5. Химические превращения фосфора, азота и серы
Азот является основным компонентом земной атмосферы.
Круговорот азота, также как кислорода и углерода, охватывает все три сферы обитания жизни.
Однако в силу меньшей химической активности круговорот атмосферного азота отличается от круговорота кислорода.
Биологический круговорот азота представляет собой практически замкнутый цикл, который можно изобразить следующей схемой:
Важнейшим процессом, осуществляющим вовлечение атмосферного азота в биологический круговорот, служит процесс фиксации азота - образование аммиака и др. соединений азота в результате деятельности почвенных и водных азотфиксирующих микроорганизмов.
В почве азот связывают преимущественно бактерии, обитающие в клубнях корней бобовых растений.
В гидросфере азот фиксируют сине-зеленые водоросли.
Бактерии восстанавливают атмосферный азот с образованием NH3 и иона NH4+ , используя воду в качестве донора водорода. Катализатором процесса служит фермент нитрогеназа.
Обязательным условием ферментативного восстановления является наличие коферментов, содержащих железо и молибден.(фермент – белковый катализатор, содержится в живых клетках; кофермент – низкомолекулярное органическое соединение, активизирует фермент.)
Связанный в форме NH3 (или NH4+ ) азот бактериями - нитрификаторами последовательно окисляется и в виде ионов NO2- и NO3- используется растениями для синтеза азотсодержащих соединений, в частности белков.
После ряда превращений белки в природных условиях расщепляются до аминокислот, которые под действием бактерий – аммонификаторов вновь образуют NH3 (или NH4+ ).
В почвах и водах с низкой концентрацией кислорода преобладают бактерии - денитрофикаторы, которые последовательно восстанавливают NO2- и NO3- до N2.
Образующийся в процессе их жизнедеятельности газ ( N2O) частично поступает в атмосферу.
Естественный круговорот азота характеризуется столь малой скоростью, что он сильно подвержен антропогенным воздействиям.
В настоящее время равновесие по азоту в биосфере нарушено в результате человеческой деятельности, в окружающей среде происходит накопление нитратов и промежуточных продуктов нитрификации.
Круговорот фосфора
Фосфор содержится в земной коре в количестве около 0,1% в виде различных фосфатов.Круговорот фосфора охватывает только литосферу и гидросферу.
В основном происходит одностороннее движение фосфора с суши в воду и далее в донные отложения.
Из водной среды фосфаты выводятся в основном в форме нерастворимых фосфатов железа. Соответственно циркуляция фосфора зависит от его запасов в породе и осадках.
Соединения фосфора играют важную роль в биологических системах.
Эфиры фосфорной кислоты, так называемые фосфатиды выполняют разнообразные функции в живых организмах.
Они являются одним из основных компонентов биологических мембран, входят в состав нервных волокон и молекул ДНК и РНК, ответственных за биосинтез белков и передачу наследственной информации.
Кроме того, фосфат-ион регулирует направленность внутриклеточных процессов окисления, блокируя реакционноспособные атомы водорода, окисление которых могло бы привести к нежелательным побочным продуктам.
Фосфатные группы создают в организме энергетический резерв. Это, основано на способности фосфорной кислоты, вступать в обратимую реакцию конденсация↔гидролиз.
Реакция конденсации протекает эндотермически:
Переносчиками фосфатных групп в такой реакции являются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат).
Энергия запасается в молекулах АТФ и освобождается при гидролизе концевой фосфатной группы с образованием АДФ.
Круговорот серы
Соединения серы широко распространены в природе.
Более 40 элементов образуют с серой соединения, в которых она проявляет степень окисления -2, 0, +2, +4, +6. Самородная сера встречается в верхней части земной коры и на ее поверхности.
Кроме того, сера встречается в виде залежей сульфидных и сульфатных минералов, а также в виде примесей в угле и нефти.
В упрощенном виде цикл серы в окружающей среде можно представить схемой:
В биологических системах сера входит в состав двух аминокислот: метионина и цистеина.
Биохимическая роль серы связана с легкостью окислительно-восстановительных переходов:
В почве и гидросфере, а также в донных отложениях присутствуют бактерии сульфофикаторы и десульфофикаторы.
Первые окисляют различные соединения с восстановленной формой серы до сульфатов и широко распространены в почвах, богатых кислородом.
Вторые принадлежат к разряду анаэробных и функционируют при недостатке кислорода. Благодаря их жизнедеятельности в болотах и донных отложениях морей образуется значительное количество H2S.
Поступая в атмосферу, H2S быстро окисляется до SO2. Среднее время жизни H2S в атмосфере около 2 суток.Установлено, что многие микроводоросли и некоторые высшие растения выделяют в окружающую среду диметилсульфид CH3-S-CH3, диметилдисульфид Ch3-S-S-CH3,
Метилмеркаптан CH3SH, сероуглерод CS2, карбонилсульфид COS и ряд др. соединений.
Замкнутость круговорота биогенов в процессах биологического синтеза и разложения органических веществ служит необходимым условием устойчивости биосферы.
Для поддержания равновесия потоки синтеза и разложения биологически активных химических веществ должны совпадать по величине.
В настоящее время на концентрации биогенов в окружающей среде и на поток их в биосферу все большее воздействие оказывает человеческая деятельность.
И ведущая роль в этом принадлежит постоянно возрастающему выбросу в окружающую среду химических загрязнений.