белок до аминокислот, другие продолжают это расщепление до более простых соединений, вклю­чаясь на разных стадиях этого процесса. В аэробных условиях ам­монификацию белков начинают неспороносные бактерии из родов Micrococcus, Pseudomonas, Proteus, а также микобактерии и плес­невые грибы. На смену им приходят различные виды бацилл (Bac.subtiiis, Bac.megaterium, Вас. mesentericus, Bac.mycoides и др.). На завершающих этапах, аэробной аммонификации подключаются актиномицеты. В анаэробных условиях процесс аммонификации осуществляется клостридиями.

Бактериальному дезаминированию подвергаются органичес­кие азот- содержащие вещества небелковой природы, такие, как мочевина, мочевая и гиппуровая кислоты, входящие в состав мочи человека и животных. Взрослый человек выделяет ежедневно до 50 г мочевины. Если учесть все население земного шара и живот­ный мир, то ежедневно на планете образуются миллионы тонн моче­вины, не пригодной для питания растений и животных. Без микроор­ганизмов это колоссальное количество связанного азота было бы изъято из биологического цикла. Этого не происходит благодаря раз­ложению мочевины, главным образом, за счет деятельности специ­фичных аэробных бактерий. Под действием фермента уреазы, вы­деляемой микроорганизмами, наблюдается гидролиз мочевины с образованием углекислого аммония, который почти тотчас же раз­лагается на составные компоненты: аммиак, углекислоту и воду:

Н2О

CO(NH₂)₂ + 2Н₂О (NH₄)₂CO3 CO₂

2NH₃

Бактерии, разлагающие мочевину, получили название уробак­терий. Специфической особенностью уробактерий является их спо­собность развиваться в щелочной среде при значении рН 9-10 (алкилофильные бактерии).

Таким образом, в процессе трансформации азота за счет аммонификации белков и других азотсодержащих органических соединений небелковой природы образуется аммиак. Благодаря ам­монифицирующим микробам от умерших организмов очищается поверхность земли, вода рек, озер, морей и других водоемов. Об­разовавшиеся в результате гниения углекислый газ, аммиак и вода используются для построения новой органической жизни.

Нитрификация. Процесс нитрификации - второе важное звено в цикле трансформации азотсодержащих веществ. Аммиак, обра­зующийся в процессе аммонификации в почве и воде, сравнительно быстро окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов. Нитраты являются одной из форм минерального азота, необходимого для питания растений. Накопление нитритов и нитра­тов в почве вызывает подкисленне почвенного раствора, что поло­жительно сказывается на повышении растворимости некоторых соединений фосфора и железа и способствует лучшему усвоению их растениями.

О том, что в процессе нитрификации участвуют бактерии, впер­вые отмечено Л. Пастером. Позднее, в 1890 - 1892 гг., С.Н.. Виноградский выделил чистую культуру нитрифицирующих бактерий и установил, что процесс нитрификации протекает в два этапа. На первом этапе аммиак окисляется до азотистой кислоты по следу­ющему уравнению:

2NH₃ + ЗО₂ = 2НNО₂ + 2Н₂О + 663,6 кДж.

В этом процессе участвуют нитритные (или нитрозные) бакте­рии, относящиеся к родам Nitrosomanas, Nitrosococcus, Nitrosolobus. Nitrosospira. Они разлагают аммиак до гидрокс ил амина, который за­тем окисляется до нитрита. Энергия, высвобожденная в реакциях окисления, аккумулируется в АТФ и в дальнейшем используется для фиксации углекислоты и других биосинтетических процессов.

NH₃ + О₂ + HAD H₂ NH₂OH + Н₂О + HAD⁺

гидроксиламин

NH₂OH + О₂ NO₂ + Н₂О + Н⁺

NH₂OH HNO + 2е^- + 2Н⁺

нитроксил

в АТФ

На втором этапе нитрификации азотистая кислота окисляется в азотную:

2HNO₂ + O₂= 2HNO₃ + 201,6 кДж.

Второй этап нитрификации - окисление нитритов в нитраты -осуществляют нитратные бактерии родов Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Все нитрифицирующие бактерии - облигатные аэробы.

Денитрификация. Нитраты в почве расходуются весьма ин­тенсивно. Часть их потребляется в процессе питания растений, часть вымывается из почвы, а некоторое количество нитратов усваива­ется почвенными микроорганизмами при синтезе белка цитоплаз­мы. Многие почвенные микроорганизмы способны восстанавливать соли азотной кислоты (нитраты) до свободного азота. Этот про­цесс называется денитрификацией:

NaNO₃ NaNO₂ NH₃ N₂

Денитрифицирующие бактерии используют нитраты в каче­стве акцептора водорода при отсутствии молекулярного кислорода для окисления органических веществ до углекислого газа и воды и для получения энергии.

Восстановление нитратов и нитритов до газообразного азота происходит в результате прямой и косвенной денитрификации. Пря­мая или биологическая денитрификация наиболее распространена в природе и связана с жизнедеятельностью факультативных анаэ­робов, которые при недостатке молекулярного кислорода исполь­зуют кислород нитратов и нитритов для энергетических процессов, а азот этих соединений - для синтеза белка.

Прямая денитрификация подразделяется на ассимилляционную и диссимилляционную. При ассимиляционной денитрификации нитраты потребляются в качестве источника азота и восстанавли­ваются до аммиака, который расходуется клеткой в процессе биосинтеза. В процессе диссимиляционной денитрификации нитра­ты служат акцептором водорода, т.е. восстанавливаются и исполь­зуются в качестве источника кислорода. Конечными продуктами восстановления нитратов являются молекулярный азот, оксид азо­та (I) или оксид азота (II). В ходе этого процесса выделяется энер­гия, используемая микроорганизмами. Поэтому денитрификацию называют иногда процессом нитратного дыхания микроорганизмов. Способностью диссимиляционной денитрификации обладают мезофильные аэробные микроорганизмы из рода Pscudomonas и Paracoccus, а также термофильные спорообразующие микроорганизмы. Восстанавливать нитраты могут некоторые хемолитоавтотрофы, типичным представителем которых является Thiobacilius denitrificans. Этот микроорганизм размножается в анаэробных ус­ловиях, используя нитраты в качестве акцептора водорода.

Диссимиляционная денитрификация наносит большой ущерб сель­скому хозяйству, так как приводит к снижению запасов азота в почве.

Косвенная денитрификация - это чисто химический процесс взаимодействия нитритов с аминокислотами, в результате которо­го образуется молекулярный азот:

R-CHNH₂-COOH + HNO₂ R-CHOH-COOH + N₂ + H₂O