Биологическая роль азота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования республики Беларусь

Учреждение образования

Витебский государственный университет имени П.М. Машерова

Биологический факультет

Кафедра химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу “Неорганическая химия”

на тему:

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АЗОТА

Студентка 35 гр. Мусурагина С.А.

Научный руководитель: ст. преп.

Стугарева Светлана Сергеевна,

Витебск, 2012



РЕФЕРАТ

Курсовая работа 26 с, 11 источников

Азот, изотопы, биологическая роль, круговорот азота, ассимиляция, азотистый обмен почвы, нитрификация, аммонификация, денитрификация, избыток азота, недостаток азота, синергисты и антагонисты азота.

Объект исследования: азот

Предмет исследования: влияние азота на живые организмы

Цель работы: определение биологической роли азота для живой материи

Задачи исследования:

1. Изучить роль азота для человека и её необходимость в организме;

2. Определить влияние азота на животных;

3.Оценить необходимость азота для растений;

4. Определить важность азота

Методы исследования: описательно-аналитический

Актуальность темы: азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, гемов и др. В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов.

Очень важно изучать и контролировать круговорот азота, особенно в антропогенных биоценозах, потому что небольшой сбой в какой-либо части цикла может привести к серьёзным последствиям: сильным химическим загрязнениям почв, зарастанию водоемов и загрязнению их продуктами разложения отмершей органики (аммиак, амины и др.), высокому содержанию растворимых соединений азота в питьевой воде. Для изучения особенностей круговорота азота можно использовать комплексную методику по изучению содержания ионов нитритов (NO2-), нитратов (NO3-) и аммония (NH4+)в почве и её микробиологических показателях.

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ

1. Биологическая роль

1.1 Распространенность

1.2 Применение

1.4 Свойства

1.4.1 Химические свойства, строение молекулы

1.4.2 Соединения азота

1.4.3 Изотопы

1.4.4 Токсикология азота и его соединений

1.5 Круговорот азота в природе

1.6 Факторы, влияющие на круговорот азота в антропогенных биоценозах

2. Бактерии и азот

2.1 Роль почвенных микроорганизмов

2.1.1 Нитрификация

2.1.2 Аммонификация

2.1.3 Динитрификация

2.1.4 Ассимиляция

3. Азот в жизни растений

3.1 Азотистый обмен почвы

4. Физиологическая роль азота

4.1. Понижение содержания азота в организме

4.2 Повышение содержания азота в организме

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Азот -- элемент 15-й группы (по устаревшей классификации -- главной подгруппы пятой группы) второго периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 7. Обозначается символом N (лат. Nitrogenium). Простое вещество азот (CAS-номер: 7727-37-9) -- достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха (формула N₂), из которого на три четверти состоит земная атмосфера. Внешний вид простого вещества жидкий азот. При нормальных условиях -- газ без цвета, вкуса и запаха.

Свойства атома:

Имя, символ, номер Азот / Nitrogenium (N), 7

Атомная масса 14,00674 а. е. м. (г/моль)(молярная масса)

Электронная конфигурация [He] 2s² 2p³

Радиус атома 92 пм

Химические свойства:

Ковалентный радиус 75 пм

Радиус иона 13 (+5e) 171 (-3e) пм

Электроотрицательность 3,04 (шкала Полинга)

Степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, 0, ?1, ?3

Энергия ионизации (первый электрон) 1401,5 (14,53) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества:

Плотность (при н. у.) 0,808 г/смі (?195,8 °C);

при н.у. 0,001251 г/смі

Температура плавления 63,29 K

Температура кипения 77,4 K

Теплота плавления (N2) 0,720 кДж/моль

Теплота испарения (N2) 5,57 кДж/моль

Молярная теплоёмкость 29,125 (газ N2) Дж/(K·моль)

Молярный объём 17,3 смі/моль

Кристаллическая решётка простого вещества:

Структура решётки кубическая

Параметры решётки 5,661 Е

Прочие характеристики:

Теплопроводность (300 K) 0,026 Вт/(м·К)

Азот (от др.-греч. ?жщфпт -- безжизненный, лат. nitrogenium), вместо предыдущих названий («флогистированный», «мефитический» и «испорченный» воздух) предложил в 1787 году Антуан Лавуазье, который в то время в составе группы других французских учёных разрабатывал принципы химической номенклатуры. Как показано выше, в то время уже было известно, что азот не поддерживает ни горения, ни дыхания. Это свойство и сочли наиболее важным. Хотя впоследствии выяснилось, что азот, наоборот, крайне необходим для всех живых существ, название сохранилось во французском и русском языках.

Существует и иная версия. Слово «азот» придумано не Лавуазье и не его коллегами по номенклатурной комиссии; оно вошло валхимическую литературу уже в раннем средневековье и употреблялось для обозначения «первичной материи металлов», которую считали «альфой и омегой» всего сущего. Это выражение заимствовано из Апокалипсиса: «Я есмь Альфа и Омега, начало и конец» (Откр.1:8-10). Слово составлено из начальных и конечных букв алфавитов трёх языков -- латинского, греческого идревнееврейского, -- считавшихся «священными», поскольку, согласно Евангелиям, надпись на кресте при распятии Христа была сделана на этих языках (а, альфа, алеф и зет, омега, тав -- AAAZOTH). Составители новой химической номенклатуры хорошо знали о существовании этого слова; инициатор её создания Гитон де Морво отмечал в своей «Методической энциклопедии» (1786) алхимическое значение термина.

