Азотный цикл - Nitrogen cycle

Глобальный круговорот реактивного азота, включая производство промышленных удобрений, азот, фиксируемый естественными экосистемами, азот, фиксируемый океанами, азот, фиксируемый сельскохозяйственными культурами, NOx, выделяемый при сжигании биомассы, NOx, выделяемый из почвы, азот, фиксируемый молниями, NH3, выделяемый наземными экосистемами, выпадения азота на земные поверхности и океаны, выбросы NH3 из океанов, выбросы NO2 из атмосферы в океане, денитрификация в океанах и захоронение химически активного азота в океанах.

Азотный цикл представляет собой биохимический цикл , по которому азот превращается в нескольких химических формах , как она циркулирует среди атмосферы , наземных и морских экосистем . Конверсия азота может осуществляться как биологическими, так и физическими способами. Важные процессы в азотном цикле включают фиксацию , аммонификацию , нитрификацию и денитрификацию . Большая часть атмосферы Земли (78%) состоит из атмосферного азота , что делает ее крупнейшим источником азота. Однако атмосферный азот имеет ограниченную доступность для биологического использования, что приводит к нехватке пригодного для использования азота во многих типах экосистем .

Азотный цикл представляет особый интерес для экологов, поскольку наличие азота может влиять на скорость основных экосистемных процессов, включая первичное производство и разложение . Деятельность человека, такая как сжигание ископаемого топлива, использование искусственных азотных удобрений и выброс азота в сточные воды, резко изменила глобальный цикл азота . Модификация человеком глобального азотного цикла может негативно повлиять на систему окружающей среды, а также на здоровье человека.

Процессы

Азот присутствует в окружающей среде в самых разных химических формах, включая органический азот, аммоний (NH+
4
), нитрит (NO-
2
), нитрат (NO-
3
), закись азота (N 2 O), оксид азота (NO) или неорганический газообразный азот (N 2 ). Органический азот может находиться в форме живого организма, гумуса или в промежуточных продуктах разложения органических веществ. Процессы в круговороте азота заключаются в преобразовании азота из одной формы в другую. Многие из этих процессов выполняются микробами , стремясь собрать энергию или накапливать азот в форме, необходимой для их роста. Например, азотсодержащие отходы в моче животных расщепляются нитрифицирующими бактериями в почве и используются растениями. На диаграмме показано, как эти процессы сочетаются друг с другом и образуют азотный цикл.

Фиксация азота

Преобразование газообразного азота (N 2 ) в нитраты и нитриты посредством атмосферных, промышленных и биологических процессов называется азотфиксацией. Атмосферный азот должен быть переработан, или « закреплен », в пригодную для использования форму, чтобы растения могли усвоить его. От 5 до 10 миллиардов кг в год фиксируется ударами молнии , но большая часть фиксации осуществляется свободноживущими или симбиотическими бактериями, известными как диазотрофы . У этих бактерий есть фермент нитрогеназа, который объединяет газообразный азот с водородом для производства аммиака , который бактериями превращается в другие органические соединения . Большая часть биологической фиксации азота происходит за счет активности Mo-нитрогеназы, обнаруженной у большого количества бактерий и некоторых архей . Mo-нитрогеназа - это сложный двухкомпонентный фермент, который имеет несколько металлсодержащих простетических групп. Примером свободноживущих бактерий является Azotobacter . Симбиотические азотфиксирующие бактерии, такие как Rhizobium, обычно живут в корневых клубеньках бобовых (таких как горох, люцерна и деревья акации). Здесь они образуют мутуалистические отношения с растением, производя аммиак в обмен на углеводы . Из-за этого отношения бобовые часто повышают содержание азота в бедных азотом почвах. Некоторые небобовые растения также могут образовывать такие симбиозы . Сегодня около 30% общего фиксированного азота производится в промышленности с использованием процесса Габера-Боша , который использует высокие температуры и давления для преобразования газообразного азота и источника водорода (природного газа или нефти) в аммиак.

