Нитрификация (превращение аммиака в нитратные соединения)

⇐ ПредыдущаяСтр 22 из 24Следующая ⇒

В процессе всех превращений, которым подвергается азот с момента его ассимиляции растениями до его освобождения в виде аммиака, атом азота остается в восстановленной форме. Превращение аммиака в нитрат (нитрификация) осуществляется в природе двумя высокоспециализированными группами облигатно аэробных хемоавтотрофных бактерий.

Слайд №11. Нитрификация происходит в два этапа: на первом аммиак, окисляется до нитрита, на втором нитрит окисляется до нитрата. В результате деятельности бактерий аммиак, освобождающийся в процессе минерализации органического вещества, быстро окисляется в нитрат. Таким образом, нитрат основное азотистое вещество почвы, используемое растениями в процессе роста. Практика удобрения почвы навозом основана на микробной минерализации органического вещества, которая приводит к превращению органического азота в нитраты путем аммонификации и нитрификации. Еще более простым способом повышения содержания нитратов в почве служит орошение полей разбавленными растворами аммиака, что является одним из современных методов удобрения почв. Аммиак, который можно синтезировать химическим путем из молекулярного азота, — это наиболее концентрированная форма доступного связанного азота, поскольку он содержит около 82% азота по весу. Нитраты представляют собой хорошо растворимые соединения, поэтому они легко выщелачиваются из почвы и уносятся водой; следовательно, определенное количество связанного азота постоянно удаляется с континентов и переносится в океаны. В некоторых местностях, особенно в полузасушливых районах Чили, в почве накапливаются отложения нитратов в результате выхода и испарения поверхностных вод. Такие отложения — ценный источник удобрений, хотя их значение существенно снизилось за последние 50 лет вследствие развития химических методов производства азотистых соединений из атмосферного азота.

1.5 Денитрификация

Слайд №12. В анаэробных условиях многие аэробные бактерии вместо кислорода могут использовать нитрат в качестве конечного акцептора электронов с образованием молекулярного азота. Этот процесс известен как денитрификация (диссимиляционная нитратредукция), или «нитратное дыхание», так как в данном случае роль нитрата в качестве окислителя аналогична роли молекулярного кислорода при аэробном дыхании. Способностью к денитрификации обладают многие факультативно аэробные бактерии (Pseudomonas aeruginosa, P. stutzeri, P. fluorescens, Bacillus licheniformis, Paracoccus denitrifleans, Thiobacillus denitrificans). Ассимиляционная нитратредукция характерна для большинства микроорганизмов и для растений. Нитрат служит источником азота для построения клеточных компонентов. Источником азота для растений и микроорганизмов может быть и аммоний, усвояемый ими в процессе ассимиляции аммиака.

Таким образом, всякий раз, когда при разложении органического вещества в почве или воде кислород исчерпывается в результате дыхания аэробных микроорганизмов, некоторые из этих аэробов в присутствии нитрата продолжают дышать за счет органического вещества, т.е. переходят к анаэробному дыханию. При этом происходит восстановление нитратов. Некоторые бактерии (например, Escherichia coli) способны восстанавливать нитрат только до уровня нитрита, другие (например, Pseudomonas aeruginosa) могут восстановить его до газообразного азота. В ходе этого процесса, называемого денитрификацией, связанный азот удаляется из почвы и воды с освобождением газообразного азота в атмосферу.

Слайд №13. Денитрификация — процесс, имеющий большое экологическое значение. Он лишает почву необходимого для растений азота, снижая продуктивность сельского хозяйства. Особенно значительные потери происходят в удобренных почвах. Хотя точные цифры не известны, но при определенных условиях удобрения могут утрачивать в результате денитрификации до 50% связанного азота.

Однако денитрификация приводит не только к вредным последствиям. Благодаря денитрификации в почве всегда имеется определенное количество связанного азота. Хорошо растворимые ионы нитрата постоянно выщелачиваются из почвы и переносятся в океаны. При отсутствии денитрификации земной запас азота, включая азот атмосферы, в конце концов сосредоточился бы в океанах и, жизнь стала бы невозможной на основной части суши. Денитрификация делает пресную воду пригодной для питья, поскольку ионы нитратов в высоких концентрациях являются токсичными.