Возможно, слово «азот» произошло от одного из двух арабских слов -- либо от слова «аз-зат» («сущность» или «внутреннюю реальность»), либо от слова «зибак» («ртуть»).

На латыни азот называется «nitrogenium», то есть «рождающий селитру»; английское название производится от латинского. В немецком языке используется название Stickstoff, что означает «удушающее вещество».



1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16--18% по массе),аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2% , по массовой доле -- около 2,5% (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9·10¹¹ т. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры.

1.1 Распространенность

Вне пределов Земли азот обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, межзвёздном пространстве и др. Азот -- четвёртый по распространённости элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода).

Азот, в форме двухатомных молекул N₂ составляет большую часть атмосферы, где его содержание составляет 75,6% (по массе) или 78,084% (по объёму), то есть около 3,87·10¹⁵ т.

Содержание азота в земной коре, по данным разных авторов, составляет (0,7--1,5)·10¹⁵ т (причём в гумусе -- порядка 6·10¹⁰ т), а в мантии Земли -- 1,3·10¹⁶ т. Такое соотношение масс заставляет предположить, что главным источником азота служит верхняя часть мантии, откуда он поступает в другие оболочки Земли с извержениями вулканов.

Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2·10¹³ т, кроме того примерно 7·10¹¹ т азота содержатся в гидросфере в виде соединений.

1.2 Применение

Жидкий азот применяется как хладагент и для криотерапии.

Промышленные применения газообразного азота обусловлены его инертными свойствами. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, препятствует окислению, гниению. В нефтехимии азот применяется для продувки резервуаров и трубопроводов, проверки работы трубопроводов под давлением, увеличения выработки месторождений. В горнодобывающем деле азот может использоваться для создания в шахтах взрывобезопасной среды, для распирания пластов породы. В производстве электроники азот применяется для продувки областей, не допускающих наличия окисляющего кислорода. Если в процессе, традиционно проходящем с использованием воздуха, окисление или гниение являются негативными факторами -- азот может успешно заместить воздух.

Важной областью применения азота является его использование для дальнейшего синтеза самых разнообразных соединений, содержащих азот, таких, как аммиак, азотные удобрения, взрывчатые вещества, красители и т. п. Большие количества азота используются в коксовом производстве («сухое тушение кокса») при выгрузке кокса из коксовых батарей, а также для «передавливания» топлива в ракетах из баков в насосы или двигатели.

В пищевой промышленности азот зарегистрирован в качестве пищевой добавки E941, как газовая среда для упаковки и хранения, хладагент, а жидкий азот применяется при разливе масел и негазированных напитков для создания избыточного давления и инертной среды в мягкой таре.

Газообразным азотом заполняют камеры шин шасси летательных аппаратов. Кроме того, в последнее время заполнение шин азотом стало популярно и среди автолюбителей, хотя однозначных доказательств эффективности использования азота вместо воздуха для наполнения автомобильных шин нет.

Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. Это широко распространённое заблуждение. Даже для замораживания цветка необходимо достаточно продолжительное время. Это связано отчасти с весьма низкой теплоёмкостью азота. По этой же причине весьма затруднительно охлаждать, скажем, замки до ?196°C и раскалывать их одним ударом.

Литр жидкого азота, испаряясь и нагреваясь до 20°C, образует примерно 700 литров газа. По этой причине жидкий азот хранят в специальных сосудах Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или криогенных ёмкостях под давлением. На этом же факте основан принцип тушения пожаров жидким азотом. Испаряясь, азот вытесняет кислород, необходимый для горения, и пожар прекращается. Так как азот, в отличие от воды, пены или порошка, просто испаряется и выветривается, азотное пожаротушение -- самый эффективный с точки зрения сохранности ценностей механизм тушения пожаров.

Заморозка жидким азотом живых существ с возможностью последующей их разморозки проблематична. Проблема заключается в невозможности заморозить (и разморозить) существо достаточно быстро, чтобы неоднородность заморозки не сказалась на его жизненных функциях. Станислав Лем, фантазируя на эту тему в книге «Фиаско», придумал экстренную систему заморозки азотом, в которой шланг с азотом, выбивая зубы, вонзался в рот астронавта и внутрь его подавался обильный поток азота.



1.3 Свойства

При нормальных условиях азот это бесцветный газ, не имеет запаха, мало растворим в воде (2,3 мл/100г при 0°C, 0,8 мл/100 г при 80°C), плотность 1,2506 кг/мі (при н.у.).

В жидком состоянии (темп. кипения ?195,8°C) -- бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. Плотность жидкого азота 808 кг/мі. При контакте с воздухом поглощает из него кислород.

При ?209,86°C азот переходит в твердое состояние в виде снегоподобной массы или больших белоснежных кристаллов. При контакте с воздухом поглощает из него кислород, при этом плавится, образуя раствор кислорода в азоте.

Известны три кристаллические модификации твёрдого азота. В интервале 36,61-63,29 К существует фаза в-N2 с гексагональной плотной упаковкой, пространственная группа P63/mmc, параметры решётки a=3,93 Е и c=6,50 Е. При температуре ниже 36,61 К устойчива фаза б-N2 с кубической решёткой, имеющая пространственную группу Pa3 или P213 и период a=5,660 Е. Под давлением более 3500 атмосфер и температуре ниже 83 K образуется гексагональная фаза г-N2.