Ассимиляция

Растения могут поглощать нитраты или аммоний из почвы своими корневыми волосками. Если нитрат абсорбируется, он сначала восстанавливается до нитрит-ионов, а затем до ионов аммония для включения в аминокислоты, нуклеиновые кислоты и хлорофилл. У растений, которые находятся в симбиотических отношениях с ризобиями, часть азота ассимилируется в форме ионов аммония непосредственно из клубеньков. В настоящее время известно, что существует более сложный круговорот аминокислот между бактероидами Rhizobia и растениями. Растение обеспечивает бактероидами аминокислоты, поэтому ассимиляция аммиака не требуется, и бактероиды передают аминокислоты (с вновь зафиксированным азотом) обратно в растение, таким образом формируя взаимозависимые отношения. В то время как многие животные, грибы и другие гетеротрофные организмы получают азот путем проглатывания аминокислот , нуклеотидов и других небольших органических молекул, другие гетеротрофы (включая многие бактерии ) могут использовать неорганические соединения, такие как аммоний, в качестве единственных источников азота. Использование различных источников азота тщательно регулируется всеми организмами.

Аммонификация

Когда растение или животное умирает или животное выбрасывает отходы, исходная форма азота - органическая . Бактерии или грибы превращают органический азот в останках обратно в аммоний ( ), этот процесс называется аммонификацией или минерализацией . Участвующие ферменты:

  • GS: Gln синтетаза (цитозольная и пластиковая)
  • GOGAT: Glu 2-оксоглутарат аминотрансфераза ( ферредоксин и НАДН-зависимая)
  • GDH: Glu дегидрогеназа:
    • Незначительная роль в усвоении аммония.
    • Важен в катаболизме аминокислот.
Круговорот микробного азота
ANAMMOX - это анаэробное окисление аммония, DNRA - диссимиляционное восстановление нитрата до аммония, а COMMAMOX - полное окисление аммония.

Нитрификация

Превращение аммония в нитрат осуществляется преимущественно почвенными бактериями и другими нитрифицирующими бактериями. На первичной стадии нитрификации окисление аммония (NH+
4
) осуществляется бактериями, такими как виды Nitrosomonas , которые превращают аммиак в нитриты ( NO-
2
). Другие виды бактерий, такие как Nitrobacter , ответственны за окисление нитритов ( NO-
2
) в нитраты ( NO-
3
). Это важно для аммиака ( NH
3
) для преобразования в нитраты или нитриты, поскольку газообразный аммиак токсичен для растений.

Из-за их очень высокой растворимости и из-за того, что почвы очень неспособны удерживать анионы , нитраты могут попадать в грунтовые воды . Повышенное содержание нитратов в грунтовых водах вызывает беспокойство при использовании питьевой воды, поскольку нитраты могут влиять на уровень кислорода в крови у младенцев и вызывать метгемоглобинемию или синдром голубого ребенка. Там, где подземные воды пополняют сток ручья, обогащенные нитратами грунтовые воды могут способствовать эвтрофикации - процессу, который приводит к высокой численности и росту водорослей, особенно популяций сине-зеленых водорослей. Хотя нитрат не является прямым токсичным для рыб, как аммиак, он может оказывать косвенное воздействие на рыбу, если способствует эвтрофикации. Азот способствовал серьезным проблемам эвтрофикации в некоторых водоемах. С 2006 года применение азотных удобрений все больше контролируется в Великобритании и США. Это происходит по той же схеме, что и контроль фосфорных удобрений, ограничение которых обычно считается важным для восстановления заболоченных водоемов.

Денитрификация

Денитрификация - это восстановление нитратов обратно в газообразный азот (N 2 ), завершающее азотный цикл. Этот процесс осуществляется такими видами бактерий, как Pseudomonas и Paracoccus , в анаэробных условиях. Они используют нитрат в качестве акцептора электронов вместо кислорода во время дыхания. Эти факультативно (то есть необязательно) анаэробные бактерии также могут жить в аэробных условиях. Денитрификация происходит в анаэробных условиях, например, в заболоченных почвах. Денитрифицирующие бактерии используют нитраты в почве для дыхания и, следовательно, производят газообразный азот, который инертен и недоступен для растений. Денитрификация происходит как у свободноживущих микроорганизмов, так и у облигатных симбионтов анаэробных инфузорий.

