NITROGEN CYCLING AND NITROGEN COMPOUNDS IN THE SOIL

Азот является одним из наиболее распространённых в природе химических элементов. В различных формах азот содержится в атмосфере, гидросфере, в осадочных породах и почве, в растительном и животном мире. При этом в результате между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами постоянно происходит обмен азотом, как и другими химическими элементами. Азот относится к жизненно важным элементам, он содержится в белках, аминокислотах, нуклеиновых кислотах, хлорофилле, гемах и др. биологических соединениях. В связи с этим большое значение имеет изучение и контроль круговорота азота в природе, особенно в антропогенных экосистемах, т.к. его излишнее содержание приводит к химическому загрязнению почвы, эвтрофикации водоемов и загрязнению их продуктами разложения биологических объектов

В почвенном покрове азот является одним из важнейших элементов на стадии вегетации и активного формирования корневой системы и стебля растения. Кроме того, азот участвует в метаболизме растений и необходим для формирования в них нуклеиновых кислот и др. важных соединений. Все процессы жизнедеятельности растения, от синтеза хлорофилла до усвоения витаминов, интенсифицируются благодаря азоту. Недостаток азота снижает урожайность и может привести к гибели растений. При этом растения могут усваивать в основном только аммонийную и нитратную формы азота

Целью данной работы является рассмотрение основных процессов трансформации и миграции азота во время его круговорота в почве.

Круговорот азота является одним из наиболее важных круговоротов веществ, происходящих в природе, и большая часть его цикла происходит с участием биосферы и напрямую связана с почвой.

Азот из атмосферы, где он является преобладающим элементом, поступает в клетки микроорганизмов, затем в почву в виде фиксированного азота, оттуда попадает в растения и далее движется по трофическим цепочкам, попадая в организмы животных. После гибели растений и животных азот в процессе разложения останков снова попадает в почву, откуда или снова поступает в другие растения, или переходит в атмосферу. Кроме того, существенный вклад в круговорот азота вносят процессы растворения и вымывания его из почвы, откуда он поступает в водные объекты, из которых может переходить в атмосферу или попадать в организмы гидробионтов. Важным источником поступления азота в почву является внесение минеральных и органических азотсодержащих удобрений.

Фиксированным называют азот, входящий в состав соединений, которые могут усваиваться растениями и животными. Меньшая часть азота фиксируется абиогенным путем в результате ионизации атмосферы космическим излучением или во время грозы, что приводит к реакции азота с кислородом или водородом воды с образованием оксидов азота и аммиака, которые с осадками попадают в почву. Большая часть азота фиксируется биогенным путем в процессе жизнедеятельности свободноживущих (несимбиотических) или клубеньковых бактерий и сине-зелеными водорослями в почве, а также некоторыми морскими микроорганизмами

Аккумуляция азота в почвах является одним из признаков почвообразования. В то же время неоднородность природных и техногенных условий являются причиной разной степени накопления и различий в темпах трансформации азота в почвах. Общее количество азота в почвах зависит от количественного содержания органического вещества, в состав которого входит до 98% почвенного азота (остальные 2% входят в состав минеральной составляющей почвы) и глубины гумусового горизонта, в котором преимущественно и закрепляется азот, в почвенном профиле

Элементарный азот в газообразной форме содержится в почвенном воздухе и в почвенном растворе. Минеральный азот содержится в виде газов N2O, NO, NO2 и NH3, а также в виде ионных форм NH4+, нитрита NO2- и нитрата NO3- в почвенном растворе. Органический азот подразделяют на легкогидролизуемый (амиды, амины), трудногидролизуемый (амины, часть амидов, гумины, необменный аммоний) и негидролизуемый (азот гуминов, меланинов, битумов, необменный аммоний)

При этом в почве происходит постоянный цикл траснформации азота из одних форм в другие, в частности из минеральных в органические и обратно, в результате процессов синтеза и разложения. К преобладающим процессам относятся азотфиксация, аммонификация, нитрификация, денитрификация (биологическая и химическая) и иммобилизация (фиксация микроорганизмами и глинистыми минералами). Минерализация и иммобилизация определяют содержание подвижных форм питательных веществ и условия азотного питания растений.

Кроме того, азот является самым мобильным элементом в почве, поэтому наряду с улетучиванием происходит его инфильтрация в подпахотные слои почвы в результате вымывания и закрепление в кристаллической решетке минералов. Преобладание направления трансформации определяет степень подвижности азота в почве, его доступность для растений и объем потерь на улетучивание. В естественных условиях эти процессы уравновешивают друг друга, формируя баланс азота и его форм в почвах.

Трансформация соединений азота в почве происходит главным образом при участии микроорганизмов, хотя некоторые процессы являются исключительно химическими и физико-химическими. Участие микроорганизмов заключается в протекании процессов трансформации в их клетках и активация этих процессов внеклеточными ферментами

Азотфиксация или диазторофия представляет собой микробиологическое восстановление молекул атмосферного азота в процессе их ассимиляции с образованием биологического азота и азотсодержащих соединений, доступных для питания растений. Азотфиксирующие бактерии подразделяют на следующие разновидности

- несимбиотические, подразделяемые на свободноживущие в почве азотфиксирующие бактерии, среди которых наиболее распространены азотобактер и клостридиум, и ассоциативные, обитающие в прикорневой зоне (ризосферные микроорганизмы), на поверхности корней и листьев (эпифитные микроорганизмы) или внутри тканей, обычно в межклеточном пространстве (эндосферные или эндофитные микроорганизмы, не оказывающие негативного влияния), растений;

- симбиотические, которые могут обитать в тканях растений, вызывая появление особых разрастаний в виде клубеньков или узелков на корнях и листьях (клубеньковые бактерии), а также находиться в составе симбиотических ассоциаций с грибами, образуя лишайники (цианобактерии или сине-зеленые водоросли), и другими почвенными микроорганизмами.

