Ciclul azotului este ciclul biogeochimic al azotului . Cea mai mare parte se datorează acțiunii ființelor vii. Microorganismele din sol joacă un rol foarte important în ciclu, asigurând metabolismul azotului în sol - ciclul în sol al azotului, care este prezent acolo sub forma unei substanțe simple (gaz - N 2 ) și ioni: nitriți (NO 2 ). -), nitrați (NO 3 -) și amoniu (NH4 + ). Concentrațiile acestor ioni reflectă starea comunităților de sol, deoarece acești indicatori sunt afectați de starea biotei (plante, microfloră), de starea atmosferei și de leșierea diferitelor substanțe din sol. Ele sunt capabile să reducă concentrația de substanțe care conțin azot care sunt dăunătoare altor organisme vii. Ele pot transforma amoniacul , toxic pentru ființele vii , în nitrați mai puțin toxici și în azot atmosferic inert biologic. Astfel, microflora solului contribuie la menținerea stabilității parametrilor săi chimici.
Rezervele de azot din natură sunt foarte mari. Conținutul total al acestui element în organisme este de peste 25 de miliarde de tone, o cantitate mare de azot se găsește și în sol . Azotul este prezent în aer sub formă de gaz N2 . Cu toate acestea, azotul gazos, al cărui conținut în atmosferă ajunge la 78% în volum, nu poate fi asimilat de eucariote singuri. Iar capacitatea unică de a converti N 2 în compuși care conțin azot este deținută de unele bacterii, care sunt numite fixatoare de azot sau fixatori de azot. Fixarea azotului este posibilă de multe bacterii și cianobacterii . Ei trăiesc fie în sol, fie în simbioză cu plantele, fie cu mai multe soiuri de animale.
De exemplu, plantele din familia leguminoaselor (Fabaceae) conțin astfel de bacterii pe rădăcini . Un reprezentant tipic al microorganismelor care fixează azotul cu viață liberă este Azotobacter , o bacterie Gram-negativă care fixează azotul atmosferic. Produsele de fixare a azotului sunt amoniacul ( NH 3 ), nitriții .
Azotul sub formă de amoniac și compuși de amoniu, obținuți în procesele de fixare a azotului biogen, se oxidează rapid la nitrați și nitriți. Acest proces se numește nitrificare și este realizat de bacterii nitrificatoare. Cu toate acestea, nu există o astfel de bacterie care să transforme direct amoniacul în nitrat. Două grupuri de bacterii participă întotdeauna la oxidarea sa: unele oxidează amoniacul, formând nitriți, în timp ce altele oxidează nitriții în nitrat. Cele mai cunoscute genuri de bacterii nitrificatoare sunt Nitrosomonas și Nitrobacter .
Nitrosomonas oxidează amoniacul:
NH 3 + 1½ O 2 = (NO 2 -) + 2H+ + H 2 ONitrobacter oxidează nitritul:
(NO 2 -) + ½ O 2 \u003d NO 3 -Bacteriile oxidante de amoniac furnizează un substrat pentru bacteriile oxidante de nitriți. Deoarece concentrațiile mari de amoniac au un efect toxic asupra Nitrobacter, Nitrosomonas, folosind amoniacul și formând acid, îmbunătățește astfel condițiile de viață pentru Nitrobacter.
Nitrifitoarele sunt bacterii Gram-negative aparținând familiei Nitrobacteraceae. Nu au nevoie de compuși cu carbon redus pentru creșterea și reproducerea normală, sunt capabili să reducă CO 2 la compuși organici, folosind energia de oxidare a compușilor minerali cu azot: amoniac și nitriți. Adică, nitrificatorii sunt bacterii care sunt capabile să se hrănească exclusiv cu compuși anorganici și să efectueze procesul de chemosinteză, sinteza compușilor organici din cei minerali. Chemosinteza este o modalitate prin care ființele vii de a asimila carbonul anorganic, alternativă la fotosinteză .
Plantele folosesc nitrați pentru a forma diverse substanțe organice. Animalele consumă împreună cu alimente proteine vegetale, aminoacizi și alte substanțe care conțin azot. Astfel, plantele pun azotul organic la dispoziția altor organisme consumatoare.
Toate organismele vii furnizează azot mediului. Pe de o parte, toate secretă produse ale metabolismului azotului în timpul activității lor vitale: amoniac, uree și acid uric. Ultimii doi compuși se descompun în sol cu formarea de amoniac (care, dizolvat în apă, dă ioni de amoniu).
Acidul uric secretat de păsări și reptile este, de asemenea, mineralizat rapid de grupuri speciale de microorganisme pentru a forma NH3 și CO2 .
Pe de altă parte, azotul inclus în compoziția ființelor vii, după moartea acestora, suferă amonificare (descompunerea compușilor complecși care conțin azot cu eliberarea de ioni de amoniac și amoniu (NH 4 + )) și nitrificare.
Produsele de nitrificare - NO 3 - și (NO 2 -) sunt ulterior denitrificate. Acest proces se datorează în întregime activității bacteriilor denitrificatoare, care au capacitatea de a reduce nitrații prin nitriți la protoxid de azot gazos (N 2 O) și azot (N 2 ). Aceste gaze sunt eliberate liber în atmosferă.
10 [H] + 2 H+ + 2NO 3 - = N 2 + 6 H 2 OÎn absența oxigenului, nitratul servește ca acceptor final de hidrogen.
Capacitatea de a obține energie prin utilizarea nitratului ca acceptor final de hidrogen pentru a forma o moleculă de azot este larg răspândită în bacterii.