1.3.1 Химические свойства, строение молекулы

Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N2, электронная конфигурация которых описывается формулой уsІуs*2рx, y4уzІ, что соответствует тройной связи между молекулами азота N?N (длина связи dN?N = 0,1095 нм). Вследствие этого молекула азота крайне прочна, для реакции диссоциации N2 - 2N изменение энтальпии в реакции ДH°298=945 кДж/моль [4], константа скорости реакции К298=10?120, то есть диссоциация молекул азота при нормальных условиях практически не происходит (равновесие практически полностью сдвинуто влево). Молекула азота неполярна и слабо поляризуется, силы взаимодействия между молекулами очень слабые, поэтому в обычных условиях азот газообразен.

Даже при 3000°C степень термической диссоциации N2 составляет всего 0,1%, и лишь при температуре около 5000°C достигает нескольких процентов (при нормальном давлении). В высоких слоях атмосферы происходит фотохимическая диссоциация молекул N2. В лабораторных условиях можно получить атомарный азот, пропуская газообразный N2 при сильном разряжении через поле высокочастотного электрического разряда. Атомарный азот намного активнее молекулярного: в частности, при обычной температуре он реагирует с серой, фосфором, мышьяком и с рядом металлов, например, со ртутью.

Вследствие большой прочности молекулы азота некоторые его соединения эндотермичны (многие галогениды, азиды, оксиды), т.е. энтальпия их образования положительна, а соединения азота термически малоустойчивы и довольно легко разлагаются при нагревании. Именно поэтому азот на Земле находится по большей части в свободном состоянии.

Ввиду своей значительной инертности азот при обычных условиях реагирует только с литием:

6Li + N2 > 2Li3N,

при нагревании он реагирует с некоторыми другими металлами и неметаллами, также образуя нитриды:

3Mg + N2 > Mg3N2,

2B + N2 >2BN,

Наибольшее практическое значение имеет нитрид водорода (аммиак) NH3, получаемый взаимодействием водорода с азотом (см. ниже).

В электрическом разряде реагирует с кислородом давая оксид азота(II) NO.

Описано несколько десятков комплексов с молекулярным азотом.

1.3.2 Соединения азота

Степени окисления азота в соединениях ?3, ?2, ?1, 0, +1, +2, +3, +4, +5.

Соединения азота в степени окисления ?3 представлены нитридами, из которых практически наиболее важен аммиак;

Соединения азота в степени окисления ?2 менее характерны, представлены пернитридами, из которых самый важный пернитрид водорода N2H4 или гидразин (существует также крайне неустойчивый пернитрид водорода N2H2, диимид);

Соединения азота в степени окисления ?1 NH2OH (гидроксиламин) -- неустойчивое основание, применяющееся, наряду с солями гидроксиламмония, в органическом синтезе;

Соединения азота в степени окисления +1 оксид азота (I) N2O (закись азота, веселящий газ);

Соединения азота в степени окисления +2 оксид азота (II) NO (монооксид азота);

Соединения азота в степени окисления +3 оксид азота (III) N2O3, азотистая кислота, производные аниона NO2?, трифторид азота (NF3);

Соединения азота в степени окисления +4 оксид азота (IV) NO2 (диоксид азота, бурый газ);

Соединения азота в степени окисления +5 оксид азота (V) N2O5, азотная кислота, её соли -- нитраты и другие производные, а также тетрафтораммоний NF4+ и его соли.

1.3.3 Изотопы

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов ¹⁴N -- 99,635% и ¹⁵N -- 0,365%.

Искусственно получены четырнадцать радиоактивных изотопов азота с массовыми числами от 10 до 13 и от 16 до 25. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них ¹³N имеет период полураспада 10 мин.

Спин ядер стабильных изотопов азота: ¹⁴N -- 1; ¹⁵N -- 1/2.

1.3.4 Токсикология азота и его соединений

Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь.

Многие соединения азота очень активны и нередко токсичны.

1.4 Круговорот азота в природе

Фиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям -- абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25000°C и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).

Однако основная часть молекулярного азота (около 1,4·10⁸ т/год) фиксируется биотическим путём. Долгое время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов (хотя и широко распространённых на поверхности Земли): бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium, цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Сейчас известно, что этой способностью обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубнях ольхи и других деревьев (всего 160 видов). Все они превращают молекулярный азот в соединения аммония(NH₄⁺). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г глюкозы). Таким образом, видна взаимная польза от симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий -- первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» -- глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме.

Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азот фиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и в конце концов попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5--8·10⁷ т/год).

Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации, то есть выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.

