Продукты фотосинтетических реакций. Кислород

Все живое на Земле зависит от фотосинтеза – либо непосредственно, либо, как в случае с животными, косвенно. Фотосинтез делает энергию и углерод доступными для живых организмов и обеспечивает выделение кислорода в атмосферу, что необходимо для всех аэробных форм жизни. А человечество зависит от фотосинтеза еще и потому, что оно использует ископаемое энергетическое топливо, которое образовалось за многие миллионы лет.

Процесс фотосинтеза обычно описывают уравнением

СО₂ + Н₂О [СН₂О] + О₂

Такого соединения, как СН₂О, не существует, но эта формула отражает состав углеводов.

В опытах с мечеными атомами было установлено, что источником кислорода в данной реакции служит вода: из каждой молекулы воды выделяется один атом кислорода. В сбалансированном виде уравнение должно выглядеть так:

СО₂ + 2 Н₂¹⁸О [СН₂О] + ¹⁸О₂ + Н₂О

Это самое точное итоговое уравнение фотосинтеза; к тому же из него дополнительно вытекает, что вода в процессе фотосинтеза не только используется, но и образуется.

Всем фотосинтезирующим организмам необходим источник водорода; у растений – это вода: водород получается путем расщепления воды на кислород и водород. Для этого расщепления нужна энергия, которую и дает свет. Кислород выделяется как ненужный побочный продукт. Образующийся водород взаимодействует с СО₂, и образуется углевод.

Способность использовать свет как источник энергии, необходимой для роста, присуща некоторым группам бактерий. Пурпурные и зеленые бактерии можно рассматривать как реликтовые организмы, дошедшие до нас из времен начальной эволюции фотосинтеза. Они не в состоянии использовать в качестве донора водорода воду; им требуются доноры с более высокой степенью восстановления (сероводород Н₂S, водород или органические вещества):

СО₂ + 2 Н₂S [СН₂О] + 2S + Н₂О

Фотосинтез у этих бактерий протекает без выделения кислорода. Во время окисления Н₂S в их клетках в качестве промежуточного продукта откладывается сера.

Цель работы: ознакомиться с процессом выделения кислорода при фотосинтезе.

Оборудование и реактивы: пробирка, стеклянная воронка, стакан 0, 4 л, лампа настольная; гидрокарбонат натрия, деревянная лучинка, пластилин.

Порядок выполнения работы

Самый простой способ показать, что при фотосинтезе выделяется кислород, – взять водное растение, поставить его на яркий свет и собрать выделяемый кислород, как показано на рис. 2.

Известно, что кислород поддерживает процесс горения. Для доказательства выделения кислорода к пробирке подносят тлеющую лучину, которая должна вспыхнуть ярким пламенем.

Рис. 2. Установка для изучения выделения кислорода при фотосинтезе

Требования к отчету

В отчете приводят результаты наблюдений горения лучины при выделении кислорода водорослью в процессе фотосинтеза.

Вопросы для самоподготовки

1. Что понимают под фотосинтетической деятельностью растений? Приведите основную реакцию фотосинтеза.

2. Продуктивность экологической системы. Виды продуктивности.

3. Первичные продукты фотосинтеза, их дальнейшие превращения.

4. Фотосинтез и миграции кислорода и углерода.

5. Основные лимитирующие факторы деятельности фотопродуцентов.

6. Токсичные вещества как лимитирующий фактор.

7. Роль фотосинтеза в жизнедеятельности биосферы.

