Цикл азота. 
Экология

Биогеохимический цикл азота — пример очень сложного круговорота вещества с резервным фондом в атмосфере. Азот присутствует в атмосфере в молекулярной форме. Молекула азота является весьма прочной, и для ее разрушения необходимо затратить огромное количество энергии. По сути, азот является почти инертным газом. Связывание атмосферного азота происходит различными путями, например при вспышке молнии, в процессе сжигания топлива и т. д. Основную же массу связанного азота производят симбиотические азотфиксирующие бактерии рода Rhizobium и Frankia, обитающие соответственно на корнях бобовых растений и некоторых древесных пород, например ольхи. Трудность процесса связывания молекулярного азота является причиной того, что содержание азота в усвояемой форме является одним из основных лимитирующих факторов развития автотрофных организмов. Таким образом, в цикле азота существует «узкие» места, связанные с малым количеством азотфиксирующих бактерий, способных фиксировать азот из атмосферы и переводить его в химические соединения, доступные для растений. Эта трудность преодолевается человеком благодаря промышленному производству веществ, содержащих азот в формах, доступных растениям. Эти вещества получили название азотных удобрений.

В результате связывания каким-либо из перечисленных выше способов азот становится компонентом органических соединений в составе живых организмов. Далее азот, входящий в состав белков и других азотсодержащих соединений, переводится из органической формы в неорганическую в результате деятельности ряда бактерий-редуцентов, причем это довольно сложная трофическая цепь, обладающая малой степенью дублирования (т.е. низкой надежностью).

В общем виде описанный выше круговорот азота можно представить следующей схемой (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Биогеохимический цикл азота

Круговорот серы характеризуется значительным резервным фондом в литосфере и мощным потоком в трофических цепях. Поэтому сера не является лимитирующим фактором для организмов в биосфере.

Сера — биогенный элемент, необходимый компонент живой материи. Она содержится в белках в составе аминокислот, содержание ее в белках составляет 0,8—2,4%. Сера также входит в состав витаминов, гликозидов, коферментов, имеется в растительных эфирных маслах. В изобилии присутствует в земной коре, в угле, сланцах, нефти и т. д.

Сера относится к элементам с переменной валентностью, что обеспечивает ее подвижность. В виде неорганических соединений сера бывает в окисленной форме (сульфаты, политионаты), в восстановленной форме (сульфиды) и в молекулярной, осуществляя активный окислительно-восстановительный цикл. В природе сера претерпевает разнообразные химические и биологические превращения, переходя из неорганических соединений в органические и обратно, меняя степень окисления в пределах от -2 до +6.

Циклические превращения соединений серы называют круговоротом серы. Цикл превращения серы включает окислительные и восстановительные звенья, а также превращения серы без изменения ее валентности. Окислительная часть круговорота серы включает реакции, которые могут протекать в зависимости от условий как чисто химически, так и с участием организмов, главным образом микроорганизмов. Восстановительная часть круговорота серы осуществляется преимущественно биологическим путем с доминирующей ролью прокариот в этом процессе, при этом осуществляется восстановление атома серы из состояния максимального окисления (+6) до максимального восстановления (-2). Однако не всегда этот процесс проходит до конца, и в среде нередко обнаруживаются не полностью окисленные продукты: элементная сера, политионаты, сульфиты.

Таким образом, цикл серы, так же как и круговорот веществ, невозможен без участия прокариот, обеспечивающих замкнутость цикла.

Восстановительная ветвь круговорота серы начинается с ассимиляции сульфатов. Для живых организмов сера доступна главным образом в форме растворимых сульфатов, сульфитов или восстановленных органических соединений серы. Сульфаты и сульфиты используются в качестве источника серы почти всеми растениями и микроорганизмами. Эти соединения при ассимиляции восстанавливается, чтобы сера могла включиться в органические соединения, так как в живых организмах она встречается почти исключительно в восстановленной форме в виде сульфгидрильных (-SH) или дисульфидных (-S-S-) групп. В обоих случаях ассимилируется ровно столько питательных веществ, содержащих серу, сколько их необходимо для роста организма, поэтому никакие восстановленные продукты метаболизма серы не выделяются в окружающую среду. В результате биосинтеза сера включается в основном в состав серосодержащих аминокислот — цистина, цистеина, метионина. Вовлечение сульфатов в состав серосодержащих органических веществ носит название ассимиляционной сульфатреду к ци и.

Дальнейшие превращения полученных в ходе ассимиляции органических соединений серы происходят с образованием H₂S.

При минерализации органических серосодержащих соединений сера высвобождается в неорганической восстановленной форме в виде H₂S. В высвобождении серы из органических серосодержащих соединений (продукты метаболизма живых существ, отмершие растительные и животные остатки) принимают участие сапрофитные микроорганизмы, способные к аммонификации. При аммонификации серосодержащие белки и нуклеиновые кислоты разлагаются с образованием С0₂, мочевины, органических кислот, аминов и, что важно для цикла серы, H₂S и меркаптанов (тиоспирты). Меркаптаны в аэробных условиях также окисляются с выделением H₂S.