Слайд №14. Следует отметить, что изучение круговорота азота в природе связано с большими трудностями, поэтому количественные оценки отдельных миграционных потоков круговорота азота, выполненные разными учеными, сильно различаются. Диапазон данных отражен в таблице 2, где представлены главные особенности круговорота азота в биосфере.

Процессы массообмена Масса 10⁶ т / год

Мировая суша

Круговорот высших растений (фотосин- 3400*

тез — деструкция органического вещества

Бактериальный круговорот: Азотфиксация 4 0-200

Денитрификация от 40- 50 до 350-

Круговорот азота с участием животных 90-190

Поступление в атмосферу при пожарах 10-200

леса Вымывание из атмосферы

Вынос с речным стоком 24-61

Дегазация из недр Земли 1-9

Океан

Круговорот фотосинтетиков планктона

Бактериальный круговорот: Азотфиксация денитрификация Вымывание из атмосферы 1-20 0-330

Удаление в осадки 1-9

Техногенный вклад в миграцию масс с

Индустриальная азотфиксация Эмиссия азота в окружающую среду с промышленными и бытовыми отходами 10-20

Таблица 2 - Миграция масс азота в биосфере

Цикл кругооборота азота сильно изменился из-за хозяйственной деятельности людей. Наиболее значительное изменение в структуре глобального кругооборота азота связано с индустриальной фиксацией молекулярного азота из атмосферы, производством азотных удобрений и внесением их в почву. Масса ежегодно фиксируемого промышленностью азота превышает 60 • 10⁶ тонн. Не меньшее значение имеет искусственная биологическая фиксация азота путем широкого использования в сельском хозяйстве бобовых культур, находящихся в симбиозе с азотфиксирующими бактериями. В 70-х годах этим путем дополнительно связывалось около 15 • 10⁶ тонн азота; в настоящее время это количество возросло.

2. Круговорот серы

2.1 Общие положения

Значение живой материи для глобальной геохимии серы в биосфере не менее значимо, чем для углерода, хотя проявляется совершенно иначе. Если в биогеохимическом цикле углерода на суше главную роль играет сопряженная жизнедеятельность высших растений и почвенных микроорганизмов, то в биогеохимическом цикле серы основное значение имеет взаимодействие разных видов бактерий. Бактерии, синтезирующие органическое вещество, могут рассматриваться как продуценты, а разлагающие — как деструкторы (Заварзин Г.А., 1984). Взаимодействие таких групп способствует функционированию малых биогеохимических циклов.

Слайд №15. Сера, необходимый компонент живой материи, в большом количестве присутствует в земной коре. Для живых организмов сера доступна в форме растворимых сульфатов или восстановленных органических соединений. В результате микробного метаболизма и, в незначительном количестве, за счет вулканической деятельности в биосфере встречается также восстановленная сера в виде сероводорода (H₂S). Однако концентрация сероводорода в атмосфере очень низкая, так как в присутствии кислорода сероводород быстро окисляется либо спонтанно, либо с помощью бактерий.

Слайд №16. Во всех живых организмах сера представлена главным образом сульфгидрильными (-SH) или сульфидными (-S-S-) группами аминокислот: метионина, цистеина и гомоцистеина. При анаэробном разложении белков сульфгидрильные группы отщепляются ферментами- десульфуразами, при этом выделяется сероводород. Этот процесс напоминает аммонификацию азотсодержащих органических соединений. Наибольшее количество сероводорода образуется при диссимиляционном восстановлении сульфатов (диссимиляционная сульфатредукция, или «сульфатное дыхание»), осуществляемом облигатно анаэробными бактериями (бактерии родов Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfonema). Последние используют сульфат для окисления низкомолекулярных органических соединений или молекулярного водорода. Диссимиляционное восстановление элементарной серы в анаэробных условиях способны осуществлять бактерии рода Desulfuromonas. Сульфатредуцирующие (или десульфатирующие) бактерии в круговороте серы играют роль, сопоставимую с ролью нитратредуцирующих бактерий в круговороте азота. Их деятельность заметна на дне прудов, вдоль побережья моря по чёрному цвету ила (связан с образованием сульфида двухвалентного железа) и запаху (за счёт выделения сероводорода). Из-за токсического действия сероводорода некоторые береговые области иногда практически безжизненны.