При этом свободноживущие диазотрофы ассимилируют меньше азота, чем симбиотические, среди которых наибольшей продуктивностью отличаются клубеньковые бактерии, находящиеся в симбиозе с многолетними бобовыми культурами. В то же время по известным данным площади посева бобовых культур сравнительно невелики, поэтому в общий объем азотфиксации значительный вклад вносят ассоциативные микроорганизмы, число которых в почве может быть повышено за счет применения биопрепаратов с их активными штаммами

Азотфиксация представляет собой последовательность ферментативных реакций с образованием аммиака и последующим превращением аммиака в аминокислоты и белки. Ключевым ферментом при азотфиксации является нитрогеназа, вырабатывающийся только у прокариотов, к которым и относятся бактерии. В состав ферментной системы для диазотрофии также входят молибден и железо, поэтому их присутствие повышает интенсивность ассимиляции азота бактериями

Недавние исследования показали, что скорость минерализации соединений азота бактериями в первую очередь зависит не от лабильности соединения, а определяется степенью его доступности для внеклеточных ферментов, которая снижается при адсорбции соединений на поверхности минералов или в результате окклюзирования в микроагрегатах почвы

Скорость минерализации (аммонификации и нитрификации) также определяется химическим составом почв, их температурой и влажностью. Существенное влияние оказывает и pH почв, вследствие чего в нейтральных и слабощелочных почвах 75-95 % минерального азота составляют нитраты. При этом стоит учитывать, что в вегетационный период растений в пределах их корневых систем происходят значительные изменения состава, кислотности, влажности, аэрации, численности и видового состава микроорганизмов

Одним из основных процессов микробиологической минерализации является аммонификация, происходящая при разложении органических соединений и сопровождающаяся выделением в окружающую среду аммиака и ионов аммония. В зависимости от степени аэрации почвы аммонификация может носить различный характер. В аэробных условиях наблюдается окислительный процесс

R-CHNH2COOH + O2 → NH4+ + H2O + CO2

При дефиците кислорода преобладает гидролитический процесс

R-CHNH2COOH + O2 → NH4+ + R-CHOHCOOH

В анаэробных условиях происходит восстановительный процесс

R-CHNH2COOH + O2 → NH4+ + R-CH2COOH + CH4 + CO2 +

+ R-CO-R + H2S

Образующийся в этих процессах аммоний окисляется нитрифицирующими бактериями до нитратов. На первой стадии этого процесса происходит окисление аммония до нитрита, а на второй – окисление нитрита до нитрата

NH4OH (+ O2, - H2O) → NH2OH (+ O2, - H2O) →

→ (HNO)2 (+O) → HNO2 + G

 (HNO)2 + 1/2 O2 → HNO3 + G

2NH3 + 4O2 → 2NO3- + 2H+ + 2H2O + G

Максимальная интенсивность нитрификации наблюдается при 25-28 оС и pH = 7-8,5, в то время как при температурах ниже 8 оС и pH < 5 данный процесс прекращается. Следует учитывать, что процесс нитрификации является нежелательным, поскольку значительные потери азота происходят при денитрификации и вымывании нитратов, а также из-за того, что растения лучше усваивают NH+, чем NO3-. Кроме того, нитраты могут легко накапливаться в растениях и делать сельскохозяйственную продукцию опасной для человека и животных

Денитрификация происходит под действием анаэробных микроорганизмов-денитрификаторов, которые полностью окисляют органические вещества до азота, диоксида углерода и воды

H2N∙CH2COOH + HNO2 → HOCH2COOH + N2↑ + H2O

NH4+ + NO2- → NH4NO2 → N2↑ + H2O

3NH2OH + HNO2 → 2N2↑ + 5H2O

3HNO2 → 2NO↑ + HNO3 + H2O

Химическая денитрификация протекает интенсивней при внесении больших доз аммиачных удобрений из-за того, что аммиак ингибирует процессы окисления нитритов до нитратов. Процесс денитрификации также является нежелательным, т.к. приводит к потере азота в газообразной форме, что особенно интенсивно происходит при затяжных дождях, создающих анаэробные условия в почве. Внесение азотных удобрений также приводит к интенсификации процессов денитрификации и увеличению объемов поступления оксидов азота в атмосферу

Газообразные потери азота происходят и при повышенной концентрации аммония в почвах с pH > 7

NH4+ + OH- → NH3↑ + H2O

Учитывая важность для живой природы и сельского хозяйства присутствия азота в определенных формах и концентрациях, актуальным является изучение и контроль круговорота азота в почве, особенно в антропогенных агроэкосистемах.

Учитывая условия, при которых интенсифицируются те или иные процессы трансформации азота, можно добиться его преобладания в тех формах, которые способствуют питанию растений и повышению урожайности, а также избежать загрязнения почвы избыточным азотом или потерь азота в результате вымывания или улетучивания.