Введение в экологическую химию - Скурлатов Ю.И.
NBSN 5-06-002593-4
Скачать (прямая ссылка):
Дыхание и фотосинтез — два противоположных процесса в природной среде, связанные с круговоротом кислорода и углерода. Углерод в биосфере занимает особое место, так как служит строительным материалом для органической жизни, источником энергии, высвобождаемой в процессе дыхания. Велика также роль неорганического углерода С02 в атмосфере — для регулирования климата и карбонатной системы, поддерживающей постоянство рН водной среды. Океана.
Интенсивное сжигание ископаемого топлива, уничтожение лесов, разрушение почвенного покрова — все это приводит к участию человека в глобальных циклах круговорота углерода и кислорода (см. § 1.2).
Расходование полезных ископаемых - нефти, угля, газа - приводит к неизбежному истощению их запасов, горение — к продуктам окисления и в конечном итоге к образованию С02.
Хотя часть диоксида углерода вновь возвращается в органические соединения в процессе природного фотосинтеза зеленых растений или осаждается в виде океанических осадочных отложений, скорость индустриального расходования ископаемого топлива настолько велика, что накопление С02 в атмосфере не компенсируется его естественной убылью. За последние 150 лет количество сжигаемого топлива увеличивается ежегодно примерно на 4,3%.
§ 3.2. КРУГОВОРОТ АЗОТА
Азот играет важную роль в биосфере. Оц является основным компонентом земной атмосферы. Круговорот азота, как и в случае кислен рода ц углерода, охватывает все три сферы обитания жизни. Однако в силу меныпей химической активности круговорот атмосферного азота значительно отличается от круговорота 02. Биологический круговорот азота представляет собой практически замкнутый цикл, не оказывающий прямого влияния на химический состав атмосферы.
Важнейшим процессом, осуществляющим вовлечение атмосферного азота в биологический круговорот, служит процесс фиксации азота — образование аммиака и других соединений азота в результате деятельности почвенных и водных азотфиксирующих микроорганизмов.
Небиологическим путем восстановление молекулы гТ2 (гТгг}) в ес-
91
тественных условиях происходит в основном при электрических разрядах в атмосфере. Образуется химически связанный азот также при высоких температурах, например при работе реактивного двигателя:
N2 + 02 —> 2N0
При производстве удобрений фиксацию азота осуществляют в процессе Габера:
N2 + ЗН2 —*• 2NH3
При этом водород получают обычно из природного газа (метана). Процесс протекает при повышенных температурах и может проводиться как без участия, так и при участии 02:
СН4 + Н20-> СО + ЗН2
2СН4 + 02-> 2СО + 4Н2
СО + Н20->СОг + Н2
ЗСН4 + 02 + 4Н20 -> ЗС02 + 10Н2
До разработки процесса Габера основным азотсодержащим сырьем для производства соединений азота служили залежи NaN03 в Чили.
В природных условиях N2 связывают преимущественно бактерии, обитающие в клубнях корней бобовых растений (горох, фасоль, земляные орехи, люцерна). В гидросфере азот фиксируют сине-зеленые водоросли.
При ферментативном восстановлении N2 клубеньковыми бактериями атомы Н воды участвуют в образовании NH3. Катализатором служит фермент нитрогеназа. Интенсивное изучение этого фермента было начато в 60-х годах. Оказалось, это сложный ферментный комплекс, состоящий из двух белков разной молекулярной массы (230 ООО и 60 ООО ат.ед.), в состав которых входят кластеры Fe4S4 (соответственно 4 и 1). Более крупный белок содержит также два Fe, Мо-кофермента, содержащих по 6—8 атомов Fe и по одному атому Мо. Восстановление N2 наблюдается только при наличии обоих белков. Остается только удивляться, насколько сложные каталитические процессы реализуются в биологических системах. Степень окисления азота в химических соединениях изменяется от -3 (в NH3) до +5 (в HN03).
Связанный в форме NH3 (NH4) и N03 азот поглощается растениями и используется для синтеза азотсодержащих соединений, в частности белков. В свою очередь, растительные белки служат пищей для животных, в организме которых они расщепляются на аминокислоты и либо превращаются в животные белки, либо выводятся из организма с экскрементами. В природе существуют микроорганизмы, способные 92 превращать экскременты снова в N2, и таким образом происходит биологический круговорот азота в природе. Схема цикла азота в биосфере:
НШ3(Шз + Н+)
НЮ Н2~{СН2);Е-СООН
1/2 Н2-^{К2Н4} Фиксация азота-^ ^(МН} + ОН")
Здесь {О}, {ЗОН}, {2Н} — двухэлектронные окислительные и восстановительные эквиваленты (акцепторы и доноры Н).
Промежуточное образование гидразина в процессе восстановления азота до аммиака, как и образование Н202 при восстановлении 02 до воды, возможно в качестве побочного продукта.
Процессы нитрификации-денитрификации и аммонификации осуществляются в результате деятельности соответствующих бактерий. Бактерии-денитрификаторы распространены в почвах и водах с малым содержанием Ог. Образующийся в процессе их жизнедеятельности газ N20 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.
