Kvävets kretslopp är kvävets biogeokemiska kretslopp . Det mesta beror på verkan av levande varelser. Jordmikroorganismer spelar en mycket viktig roll i kretsloppet och tillhandahåller kvävemetabolism i jorden - kretsloppet i jorden av kväve, som finns där i form av ett enkelt ämne (gas - N 2 ) och joner: nitriter (NO 2 ) -), nitrater (NO 3 -) och ammonium (NH4 + ). Koncentrationerna av dessa joner återspeglar tillståndet i marksamhällen, eftersom dessa indikatorer påverkas av tillståndet i biota (växter, mikroflora), tillståndet i atmosfärenurlakning av olika ämnen från marken. De kan minska koncentrationen av kvävehaltiga ämnen som är skadliga för andra levande organismer. De kan omvandla ammoniak , giftigt för levande varelser , till mindre giftiga nitrater och till biologiskt inert atmosfäriskt kväve. Således bidrar markens mikroflora till att upprätthålla stabiliteten hos dess kemiska parametrar.
Reserverna av kväve i naturen är mycket stora. Det totala innehållet av detta element i organismer är mer än 25 miljarder ton, en stor mängd kväve finns också i jorden . Kväve finns i luften som N2 -gas . Kvävgas, vars innehåll i atmosfären når 78 volymprocent, kan dock inte assimileras av eukaryoter själva. Och den unika förmågan att omvandla N 2 till kvävehaltiga föreningar innehas av vissa bakterier, som kallas kvävefixerande eller kvävefixerare. Kvävefixering är möjlig av många bakterier och cyanobakterier . De lever antingen i jorden eller i symbios med växter eller med flera olika djur.
Till exempel innehåller växter av baljväxtfamiljen (Fabaceae) sådana bakterier på sina rötter . En typisk representant för frilevande kvävefixerande mikroorganismer är Azotobacter , en gramnegativ bakterie som fixerar atmosfäriskt kväve. Kvävefixeringsprodukter är ammoniak ( NH 3 ), nitriter .
Kväve i form av ammoniak och ammoniumföreningar, som erhålls i processerna för biogen kvävefixering, oxideras snabbt till nitrater och nitriter. Denna process kallas nitrifikation och utförs av nitrifierande bakterier. Det finns dock ingen sådan bakterie som direkt skulle omvandla ammoniak till nitrat. Två grupper av bakterier deltar alltid i dess oxidation: vissa oxiderar ammoniak och bildar nitrit, medan andra oxiderar nitrit till nitrat. De mest kända släktena av nitrifierande bakterier är Nitrosomonas och Nitrobacter .
Nitrosomonas oxiderar ammoniak:
NH3 + 1½ O2 = (NO2- ) + 2H+ + H2ONitrobacter oxiderar nitrit:
(NO 2 -) + ½ O 2 \u003d NO 3 -Ammoniakoxiderande bakterier utgör ett substrat för nitritoxiderande bakterier. Eftersom höga koncentrationer av ammoniak har en toxisk effekt på Nitrobacter, förbättrar Nitrosomonas, genom att använda ammoniak och bilda syra, livsvillkoren för Nitrobacter.
Nitrifierare är gramnegativa bakterier som tillhör familjen Nitrobacteraceae. De behöver inte reducerade kolföreningar för normal tillväxt och reproduktion, de kan reducera CO 2 till organiska föreningar genom att använda energin från oxidation av mineralkväveföreningar: ammoniak och nitriter. Det vill säga, nitrifierare är bakterier som uteslutande kan livnära sig på oorganiska föreningar och utföra processen för kemosyntes, syntesen av organiska föreningar från mineraler. Kemosyntes är ett sätt för levande varelser att assimilera oorganiskt kol, alternativ till fotosyntes .
Växter använder nitrater för att bilda olika organiska ämnen. Djur konsumerar vegetabiliska proteiner, aminosyror och andra kvävehaltiga ämnen med maten. Växter gör alltså organiskt kväve tillgängligt för andra konsumentorganismer.
Alla levande organismer levererar kväve till miljön. Å ena sidan utsöndrar de alla produkter av kvävemetabolism under sin vitala aktivitet: ammoniak, urea och urinsyra. De två sista föreningarna sönderfaller i jorden med bildning av ammoniak (som, när den löses i vatten, ger ammoniumjoner).
Urinsyra som utsöndras av fåglar och reptiler mineraliseras också snabbt av speciella grupper av mikroorganismer för att bilda NH 3 och CO 2 .
Å andra sidan genomgår kväve som ingår i sammansättningen av levande varelser, efter deras död, ammonifiering (nedbrytning av kvävehaltiga komplexa föreningar med frisättning av ammoniak och ammoniumjoner (NH 4 + )) och nitrifikation.
Nitrifikationsprodukter - NO 3 - och (NO 2 -) denitrifieras ytterligare. Denna process beror helt på aktiviteten hos denitrifierande bakterier, som har förmågan att reducera nitrat genom nitrit till gasformig dikväveoxid (N 2 O) och kväve (N 2 ). Dessa gaser släpps fritt ut i atmosfären.
10 [H] + 2 H+ + 2NO3- = N2 + 6 H2OI frånvaro av syre fungerar nitrat som den slutliga väteacceptorn.
Förmågan att få energi genom att använda nitrat som den slutliga väteacceptorn för att bilda en kvävemolekyl är utbredd i bakterier.
Tillfälliga förluster av kväve i begränsade områden av jorden är utan tvekan förknippade med aktiviteten hos denitrifierande bakterier.
