Биологический азот. Окись азота в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru

План

Введение

1. Биологический азот в природе и сельском хозяйстве

2. Окись азота в медицине

Заключение

Список использованной литературы

Введение

За весь период своего исторического развития население планеты постоянно решает возникающую проблему обеспечения себя продовольствием. В ХХ веке интенсивные методы землепользования позволили повысить урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность животных, за счет применения минеральных и органических удобрений, химических средств защиты растений, племенной работе. Это явилось положительным фактором в решении проблемы обеспечения продовольствием. Однако неразумное применение в производстве химических веществ, недостаточно эффективные способы утилизации отходов животноводства, нерациональное использование органических удобрений, интенсивная эксплуатация сельскохозяйственных угодий без учета процессов деградации плодородного слоя почвы приводит к обострению общей экологической обстановки. В этой связи остро встает вопрос о сельскохозяйственном производстве, гармонично сочетающемся с окружающей средой или по крайней мере не наносящем ей вред. Проблемы загрязнения окружающей среды вследствие применения химикатов заключаются, например, -- в несовершенстве организационных форм, технологий их транспортировки, хранения, применения, нарушения технологии их внесения в севообороте и под отдельные культуры (в том числе неумеренное или несбалансированное), несовершенство самих препаратов, их химических, физических и механических свойств и многое другое.

Неблагоприятное влияние минеральных удобрений и пестицидов на окружающую природную среду, может быть самое различное, это загрязнение почв, поверхностных и грунтовых вод, продукции и т.д. Внесению удобрений должно предшествовать известкование почв, которое снижает почвенную кислотность и улучшает жизнедеятельность микрофлоры.

Увеличение доз азотных удобрений приводит к повышению содержания нитратов в произведенной продукции. Важным приемом снижения нитратного загрязнения сельскохозяйственной продукции является внесение достаточного количества полноценного органического удобрения (навоз, компосты, сидераты).

Биологический азот в отличие от минеральных удобрений при его использовании растениями постепенно переходит из растительных остатков в почвенный покров и потому меньше вызывается и создает меньше предпосылок для накопления нитратов в растениях.

1. Биологический азот в природе и сельском хозяйстве

Среди органогенных элементов азот играет одну из важных ролей в жизни растений, несмотря на то, что в сухой массе растительных тканей его содержится всего 1-3%. Невысокая урожайность многих сельскохозяйственных культур чаще всего определяется недостатком именно азота. Для формирования урожая зерновых культур с одного гектара необходимо 150-200 кг азота в доступной для растений минеральной форме при общем содержании его в почве от 5 до 15 т на 1 га. При недостатке азота в среде обитания тормозится рост растений, ослабляется образование боковых побегов и кущение у злаков, наблюдается мелколистность.

Одно из ранних проявлений азотного дефицита - бледно-зеленая окраска листьев, вызванная ослаблением синтеза хлорофилла. Длительное азотное голодание ведет к гидролизу белков и разрушению хлорофилла прежде всего в нижних, более старых листьях и оттоку растворимых соединений азота к более молодым листьям Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., МГУ, 1970. с 25. Вследствие разрушения хлорофилла окраска нижних листьев в зависимости от вида растения приобретает желтые, оранжевые или красные тона, а при сильно выраженном азотном дефиците возможно появление некрозов (омертвление). Азотное голодание приводит к сокращению периода вегетативного роста и более раннему созреванию семян. Вот почему вопрос об источниках азота для растений представляет большой интерес.

Растения потребляют в основном почвенный азот, причем даже в том случае, когда в почву вносятся высокие дозы минерального азота, т. к. это способствует минерализации органического вещества почвы. Например, растения кукурузы при среднем урожае зерна 35 ц/га и вегетативной массы 50 ц/га выносят с 1 га около 85 кг азота. Для грамотного ведения земледелия необходимо знать, каковы запасы азота в почве и какие превращения с ним происходят.

