Механизм образования и негативное влияние выбросов, содержащих оксиды азота

    6a46699ea85e5f70b301b29f7ae521d2

    Диоксид азота относится к одним из самых распространенных видов выбросов в атмосферу, имеющих антропогенное происхождение. Он образуется в ходе протекания фотохимических реакций оксидов в атмосфере. Их источниками в свою очередь являются различные продукты сгорания и отходы предприятий промышленного сектора.

    Механизм образования и негативное влияние выбросов, содержащих оксиды азота

    Особенности диоксида азота

    Диоксид азота имеет формулу NO2 и представляет собой газ характерного бурого цвета. Его отличительной особенностью является резкий, удушливый запах. Также вещество может переходить в другое агрегатное состояние под влиянием определенных температур – при высоких значениях диоксид становится жидкостью. Она полностью теряет характерный для газообразного состояния цвет, но сохраняет удушливый запах.

    Из-за своего цвета выбросы диоксида азота вследствие деятельности химических предприятий получили название «лисий хвост». Стоит отметить, что оранжево-бурый цвет соединения присутствует только при определенных температурах – при их снижении двуокись азота обесцвечивается из-за димеризации. Заметнее всего так называемые «лисьи хвосты» в летнее время года, поскольку в этот период в выбросах повышается концентрация мономерной формы.

    Симптомы передозировки оксидом азота

    Воздействие высоких уровней оксида азота может вызвать немедленную реакцию, такую как боль в животе, усталость, головная боль, кашель, тошнота и затрудненное дыхание. Иногда симптомы отсутствуют в течение 24 часов. После этого наблюдались такие симптомы, как вялость, спутанность сознания, беспокойство, отек легких или потеря сознания.

    Согласно анекдотическим данным, другими симптомами передозировки могут быть моча темного цвета, учащенное сердцебиение, лихорадка, головные боли, боль в горле, необычное кровотечение или кровоподтеки. Кожа может стать бледной, а другие части тела, такие как губы и ногти, – синими.

    Опасность двуокиси азота для организма человека

    Оказываясь в организме, диоксид азота нарушает работу органов дыхания путем агрессивного воздействия на слизистые оболочки, вызывая при продолжительном контакте бронхит и эмфизему. Токсичное вещество может принадлежать к одной из трех категорий, в зависимости от содержания в рабочей зоне: малоопасной, умеренной и чрезвычайно опасной.

    Опасность отравления диоксидом азота состоит в том, что на первых этапах оно практически незаметно и проходит бессимптомно. Симптомы проявляются только в случае попадания значительного объема газа в организм. Первыми признаками отравления считаются головная боль, общая слабость, боли в области груди, кашель и спазмы. При усугублении интоксикации растет температура тела, усиливается тошнота, появляется кашель с мокротой, а также нарушается работа легких и других органов дыхания.

    К группе особого риска отравления двуокисью азота относятся жители крупных городов индустриального типа, так как именно в них концентрация токсичного вещества чаще всего превышает допустимые нормы. Для определения уровня содержания диоксида азота необходим химический анализ атмосферного воздуха, который позволяет выявить степень заражения веществом.

    Механизм образования и негативное влияние выбросов, содержащих оксиды азота

    Окись азота и судьба человека

    Бесцветный газ — окись азота — всегда считался вредным для организма человека. Инженеры разрабатывают более совершенные двигатели внутреннего сгорания, в меньшей степени загрязняющие атмосферу окисью азота, конструируют системы регенерации окиси азота в другие вещества. Но в конце ушедшего века ученые неожиданно обнаружили, что окись азота присутствует в любом живом организме в довольно больших концентрациях. И не просто присутствует, а управляет важнейшими физиологическими процессами.

    Профессор Анатолий Федорович Ванин, впервые обнаруживший радикалы окиси азота в живых клетках, беседует с нобелевским лауреатом Робертом Форшготтом, впервые описавшим явление, обусловленное действием окиси азота. Москва, 1989 год.

    Электронная формула окиси азота (NO).

    Наука и жизнь // Иллюстрации

    Схема физиологических воздействий окиси азота на тонус сосудов.