Pierderile temporare de azot în zone limitate ale solului sunt, fără îndoială, asociate cu activitatea bacteriilor denitrificatoare.
Astfel, ciclul azotului este imposibil fără participarea microflorei solului.
Compușii de azot digerabili se pot acumula în sol sub formă anorganică (nitrat) sau pot fi încorporați într-un organism viu sub formă de azot organic . Asimilarea și mineralizarea determină absorbția compușilor de azot din sol, asocierea lor în biomolecule vegetale și, respectiv, conversia lor în azot anorganic după moartea plantei. Asimilarea este conversia azotului anorganic (cum ar fi nitratul) într-o formă organică de azot, cum ar fi aminoacizii . Nitratul este transformat de enzime mai întâi în nitrit ( nitrat reductază ), apoi în amoniac ( nitrit reductază ). Amoniacul face parte din aminoacizi.
În absența activității umane, procesele de fixare a azotului și nitrificare sunt aproape complet echilibrate de reacții opuse de denitrificare . O parte din azot intră în atmosferă din mantaua cu erupții vulcanice, o parte este ferm fixată în sol și minerale argiloase, în plus, azotul se scurge constant din straturile superioare ale atmosferei în spațiul interplanetar. Dar în prezent, ciclul azotului este influențat de mulți factori cauzați de om.
Prima este ploaia acidă , fenomen în care are loc o scădere a pH -ului precipitațiilor și zăpezii din cauza poluării aerului cu oxizi acizi (de exemplu, oxizi de azot). Chimia acestui fenomen este următoarea. Pentru arderea combustibililor fosili, motoarele cu ardere internă și cazanele sunt alimentate cu aer sau cu un amestec de combustibil cu aer. Aproape 4/5 din aer este format din azot gazos și 1/5 din oxigen . La temperaturile ridicate create în interiorul instalațiilor, are loc inevitabil reacția azotului cu oxigenul și se formează oxid de azot:
N 2 + O 2 \u003d 2NO - QAceastă reacție este endotermă și are loc în mod natural în timpul descărcărilor de fulgere și, de asemenea, însoțește și alte fenomene magnetice similare din atmosferă. Astăzi, ca urmare a activităților lor, o persoană crește foarte mult acumularea de oxid nitric (II) pe planetă.
Oxidul nitric (II) se oxidează cu ușurință la oxid nitric (IV) chiar și în condiții normale:
2NO + O 2 \u003d 2NO 2Apoi, oxidul nitric reacţionează cu apa atmosferică pentru a forma acizi:
2NO 2 + H 2 O \u003d HNO 3 + HNO 2se formează acizii nitric și azotic . În picăturile de apă atmosferică, acești acizi se disociază cu formarea ionilor de azotat , respectiv nitriți, iar ionii intră în sol cu ploaie acide.
Al doilea grup de factori antropici care influențează schimbul de azot al solurilor îl reprezintă emisiile tehnologice. Oxizii de azot sunt unul dintre cei mai frecventi poluanți ai aerului. Iar creșterea constantă a producției de amoniac, acid sulfuric și azotic este direct legată de creșterea volumului gazelor de eșapament și, în consecință, de creșterea cantității de oxizi de azot emiși în atmosferă. Al treilea grup de factori este suprafertilizarea solurilor cu nitriți, nitrați ( salpetru ) și îngrășăminte organice.
Și, în sfârșit, schimbul de azot al solurilor este afectat negativ de un nivel crescut de poluare biologică. Cauze posibile: deversarea apelor uzate, nerespectarea standardelor sanitare (plimbarea câinilor, haldele necontrolate de deșeuri organice, funcționarea defectuoasă a sistemelor de canalizare etc.). Ca urmare, solul este contaminat cu amoniac, săruri de amoniu, uree , indol, mercaptani și alți produși de descompunere ai materiei organice. În sol se formează o cantitate suplimentară de amoniac, care este apoi procesată de bacterii în nitrați.
Există un schimb constant de elemente chimice între litosferă , hidrosferă , atmosferă și organismele vii ale Pământului. Acest proces este ciclic: după ce s-au mutat dintr-o sferă în alta, elementele revin din nou la starea lor inițială.
Biocenozele antropice sunt comunități naturale speciale formate sub influența directă a omului, care el însuși poate crea noi peisaje și poate schimba serios echilibrul ecologic. În plus, activitatea umană are un impact uriaș asupra ciclului elementelor. A devenit deosebit de remarcabil în ultimul secol, deoarece au existat schimbări serioase în ciclurile naturale datorită adăugării sau eliminării substanțelor chimice prezente în acestea ca urmare a influențelor induse de om.
Azotul este necesar pentru existența animalelor și plantelor: face parte din proteine , aminoacizi, acizi nucleici , clorofilă , pietre prețioase etc. În acest sens, o cantitate semnificativă de azot legat se găsește în organismele vii, „organice moarte” și materie dispersată din mări și oceane.
Este foarte important să se studieze și să controleze ciclul azotului, în special în biocenozele antropice, deoarece o mică defecțiune în orice parte a ciclului poate duce la consecințe grave: poluarea chimică severă a solurilor, creșterea excesivă a corpurilor de apă și poluarea prin produse de descompunere a morților. materie organică (amoniac, amine etc.), conținut ridicat de compuși solubili de azot în apa potabilă.
Pentru a studia caracteristicile ciclului azotului, puteți utiliza o metodologie cuprinzătoare pentru studierea conținutului de ioni de nitriți (NO 2 -), nitrat (NO 3 -) și amoniu (NH 4 +) din sol și indicatorii săi microbiologici.