Почва и гидрологический цикл

 Почва является основной составляющей водного круговорота. Вода из атмосферы попадает в почву в виде осадков. Часть из них не впитывается и утекая, в конце концов попадает в реки, а другая часть впитывается в землю. Вода, впитываемая в почву, может двигаться вниз, присоединяясь к грунтовым водам, или поглощаться растениями. Вода возвращается в атмосферу с испарением либо непосредственно с поверхности почвы, либо от растений.

Прохождение воды через землю до водоносного горизонта не только дополняет запас подземных вод, но и переносит в растворенном состоянии ряд неорганических и органических химических веществ, находящихся в земле или на ее поверхности. Таким образом, в подземных водах (а также в притоках, реках и озерах) могут появиться продукты разложения пород, природные органические соединения, вызванные разрушением остатков растений, растительные питательные вещества природного и человеческого происхождения, а также различные синтетические химические вещества, которые умышленно или случайно добавляются в почву.

Химические вещества разрушаются в том слое почвы, где наиболее активна деятельность корней растений и бактерий. После прохождения этого слоя, до попадания в грунтовые воды вероятность разложения или усвоения химических веществ очень мала. Это означает, что химические вещества, усваиваемые микроорганизмами в нормальных условиях в течение нескольких недель, могут проходить через подземные воды до их разложения. Это особенно проблематично для состоящих из крупных частиц песчаных земель, по которым перемещение загрязняющих веществ происходит очень быстро. В некоторых районах загрязнение подземных источников питьевой воды избыточными нитратами может достичь опасных уровней для потребления человеком.

Исследования по перемещению химических веществ в почве и подземных водах обращали внимание на другую важнейшую проблему. Накопление химических питательных веществ в прудах, озерах, водохранилищах и подземных водах может стимулировать процесс, называемый заболачиванием. Оно снижает содержание кислорода в воде, оказывая катастрофическое воздействие на рыб и другие водные виды.

Возможным решением этой проблемы может стать применение фиксирующих азот организмов вместо химических удобрений.

Фиксация азота

 Фиксация азота — это биохимическая реакция, которая столь же важна для жизни на Земле, как и фотосинтез растений. Этот процесс превращает атмосферный инертный молекулярный азот (N2) в реактивный азот, который может быть использован всеми организмами. Процесс осуществляется с помощью ограниченного количества бактерий, среди которых ризобии и еще несколько видов актиномицетов и цианобактерий (сине-зеленые водоросли).

Количество ежегодно биологическим путем фиксируемого азота на земле огромно. Только почвеные системы связывают примерно 139 миллионов тонн азота. В настоящее время количество, фиксируемое при производстве удобрений, почти так же велико.

Механизм процесса:

Независимо от того, в каком организме он происходит, в основе процесса фиксации азота лежит фермент нитрогеназа, который осуществляет восстановления молекулярного азота в аммиак:

N₂ + 8H⁺ + 6e ^{— нитрогеназ (Fe, Mo)}      2NH₃ + H₂

Аммиак, в свою очередь, связываясь с органическими кислотами, в конечном итоге входит в состав белков:

NH₃ + органическая кислота                 аминокислота                             белок

 

Азот восстанавливающий участок нитрогеназа — комплекс из двух белков, малый из которых содержит железо, а большой — железо и молибден. Об этом ферменте и его функции можно отметить ряд важных фактов, учитывая его уникальную роль в круговороте азота и большое значение для человечества.

1. Разложение тройной газовой связи N₂ требует большого количества энергии. По этой причине процесс часто происходит с образованием сообществ с высококлассными растениями, которые получают энергию с помощью фотосинтеза.
2. Нитрогеназ разрушается из свободного O₂. Поэтому организмы, связывающие азот, должны защищать фермент от воздействия кислорода. В некоторых случаях, например, в корневых клубнях, это осуществляется путем производства особого вещества, который не только связывается с кислородом, защищая нитрогеназ, но и делает кислород доступным для дыхания в других тканях корней растения.
3. Реакция восстановления тормозится конечным веществом, это означает, что накопление аммиака замедлит связывание азота. Кроме того, большое количество нитратов препятствует образованию клубней.
4. Организмы, связывающие азот, имеют относительно большую потребность в молибдене, железе, фосфоре и сере, поскольку эти элементы входят в состав нитрогеназа и необходимы для его деятельности.

 

Как правило, связывание азота производит ряд бактериальных систем, которые могут быть или не быть в прямом или косвенном сосуществовании с высококлассными растениями. Несмотря на то, что сосуществование бобовых и бактерий обсуждается больше всего, в последние годы были выявлены системы, включающие многие другие растения, и в вопросе доставки азота в почву они могут быть конкуренты сосуществованию с бобовыми.

Наличие организмов, связывающих азот, существенно увеличивает содержание азота в почве и может быть полезным для видов, не реализующих такой процесс, в частности, для высококлассных растений. Организмы, связывающие азот, могут применяться в качестве удобрений в сельском хозяйстве, обеспечивая максимальное производство растений в условиях минимального загрязнения окружающей среды.