Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Соединения азота и их значение в биохимиче­ских процессах.

Азот – химический элемент, по распространенности в земной коре азот занимаем 31-е место – 0,025%, однако атмосфера состоит из 78% азота. Связанный азот образует минералы, как правило, нитраты (наиболее распространенные селитра, или нитраты щелочных металлов). Азот входит в состав ДНК и многих органических соединений, белков. Наибольшее содержание в мышечной ткани – 7% и костной ткани – 4% (в человеке массой 70 кг около 1,8 кг азота).

Цикл азота в океане многообразен и сложен. Га­зообразный азот в морской воде составляет около 10-16 мл/л, что больше концентраций кисло­рода. Однако, азот в газообразной форме обычно мало вовлекается в биологические процессы. Известно лишь усвоение азота бактериями и некоторыми синезелеными водорослями в процессах азотфиксации.

Общее количество азота в Мировом океане 23*10¹² т, из них 22*10¹² т приходится на растворенный газообразный азот. В биохимических процессах участвует в основном около 1*10¹² т, в том числе около 600*10⁹ т нитратов, 20-30*10⁹ т ам­миака и нитритов, 350*10⁹ т растворенных органических со­единений. Фитопланктон использует растворенные минеральные формы азота, прежде всего нит­раты.

Активную роль в цикле азота играют его минеральные и органические формы. Потребление водорослями минеральных соединений азота происходит в процессе фотосинтеза, выделение - в составе органических соединений, являющихся продуктами жизнедея­тельности организмов или деструкции отмерших организмов. Для фитопланктона азот становится усвояемым после минерализации органических веществ бактериями. Наряду с этим важное место занимает и процесс нитрификации, при котором нитрифицирующие бактерии переводят аммонийные соединения в нитраты и нитриты.

Переход азота в донные отложения и денитрификация, очевидно, компенси­руются поступлением азота извне. Соединения азота поступают в океан в основном с речным стоком и из атмосферы. С речными водами поступает значительное количество органического азота, которое, по некоторым данным, превосходит количество минерального азота.

Содержание нитратов (наиболее устойчивой формы соединений азота) изменяется от аналитического нуля на поверхности в весенне-летний период до 400-500 мкг N/л в глубинных слоях. Концентрация нитратного азота на поверхности и в слое фотосинтеза минимальна. С глубиной содержание нитратов быстро возрастает в слое 0-200 м, медлен­нее в слое 200-400 м и мало увеличивается глубже.

Содержание азота в воде меняется в значительных пределах в зави­симости от сезона и интенсивности вегетации фитопланктона. В частности, сезонные изменения количества азота в поверхностном слое наблюдаются в северных областях Атлантического океана: минимум - летом, макси­мум - зимой. Зимняя циркуляция вод обогащает слой фотосинтеза азотом.

Зональные факторы и циркуляция вод, особенно подъем под­поверхностных вод, резко сказываются на содержании нитра­тов. Например, в Индийском океане концентрация нитратов на по­верхности в северной половине океана мала, менее 1 мкг-ат/л. Она увеличивается южнее 40° ю. ш. до 5-10 мкг-ат/л, а в зоне приантарктических вод до 15 мкг-ат/л.

Локальные особенности гидро­логического режима в отдельных районах обусловливают большой диапазон изме­нений содержания азота. Воды холодных течений переносят нитраты в более южные районы. Усиление и ослабление процессов апвеллинга определяет вынос азота из глубинных слоев в поверхностный фотический слой.

Нитритный и аммонийный азот связан преимущественно с поверхностным слоем, где сосредоточиваются продукты распада азотсодержащих органических соединений.

Режим нитритов определяется продуктивностью района, интенсивностью процесса нитрификации, и содержание их редко превышает 20-30 мкг N/л. Максимальные концентрации нитритов на поверхности отмечаются осенью, зимой они практически отсутствуют. С глубиной количество нитритов возрастает: отмечается подповерхностный максимум в слое скачка плотности на глубинах 50-150 м и глубинный максимум в слое кислородного минимума на горизонтах 300-800 м в высокопродуктивных районах (зоны апвеллинга), где концентрация нитритов достигает 40-135 мкг N/л.

Ионы аммония встречаются главным образом в верхней продуктивной зоне; здесь их концентрации не превышают 20-25 мкг N/л. Годовой ход содержания NH₄⁺ в фотической зоне и распределение его по вертикали аналогично изменчивости нитритов. Несмотря на то, что абсолютное содержание аммонийного азота очень невелико и не превышает 2% суммы связанного азота, его роль в продукционно-деструкционных процессах очень велика. Быстрая оборачиваемость азота на уровне аммония позволяет ему обеспечить процессы фотосинтеза на большей части тропической зоны океанов.

В органических соединениях азот присутствует главным обра­зом в составе аминокислот и белков тканей организмов и продуктов их распада. Последние возникают в процессе отмирания организ­мов, а также в результате распада продуктов их жизнедеятельно­сти. Азотсодержащие органические соединения находятся в воде в самых различных формах: в виде взвесей (остатки организмов), коллои­дов, растворенных молекул, которые образуются при биологиче­ских процессах и биохимическом распаде взвесей.

Концентрация органического азота может достигать десятков и сотен микрограммов на литр. В морях содер­жание органического азота в несколько раз больше, чем в водах океана. В период активной ве­гетации фитопланктона концентрация органического азота может превосходить количество неорганиче­ского азота. Органический азот (вместе с органическим фосфором) оказывается важным компонентом антропогенной эвтрофикации внутренних морей и, по исследованиям послед­них лет, существенно влияет на биогенный режим некоторых важных прибрежных районов (Азовское, Каспийское и другие моря).

Переход сложных органических форм азота в более простые не­органические (минеральные) формы называется процессом регене­рации биогенных элементов. Этот переход может совершаться при биохимическом распаде азотсодержащих органических соедине­ний. Конечным результатом процесса превращения сложных орга­нических азотсодержащих веществ в неорганические является об­разование аммиака. Однако в окислительных условиях аммиак неустойчив, в присутствии кислорода под действием бактерий происходит процесс нитрификации - аммиак окисляется в нитриты и нитраты, причем этот процесс совершается в две фазы. Первая фаза процесса - переход аммиака в нитриты - осуще­ствляется под воздействием бактерий нитрификаторов по схеме NH₄⁺ + 2О₂ = NO₂^- + 2 H₂O

Нитритные ионы очень неустойчивы и под действием других бактерий окисля­ются далее в нитратные: 2 NO₂^- + О₂ = 2 NO₃^-

Обе эти реакции экзотермические, выделяемая энергия исполь­зуется бактериями при развитии. Процесс нитрификации может протекать только в аэробных условиях. Таким образом, нитратные ионы являются конечным продуктом сложного процесса минерали­зации органического вещества.

При недостатке кислорода протекает противоположный про­цесс - денитрификации, приводящий к уменьшению свя­занного азота в водах; при этом азот выделяется в свободном состоянии: 4 NO₃^- + 5С + 2Н₂О = 2 N₂ + СО₂ + 4НСО₃^-

Для водных организмов процесс денитрификации имеет отри­цательное значение, поскольку при этом связанный азот, необхо­димый биоте, переходит в свободное газообразное состояние. Следовательно, соединения азота совершают в воде кру­говорот по схеме:

Растения > Животные > Продукты распада > NH₄⁺ > NO₂^- > NO₃^- > Растения.