    Окись азота (химическое название — оксид азота) — новая «путеводная звезда» в медицине, указывающая направление поиска лекарственных средств против множества болезней. Именно так считают сейчас большинство исследователей.

    Лавинообразный рост числа публикаций по исследованию роли окиси азота в биологических объектах дал основание Американской ассоциации развития науки и авторитетному научному журналу «Science» («Наука») назвать в 1992 году окись азота молекулой года.

    Чем же продиктован такой все возрастающий научный интерес к окиси азота?

    Оказалось, что окись азота управляет как внутриклеточными, так и межклеточными процессами в живой клетке. Многие болезни — гипертония, ишемия миокарда, тромбозы, рак — вызваны нарушением физиологических процессов, которые регулирует окись азота. Именно по этой причине окись азота представляет огромный интерес для биологов и медиков самых разных специальностей.

    Нейрофизиологи и нейрохимики интересуются окисью азота в связи с тем, что она управляет важнейшими процессами, происходящими в нервной системе. Высшая нервная деятельность человека во многом обусловлена прохождением импульса с одной нервной клетки (нейрона) на другую — так называемой синаптической передачей. Если попытаться описать этот процесс в двух словах, то можно сказать, что при прохождении нервного импульса из окончания одного нейрона «выбрасывается» молекула сигнального вещества — нейромедиатора (например, ацетилхолина, глутамата), которую «захватывает» специальный белок (рецептор) на мембране нервного окончания другого нейрона. Затем сложная цепь биохимических и электрохимических реакций обеспечивает прохождение нервного импульса по этому нейрону. Когда сигнал достигает нервного окончания, снова происходит выброс из него молекулы нейромедиатора и так далее. Оказалось, что окись азота активирует процесс выброса нейромедиаторов из нервных окончаний во время синаптической передачи. Более того, молекула окиси азота сама может играть роль нейромедиатора, то есть непосредственно передавать сигнал с одной нервной клетки на другую. Неудивительно, что окись азота присутствует во всех отделах головного мозга человека: гипоталамусе, среднем мозге, коре, гиппокампе, продолговатом мозге и др.

    Таким образом, в мыслительной деятельности окись азота является и непосредственным участником, и косвенным регулятором. Что касается телесного существования, то и здесь ее роль не меньшая.

    Кардиологи и специалисты, изучающие систему кровообращения, интересуются окисью азота, поскольку она регулирует расслабление гладких мышц сосудов и синтез так называемых «белков теплового шока», которые «защищают» сосуды при ишемической болезни сердца.

    Гематологов окись азота интересует в связи с тем, что она тормозит агрегацию (слипание) тромбоцитов, влияет на перенос кислорода эритроцитами, а также на реакции с участием химически активных молекул (свободных радикалов) в крови.

    Иммунологов окись азота интересует потому, что активация клеток, участвующих в иммунном ответе, — макрофагов и нейтрофилов — сопровождается высвобождением этими клетками окиси азота.

    Онкологи проявляют повышенный интерес к окиси азота из-за ее предполагаемого участия в процессе развития злокачественных образований.

    Физиологи, занимающиеся проблемами регуляции водно-солевого обмена в организме, и нефрологи интересуются окисью азота по той причине, что она регулирует почечный кровоток и солевой обмен в почечных канальцах.

    Даже интимная жизнь без окиси азота невозможна — ее высвобождение способствует эрекции.

    Но и это еще не все. В последние годы лавинообразно нарастает поток информации о влиянии окиси азота на функционирование генома.

    Судьба человека определяется его поведением и характером, на которые, в свою очередь, влияет состояние его души и тела. Значит, судьба человека в некотором смысле связана с окисью азота.

    Читайте так же  Влияние коронавируса на мозг и нервную систему человека

    Что же представляет собой молекула окиси азота?

    Известно, что, когда в электронном семействе какой-либо молекулы имеется электрон без своей пары, то есть для него нет партнера, все семейство испытывает беспокойство и проявляет повышенную агрессивность по отношению к другим соединениям, стремясь найти и отобрать чужой недостающий электрон. Соединения, имеющие неспаренный электрон, называются радикалами. Радикалы обычно неустойчивы и появляются на промежуточных стадиях химических реакций.

