Круговорот элементов

В основе круговорота углерода в природе в основном лежат реакции окисления и восстановления углерода.

Круговорот углерода в природе

Из атмосферы и гидросферы растения связывают углекислый газ СО2. Часть растительной массы потребляется человеком и животными. Дыхание животных и гниение их останков, а также дыхание растений, гниение отмерших растений и горение древесины возвращают атмосфере и гидросфере СО2. Процесс минерализации останков растений и животных с образованием торфа, ископаемых углей, нефти, газа приводит к переходу углерода в природные ископаемые. В том же направлении действуют кислотно-основные реакции, протекающие между СО2 и различными горными породами с образованием карбонатов.

Эта неорганическая часть круговорота приводит к потерям СО2 в атмосфере и гидросфере. Деятельность человека по сжиганию и переработке угля, нефти, газа, дров, наоборот, с избытком обогащает окружающую среду СО2.

 

Круговорот азота в природе

Азот – основной компонент воздуха: его объемная доля равна 78%. Молекула азота N2 чрезвычайно устойчива.

Высокая устойчивость молекулы азота делает его практически инертным при обычной температуре. Только при очень высоких температурах он соединяется с водородом, образуя аммиак, и с кислородом, образуя смесь различных оксидов. Во вдыхаемом воздухе азот служит полезным разбавителем кислорода. Однако, вследствие растворения азота в крови, при резком снижении окружающего давления возможно возникновение кессонной болезни.

Из-за высокой стабильности молекулярного азота большинство живых существ не усваивают его. В то же время азот – необходимый компонент аминокислот, белков и нуклеиновых кислот. Процесс усвоения газообразного азота называется фиксацией азота. Этот процесс в природе совершается двумя путями. Основной путь – за счет жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий в симбиозе с бобовыми растениями, а также синезеленых и пурпурных водорослей. Эти микроорганизмы превращают молекулярный азот в аммиак или ионы аммония NH4+ под действием фермента нитрогеназы, использующего энергию гидролиза АТФ:

Образующийся аммиак в результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий окисляется под действием кислорода и фермента нитрогеноксидазы в нитраты, которые легко усваиваются корнями растений из почвы.

Другой путь фиксации азота осуществляется во время грозы, когда при электрическом разряде молнии происходит взаимодействие атмосферных азота и кислорода с последующим образованием нитратов, которые с дождевой водой попадают в почву и водоемы:

Растения усваивают нитраты, восстанавливая их с помощью нитратредуктазы в ионы аммония:

Ионы аммония в растениях благодаря реакции восстановительного аминирования образуют глутаминовую кислоту. На базе этой аминокислоты в результате реакции трансаминирования получаются остальные девятнадцать α-аминокислот, используемые для синтеза необходимых азотсодержащих биосубстратов: белков, нуклеиновых кислот и других.

Животные используют растения как источник азотсодержащих биосубстратов, из которых они синтезируют свои белки и нуклеиновые кислоты. После гибели и последующего разложения растительных и животных организмов из них образуются аммиак и соли аммония. На этом замыкается малый цикл в круговороте азота.

NH3 в организме человека и животных является одним из продуктов дезаминирования аминокислот, белков, биогенных аминов, пуриновых и пиримидиновых оснований, поступающих с пищей. Это простейший азотсодержащий метаболит, химические свойства которого обусловлены специфическими свойствами атома азота в соединениях.

Большой цикл в круговороте азота замыкается в результате жизнедеятельности денитрифицирующих анаэробных бактерий почвы, которые восстанавливают нитраты под действием фермента нитротазы до элементарного азота, который возвращается в атмосферу:

Таким образом, круговорот азота осуществляется благодаря жизнедеятельности различных микроорганизмов, растений и животных.

Деятельность человека, связанная с производством и использованием аммиака и нитратсодержащих минеральных удобрений, вносит заметный вклад только в одну ветвь круговорота азота, связанную с его фиксацией. Поэтому требуется строгий контроль за содержанием нитратов в почве, чтобы не допустить нарушения естественного круговорота азота в природе.