Разрушение белков микроорганизмами начинается как внеклеточный процесс. При этом белки гидролизуются протеолитическими экзоферментами до более мелких молекул, способных проникать внутрь клетки и расщепляться внутриклеточными протеазами до аминокислот, которые могут подвергаться дальнейшему расщеплению.

Образование H₂S из сульфатов и элементарной серы связывают в основном с деятельностью сульфатредуцирующих бактерий, имеющих большое значение для глобального круговорота серы. Сульфатредуцирующие бактерии осуществляют диссимиляционную сульфатредукцию, представляющую собой анаэробное дыхание, при котором сульфаты служат конечным акцептором электронов (вместо кислорода) при окислении органических веществ или молекулярного водорода. Поэтому энергетический тип обмена у сульфатредуцирующих бактерий часто называют сульфатным дыханием.

Сульфатредуцирующие бактерии — преимущественно облигатные анаэробные бактерии. Геохимическая роль сульфатредуцирующих бактерий чрезвычайно велика, поскольку благодаря их деятельности инертное соединение сульфат в анаэробной зоне в больших масштабах вовлекается в биологический круговорот серы.

Деятельность сульфатредуцирующих бактерий особенно заметна в иле на дне прудов и ручьев, в болотах и вдоль побережья моря. Поскольку концентрация сульфата в морской воде относительно высока, восстановление сульфата — важный фактор минерализации органического вещества на морских отмелях. Признаками такой минерализации служат запах H₂S и черный, как смоль, ил, в котором протекает этот процесс. Черный цвет ила обусловлен присутствием в нем больших количеств сульфида двухвалентного железа. Некоторые береговые области, где накопление органического вещества ведет к особенно интенсивному восстановлению сульфата, практически безжизненны из-за токсического действия H₂S.

Большое значение восстановление молекулярной серы в сероводород имеет для термофильных микроорганизмов, обитающих в гидротермах, где элементная сера является одной из наиболее значимых форм серы и где соединения серы имеют исходно вулканическое происхождение. Биоценозы гидротерм представляют собой уникальные сообщества живых существ. Развиваясь при высоких температурах (от 45—50 до 100°С), они формируются в основном прокариотами — бактериями и археями. Подавляющее большинство микроорганизмов, входящих в состав микробных сообществ гидротерм, не встречаются в других местах. Микробные сообщества гидротерм относят к наиболее древним биоценозам в составе биосферы.

Окислительная ветвь цикла серы может состоять как целиком из реакций неорганических соединений серы, так и включать реакции органических форм. Атом серы органических сульфидов обычно окисляется после отделения в виде S^2- по неорганическому пути, хотя возможен и чисто органический путь окисления, когда атом серы окисляется, находясь в составе органических соединений, например цистеина, цистина. Большинство реакций окисления серных соединений может протекать без участия микроорганизмов в присутствии сильных окислителей (Н₂0₂, 0₃, кислородные радикалы), однако микробное окисление гораздо более эффективно, особенно при низких концентрациях реагента.

Среди микроорганизмов, способных к окислению серных соединений, выделяются три основные физиологические группы: анаэробные фототрофные бактерии; аэробные и факультативно анаэробные литотрофные бактерии; архси и различные гетеротрофные микроорганизмы.

Схематично круговорот серы в биосфере представлен на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Цикл серы.

В последние десятилетия природный цикл серы подвергается усиливающемуся антропогенному воздействию, приводящему к накоплению токсических соединений серы и нарушению баланса природного цикла серы. В частности, в результате крупномасштабных выбросов серных соединений образуются диоксид серы, выделяемый ТЭЦ при сжигании органического топлива, сероводород и летучие органические сульфиды, выделяемые целлюлозно-бумажными и металлургическими предприятиями, а также при разложении муниципальных и сельскохозяйственных стоков. Эти соединения токсичны уже в микрограммовых концентрациях. Они способны отравлять воздух, влиять на атмосферные химические процессы, вызывать дефицит растворенного в воде кислорода.

Использование прокариот, участвующих в превращении соединений серы, детоксикации токсичных соединений серы, представляется весьма актуальным. Кроме того, чрезвычайно высокая каталитическая активность микроорганизмов является причиной того, что они играют главную роль в химических превращениях, происходящих на поверхности Земли. Благодаря небольшим размерам микроорганизмы обладают, но сравнению с животными и высшими растениями высоким значением соотношения поверхности и объема, что и приводит к быстрому обмену субстратов и продуктов выделения между клеткой и окружающей средой.

Важными факторами являются также высокая скорость их размножения в благоприятных условиях и широкая распространенность, но всей биосфере. Однако, несмотря на исключительное значение прокариот в трансформации биогенных элементов, до сих пор масштабы деятельности прокариот в круговороте веществ, в частности в цикле серы, до конца не оценены.