    Окись азота из-за наличия в ее электронной структуре неспаренного электрона относится к разряду радикалов и, следовательно, как и все радикалы, стремится «найти» недостающий электрон для создания новой электронной пары. Когда это удается сделать, образуется молекула NO_ — нитроксил-анион. Чаще же приобрести недостающий электрон, отнимая его у другой молекулы, без «войны» не удается. В результате происходят самые разнообразные реакционные процессы, в ходе которых окись азота может претерпевать различные превращения.

    Не стоит путать окись азота с закисью азота (ее химическая формула — N2O), тоже бесцветным газом со сладковатым вкусом, кратковременное вдыхание которого вызывает признаки истерии, а большие количества действуют на нервную систему возбуждающе, вызывая состояние, сходное с опьянением. В связи с этим закись азота называют «веселящим газом». Длительное вдыхание «веселящего газа» приводит к притуплению болевой чувствительности и потере сознания, благодаря чему в смеси с кислородом (80% N2о+20% О2) он иногда применяется для наркоза.

    Окись азота же сама по себе таких эффектов не вызывает. Но закись азота, поступающая в определенные отделы мозга, химически разрушается там с образованием окиси азота, действие которой на нервные клетки и определяет эффекты, вызываемые вдыханием закиси. Алкоголь действует на клетки головного мозга так же опосредованно и через окись азота.

    За разработку проблемы окиси азота в биологии и медицине ряд ученых удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине 1998 года. Точная формулировка звучит так: «Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена за открытие роли оксида азота как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе». Нобелевскими лауреатами стали американские ученые Роберт Форшготт, Ферид Мьюрэд и Луис Игнарро.

    А началось все с открытия, результаты которого были опубликованы Робертом Форшготтом в 1955 году. Ученый, проводя физиологические эксперименты с кровеносными сосудами, обнаружил расслабляющее действие света на аорту кролика. Это загадочное поведение аорты в ответ на действие света стало в дальнейшем для него и других исследователей объектом пристального внимания. Можно считать, что оно явилось своеобразной точкой отсчета нового раздела биологической науки.

    Следующий шаг был сделан в нашей стране человеком, который совершил открытие, ставшее вехой в понимании роли окиси азота в биологии и медицине. Это — профессор, доктор биологических наук Анатолий Федорович Ванин, заведующий лабораторией Института химической физики Российской академии наук.

    В 1965 году журнал «Биофизика» опубликовал его небольшую, но, как позже оказалось, чрезвычайно важную статью под названием «Свободные радикалы нового типа в дрожжевых клетках». В ней говорилось, что в биологических объектах обнаружены радикалы неизвестной природы, которые никто в мире еще не наблюдал. Наша страна тогда была «впереди планеты всей» по части создания аппаратуры для обнаружения радикалов, основанной на явлении электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Приборы и средства обнаружения радикалов, работающие на его основе, называются радиоспектрометрами. Именно этими приборами и была оснащена лаборатория, где работал Анатолий Федорович, который сегодня считается одним из признанных авторитетов в области ЭПР-спектроскопии.

    Явление ЭПР в 1944 году открыл профессор Казанского университета Е. К. Завойский. Суть этого явления связана со способностью радикалов, находящихся в магнитном поле, избирательно поглощать энергию радиоволн.

    Неизвестная радикальная субстанция сначала была обнаружена в культурах дрожжей, а затем и в клетках животного происхождения. Стало понятным, что открыто новое вещество, которое присутствует во всех живых клетках.

    Работы Форшготта и Ванина застолбили новое научное направление. Сейчас ученым понятно, что открытые Анатолием Федоровичем неизвестные радикалы не что иное, как молекулы окиси азота. Но в то время предстояло еще выполнить немало сложнейших исследований, чтобы узнать, какие именно радикалы подают необычный ЭПР-сигнал. Одно было ясно уже тогда: науке эти радикалы неизвестны. Годы напряженного труда позволили Ванину сделать второе открытие. Он доказал, что сигналы подает окись азота, причем не одна, а в комплексе с ионами железа и белками, содержащими сульфгидрильные группы. Теперь их называют «динитрозильные комплексы».