Слайд №17. Циклические превращения соединений серы называются круговоротом серы. Биологические аспекты этого круговорота показаны на рисунке 3. Во многих отношениях он обнаруживает большое сходство с уже рассмотренным круговоротом азота.

Кроме биологического круговорота серы в земной атмосфере происходят важные небиологические превращения газообразных форм серы. Подсчитано, что в атмосферу ежегодно выделяется около 90млн. тонн серы в форме сероводорода(H₂S), который образуется биологическим путем, еще 50млн. тонн в форме сернистого газа (SO₂) образуется при сжигании топлива и около 0, 7млн. тонн в форме сероводорода (H₂S) и сернистого газа (SO₂) возникает в результате вулканической деятельности. В атмосфере сероводород быстро окисляется до сернистого газа (S0₂) атомарным кислородом (О), молекулярным кислородом (0₂ или озоном (О₃). Сернистый газ (SO₂) может растворяться в воде с образованием сернистой кислоты (H₂SO₃), или окисляться в медленно текущих реакциях (требующих нескольких часов или дней) до серного газа (SO₃) При растворении в воде SO₃ превращается в серную кислоту (H₂SO₄). Часть серной кислоты нейтрализуется небольшим количеством аммиака, присутствующего в атмосфере, однако основная ее часть возвращается вместе с неокисленной сернистой кислотой (H₂SO₃) на землю в форме кислоты, вызывающей значительное разрушение различных каменных сооружений. Количество образовавшихся кислых соединений серы ежегодно увеличивается по мере увеличения количества сжигаемого топлива. Эта проблема стоит особенно остро в районах с высокой плотностью населения — здесь уже в наше время происходит быстрое разрушение многих каменных скульптур (особенно страдают мраморные скульптуры).

2.2 Ассимиляция сульфата

Слайд №18. Сульфат используется в качестве питательного вещества почти всеми растениями и микроорганизмами. Ассимиляция сульфата напоминает ассимиляцию нитрата. Во-первых, сульфат, подобно нитрату, должен быть восстановлен, чтобы сера могла включиться в органические соединения, так как в живых организмах сера встречается почти исключительно в восстановленной форме в виде сульфгидрильных (—SH) или дисульфидных (—S—S—) групп. Во-вторых, в обоих случаях ассимилируется ровно столько питательных веществ, содержащих серу или азот, сколько их необходимо для роста организма; поэтому никакие восстановленные продукты метаболизма серы или азота не выделяются в окружающую среду.

2.3 Превращения органических соединений серы и образование сероводорода

При минерализации органических серусодержащих соединений сера освобождается в неорганической восстановленной форме в виде сероводорода. Этот процесс напоминает аммонификацию, при которой азот выделяется из органического вещества в неорганическом восстановленном состоянии в виде аммиака.

2.4 Прямое образование сероводорода из сульфата

Использование сульфата для синтеза серусодержащих компонентов клетки и последующее разложение этих соединений приводят к тому, что сульфат полностью восстанавливается до сероводорода. Более прямым путем сероводород образуется также из сульфата за счет деятельности сульфатредуцирующих бактерий. Эти облигатно анаэробные бактерии окисляют органические соединения и молекулярный водород при посредстве сульфата как окисляющего агента. Поэтому их роль в круговороте серы можно сравнить с ролью нитратредуцирующих бактерий в круговороте азота. Деятельность сульфатредуцирующих бактерий особенно заметна в иле на дне прудов и ручьев, в болотах и вдоль побережья моря. Так как концентрация сульфата в морской воде относительно высока, восстановление сульфата — важный фактор минерализации органического вещества на морских отмелях. Признаками такой минерализации служат запах сероводорода и черный ил, в котором протекает этот процесс. Черный цвет ила обусловлен присутствием в нем больших количеств сульфида двухвалентного железа. Некоторые береговые области, где накопление органического вещества ведет к особенно интенсивному восстановлению сульфата, практически безжизненны из-за токсического действия сероводорода.