1.5 Факторы, влияющие на круговорот азота в антропогенных биоценозах

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство. Но в настоящее время на круговорот азота влияют много факторов, вызванных человеком. Во-первых, это кислотные дожди -- явление, при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков и снега из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (например, оксидами азота). Химизм этого явления состоит в следующем. Для сжигания органического топлива в двигатели внутреннего сгорания и котлы подается воздух или смесь топлива с воздухом. Почти на 4/5 воздух состоит из газа азота и на 1/5 -- из кислорода. При высоких температурах, создаваемых внутри установок, неизбежно происходит реакция азота с кислородом и образуется оксид азота:

N2+ O2 = 2NO -- Q

Эта реакция эндотермическая и в естественных условиях происходит при грозовых разрядах, а также сопутствует другим подобным магнитным явлениях в атмосфере. В наши дни человек в результате своей деятельности сильно увеличивает накопление оксида азота (II) на планете. Оксид азота (II) легко окисляется до оксида азота (IV) уже при нормальных условиях:

2NO + O2 = 2NO2

Далее оксид азота реагирует с атмосферной водой с образованием кислот:

2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2

образуются азотная и азотистая кислоты. В капельках атмосферной воды эти кислоты диссоциируют с образованием, соответственно нитрат- и нитрит-ионов, а ионы попадают с кислотными дождями в почву. Вторая группа антропогенных факторов, влияющих на азотистый обмен почв, -- это технологические выбросы. Оксиды азота - одни из самых распространенных загрязнителей воздуха. А неуклонный рост производства аммиака, серной и азотной кислоты напрямую связан с увеличением объёма отходящих газов, а следовательно, с увеличением количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота. Третья группа факторов -- переудобрение почв нитритами, нитратами (селитрой) и органическими удобрениями. И наконец, на азотистый обмен почв отрицательно влияет повышенный уровень биологического загрязнения. Возможные его причины: сброс сточных вод, несоблюдение санитарных норм (выгул собак, неконтролируемые свалки органических отходов, плохое функционирование канализационных систем и др.). Как следствие почва загрязняется аммиаком, солями аммония, мочевиной, индолом, меркаптанами и другими продуктами разложения органики. В почве образуется дополнительное количество аммиака, который затем перерабатывается бактериями в нитраты.

биологический физиологический азот биоценоз



2. БАКТЕРИИ И АЗОТ

Из почвы соединения азота попадают в растения. Далее: «лошади кушают овес», а хищники - травоядных животных. По пищевой цепи идет круговорот вещества, в том числе и элемента №7. При этом форма существования азота меняется, он входит в состав все более сложных и нередко весьма активных соединений. Но не только «грозорожденный» азот путешествует по пищевым цепям.

Еще в древности было замечено, что некоторые растения, в частности бобовые, способны повышать плодородие почвы.

«...Или, как сменится год, золотые засеивай злаки

Там, где с поля собрал урожай, стручками шумящий,

Или где вика росла мелкоплодная с горьким лупином...»

Вчитайтесь: это же травопольная система земледелия! Строки эти взяты из поэмы Вергилия, написанной около двух тысяч лет назад.

Пожалуй, первым, кто задумался над тем, почему бобовые дают прибавки урожая зерновых, был французский агрохимик Ж. Буссенго. В 1838 г. он установил, что бобовые обогащают почву азотом. Зерновые же (и еще многие другие растения) истощают землю, забирая, в частности, все тот же азот. Буссенго предположил, что листья бобовых усваивают азот из воздуха, но это было заблуждением. В то время немыслимо было предположить, что дело не в самих растениях, а в особых микроорганизмах, вызывающих образование клубеньков на их корнях. В симбиозе с бобовыми эти организмы и фиксируют азот атмосферы. Сейчас это прописная истина...

В наше время известно довольно много различных азотфиксаторов: бактерии, актиномицеты, дрожжевые и плесневые грибки, сине-зеленые водоросли. И все они поставляют азот растениям. Но вот вопрос: каким образом без особых энергетических затрат расщепляют инертную молекулу N₂ микроорганизмы? И почему одни из них обладают этой полезнейшей для всего живого способностью, а другие нет? Долгое время это оставалось загадкой. Тихий, без громов и молний механизм биологической фиксации элемента №7 был раскрыт лишь недавно. Доказано, что путь элементарного азота в живое вещество стал возможен благодаря восстановительным процессам, в ходе которых азот превращается в аммиак. Решающую роль при этом играет фермент нитрогеназа. Его центры, содержащие соединения железа и молибдена, активируют азот для «стыковки» с водородом, который предварительно активируется другим ферментом. Так из инертного азота получается весьма активный аммиак - первый стабильный продукт биологической азотфиксации.

Вот ведь как получается! Сначала процессы жизнедеятельности перевели аммиак первичной атмосферы в азот, а затем жизнь снова превратила азот в аммиак. Стоило ли природе на этом «ломать копья»? Безусловно, потому что именно так и возник круговорот элемента №7.

2.1 Роль почвенных микроорганизмов в круговороте азота

Запасы азота в природе очень велики. Общее содержание этого элемента в организмах составляет более 25 млрд. тонн, большое количество азота находится также в почве. В воздухе азот присутствует в виде газа N2. Однако газ азот (N2), содержание которого в атмосфере достигает 78% по объёму, эукариоты сами по себе ассимилировать не могут. А уникальной способностью превращать N2 в азотсодержащие соединения обладают некоторые бактерии, которые называют азотфиксирующими, или азотфиксаторами. Фиксация азота возможна многими бактериями и цианобактериями. Они живут или в почве, или в симбиозе с растениями, или с несколькими разновидностями животных. Например, семья бобовых растений (Fabaceae) содержит такие бактерии на своих корнях. Типичным представителем свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов является Azotobacter -- грамотрицательная бактерия, связывающая азот воздуха. Продукты фиксации азота -- аммиак (NH3), нитриты.