Диссимиляционное восстановление нитратов до аммония

Диссимиляционное восстановление нитратов до аммония (DNRA) или аммификация нитратов / нитритов - это анаэробный  процесс дыхания . Микробы, которые проводят DNRA, окисляют органическое вещество и используют нитрат в качестве акцептора электронов, восстанавливая его до  нитрита , а затем до  аммония  (NO 3 - → NO 2 - → NH 4 + ). Как денитрифицирующие, так и нитратные аммонифицирующие бактерии будут конкурировать за нитраты в окружающей среде, хотя DNRA сохраняет биодоступный азот в виде растворимого аммония, а не производит газообразный азот.

Анаэробное окисление аммиака

В этом биологическом процессе нитрит и аммиак превращаются непосредственно в газообразный молекулярный азот (N 2 ). Этот процесс составляет основную долю превращения азота в океанах. Сбалансированная формула этой химической реакции " анаммокс ": NH+
4
+ НЕТ-
2
→ N 2 + 2H 2 O (Δ G ° =−357 кДж⋅моль −1 ).

Прочие процессы

Хотя азотфиксация является основным источником доступного для растений азота в большинстве экосистем , в районах с богатой азотом коренной породой разложение этой породы также служит источником азота. Восстановление нитратов также является частью цикла железа , в бескислородных условиях Fe (II) может отдавать электрон NO 3 - и окисляется до Fe (III), в то время как NO 3 - восстанавливается до NO 2 - , N 2 O, N 2. , и NH 4 + в зависимости от условий и видов микробов.

Морской азотный цикл

Морской азотный цикл
Основные изученные процессы цикла N в различных морских средах. Каждая цветная стрелка представляет преобразование N: фиксация N 2 (красный), нитрификация (голубой), восстановление нитратов (фиолетовый), DNRA (пурпурный), денитрификация (аквамарин), N-дамо (зеленый) и анаммокс (оранжевый). Черные изогнутые стрелки обозначают такие физические процессы, как адвекция и диффузия.
Морской азотный цикл в условиях будущего подкисления океана

Круговорот азота также является важным процессом в океане. Хотя общий цикл похож, существуют разные участники и способы переноса азота в океане. Азот входит в воду через осадки, сток, или как Н 2 из атмосферы. Фитопланктон не может использовать азот в виде N 2, поэтому он должен подвергаться азотфиксации, которая осуществляется преимущественно цианобактериями . Без поставок фиксированного азота, входящего в морской цикл, фиксированный азот будет израсходован примерно за 2000 лет. Фитопланктону необходим азот в биологически доступных формах для первоначального синтеза органического вещества. Аммиак и мочевина попадают в воду в результате экскреции планктона. Источники азота удаляются из эвфотической зоны за счет нисходящего движения органического вещества. Это может происходить в результате опускания фитопланктона, вертикального перемешивания или опускания отходов вертикальных мигрантов. В результате опускания аммиак попадает на более низкие глубины ниже эвфотической зоны. Бактерии способны превращать аммиак в нитриты и нитраты, но они подавляются светом, поэтому это должно происходить ниже эвфотической зоны. Аммонификация или минерализация осуществляется бактериями для преобразования органического азота в аммиак. Затем может произойти нитрификация для превращения аммония в нитрит и нитрат. Нитрат может быть возвращен в эвфотическую зону путем вертикального перемешивания и апвеллинга, где он может быть поглощен фитопланктоном для продолжения цикла. N 2 можно вернуть в атмосферу посредством денитрификации .

Аммоний считается предпочтительным источником фиксированного азота для фитопланктона, поскольку его ассимиляция не включает окислительно-восстановительную реакцию и поэтому требует мало энергии. Для усвоения нитратов требуется окислительно-восстановительная реакция, но их больше, поэтому большинство фитопланктона адаптировались к ферментам, необходимым для этого восстановления ( нитратредуктаза ). Есть несколько примечательных и хорошо известных исключений, среди которых большинство Prochlorococcus и некоторые Synechococcus, которые могут поглощать азот только в виде аммония.