2.5 Окисление сероводорода и серы

Сероводород, образующийся в биосфере в результате разложения серусодержащих соединений, восстановления сульфата и вулканической деятельности, в основном превращается в сульфат. Лишь небольшая его часть выводится из круговорота в виде нерастворимых сульфидов или (после самопроизвольного окисления кислородом) элементарной серы.

Слайд №19. Образованный в отсутствие молекулярного кислорода сероводород может быть окислен анаэробными фототрофными бактериями семейств Chromatiaceae до серы (виды Chlorobium) или до сульфата (виды Chromatium). В этом семействе известны бактерии, накапливающие серу внутри клеток в качестве промежуточного продукта окисления сероводорода (виды Thiospirillum, Chromatium, Thiodiction), и бактерии, откладывающие серу вне клеток (виды Ectothiorhodospira).

• В аэробных условиях сероводород под действием бесцветных серобактерий (виды Beggiatoa, Thiothrix) окисляется (через промежуточное образование серы) в сульфат. Сероводород может также окисляться в присутствии кислорода абиотическим путём. Свободную серу в аэробных условиях могут окислить до сульфата представители рода Thiobacillus. Некоторые из них — хемолитотрофы, другие используют в качестве источников энергии и углерода органические соединения.

• Образуя большие количества серной кислоты, тиобациллы уменьшают щелочность почвы, переводя карбонат кальция в растворимый сульфат кальция, вымываемый из почвы. Таким образом, добавляя в известковые почвы элементарную серу, можно бороться с избыточным известкованием. Что касается серы, необходимой для синтеза серусодержащих аминокислот, то она поступает в организм животных с пищей, содержащей восстановленные соединения серы; растения и часть микроорганизмов получают её в процессе ассимиляционной сульфатредукции. Как и при ассимиляции нитрата, ассимилируется ровно столько питательных веществ, содержащих серу или азот, сколько их необходимо для роста организма, поэтому восстановленные продукты метаболизма серы в окружающую среду не выделяются.

Слайд №20. Таким образом, биологическое окисление сероводорода и элементарной серы осуществляется фотосинтезирующими и хемоавтотрофными бактериями. Оно может происходить в аэробных условиях под воздействием бесцветных серобактерий или в анаэробных с помощью фотосинтезирующих пурпурных и зеленых серобактерий. Так как такие окислительные реакции приводят к образованию ионов водорода, они вызывают местное закисление почвы. Серу обычно добавляют к щелочным почвам, чтобы увеличить их кислотность.

Определить микробиологическое продуцирование сернистых газов весьма сложно. По данным Дж. Фрейда (1976), в результате деятельности микроорганизмов из океана в атмосферу выделяется 48* 10⁶ тонн серы в год. Одна ее часть в виде недоокиеленных газов типа SO₂ растворяется в воде (25 • 10⁶ тонн), другая полностью окисляется до сульфатов и вымывается атмосферными осадками. По мнению Дж. Фрейда, почвенные бактерии на суше выделяют в атмосферу в виде газов 58* 10⁶ тонн серы в год, из которых 15* 10⁶ тонн поглощаются растительностью, а 43* 10⁶ тонн окисляются в атмосфере до сульфатов и выпадают с атмосферными осадками.

Кроме того, с поверхности континентов ветром захватывается значительная масса сульфатов в виде дисперсных твердых частиц, которые входят в состав аэрозолей и затем выпадают на поверхность. Оценить эту массу в настоящее время можно лишь очень приблизительно. По данным А.Ю. Лейн и соавторов (1988), при выветривании в атмосферу с последующим осаждением участвует масса серы, равная 8•10⁶ тонн в год.

3. Круговорот фосфора

Слайд №21. Фосфор, как и азот, имеет большое значение в жизнедеятельности живых организмов. Без фосфора не могут синтезироваться белки. Он в большом количестве входит в состав ядерного вещества и многих ферментов, участвует в реакциях фосфорилирования. Некоторые фосфорорганические компоненты — носители больших запасов энергии (нуклеиновые кислоты, липиды и др.).