2.1.1 Нитрификация

Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов. Этот процесс носит название нитрификации, он осуществляется нитрифицирующими бактериями. Однако нет такой бактерии, которая бы прямо превращала аммиак в нитрат. В его окислении всегда участвуют две группы бактерий: одни окисляют аммиак, образуя нитрит, а другие окисляют нитрит в нитрат. Наиболее известные виды нитрифицирующих бактерий - это Nitrosomonas и Nitrobacter. Nitrosomonas окисляет аммиак:

NH3 + 1Ѕ O2 = (NO2-) + 2H+ + H2O

Nitrobacter окисляют нитрит:

(NO2-) + Ѕ O2 = NO3-

Бактерии, окисляющие аммиак, поставляют субстрат для бактерий, окисляющих нитрит. Поскольку высокие концентрации аммиака оказывают на Nitrobacter токсическое действие, Nitrosomonas, используя аммиак и образуя кислоту, тем самым улучшает и условия существования для Nitrobacter.

Нитрификаторы- грамотрицательные бактерии, принадлежащие к семейству Nitrobacteracea. Им не нужны восстановленные соединения углерода для нормального роста и размножения, они способны восстанавливать CO2 до органических соединений, используя для этого энергию окисления минеральных соединений азота- аммиака и нитритов. То есть нитрификаторы - бактерии, которые способны питаться исключительно неорганическими соединениями и осуществляют процесс хемосинтеза, синтеза органических соединений из минеральных. Хемосинтез- путь усвоения живыми существами неорганического углерода, альтернативный фотосинтезу. Растения используют нитраты для образования разных органических веществ. Животные потребляют с пищей растительные белки, аминокислоты и др. азотсодержащие вещества. Таким образом, растения делают органический азот доступным для других организмов-консументов.

Все живые организмы поставляют азот в окружающую среду. С одной стороны, все они выделяют в ходе жизнедеятельности продукты азотистого обмена: аммиак, мочевину и мочевую кислоту. Последние два соединения разлагаются в почве с образованием аммиака (который при растворении в воде дает ионы аммония).

2.1.2 Аммонификация

Мочевая кислота, выделяемая птицами и рептилиями, также быстро минерализуется особыми группами микроорганизмов с образованием NH3 и СО2. С другой стороны, азот, включённый в состав живых существ, после их гибели подвергается аммонификации (разложение содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония(NH4+)) и нитрификации.

2.1.3 Денитрификация

Продукты нитрификации -- NO3- и (NO2-) в дальнейшем подвергаются денитрификации. Этот процесс целиком происходят благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, которые обладают способностью восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота (N2O) и азота (N2). Эти газы свободно переходят в атмосферу.

10 [H] + 2 H+ +2NO3- = N2 + 6 H2O



В отсутствие кислорода нитрат служит конечным акцептором водорода. Способность получать энергию путем использования нитрата как конечного акцептора водорода с образованием молекулы азота широко распространена у бактерий. Временные потери азота на ограниченных участках почвы, несомненно, связаны с деятельностью денитрифицирующих бактерий. Таким образом, круговорот азота невозможен без участия почвенной микрофлоры.

2.1.4 Ассимиляция

Усваиваемые соединения азота могут накапливаться в почве в неорганической форме (нитрат) или могут быть включены в живой организм как органический азот. Ассимиляция и минерализация определяет поглощение соединений азота из почвы, объединение их в биомолекулы растений и конверсию в неорганический азот после отмирания растений, соответственно. Ассимиляция - переход неорганического азота (типа нитрата) в органическую форму азота как, например, аминокислоты. Нитрат переходит с помощью ферментов сначала в нитрит (редуктаза нитрата), затем в аммиак (редуктаза нитрита). Аммиак входит в состав аминокислот.



3. АЗОТ В ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ

Без кислорода, углекислого газа, света, воды растению не обойтись. Растение берет из окружающей среды также и минеральные соли. Многие химические элементы таблицы Д.И. Менделеева входят в состав живого вещества растения, но особое место среди них занимает азот - важный строительный материал для аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и других соединений. Без него жизнь растительного организма была бы невозможна. При недостатке азота в почве уменьшается содержание зеленых пигментов, бледнеют листья, замедляется рост растения. А недостаток бывает часто ощутимый. Ведь в почве азота содержится всего от 0,02 до 0,5 процента и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов некоторых растений и разложению органических веществ. И это в то время, когда миллионы тонн азота в атмосфере "давят" на поверхность Земли: над каждым гектаром почвы, образно говоря, висит 80 тысяч тонн относительно инертного газа! В чем же дело? А дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном состоянии, то есть в бездействии. И потому вполне оправдывает свое название: в переводе с греческого азот значит "безжизненный". Элементом жизни он становится только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного, даже в простые окислы, азота нет в воздухе. Бывает, что эти соединения образуются в небольшом количестве при вспышках молний. В почве растворимых солей азота тоже мало, потому что они легко вымываются. Получается парадоксальная картина: растения, буквально купающиеся в азоте, одновременно голодают из-за его нехватки. А без азота невозможен синтез белков и, следовательно, жизнь! Каким же путем свободный азот попадает в почву в виде связанных соединений? Основные его поставщики - некоторые виды свободноживущих бактерий, среди которых, например, есть азотобактер, фиксирующая азот в кислородных условиях, или клебзилла, осуществляющая этот процесс только без кислорода. А бактерии рода ризобиум могут связывать безжизненный газ из воздуха лишь в симбиозе с определенными высшими растениями, в основном с бобовыми.