    Какова роль комплекса окиси азота и белка в живой клетке? На этом вопросе и сконцентрировалось внимание Ванина и других исследователей, подключившихся к изучению проблемы.

    Между тем Р. Форшготт продолжал изучать природу открытого им явления. В 1961 году он опубликовал обзорную статью, в которой еще раз осветил вопрос о расслабляющем действии видимого света на кровеносные сосуды. Результатом исследований, продолжавшихся четверть века, явилось открытие Форшготтом в 1980 году неизвестного физиологически активного вещества — эндотелиального фактора расслабления сосудов (EDRF).

    Форшготт обнаружил, что ацетилхолин, являющийся одним из медиаторов нервной системы, обычно вызывал сжатие кровеносных сосудов, но в некоторых опытах он их почему-то расслаблял. Анализируя эти эксперименты, Форшготт обратил внимание, что расслабляющее действие ацетилхолина на сосуды наблюдалось только в тех случаях, когда они были плохо очищены от эндотелиальных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность сосудов. Форшготт догадался, что именно присутствие эндотелия меняло физиологический эффект ацетилхолина на противоположный. После проведения серии остроумных опытов сомнений не оставалось: сделано открытие. Так и был обнаружен эндотелиальный фактор расслабления сосудов (EDRF). Это научное достижение приобрело широкий общественный резонанс и взбудоражило весь ученый мир. Большинство ученых сразу поняли, насколько оно важно для физиологии, патофизиологии и практической медицины.

    В 1991 году Форшготт публикует целую серию статей, в которых он обосновывает утверждение, что EDRF — это не что иное, как молекула окиси азота. То есть, под действием ацетилхолина происходит выброс окиси азота из эндотелия кровеносных сосудов, которая затем поступает в слой мышечных клеток. И именно молекула окиси азота оказывает расслабляющее действие на стенки сосудов. А что же происходит под действием света? Почему он тоже вызывает сосудистую релаксацию? Видимо, под действием светового излучения высвобождается та же самая окись азота, которая (как показал Ванин) существует в виде динитрозильного комплекса с белками.

    Как ученый-физиолог, Форшготт в своих научных исследованиях шел от явлений (физиологии) к их механизмам. Это путь от сложного к простому. Для Ванина, как биофизика и биохимика, путь от простого к сложному, от факта к его роли и значению был более естественным. Ванин и начал с того, что открыл существование радикальной субстанции в живых объектах и стал изучать, что это за молекула и какие функции она выполняет.

    Форшготт первым в мире описал явление, обусловленное действием окиси азота, — релаксацию кровеносных сосудов. Ванин открыл наличие неизвестной субстанции в живой материи. В своих дальнейших исследованиях они шли навстречу друг другу, быстро сближаясь. Ими как бы были поставлены две вехи, между которыми пролегла невидимая связующая нить.

    Результаты исследований не заставили себя ждать. Уже вскоре обозначена еще одна важная веха. Ее поставил американский ученый Ферид Мьюрэд, после того как в середине 70-х годов он сделал важное открытие, касающееся гуанилатциклазы. Гуанилатциклаза — один из ключевых ферментов, управляющих жизнью клетки. Мьюрэд показал, что гуанилатциклаза активируется при действии нитро- и нитрозосоединений. Мьюрэд высказывает идею, что действующим активным началом этих соединений являются не они сами, а окись азота, выделяемая из них, и экспериментально ее подтверждает.

    Читайте так же  Занятие с подростками «победить неуверенность в себе»

    В это же время Ванин изучает биологическое действие динитрозильных комплексов железа и показывает, что они обладают мощным гипотензивным действием — расслабляют кровеносные сосуды.