Слайд №22. С химической точки зрения круговорот фосфора является достаточно простым, так как фосфор встречается в живых организмах только в пятивалентном состоянии в виде свободных фосфатных ионов или в виде органических фосфатных компонентов клетки. Живые клетки неспособны поглощать большинство органических фосфорсодержащих соединений; их потребности в фосфоре удовлетворяются в результате поглощения фосфатных ионов, из которых внутри клетки синтезируются затем органические фосфорсодержащие соединения. После гибели организма фосфатный ион вновь освобождается при гидролизе этих соединений.

Несмотря на относительно короткий цикл круговорота фосфора и относительное обилие фосфатов в почвах и горных породах, фосфат служит фактором, ограничивающим рост многих организмов, так как большая часть земных запасов фосфора находится в виде нерастворимых солей кальция, железа или алюминия. Пресная вода часто содержит фосфатные ионы лишь в следовых количествах, и они становятся доступными для животных только после их концентрирования фитопланктоном.

Слайд №23. Таким образом, фосфаты доступны для высших организмов благодаря непрерывному переводу нерастворимых фосфатных соединений в растворимые. В этом процессе микробам принадлежит ведущая роль. Кислые продукты метаболизма — органические и неорганические (например, азотная и серная) кислоты растворяют фосфат кальция; образуемый бактериями сероводород способствует растворению фосфатов железа. Подсчитано, что продукцию биомассы в биосфере в конечном итоге лимитируют азот и фосфор. Так, из элементов, содержащихся в 1m³ морской воды, можно создать, опираясь в расчётах на содержание углерода - около 100г биомассы, рассчитывая по азоту — 6г, по фосфору — только 5г биомассы.

Растворимые фосфаты постоянно переносятся из почвенной среды в море вследствие выщелачивания; такой перенос в основном является однонаправленным. Только небольшие количества фосфатов возвращаются на сушу, главным образом в виде отложений помёта морскими птицами. Таким образом, доступность фосфата для высших организмов зависит от непрерывного перевода в раствор нерастворимых фосфатных отложений — процесса, в котором важную роль играют микроорганизмы. Кислые продукты их метаболизма (органические, а также азотная и серная кислоты) растворяют фосфат кальция, а образованный ими сероводород способствует растворению фосфатов железа.

Доступной для растений формой фосфора в почве служат свободные ионы ортофосфорной кислоты (Н₃РО₄). Их концентрация часто очень низка; рост растений, как правило, лимитируется не общим недостатком фосфата, а образованием малорастворимых его соединений, таких как апатит и комплексы с тяжелыми металлами. Запасы фосфатов в месторождениях, пригодных для разработки, велики, и в обозримом будущем производство сельскохозяйственной продукции не будет ограничиваться недостатком фосфора; однако фосфат должен быть переведен в растворимую форму. Во многих местах фосфат из удобрений попадает в проточные водоемы и озера. Так как концентрация ионов железа, кальция и алюминия в водоемах невысока, фосфат остается в растворенной форме, что приводит к формированию среды благоприятной для развития азотфиксирующих цианобактерий. В почвах из-за образования нерастворимых солей фосфаты чаще всего быстро становятся недоступными для усвоения.

В почве имеется много фосфора. По расчетам Д.Н. Прянишникова, его количество составляет 3—5 тонны на гектар. Особенно много фосфора в черноземах, богатых гумусом (5—6тонн/га). Фосфор в почве содержится в основном в органической, неусвояемой растениями форме и в виде трудноусвояемых минеральных соединений. Органические соединения попадают в почву вместе с растительными остатками, а также с отмирающими микроорганизмами. Они представлены нуклеопротеидами, нуклеиновыми кислотами и т.д.

Работами многих авторов была подтверждена роль микроорганизмов в превращении органических соединений фосфора в доступную для растений форму. Однако выделить культуру фосфорных микробов в чистом виде удалось только в 1935 г. Р.М.Менкиной. Ею были выявлены две разные группы микробов: спорообразующие и не обладающие таким свойством.

Слайд №24. Из разных видов фосфорных микроорганизмов наибольший интерес представляют спорообразующие виды, так как они используются для приготовления бактериального удобрения «Фосфобактерина». Их относят к виду Вас.megaterium var.phosphaticum. На среде, содержащей фосфорорганические соединения, фосфорные микробы освобождают фосфор в виде минеральных легкорастворимых солей фосфорной кислоты, доступных для растений. Чем больше таких микробов в почве, тем больше в ней доступного фосфора.