Между прочим, бобовые растения не испытывают нехватки азота благодаря тем самым бактериям ризобиум. Их деятельность известна с древнейших времен. Уже тогда было описано благоприятное влияние бобовых растений - сои, земляных орехов, бобов, гороха, клевера - на плодородие почвы. Объясняется это способностью бактерий ризобиум образовывать клубеньки на корнях бобовых. Клубеньки представляют собой расширенные клетки, наполненные бактериями. Каждый вид бобовых связан с определенными бактериями. Так, бактерии, образующие клубеньки на корнях сои, не образуют их на люцерне. Это надо учитывать при искусственном размножении азотфиксирующих бактерии для повышения плодородия полей.

В Бразилии был зафиксирован интересный факт. Среди зерновых, выращиваемых на бедной азотом почве, некоторые растения были выше остальных. На их корнях обнаружили особые бактерии. Это натолкнуло на мысль о том, что не только бобовые могут обходиться без удобрений, но и другие растения, в частности зерновые. В воде поставщиками связанного азота служат синезеленые водоросли (их теперь называют цианобактериями).

Однако и на суше они выполняют эту функцию: вместе с азотфиксирующими бактериями повышают плодородие рисовых полей, заливаемых водой. Могут связывать азот и лишайники - симбиоз гриба и водоросли. Лишайники играют большую роль в экологическом равновесии, так как они первыми поселяются в местах, бедных питательными веществами, и накапливают азот прямо из воздуха.

Химическая реакция фиксации азота живыми клетками во многом сходна с промышленным способом получения аммиака. Многим хорошо известна химическая реакция:



N₂+ЗН₂ ----> 2NН₃ + теплота. <-----

Чтобы получить аммиак (NН₃), надо в молекуле азота (N₂) разорвать тройную связь и затем к атому азота ( N ) присоединить три атома водорода. В синтезе аммиака участвует газообразный водород. Для большинства азотфиксирующих организмов источником водорода будут органические соединения, например глюкоза, образующаяся при фотосинтезе. Главное сходство всех систем связывания атмосферного азота - потребность в большом количестве энергии: в промышленности - в электроэнергии, а у живых организмов - в энергии в виде АТФ за счет расщепления углеводов. Все азотфиксирующие организмы содержат важный фермент - нитрогеназу, без которого они не способны биологически связывать азот. Структура нитрогеназы почти одинакова у всех видов бактерий. Она состоит из двух белков, нескольких атомов молибдена и железа. Нитрогеназа восстанавливает N₂ до иона аммония (NH₄⁺). Избыток NH₄⁺ подавляет синтез фермента. Поэтому у бобовых, получивших большие дозы азотных удобрений, отсутствуют на корнях клубеньки.

Особенность нитрогеназы заключается в том, что она чувствительна к кислороду. В присутствии кислорода белковая часть фермента разрушается и соответственно полностью теряется его активность. Эта чувствительность мешает работе всей азотфиксирующей системы и затрудняет исследования ферментов. Необходимо конструировать особые приборы и экспериментировать с ферментом в бескислородных условиях.

В природе азотфиксирующие бактерии и водоросли по-разному приспособились защищать свой главный фермент от кислорода. У анаэробных бактерий этой проблемы не существует. Обитая в глубоких слоях почвы, они могут жить только в бескислородных условиях.

Цианобактерии имеют специализированные толстые клетки, которые содержат особое вещество, препятствующее проникновению кислорода. Сходная защита возникла у аэробных (живущих в кислородных условиях) бактерий, у которых кислород при поступлении в клетку восстанавливается до воды.

Бобовые растения вместе с симбиотическими бактериями также выработали интересную защитную систему от кислорода, улавливаемого прежде, чем он достигнет клетки. Его "подстерегает" особый белок - леггемоглобин, синтезируемый в корневых клубеньках. Подобно гемоглобину животных, этот белок способен связывать кислород и отдавать его при необходимости. Возможно, такая высокая чувствительность нитрогеназы к кислороду, а также потребность в большом количестве энергии для ее работы является причиной того, что в природе не так уж много организмов, способных осуществлять биологическую фиксацию азота.

Азот, усвоенный свободноживущими и клубеньковыми микроорганизмами, постепенно накапливается в почве. Его количество может колебаться от 60 до 300 килограммов на гектар. Накопленный таким путем азот не только дешев, но и безвреден. Он присутствует в виде нитрат-ионов (NО₃^-) и ионов аммония (NH₄⁺). Корни растений легко поглощают аммиачный азот (NH₄⁺) и другие его формы нитраты и нитриты (NО₃^- и NО₂^-).

Эти формы азота после поглощения корнями растений восстанавливаются до аммиака, который связывается кетокислотами. Затем образуются различные аминокислоты. Происходит своеобразное обезвреживание аммиака в растительных клетках. Следовательно, поступившие формы азота в корнях быстро расходуются на синтез аминокислот. Интенсивное сельскохозяйственное производство ХХ века требует много минеральных удобрений, особенно азотных. Биологическая фиксация азота микроорганизмами сегодня не может полностью удовлетворить потребность в азоте современных сортов растении. Минеральные удобрения восполняют этот пробел. Но растение усваивает только половину внесенных удобрений, другая - недоступна ему из-за трудной растворимости и становится ненужной в почве. Наиболее эффективны для получения больших урожаев нитратные удобрения.

Внесение удобрений - дело тонкое, требующее знаний особенностей почвы и биологии развития растения. В земледелии целесообразно использовать сочетание технического азота (минеральные удобрения) и биологического азота (органические удобрения). На это в свое время указывал выдающийся советский агрохимик академик Д.Н. Прянишников.