Питательные вещества в океане распределены неравномерно. Области апвеллинга обеспечивают поступление азота снизу эвфотической зоны. Прибрежные зоны обеспечивают азотом сток, и вдоль побережья легко происходит апвеллинг. Однако скорость поглощения азота фитопланктоном снижается в олиготрофных водах круглый год и в умеренных водах летом, что приводит к снижению первичной продукции. Распределение различных форм азота также варьируется в океанах.

Нитраты обеднены в приповерхностных водах, за исключением районов апвеллинга. Прибрежные районы апвеллинга обычно имеют высокий уровень нитратов и хлорофилла в результате увеличения производства. Однако есть области с высокой поверхностной концентрацией нитратов, но с низким содержанием хлорофилла, которые называются областями HNLC (с высоким содержанием азота и низким содержанием хлорофилла). Лучшее объяснение для регионов HNLC связано с дефицитом железа в океане, который может играть важную роль в динамике океана и круговоротах питательных веществ. Поступление железа варьируется в зависимости от региона и доставляется в океан с пылью (от пыльных бурь) и выщелачивается из горных пород. Железо рассматривается как истинный элемент, ограничивающий продуктивность экосистемы океана.

Аммоний и нитрит показывают максимальную концентрацию на высоте 50–80 м (нижний конец эвфотической зоны) с уменьшающейся концентрацией ниже этой глубины. Такое распределение можно объяснить тем фактом, что нитрит и аммоний являются промежуточными частицами. Оба они быстро производятся и потребляются через толщу воды. Количество аммония в океане примерно на 3 порядка меньше, чем нитрата. Между аммонием, нитритом и нитратом нитрит имеет самую быструю скорость оборота. Он может образовываться при ассимиляции нитратов, нитрификации и денитрификации; однако он сразу же снова потребляется.

Новый и регенерированный азот

Азот, попадающий в эвфотическую зону, называется новым азотом, потому что он вновь поступает из-за пределов продуктивного слоя. Новый азот может поступать из-под эвфотической зоны или из внешних источников. Внешние источники поднимаются из-за глубокой воды и азотфиксации. Если органическое вещество съедается, вдыхается, доставляется в воду в виде аммиака и повторно включается в органическое вещество фитопланктоном, это считается переработанным / регенерированным продуктом.

Новое производство - важная составляющая морской среды. Одна из причин заключается в том, что только постоянное поступление нового азота может определить общую способность океана производить устойчивый улов рыбы. Вылов рыбы из районов с регенерированным азотом приведет к снижению азота и, следовательно, к снижению первичной продукции. Это отрицательно скажется на системе. Однако, если рыбу вылавливают с участков с новым азотом, азот будет восполнен.

Будущее подкисление

Как показано на диаграмме справа, дополнительный диоксид углерода поглощается океаном и вступает в реакцию с водой, образуется углекислота, которая расщепляется на ионы бикарбоната (H 2 CO 3 ) и водорода (H + ) (серая стрелка), который снижает биодоступность карбонатов и снижает pH океана (черная стрелка). Это, вероятно, усилит фиксацию азота диазатрофами (серая стрелка), которые используют ионы H + для преобразования азота в биодоступные формы, такие как аммиак (NH 3 ) и ионы аммония (NH+
4
). Однако по мере снижения pH и превращения большего количества аммиака в ионы аммония (серая стрелка) происходит меньшее окисление аммиака до нитрита (NO-
2
), что приводит к общему снижению нитрификации и денитрификации (черные стрелки). Это, в свою очередь, приведет к дальнейшему накоплению фиксированного азота в океане с потенциальными последствиями эвтрофикации . Серые стрелки обозначают увеличение, а черные стрелки - уменьшение связанного процесса.

Влияние человека на круговорот азота

Внесение азотных удобрений
Азот в производстве навоза

В результате экстенсивного выращивания бобовых (особенно сои , люцерны и клевера ), растущего использования процесса Габера – Боша при создании химических удобрений и загрязнения от транспортных средств и промышленных предприятий, человечество более чем вдвое увеличило годовой объем производства. перевод азота в биологически доступные формы. Кроме того, люди внесли значительный вклад в перенос микрогазов азота с Земли в атмосферу и с суши в водные системы. Изменения человеком глобального азотного цикла наиболее интенсивны в развитых странах и в Азии, где выбросы транспортных средств и промышленное сельское хозяйство наиболее высоки.