    Ванин также предложил метод обнаружения окиси азота в органах и тканях, получивший широкое распространение. Следующий шаг его в научном поиске не менее важен. Он первым приходит к убеждению и обосновывает, что EDRF имеет прямое отношение к окиси азота. Когда авторы открытий буквально наступают друг другу на пятки, дышат в затылок в гонке за приоритетом, обычно учитывается, чьи результаты раньше увидели свет. Ванин, получив данные, что EDRF имеет отношение к окиси азота, в 1985 году решил их опубликовать в журнале «Бюллетень экспериментальной биологии и медицины», но напечатана статья была только через три года после подачи. Тут начал расти вал публикаций на эту тему в зарубежных изданиях. Такие же данные в 1986 году получили Форшготт и Игнарро, а в 1987 году — Сальвадор Монкада. Последний убедительно показал, что в состав EDRF входит окись азота, и немедленно опубликовал свои данные в международном научном журнале «Nature» («Природа») . Все эти публикации вышли в свет раньше, чем оригинальная статья Анатолия Федоровича.

    Форшготт и Ванин, пройдя каждый свою половину пути, встретились в 1989 году во Всесоюзном кардиологическом научном центре в Москве. О чем они говорили тогда, понятно: конечно же, о научных планах, своих невероятных догадках и сомнениях. Их общение продолжилось в Лондоне на 1-й конференции по биологической роли оксида азота и в последующей переписке.

    Авторитет Ванина как основоположника нового научного направления общепризнан. Но вот парадокс: главная научная награда — Нобелевская премия обошла его стороной. Незаслуженно — это не то слово. Видимо, выбор Нобелевского комитета не всегда основывается на научной значимости работ. Величие Анатолия Федоровича в том, что он не стал оспаривать решение комитета. А мы знаем, что такие гении, как Ньютон и Лейбниц, оспаривали друг у друга научные приоритеты. И это при том, что о Ньютоне говорили как о единственном смертном, вставшем вровень с богами. Да и Лейбниц за заслуги перед человечеством также вполне может быть приравнен к ним. Так что даже боги не всегда могут поделить между собой пальму первенства.

    Но и исследователи, которым присудили Нобелевскую премию (напомним, что это Форшготт, Мьюрэд и Игнарро), — воистину великие ученые и, вне всякого сомнения, заслужили столь высокое признание. Тем не менее можно констатировать, что одно из главных действующих лиц в истории про окись азота просто вычеркнули из списков.

    Возможно, с историей открытия действия окиси азота кто-то будет и не во всем согласен — неудивительно: логика исследований и роль каждого из ведущих ученых, разрабатывавших эту тему, может видеться всем по-разному. Но вряд ли кто усомнится и будет оспаривать, что все началось с основополагающих открытий Форшготта и Ванина. Именно они были пионерами в установлении всеобъемлющей роли окиси азота в живой природе.

    Где же те весы, на которых можно было бы объективно взвесить признание заслуг ученого, чтобы справедливо воздать ему за них?

    Предельно допустимая концентрация двуокиси азота

    Все без исключения загрязняющие вещества должны соответствовать определенным нормам ПДК в воздухе. Соблюдение данных норм на производстве отслеживается специальными органами по регионам. В случае нарушения, в частности, при работе предприятий, на организации могут накладываться штрафы, а также более серьезные санкции, вплоть до закрытия.

    NO2 относится ко второму классу опасности.

    • Среднесуточной ПДК соединения является 0,4 мг/м3;
    • Максимально разовым значением – 0,085 мг/м3.

    При концентрации, присутствующей в атмосфере, двуокись азота считается потенциальным раздражителем, но даже в таком количестве она может негативно воздействовать на детский неокрепший организм. Так, дети возрастом 2-3 года могут заболевать бронхитом.

    Можно ли дышать азотом?

    При работе на производстве в случае аварийных ситуаций в организм попадают большие дозы токсического соединения, что сильно влияет на состояние здоровья:

    • происходят сбои в работе сердечно-сосудистой системы,
    • возникают проблемы с ЖКТ,
    • нарушается свертываемость крови,
    • наблюдается дисфункция дыхания,
    • развиваются легочные и бронхиальные патологии.

    Именно поэтому так важно соблюдать технику безопасности на работе, надевать защитные костюмы и следить за исправностью оборудования.

    Проведение анализа на наличие диоксида азота

    Для выявления диоксида азота в воздухе, а также определения его концентрации может использоваться несколько методов. Их эффективность зависит от конкретной ситуации, а выбор осуществляется профильными специалистами. Среди самых распространенных методов можно назвать высокоэффективную газовую хроматографию и гравиметрию.