Общие запасы азота в пахотном слое зависят от типа почв. Они составляют (в т/га): в дерново-подзолистых -1,5-6, в черноземных - 6-15, в торфяных - 16-20, в песчаных и супесчаных - 0,9-2. Основная масса азота содержится в органическом веществе почвы, которое состоит из гумусовых и негумифицированных веществ растительного и животного происхождения. В одной тонне гумуса содержится от 30 до 60 кг азота. Лишь незначительная часть азота входит в состав неорганических соединений в нитратной и аммонийной формах, способной усваиваться растениями.

Для того чтобы сделать доступными для питания растений основные запасы азота в гумусе, необходимо разложить органическое вещество почвы. Этот процесс невозможен без участия различных микроорганизмов.

Процесс превращения органического азота почвы в NН4+ носит название аммонификации. Он осуществляется гетеротрофными микроорганизмами (питаются готовыми органическими веществами) и схематически может быть представлен следующим образом:

органический азот почв ® RNН2 + СО2 + побочные продукты, RNН2 + Н2О = NH3 + RОН, NН3 + Н2О = NH4+ + ОH-.

Биологическое окисление NН3 или NH4+ до NO3- называется нитрификацией.

Еще в 1870 г. Шлезинг и Мюнц доказали опытным путем биологическую природу нитрификации. Для этого они добавляли к сточным водам хлороформ, в результате чего прекращалось окисление аммиака. Основная заслуга в раскрытии механизма нитрификации и выделении осуществляющих этот процесс микроорганизмов принадлежит выдающемуся российскому микробиологу С.Н.Виноградскому. В 1889 г. он открыл бактерии нитрификации и определил две фазы этого процесса.

Бактерии первой фазы окисляют аммиак до азотистой кислоты:

2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O.

К ним относят бактерии следующих родов: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus, Nitrosospira. Из них наиболее изучен вид Nitrosomonas europaea. Клетки этого вида бактерий обычно овальные (0,6-1,0 ґ 0,9-2,0 мкм), размножаются бинарным делением (рис. 1). В процессе развития в жидкой среде наблюдаются подвижные формы, имеющие один или несколько жгутиков, и неподвижные формы, или зооглеи (колонии клеток, окруженные слизью).

В ходе второй фазы образовавшаяся азотистая кислота окисляется до азотной:

2HNO2 + О2 = 2НNO3.

Среди бактерий, осуществляющих это превращение, различают три рода: Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Большая часть исследований проведена с разными штаммами Nitrobacter, многие из которых могут быть отнесены к виду Nitrobacter winogradskyi. Их клетки овально-грушевидной формы, внутри - чашеподобная структура из нескольких слоев; размножаются преимущественно почкованием, образующаяся дочерняя клетка подвижна, т. к. имеет жгутик.

Азотистая кислота в почве не накапливается, т. к. обе группы бактерий обычно функционируют последовательно. Ежегодно минерализуется 0,4-4 т/га органического вещества почвы, в основном гумуса. В результате образуется от 20 до 200 кг/га минерального азота. Таким образом, в почве накапливаются ионы NH4+ и NO3-, азот которых доступен для усваивания растениями.

Ионы NH4+ не слишком подвижны, хорошо адсорбируются анионами, трудно вымываются осадками, и поэтому в почвенном растворе их концентрация значительно выше, чем NO3-. В почвах, богатых глинистыми минералами, содержание азота в форме NH4+ может достигать 2-3 т/га. В верхних слоях почвы фиксированный азот NH4+ составляет 5-6% общего содержания азота в почве, в более глубоких слоях, где выше содержание глинистых частиц, - до 20% и более.

Анионы NO3-, напротив, подвижны, плохо фиксируются в почве, легко вымываются почвенными водами в более глубокие слои и водоемы. Содержание нитратов в почве особенно возрастает весной, когда создаются условия, благоприятствующие деятельности нитрифицирующих бактерий. Количество азота NO3- в почвенном растворе сильно варьируется в зависимости от скорости поглощения нитратов растениями, интенсивности микробиологических процессов и процессов вымывания.