4. Превращение соединений железа.

Этот элемент широко распространен в природе, встречается в виде органических и минеральных соединений, входит в состав животных и растительных клеток. Содержится в гемоглобине крови и дыхательных ферментах- цитохромах, необходим для образования хлорофилла у растений, хотя и не входит в его состав. При недостатке железа у животных развивается анемия, растения теряют зеленую окраску. Железо бывает в форме нерастворимого окисного трёхвалентного (Fe³⁺) и растворимого закисного -двухвалентного (Fe²⁺). Перевод органического железа из окисного в закисное и наоборот осуществляется в основном микроорганизмами. С.Н.Виноградский обнаружил, что способностью окислять закисные соли железа в основном обладают бактерии рода Leptothrlx. По форме они напоминают нити, покрытые чехлом охряного цвета. Такую окраску придает им гидрат окиси железа — продукт жизнедеятельности микробов.

Слайд №25 В 1947г. из кислых вод угольных шахт выделен микроорганизм Thiobacillus ferrooxidans. Микроб представляет собой грамотрицательную подвижную палочку, которая живет в кислой среде (рН 1, 8—3, 5) при температуре 20—30°С. Углерод получает из диоксида углерода атмосферы, а энергию для его усвоения — при окислении закисного железа и сульфидов различных металлов. Thiobacillus ferrooxidans является наиболее широко распространенным микроорганизмом, окисляющим сульфидные минералы и переводящим металлы из нерастворимого состояния в растворимое.

Жизнедеятельность железобактерий и серобактерий во многом сходна. Железобактерии — аэробы, чаще встречаются в болотах, прудах, железистых источниках. В таких водоемах они окисляют закиси железа, поэтому наиболее благоприятной для них является та среда, в которой обитают зеленые водоросли, выделяющие на свету кислород. В процессе деятельности железобактерий образуется окись железа, которая оседает вне клеток и придает им бурый цвет.

Слайд№26. Окисление закисного железа идет по схеме:

4FeC0₃ + 0₂ + 6Н₂0 → 4Fe (ОН) ₃ + 4С0₂ (∆ G =-122 кДж/моль)

По мнению ученых, все важнейшие месторождения железа образовались в результате жизнедеятельности бактерий. В железных рудах обнаружены остатки древних железобактерий. Скопления отмерших железобактерий (гидроксида железа) образуют на дне стоячих водоемов залежи болотной руды, количество которой может достигать огромных размеров.

Во второй половине XIX в. русский ученый-инженер Н.И.Путилов для выплавки чугуна, а из него стали использовал руду, которую добывали со дна многочисленных озер в Финляндии. В подобных водоемах она обычно бывает биогенного (бактериального) происхождения. Об этом свидетельствует тот факт, что после извлечения руды ее количество в тех же озерах сравнительно быстро (через 2—3 года) восстанавливалось. Озерная руда содержала до 33% железа, а ее стоимость в то время не превышала 3—4 копеек за пуд. Производство металла быстро возрастало и достигало примерно полумиллиона пудов в год. Качество чугуна из болотной руды было очень хорошим. Позднее на путиловских заводах было налажено производство рельсов для императорской Николаевской железной дороги. Они превосходили по качеству и были на 30 % дешевле британских.

Микробы — это ещё и источники ультрамелких кристаллов магнетита. Ультрамелкие кристаллы магнетита ( нанокристаллы ), которые можно рассмотреть только в электронном микроскопе, содержатся в теле некоторых микробных клеток. Учеными Великобритании такие объекты обнаружены в иле морей и рек. Выделенные ими микроорганизмы можно размножать на искусственных питательных средах. Это позволит получить необходимое количество ультрамелких кристаллов, которые широко используются в электронике. Необходимый материал извлекают из микробных клеток путем обработки их слабой соляной кислотой, в результате чего кристаллы магнетита высвобождаются и оседают на дно.

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 19 20 212223 24 Следующая ⇒
Поделиться:

Последнее изменение этой страницы: 2017-04-12; Просмотров: 2745; Нарушение авторского права страницы