Сегодня ученые всего мира ищут биологические способы повышения плодородия почв. Один из них - поиск новых клубеньковых бактерий и бобовых растений, "работающих" с высокой продуктивностью, которые будут эффективно, экономично и безвредно обогащать почву связанным азотом. А для этого надо, чтобы корни растений выделяли богатые углеродом органические соединения, которыми питались бы бактерии. Те, в свою очередь, могли бы синтезировать соединения азота. Но это не предел совершенствования способов повышения урожая. Еще более смелая мечта - создание новых сельскохозяйственных растений, способных к самостоятельной биологической фиксации азота и совсем не нуждающихся в азотных удобрениях!

3.1 Азотистый обмен почвы

Азотистый обмен почвы -- это круговорот в почве азота, который присутствует там не только в виде простого вещества (газа -- N2), но и в виде ионов: нитритов (NO2-), нитратов (NO3-) и аммония (NH4+).Концентрации этих ионов отражают состояние почвенных сообществ, поскольку на эти показатели влияет состояние биоты (растений, микрофлоры), состояние атмосферы, вымывание из почвы различных веществ. Очень большую роль в круговороте азота играют почвенные микроорганизмы. Они способны снижать концентрации азотсодержащих веществ, губительные для других живых организмов. Они могут переводить токсичный для живых существ аммиак в менее токсичные нитраты и в биологически инертный атмосферный азот.

4. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АЗОТА

Основная функция и способность азота - образовывать пептидные связи и формировать все разнообразие белков, а также участвовать в составе множества биологически активных гетероциклов. Азот необходим всем живым организмам для синтеза азотсодержащих строительных блоков - аминокислот, из которых образуются белки и нуклеиновые кислоты. Сине-зеленые водоросли усваивают газообразный азот из атмосферного воздуха. Растения добывают азот из почвы в виде растворимых нитратов и соединений аммиака.

Содержание азота в организме взрослого человека составляет около 3% от массы тела.

Азот поступает в организм с пищевыми продуктами, в состав которых входят белки и другие азотсодержащие вещества. Эти вещества расщепляются в желудочно-кишечном тракте и затем всасываются в виде аминокислот и низкомолекулярных пептидов, из которых организм строит собственные аминокислоты и белки. Вместе с тем, организм человека не способен синтезировать некоторые необходимые для жизни аминокислоты и получает их с пищей "в готовом виде".

Азот в виде аминогруппы -NH2 входит в состав различных биолигандов, играющих огромную роль в процессах жизнедеятельности (аминокислоты, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты). Одним из конечных продуктов метаболизма этих веществ является аммиак (NH3). Из организма азот выводится вместе с мочой, калом, выдыхаемым воздухом, а также с потом, слюной и волосами. В моче азот содержится в основном в виде мочевины.

Физиологическая роль азота в организме ассоциируется, прежде всего, с белками и аминокислотами, их метаболизмом, участием в жизненно-важных процессах и влиянием на эти процессы. Аминокислоты являются исходными соединениями при биосинтезе гормонов, витаминов, медиаторов, пигментов, пуриновых и пиримидиновых оснований и т.д. Белки в пересчете на сухой вес составляют 44% от массы тела.

Изменения в содержании белков и аминокислот, расстройства их метаболизма могут быть вызваны различными причинами. Среди этих причин - их недостаточное (или избыточное) поступление, нарушение переваривания и всасывания белка в желудочно-кишечном тракте, расстройство процессов экскреции азота и его соединений.

Интегральным показателем состояния белкового обмена является азотистый баланс, т.е. разница между количествами азота, поступающего извне и выводимого из организма за сутки. Сдвиги в обмене белков сопровождаются разнообразными клиническими проявлениями. Известны многочисленные аминоацидопатии - последствия нарушения промежуточного обмена аминокислот (фенинилаланина, лейцина, валина и др.).

Подробное рассмотрение сложных и многогранных проблем физиологии и патофизиологии белкового обмена не входит в задачи настоящего справочника. В то же время нельзя не остановиться на некоторых новых данных, характеризующих биорегулирующую роль азота в организме.

В последние годы оксид азота (NO) воспринимается как один из важнейших иммунотропных медиаторов. NO синтезируется из аминокислоты L-аргинина в присутствии фермента NO-синтетазы. Главным источником и местом образования NO в организме является эндотелий, общая масса которого в теле человека достигает 1,5 кг.

Функции оксида азота в организме весьма многообразны. NO участвует в поддержании системной и локальной гемодинамики, способствует снижению повышенного тонуса гладкой мускулатуры сосудов и обеспечивает поддержание нормального уровня артериального давления. NO выступает в роли нейротрансмиттера в желудочно-кишечном тракте, мочевыводящей и половой системе, активируя цГМФ. При иммунном ответе NO является стимулятором фагоцитоза и киллинга внутриклеточных паразитов. При сепсисе, под влиянием цитокинов, происходит высвобождение NO в больших количествах, что способствует развитию септического шока. Оксид азота играет важнейшую роль медиатора, в патогенезе бронхиальной астмы, хронического гломерулонефрита, туберкулеза, рассеянного склероза, болезни Крона, различных опухолей, а также СПИДа.