Лабораторная работа № 13

Определение содержания нитратов

В растительных объектах

Азот широко распространен во всех геосферах и в составе различных соединений мигрирует в биосфере. В газообразной форме молекулярный азот (N₂) довольно инертен, его содержание в атмосфере составляет 78%. Азот используется биотой после усвоения азотфиксирующими бактериями почв и клубеньковыми бактериями, обитающими на корнях бобовых культур, а также сине-зелеными водорослями гидросферы. При этом азот превращается в аммиак по схеме:

N₂^{фиксация} 2N

2N + 3H₂ → 2NH₃

Образованный аммиак в виде аммонийного иона (NH₄⁺) встраивается в органические молекулы аминокислот, белка и других соединений. После гибели организмов азотсодержащие органические соединения подвергаются разложению. При этом в воду и почвенные растворы переходит азот в виде иона аммония NH₄⁺.Далее аммиак с помощью микроорганизмов окисляется в начале до нитрит (NO₂^–)-, а затем до нитрат (NO₃^–)-ионов. Такой процесс носит название процесса нитрификации:

2NH₃ + 3O₂ → 2H⁺ + 2NO₂^– + 2H₂O

2NO₂^– + O₂ → 2NO₃^–

В форме нитратов азот ассимилируется из почвы корнями растений и идет на образование аминокислот и белков.

В бескислородных (анаэробных) условиях процесс можно представить в виде следующей схемы:

(СН₂О)_n(NH₃)_m CO₂ + H₂O + N₂ + NH₃

Денитрифицирующие бактерии осуществляют процесс, обратный нитрификации, – денитрификацию. Денитрификация происходит только в анаэробных условиях, когда бактерии используют нитрат как окислитель, заменяющий кислород в реакциях окисления органических веществ. Сам нитрат при этом восстанавливается до молекулярного азота. Если израсходованы нитрат-ионы, то для окислительных процессов используется кислород сульфат-ионов:

Образовавшийся аммиак возвращается в цикл. Свободный азот N₂ или азот в виде N₂O, полученный в результате деятельности микроорганизмов, возвращается в окружающую среду, что поддерживает в природе существующий баланс между включаемым в биосферу и высвобождающимся в атмосферу азотом.

В последнее время применение удобрений, увеличение объемов производств, сопровождающихся образованием азотсодержащих отходов, и другие причины привели к тому, что в почвах, воде, и как следствие – в живых организмах накапливается избыточное количество нитратов. Легкорастворимые нитраты при выпадении большого количества осадков вымываются в глубокие горизонты и могут проникать в грунтовые воды. Накопленные в почве нитраты интенсивно всасываются растениями, что приводит к избыточному содержанию нитратов и в растительных тканях.

Избыток содержания нитратов в воде и пищевых продуктах вредит здоровью людей, так как появление в организме нитрита, восстановленного из нитрата, служит причиной образования метгемоглобина, в котором кислород прочно связан с гемоглобином, что снижает способность эритроцитов переносить кислород. Повышенное содержание нитратов в водных объектах вызывает бурный рост фитопланктона, приводящий к эвтрофикации водоемов.

Цель работы: углубить представления о миграции азота в биосфере, определить содержание нитратного азота в растениях.

Приборы и реактивы: нитратомер ЭКО-01, электроды хлорсеребряный и нитратселективный, гомогенизатор, 0, 1 М раствор КNO₃, 1%-ный раствор алюмокалиевых квасцов.

Порядок выполнения работы

Перед проведением замеров необходимо подготовить к работе электроды и откалибровать нитратомер.

Пробу растительного материала в количестве 0, 25…0, 5 кг следует сначала отмыть и просушить фильтровальной бумагой, а затем измельчить ножом на кусочки до 1 см. 10 г пробы взвесить с точностью до первого десятичного знака и поместить в стакан гомогенизатора. Прилить в стакан 50 мл 1 %-ного раствора алюмокалиевых квасцов и гомогенизировать смесь в течение 1–2 мин.

Погрузить в гомогенизированную массу электроды и определить значение ЭДС по шкале прибора. Пользуясь табл. 4, определить содержание нитратов в исследуемых растительных тканях, мг/кг.

Полученные значения сравнить с санитарно-гигиеническими нормами содержания нитратов в растительных продуктах (табл. 5) и сделать вывод о содержании нитратов в растениях и почвах в месте произрастания растений.

Таблица 4

Предыдущая 1 2 3 4 567 Следующая