Учитывая вышеприведенную характеристику нитрат-аниона, а также то, что бактерии-нитрификаторы окисляют не только аммонийный азот органического происхождения, но и NH4+ удобрений, в сельском хозяйстве применяют ингибиторы нитрификации. Это химические вещества (нитропиридин, дидин, N-serve, АМ-этридиазол, АTS-этридиазол, ТХМП, АТГ), которые при внесении их в почву в небольших количествах (0,5-2% дозы азота в удобрении) избирательно подавляют жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, осуществляющих первый этап нитрификации, т. е. окисление аммиака до нитрита. Это приводит к временному (в течение 30-60 дней) накоплению минерального азота в аммонийной форме. Кроме того, использование ингибиторов нитрификации снижает накопление нитратов в овощах и фруктах.

Запасы азота в воздухе огромны, они составляют 75,6% по массе или 78,09% по объему. Согласно подсчетам, эта величина достигает 4*1015 т молекулярного азота. Однако молекулярный азот сам по себе не усваивается высшими растениями.

Химическое связывание N2 в форме ионов NH4+ и NO3- в небольшом количестве происходит при фотохимических процессах и электроразрядах в атмосфере. Количество связанного азота, попадающего при этом в почву с атмосферными осадками, невелико (от 1 до 30 кг/га в год).

К биологической азотфиксации способны как свободно живущие микроорганизмы (роды Azotobacter, Beijerinkia, некоторые штаммы Clostridium, фотосинтезирующие бактерии и вид цианобактерий Tolypothrix tenius), так и симбиотические с высшими растениями (роды Rhizobium, Franrkia, Nostoc).

Впервые анаэробная спороносная свободноживущая бактерия, способная к фиксации азота, была выделена Виноградским в 1893 г. и названа им в честь Луи Пастера - Clostridium pasteurianum. Для этой цели он поставил опыт в анаэробных условиях и взял среду, содержащую глюкозу и некоторые соли, но абсолютно не содержащую связанного азота ни в органической, ни в минеральной форме, что позволило развиваться в этой среде только тем бактериям, которые усваивают азот из воздуха.

Клетки Clostridium pasteurianum крупные, веретенообразные, длиной 2,5-7,5 мкм, шириной 0,7-1,3 мкм. Молодые клетки подвижны, имеют жгутики, плазма их гомогенна, при старении она становится гранулированной.

Позднее, в 1901 г., М.Бейеринк открыл другую свободноживущую бактерию Azotobacter chroococcum.

Свободноживущие азотфиксаторы - гетеротрофы, нуждающиеся в углеводном источнике питания, что связывает их поселение на корнях высших растений с микроорганизмами, способными разлагать целлюлозу и другие полисахариды. Сельскохозяйственное значение свободноживущих азотфиксаторов не столь велико. В умеренном климате ежегодная фиксация ими азота составляет, как правило, несколько килограммов на один гектар. Наибольший интерес для сельского хозяйства представляют клубеньковые бактерии рода Rhizobium, живущие в симбиозе с бобовыми растениями и фиксирующие в среднем от 100 до 400 кг/га азота в год.

Название рода бактерий происходит от двух греческих слов: rhizo - корень, bio - жизнь. Для клубеньковых бактерий характерно поразительное разнообразие форм - полиморфность. Молодые клубеньковые бактерии обычно палочковидные (0,5-0,9ґ1,2-3,0 мкм), подвижные, размножаются делением. Клетки этих бактерий, старея, меняют форму, утолщаются, ветвятся. Эта стадия их развития называется бактероидной (рис. 3).

Кроме бобовых растений известно примерно 250 видов других семейств, небобовых, также способных к симбиотической фиксации азота (ольха, облепиха, лох, восковница, лисохвост и др.).

Каким же образом происходит превращение молекулы азота в аммиачную форму? Молекула азота двухатомна, связь между атомами тройная, и поэтому энергия термической диссоциации молекулы N2 велика (941,64 кДж/моль). Для разрыва этих связей, например при получении аммиака, требуется давление около 30 МПа, температура приблизительно 500 °С и катализатор, состоящий из Fe, активированного К2О, Аl2O3, СаО и др.