    1. Газовая хроматография представляет собой физико-химический метод, который реализуется посредством разделения компонентов тестируемой смеси между двумя фазами, движущимися относительно друг друга. В роли подвижной фазы используется сам газ, в то время как неподвижной может быть жидкость или сорбент, находящийся в твердом состоянии.
    2. Гравиметрия – это количественный анализ, который основан на определении массы выявляемого вещества. В связи с этим при реализации метода применяется закон сохранения массы. К преимуществам гравиметрии можно отнести низкий процент погрешности, не превышающий 0,2%, а также возможность отказа от предварительной градуировки измерительных приборов. Однако такой метод более трудоемкий и затратный по времени.

    Влияние на обоняние

    Даже если концентрация диоксида азота будет невысокой, люди способны ощущать его специфический запах. Пороговым значением фиксации газа в воздухе для человека считается 0,23 мг на куб. метр. Но при вдыхании диоксида азота в течение 10 минут теряется способность ощущать его запах, что говорит о негативном воздействии на обоняние, выражающемся в его ослаблении. При этом наблюдаются неприятная сухость в горле и раздражение слизистой, которые проходят при концентрации, превышающей пороговое значение обнаружения в 15 раз. Однако на смену приходят другие, более серьезные симптомы, означающие негативное воздействие двуокиси азота на органы дыхания.

    Измерение уровня загрязнения воздуха в лаборатории «НОРТЕСТ»

    С целью принятия оперативных мер по очистке воздуха от загрязнений, в том числе связанных с диоксидом азота, может потребоваться проведение соответствующих анализов. Испытательный готов выполнить необходимые независимые исследования, гарантируя достоверные результаты и действуя в соответствии с установленными стандартами.

    Наша лаборатория оснащена необходимым оборудованием для проведения анализов разной сложности. Также наши специалисты могут выехать на объект для забора проб и их безопасной доставки в центр. В случае определения повышенной концентрации диоксида азота, мы поможем в разработке решений, направленных на очистку воздуха от вредных примесей. Для этого может использоваться несколько способов, включая окисление, а также сорбционные методики.

    Дефицит азота

    Как явление никогда не наблюдают дефицит азота. Поскольку организму в элементарной форме он не нужен, дефицита, соответственно, никогда и не возникает. В отличие от самого азота, дефицит веществ его содержащих (прежде всего белков) явление достаточно частое.

    Причины дефицита азота

    • Нерациональная диета, содержащая недостаточное количество белка или неполноценного по аминокислотному составу белка (белковое голодание);
    • Нарушение переваривания белков в желудочно-кишечном тракте;
    • Нарушение всасывания аминокислот в кишечнике;
    • Дистрофия и цирроз печени;
    • Наследственные нарушения обмена веществ;
    • Усиленное расщепление белков тканей;
    • Нарушение регуляции азотистого обмена.
    Читайте так же  Хориоретинальные сосудистые нарушения что это такое

    Последствия дефицита азота

    • Многочисленные расстройства, отражающие нарушения обмена белков, аминокислот, азотсодержащих соединений и связанных с азотом биоэлементов (дистрофия, отеки, различные иммунодефициты, апатия, гиподинамия, задержка умственного и физического развития и пр.).

    Применение азота

    Свободный азот как химически неактивный газ применяется в лабораторной практике и технике во всех случаях, когда наличие в окружающей атмосфере кислорода недопустимо или нежелательно, например при проведении биологического эксперимента в анаэробных условиях, при переливании больших количеств горючих жидкостей (для предотвращения пожаров) и так далее. Основная же масса свободного азота используется в промышленности для синтеза аммиака, цианамида кальция и азотной кислоты, которые являются исходными веществами для получения азотных удобрений, взрывчатых веществ, красок, лаков, фармацевтических препаратов и другое.