Производство Nr, реактивного азота , увеличилось более чем в 10 раз за последнее столетие в связи с глобальной индустриализацией . Эта форма азота каскадом проходит через биосферу с помощью различных механизмов и накапливается, поскольку скорость его образования превышает скорость денитрификации .

Закись азота (N 2 O) повысилась в атмосфере в результате сельскохозяйственных удобрений, сжигания биомассы, скота и откормочных площадок, а также промышленных источников. N 2 O оказывает вредное воздействие на стратосферу , где он разрушается и действует как катализатор разрушения атмосферного озона . Закись азота также является парниковым газом и в настоящее время является третьим по величине источником глобального потепления после диоксида углерода и метана . Хотя в атмосфере его не так много, как углекислого газа, при эквивалентной массе он почти в 300 раз сильнее по своей способности согревать планету.

Содержание аммиака (NH 3 ) в атмосфере утроилось в результате деятельности человека. Это реагент в атмосфере, где он действует как аэрозоль , ухудшая качество воздуха и прилипая к каплям воды, что в конечном итоге приводит к образованию азотной кислоты ( H NO 3 ), которая вызывает кислотные дожди . Атмосферный аммиак и азотная кислота также повреждают органы дыхания.

Очень высокая температура молнии, естественно, производит небольшие количества NO x , NH 3 и HNO 3 , но высокотемпературное горение способствовало увеличению потока NO x в атмосферу в 6 или 7 раз . Его производство зависит от температуры сгорания: чем выше температура, тем больше NO x образуется. Основной вклад вносит сжигание ископаемого топлива , но также биотопливо и даже сжигание водорода. Однако скорость, с которой водород непосредственно впрыскивается в камеры сгорания двигателей внутреннего сгорания, можно регулировать, чтобы предотвратить более высокие температуры сгорания, которые производят NO x .

Аммиак и оксиды азота активно изменяют химию атмосферы . Они являются предшественниками образования озона в тропосфере (нижние слои атмосферы), который способствует образованию смога и кислотных дождей , наносит ущерб растениям и увеличивает поступление азота в экосистемы. Экосистемные процессы могут усиливаться за счет азотных удобрений , но антропогенное воздействие может также привести к насыщению азотом, что снижает продуктивность и может нанести вред здоровью растений, животных, рыб и людей.

Уменьшение биоразнообразия может также произойти, если более высокая доступность азота увеличивает потребность в азоте трав, вызывая деградацию бедных азотом вересковых пустошей с разнообразием видов .

Последствия модификации азотного цикла у человека

Воздействие на природные системы

Показано, что возрастающие уровни осаждения азота имеют ряд негативных последствий как для наземных, так и для водных экосистем. Азотные газы и аэрозоли могут быть непосредственно токсичными для определенных видов растений, влияя на наземную физиологию и рост растений вблизи крупных точечных источников загрязнения азотом. Также могут происходить изменения видов растений, поскольку накопление соединений азота увеличивает их доступность в данной экосистеме, что в конечном итоге приводит к изменению видового состава, разнообразия растений и круговорота азота. Аммиак и аммоний - две восстановленные формы азота - со временем могут нанести вред из-за повышенной токсичности для чувствительных видов растений, особенно тех, которые привыкли использовать нитраты в качестве источника азота, вызывая плохое развитие их корней и побегов. Повышенное осаждение азота также приводит к подкислению почвы, что увеличивает выщелачивание основных катионов в почве и количество алюминия и других потенциально токсичных металлов, наряду с уменьшением количества происходящей нитрификации и увеличением подстилки растительного происхождения. Из-за продолжающихся изменений, вызванных высоким уровнем осаждения азота, восприимчивость окружающей среды к экологическому стрессу и нарушениям, таким как вредители и патогены, может увеличиваться, что делает ее менее устойчивой к ситуациям, которые в противном случае оказали бы незначительное влияние на ее долгосрочную жизнеспособность.