Благодаря способности NO инактивировать Fe-содержащие ферменты, происходит гибель внутриклеточных микроорганизмов, жизнедеятельность которых зависит от присутствия железа и других биоэлементов. Возможно, этот процесс происходит за счет комплексообразования оксида азота с металлами Fe, Co, Ni, Mn, Zn: [Me(NO)n]m+. Очевидно, что эта функция NO является универсальной и отводит NO решающую роль в элиминации "стареющих" молекул цитохромов, каталазы, гемоглобина, а также в индукции апоптоза в клетках, где повышается уровень свободного, нехелированного железа.

Токсическая доза для человека: некоторые соединения азота токсичны.

Индикаторы биоэлементного статуса азота

О состоянии обмена азота можно косвенно судить по результатам определения содержания в организме ряда аминокислот, гормонов, витаминов. Об интенсивности выведения азота также можно косвенно судить по уровню мочевины - показателю освобождения организма от ненужных метаболитов соединений азота. Азотемия, образование метгемоглобина, нитрозамина могут отражать токсическое действие соединений азота на организм.

Одним из методов определения содержания азота и его изотопов в биосубстратах является метод масс-спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой.



4.1 Пониженное содержание азота в организме

Причиной недостатка азота является как снижение поступления азота в организм, так и нарушение обмена азота в результате различных заболеваний.

Основные причины дефицита азота:

белковое голодание

нарушение переваривания белков в желудочно-кишечном тракте;

нарушение всасывания аминокислот в кишечнике;

дистрофия и цирроз печени;

нарушение качественных и количественных взаимоотношений белков (аминокислот) в организме;

наследственные нарушения обмена веществ;

усиленное расщепление белков тканей;

нарушение регуляции азотистого обмена.

Основные проявления дефицита азота:

многочисленные расстройства, отражающие нарушения обмена белков, аминокислот, азотсодержащих соединений и связанных с азотом биоэлементов.

4.2 Повышенное содержание азота в организме

Среди соединений азота немало токсичных для организма. К ним относятся окись азота, нитраты, нитриты, нитрозамины, аммиак и другие соединения. Токсический эффект нитритов связан в частности с тем, что под их воздействием гемоглобин превращается в метгемоглобин, который не способен связывать и переносить кислород. При нарушении выделительной функции почек в крови может наблюдаться увеличение концентрации азотсодержащих продуктов. Это же явление может возникать при нарушении оттока мочи по мочевым путям, их закупорке или сдавливании, обильной потере хлора организмом (напр., при неукротимой рвоте) и т.д. Следует помнить, что токсичность аммиака зависит от кислотности среды, которая уменьшается с понижением рН.

Основные причины избытка азота:

избыточное поступление с белками пищи ("белковый перекорм") отдельными аминокислотами (напр., у спортсменов), нежелательными примесями в пище (напр., в виде нитратов и нитритов) и т.д.;

поступление в организм через легкие в виде окислов азота (нитрозных газов), образующихся при производстве азотной кислоты и других азотсодержащих веществ;

поступление в организм токсических соединений азота;

нарушение регуляции обмена азота.

Основные проявления избытка азота:

воспаление и отек слизистых оболочек дыхательной системы в результате поступления в организм нитрозных газов;

снижение уровня кислорода в крови под действием нитритов;

повышение функциональной нагрузки на почки и печень;

отвращение к белковой пище;

положительный белковый баланс.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проделанная работа позволяет сделать вывод о том, что азоту принадлежит одна из главных ролей среди многочисленных химических элементов.

Для человечества чрезвычайно полезна относительная инертность этого газа. Будь он более склонен к химическим реакциям, атмосфера Земли не могла бы существовать в том виде, в каком она существует. Сильный окислитель кислород вступил бы с азотом в реакцию, и образовались бы ядовитые оксиды азота. Не было бы аммиака, азотной кислоты, необходимой для производства множества веществ, не было бы важнейших удобрений. Не было бы и жизни на Земле, ведь азот входит в состав всех организмов. На долю азота приходится около 3% от массы человеческого организма.

Элементарный, не связанный азот применяется достаточно широко. Это самый дешевый из газов, химически инертных в обычных условиях, поэтому в тех процессах металлургии и большой химии, где надо защищать активное соединение или расплавленный металл от взаимодействия с кислородом воздуха, создают чисто азотные защитные атмосферы. Под защитой азота хранят в лабораториях легко окисляющиеся вещества. В металлургии азотом насыщают поверхности некоторых металлов и сплавов, чтобы придать им большую твердость и износоустойчивость. Широко известно, например, азотирование стали и титановых сплавов.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Некрасов Б.В., Основы общей химии, т. 1, М.: «Химия», 1973;

2. Химия: Справ. изд. / В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. 2-е изд., стереотип. -- М.: Химия,

3. Ахметов Н.С., Общая и неорганическая химия. 5-е изд., испр. -- М.: Высшая школа,

4. Гусакова Н.В., Химия окружающей среды. Серия «Высшее образование». Ростов-на-Дону: Феникс,

5. Исидоров В. А., Экологическая химия. СПб: Химиздат,

6. Трифонов Д.Н., Трифонов В.Д., Как были открыты химические элементы -- М.: Просвещение, 1980

7. Справочник химика, 2-е изд., т. 1, М.: «Химия», 1966;

8. Гиляров М.С. Биологический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983, 831 с.

9. Хоулт Дж. Краткий определитель бактерий Берги. М.: Мир, 1980, 496 с.

10. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 1987, 567 с.

Размещено на Allbest.ru