Således är kvävecykeln omöjlig utan deltagande av markmikroflora.
Smältbara kväveföreningar kan ansamlas i jorden i en oorganisk form (nitrat) eller kan inkorporeras i en levande organism som organiskt kväve . Assimilering och mineralisering bestämmer upptaget av kväveföreningar från marken, deras association till växtbiomolekyler respektive deras omvandling till oorganiskt kväve efter växtdöd. Assimilering är omvandlingen av oorganiskt kväve (som nitrat) till en organisk form av kväve, såsom aminosyror . Nitrat omvandlas av enzymer först till nitrit ( nitratreduktas ), sedan till ammoniak ( nitritreduktas ). Ammoniak är en del av aminosyrorna.
I frånvaro av mänsklig aktivitet är processerna för kvävefixering och nitrifikation nästan helt balanserade av motsatta reaktioner av denitrifikation . En del av kvävet kommer in i atmosfären från manteln med vulkanutbrott, en del är fast fixerad i jordar och lermineraler, dessutom läcker kväve ständigt från atmosfärens övre skikt in i det interplanetära rummet. Men för närvarande påverkas kvävets kretslopp av många människor orsakade faktorer.
Den första är surt regn , ett fenomen där pH-värdet för nederbörd och snö minskar på grund av luftföroreningar av sura oxider (till exempel kväveoxider). Kemin för detta fenomen är som följer. För att elda fossila bränslen förses förbränningsmotorer och pannor med luft eller en blandning av bränsle med luft. Nästan 4/5 av luften består av kvävgas och 1/5 av syre . Vid höga temperaturer som skapas inuti installationerna inträffar oundvikligen reaktionen av kväve med syre och kväveoxid bildas:
N 2 + O 2 \u003d 2NO - QDenna reaktion är endoterm och inträffar naturligt under blixtarladdningar och åtföljer även andra liknande magnetiska fenomen i atmosfären. Idag, som ett resultat av deras aktiviteter, ökar en person kraftigt ackumuleringen av kväveoxid (II) på planeten.
Kväveoxid (II) oxideras lätt till kväveoxid (IV) även under normala förhållanden:
2NO + O 2 \u003d 2NO 2Därefter reagerar kväveoxid med atmosfäriskt vatten för att bilda syror:
2NO 2 + H 2 O \u003d HNO 3 + HNO 2salpetersyra och salpetersyror bildas . I droppar av atmosfäriskt vatten dissocierar dessa syror med bildandet av nitrat- respektive nitritjoner och jonerna kommer in i marken med surt regn.
Den andra gruppen av antropogena faktorer som påverkar kväveutbytet av jordar är tekniska utsläpp. Kväveoxider är en av de vanligaste luftföroreningarna. Och den stadiga tillväxten i produktionen av ammoniak, svavelsyra och salpetersyra är direkt relaterad till ökningen av volymen avgaser, och följaktligen till ökningen av mängden kväveoxider som släpps ut i atmosfären. Den tredje gruppen av faktorer är övergödsling av jordar med nitriter, nitrater ( salpeter ) och organiska gödningsmedel.
Och slutligen påverkas markens kväveutbyte negativt av en ökad nivå av biologisk förorening. Möjliga orsaker: utsläpp av avloppsvatten, bristande efterlevnad av sanitära normer (hundpromenader, okontrollerade soptippar för organiskt avfall, dåligt fungerande avloppssystem, etc.). Som ett resultat är jorden förorenad med ammoniak, ammoniumsalter, urea , indol, merkaptaner och andra nedbrytningsprodukter av organiskt material. Ytterligare en mängd ammoniak bildas i jorden, som sedan bearbetas av bakterier till nitrater.
Det finns ett konstant utbyte av kemiska element mellan litosfären , hydrosfären , atmosfären och levande organismer på jorden. Denna process är cyklisk: efter att ha flyttat från en sfär till en annan, återgår elementen till sitt ursprungliga tillstånd.
Antropogena biocenoser är speciella naturliga samhällen som bildas under direkt inflytande av människan, som själv kan skapa nya landskap och på allvar förändra den ekologiska balansen. Dessutom har mänsklig aktivitet en enorm inverkan på kretsloppet av element. Det har blivit särskilt märkbart under det senaste århundradet, eftersom det har skett allvarliga förändringar i naturliga cykler på grund av tillsats eller avlägsnande av kemikalier som finns i dem som ett resultat av mänskligt inducerad påverkan.
Kväve är nödvändigt för förekomsten av djur och växter: det är en del av proteiner , aminosyror , nukleinsyror , klorofyll , ädelstenar , etc. I detta avseende finns en betydande mängd bundet kväve i levande organismer, "döda organiska ämnen" och spridd materia i haven och oceanerna.
Det är mycket viktigt att studera och kontrollera kvävets kretslopp, särskilt i antropogena biocenoser, eftersom ett litet fel i någon del av kretsloppet kan leda till allvarliga konsekvenser: allvarlig kemisk förorening av jordar, överväxt av vattendrag och förorening av nedbrytningsprodukter av döda organiskt material (ammoniak, aminer , etc.).), hög halt av lösliga kväveföreningar i dricksvatten.
För att studera egenskaperna hos kvävecykeln kan du använda en omfattande metodik för att studera innehållet av nitrit (NO 2 -), nitrat (NO 3 -) och ammonium (NH 4 +) joner i jorden och dess mikrobiologiska indikatorer.