Дополнительные риски, связанные с повышением доступности неорганического азота в водных экосистемах, включают подкисление воды; эвтрофикация пресноводных и морских систем; и вопросы токсичности для животных, включая человека. Эвтрофикация часто приводит к снижению уровня растворенного кислорода в толще воды, включая гипоксические и бескислородные условия, которые могут вызвать гибель водной фауны. Относительно сидячий бентос, или живущие на дне существа, особенно уязвимы из-за своей малоподвижности, хотя массовая гибель рыбы не является редкостью. Океанические мертвые зоны около устья Миссисипи в Мексиканском заливе являются хорошо известным примером гипоксии, вызванной цветением водорослей . Озера Адирондак в Нью-Йорке, Катскиллс , Гудзонское нагорье, плато Ренсселер и некоторые части Лонг-Айленда демонстрируют влияние выпадения азотно-кислотных дождей, в результате чего погибает рыба и многие другие водные виды.

Аммиак (NH 3 ) очень токсичен для рыб, поэтому необходимо тщательно контролировать уровень аммиака, сбрасываемого из очистных сооружений. Чтобы предотвратить гибель рыб, часто желательна нитрификация путем аэрации перед сбросом. Применение земли может быть привлекательной альтернативой аэрации.

Воздействие на здоровье человека: накопление нитратов в питьевой воде.

Утечка Nr (реактивного азота) в результате деятельности человека может вызвать накопление нитратов в естественной водной среде, что может оказать вредное воздействие на здоровье человека. Чрезмерное использование азотных удобрений в сельском хозяйстве является одним из основных источников загрязнения грунтовых и поверхностных вод нитратами. Благодаря своей высокой растворимости и низкому удерживанию почвой, нитраты могут легко уходить из подпочвенного слоя в грунтовые воды, вызывая загрязнение нитратами. Некоторые другие неточечные источники нитратного загрязнения подземных вод происходят от кормления скота, заражения животных и людей, а также от бытовых и промышленных отходов. Поскольку грунтовые воды часто служат основным источником бытовой воды, загрязнение нитратами может распространяться от грунтовых вод на поверхностные и питьевые воды в процессе производства питьевой воды , особенно для небольших коммунальных систем водоснабжения, где используются плохо регулируемые и антисанитарные воды.

Стандарт ВОЗ для питьевой воды составляет 50 мг NO 3 - л -1 для кратковременного воздействия и 3 мг NO 3 - л -1 для хронических эффектов. После того, как он входит в человеческое тело, нитрат может вступать в реакцию с органическими соединениями через нитрозирование реакции в желудке с образованием нитрозаминов и nitrosamides , которые участвуют в некоторых видах рака (например, рак полости рта и рак желудка ).

Воздействие на здоровье человека: качество воздуха

Деятельность человека также резко изменила глобальный цикл азота за счет производства азотистых газов, что связано с глобальным загрязнением атмосферы азотом. Существует несколько источников атмосферных потоков химически активного азота (Nr). Источники химически активного азота в сельском хозяйстве могут вызывать выбросы в атмосферу аммиака (NH 3) , оксидов азота (NO x ) и закиси азота (N 2 O). Процессы сжигания в производстве энергии, на транспорте и в промышленности также могут привести к образованию нового реактивного азота за счет выброса NO x , непреднамеренного отхода. Когда эти химически активные атомы азота выбрасываются в нижние слои атмосферы, они могут вызвать образование смога, твердых частиц и аэрозолей, которые вносят основной вклад в неблагоприятное воздействие загрязнения воздуха на здоровье человека. В атмосфере NO 2 может окисляться до азотной кислоты (HNO 3 ), и он может дополнительно реагировать с NH 3 с образованием нитрата аммония, который способствует образованию определенного нитрата. Более того, NH 3 может реагировать с другими кислыми газами ( серной и соляной кислотами ) с образованием аммонийсодержащих частиц, которые являются предшественниками вторичных органических аэрозольных частиц в фотохимическом смоге .

Смотрите также

использованная литература