Биологическая фиксация N2 происходит при нормальных температуре и давлении благодаря высокой эффективности ферментативной системы данных микроорганизмов - нитрогеназе. Последняя состоит из Мо-Fe-белка (собственно итрогеназа) и Fе-белка.

Молекулярный азот связывается и восстанавливается на Мо-Fe-белке, а Fe-белок служит источником электронов для этого процесса. Процессу биологической азотфиксации также необходим постоянный приток энергии в форме АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Это обеспечивается благодаря дыханию и брожению, происходящим в микроорганизмах или в результате фотосинтеза азота

Например, Аzobасtеr для связывания 15 мг N2 расходует на дыхание 1 г сахара, а Clostridium pasteurianum - 5-6 г. Симбиотрофные бактерии рода Rhizobium в качестве источников АТФ используют продукты фотосинтеза растения-хозяина, поступающие в корневую систему из листьев, причем эффективность использования энергетических субстратов у них значительно выше, чем у свободноживущих азотфиксаторов.

Учитывая высокую эффективность и экологическую безопасность биологической азотфиксации, микробиологами создан ряд уникальных бактериальных удобрений для сельскохозяйственных культур открытого и защищенного грунта: агрофил (для всех овощных культур, в том числе защищенного грунта), азоризин, ризоагрин, ризоэнтерин, флавобактерин (для овощей открытого грунта, сахарной свеклы, картофеля), лизорин (для картофеля, томатов) и др. Основным наполнителем (субстратом) этих бактериальных препаратов является простерилизованный торф влажностью 45-55%, со специальными органическими и минеральными добавками, обеспечивающими оптимальные условия для роста и размножения определенного штамма бактерий. В 1 г такого препарата содержится 5-10 млрд клеток активного штамма бактерий.

При обработке семян, клубней или рассады (причем расход препарата на один гектар невелик, например, для обработки клубней картофеля достаточно всего 900 г) происходит быстрое увеличение численности нанесенных бактерий. При благоприятных условиях этот прием может заменить действие 40-70 кг минерального азота на гектаре посева, что позволяет вносить меньше минерального азота и тем самым снизить загрязнение окружающей среды оксидами азота, а растительной продукции - нитратами. Последними исследованиями генной инженерии установлены структура и локализация генов азотфиксации, осуществлен их перенос из азотфиксирующей бактерии в кишечную палочку, у которой после этого появляется способность к азотфиксации. Разработки в этой области направлены на поиск возможностей переноса генов азотфиксации высшим растениям, что позволило бы избавиться от применения азотных удобрений.

2. Окись азота в медицине

В 1992 г. журнал "Science" назвал окись азота (NO) молекулой года, но прошло еще 6 лет, пока ученые, сыгравшие особую роль в ее изучении, получили заслуженную награду: 10 декабря 1998 г. в Стокгольме (Швеция) трем ученым из США Роберту Ф. Ферчготту, Луису Дж. Игнарро и Фериду Мураду была вручена Нобелевская премия за 1998 г. в области физиологии и медицины Гаркуша И.Ф. Почвоведение. Л-М.: Сельхозиздат, 1962. с. 48.

Доктор Ф. Ферчготт, профессор фармакологии из Государственного университета Нью-Йорка (Бруклин), начал исследования, которые в 1980 г. привели к выявлению окиси азота. Пытаясь согласовать полученные им данные о различном характере воздействия лекарственных препаратов на кровеносные сосуды, ученый пришел к выводу, что эндотелиальные клетки вырабатывают неизвестную ранее "сигнальную молекулу", заставляющую расслабляться гладкие мышечные клетки сосудов. Он назвал эту молекулу эндотелийзависимым релаксирующим фактором (EDRF).

