§ 3.2. Круговорот азота

Азот играет важную роль в биосфере. Оц является основным ком­понентом земной атмосферы. Круговорот азота, как и в случае кислен рода и углерода, охватывает все три сферы обитания жизни. Однако в силу меньшей химической активности круговорот атмосферного азота значительно отличается от круговорота 0₂. Биологический круговорот азота представляет собой практически замкнутый цикл, не оказываю­щий прямого влияния на химический состав атмосферы.

Важнейшим процессом, осуществляющим вовлечение атмосферного азота в биологический круговорот, служит процесс фиксации азота — образование аммиака и других соединений азота в результате деятель­ности почвенных и водных азотфиксирующих микроорганизмов.

Небиологическим путем восстановление молекулы N₂ (NsN) в ес-

91

тественных условиях происходит в основном при электрических разря­дах в атмосфере. Образуется химически связанный азот также при высоких температурах, например при работе реактивного двигателя:

При производстве удобрений фиксацию азота осуществляют в процессе Габера:

При этом водород получают обычно из природного газа (метана). Процесс протекает при повышенных температурах и может проводить­ся как без участия, так и при участии Ог;

До разработки процесса Габера основным азотсодержащим сырьем для производства соединений азота служили залежи NaNOe в Чили.

В природных условиях N2 связывают преимущественно бактерии, обитающие в клубнях корней бобовых растений (горох, фасоль, земля­ные орехи, люцерна). В гидросфере азот фиксируют сине-зеленые водоросли.

При ферментативном восстановлении N2 клубеньковыми бактерия­ми атомы Н воды участвуют в образовании NH3. Катализатором слу­жит фермент нитрогеназа. Интенсивное изучение этого фермента было начато в 60-х годах. Оказалось, это сложный ферментный комплекс, состоящий из двух белков разной молекулярной массы (230 000 и 60 000 ат.ед.), в состав которых входят кластеры Fe₄S4 (соответственно 4 и 1). Более крупный белок содержит также два Fe, Мо-кофермента, содержащих по 6—8 атомов Fe и по одному атому Мо. Восстановление N2 наблюдается только при наличии обоих белков. Остается только удивляться, насколько сложные каталитические процессы реализуются в биологических системах. Степень окисления азота в химических соединениях изменяется от -3 (в ГШз) до +5 (в НГТОз).

Связанный в форме NH3 (NH4) и NOjj азот поглощается растениями и используется для синтеза азотсодержащих соединений, в частности белков. В свою очередь, растительные белки служат пищей для живот­ных, в организме которых они расщепляются на аминокислоты и либо превращаются в животные белки, либо выводятся из организма с экскрементами. В природе существуют микроорганизмы, способные 92

превращать экскременты снова в N2, и таким образом происходит биологический круговорот азота в природе. Схема цикла азота в биосфере:

HN0₃(NOa + Н⁺)

Здесь {О}, {ЗОН}, {2Н} — двухэлектронные окислительные и восстановительные эквиваленты (акцепторы и доноры Н).

Промежуточное образование гидразина в процессе восстановления азота до аммиака, как и образование Н2О2 при восстановлении Ог до воды, возможно в качестве побочного продукта.

Процессы нитрификации-денитрификации и аммонификации осу­ществляются в результате деятельности соответствующих бактерий. Бактерии-денитрификаторы распространены в почвах и водах с малым содержанием Ог- Образующийся в процессе их жизнедеятельности газ N2O частично поступает в атмосферу.

Естественный круговорот азота характеризуется столь малой скоро­стью, что он сильно подвержен антропогенным воздействиям. В насто­ящее время равновесие по азоту в биосфере нарушено в результате человеческой деятельности, в окружающей среде происходит накопле­ние нитратов и промежуточных продуктов нитрификации.

93