Доктор Ф. Мурад, в настоящее время возглавляющий отделение интегративной биологии медицинского факультета Техасского университета (Хьюстон), изучал механизм действия нитроглицерина. В 1977 г. во время работы в университете штата Вирджиния он обнаружил, что нитраты способствуют высвобождению окиси азота, которая расслабляет гладкие мышечные клетки, приводя к расширению сосудов.

Доктор Л. Игнарро, в настоящее время профессор фармакологии медицинского факультета Калифорнийского университета (Лос-Анжелес), в результате серии исследований пришел в 1986 г. к выводу, что эндотелийзависимый релаксирующий фактор идентичен окиси азота.

Нобелевской премией были отмечены настойчивые усилия ученых, направленные на подтверждение главных процессов, как регуляция артериального давления, иммунитета и деятельности центральной нервной системы.

Несмотря на то что в роли окиси азота как передатчика сигналов в сердечно-сосудистой и нервной системах стало известно около 20 лет назад, использование этих знаний в клинической практике только начинается.

Окись азота - газообразное соединение со свободным неспаренным электроном. В 1987 г. было обнаружено, что окись азота синтезируется различными клетками организма млекопитающих (в том числе и человека). Окисление атомом кислорода аминокислоты L-аргинина в присутствии специфического фермента (NO-синтазы) приводит к образованию окиси азота. Донатором азота служит азотсодержащая боковая цепь L-аргинина. В жидких средах макроорганизма окись азота проявляет свою бактерицидность, оказывает на него разнообразные физиологические воздействия. Открытие внутриклеточного синтеза окиси азота привело к обнаружению ранее неизвестной регуляторной системы организма млекопитающих -- системы окиси азота. Установлено, что хронический дефицит окиси азота в организме приводит к развитию артериальной гипертонии, а хронический избыток -- аутоиммунных заболеваний. Обнаружено, что синтез окиси азота мало зависит от синтеза перекисных соединений. Скорость синтеза окиси азота в макроорганизме может изменяться многократно. Резкая гиперпродукция окиси азота -- частый спутник тяжелого течения различных острых заболеваний. Важным механизмом гипотонии при шоке считают резкое повышение синтеза окиси азота, а снижению его гиперпродукции отводят значительное место в противошоковой терапии. Доказано, что глюкокортикоиды предупреждают развитие гиперпродукции окиси азота при острых заболеваниях, но не могут остановить уже начавшуюся его гиперпродукцию.

Окись азота повышает неспецифическую резистентность макроорганизма, особенно к внутриклеточным патогенам. Препараты интерферона способны индуцировать эндогенный синтез окиси азота в макроорганизме. В настоящее время в этом видят механизм лечебного действия интерферонов при хронических и затяжных инфекциях.

Таким образом, знания о свойствах окиси азота и связанных с ней ферментов стали основой для разработки препаратов, применяемых при целом ряде заболеваний (от болезни Альцгеймера до артериальной гипертонии).

биологический азот окись

Заключение

Таким образом, биологический азот имеет огромное значение в природе и сельском хозяйстве. В отличие от минеральных удобрений он при его использовании растениями постепенно переходит из растительных остатков в почвенный покров и потому меньше вызывается и создает меньше предпосылок для накопления нитратов в растениях. Невысокая урожайность многих сельскохозяйственных культур чаще всего определяется недостатком именно азота. Длительное азотное голодание ведет к гидролизу белков и разрушению хлорофилла прежде всего в нижних листьях растений и оттоку растворимых соединений азота к более молодым листьям.

Окись азота к тому же играет большую роль при лечении различных заболеваний.

Список использованной литературы

Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., МГУ, 1970

Бабьева И.П. Биология почв. М., МГУ, 1983

Богдевич И.М. Почвоведение и агрохимия. Минск, 1970

Виленский Д.Г. Почвоведение. М.: Учпедгиз, 1957

Гаркуша И.Ф. Почвоведение. Л-М.: Сельхозиздат, 1962

Горбылев А.И. Почвоведение с основами геологии. М, 1976

Размещено на Allbest.ru