    Круговорот азота

    Азот является важнейшим биогенным элементом, необходимым для построения белков и нуклеиновых кислот. Однако азот атмосферы недоступен для животных и большей части растений. Поэтому в круговороте азота первостепенное значение имеет процесс его биологической фиксации (фиксация молекулярного азота атмосферы). Азотфиксация осуществляется азотфиксирующими микроорганизмами, например бактериями из рода Rhizobium, или клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе (см.) с бобовыми растениями (горох, люцерна, соя, люпин и другие), на корнях которых образуются клубеньки, содержащие бактерии, способные усваивать молекулярный азот. К симбиотическим азотфиксаторам относятся также некоторые актиномицеты, живущие в корневых клубеньках ольхи, лоха, облепихи и так далее. Активными азотфиксаторами являются также некоторые свободноживущие микроорганизмы, обитающие в почве, пресных и соленых водоемах. Это анаэробная спороносная бактерия клостридиум (Clostridium pasteurianum), открытая С. Н. Виноградским, аэробная бактерия — азотобактер (см. Azotobacter). Способностью усваивать молекулярный азот обладают, кроме того, микобактерии, некоторые виды сине-зеленых водорослей (Nostoc, Anabaena и др.), а также фотосинтезирующие бактерии.

    Наибольшее значение в обогащении почвы азотом имеют клубеньковые бактерии. В результате деятельности этих бактерий в почву вносится 100—250 кг/га за сезон; сине-зеленые водоросли на рисовых полях фиксируют до 200 кг/га азота в год. Свободноживущие азотфиксирующие бактерии связывают несколько десятков килограммов азота на один гектар почвы.

    С. Н. Виноградский впервые (1894) высказал предположение о том, что первоначальным продуктом процесса биологической азотфиксации является аммиак. В настоящее время это предположение полностью подтверждено. Доказано, что превращение N2 в NH3 представляет собой ферментативный процесс. Фермент, осуществляющий этот процесс (нитрогеназа), состоит из двух белковых компонентов, активен только в отсутствие кислорода, а сам процесс происходит за счет энергии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Растения, а также микроорганизмы затем превращают неорганический аммонийный азот в его органические соединения (аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты и так далее), и в таком виде он становится доступным для животных и человека, включаясь в обменные процессы, протекающие в их организмах. Органический азот животных и растений попадает в почву (с выделениями животных или продуктами их разложения) и перерабатывается обитающими там различными червями, моллюсками, нематодами, насекомыми, а также микроорганизмами. Микроорганизмы почвы — аммонификаторы (гнилостные бактерии, некоторые актиномицеты и грибы) — минерализуют в свою очередь органический азот почвы (тела животных и растений, органические удобрения, гумус) до аммония. Аммонификация — комплекс ферментативных процессов, протекающих в основном в два этапа: гидролиз белков и нуклеиновых кислот до аминокислот и азотистых оснований и последующее разложение этих соединений до аммиака. Образовавшийся аммиак нейтрализуется, реагируя с содержащимися в почве органическими и неорганическими кислотами. При этом происходит образование аммонийных солей. Аммонийные соли и аммиак в свою очередь подвергаются нитрификации под воздействием нитрифицирующих бактерий (открытых в 1890 году С. Н. Виноградским) с образованием нитратов и нитритов.

    Схема круговорота азота в природе

    Процессы нитрификации и аммонификации обеспечивают растения легко усваиваемыми соединениями азота. Аммонийные соли и нитраты усваиваются растениями и микроорганизмами, превращаясь в азотные органических соединений. Однако часть азота превращается в почве в молекулярный азот в результате процесса денитрификации, осуществляемого живущими в почве микроорганизмами — денитрификаторами (рис.). Денитрифицирующие бактерии широко распространены в природе, встречаясь в большом количестве в почве, навозе и в меньшем — в воде рек, озер и морей. Наиболее типичные денитрификаторы — подвижные, грамотрицательные палочки. К ним относятся Bacterium fluorescens, В. denitrificans, В. pyocyaneum и другое.

    Процесс денитрификации приводит к потере доступного растениям азота, однако постоянно идущий процесс азотфиксации в какой-то степени компенсирует эти потери, а в известных условиях (в частности, при богатстве почвы безазотистыми органическими веществами) и значительно обогащает почву связанным азотом.

    В целом совокупное действие процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации имеет большое биогеохимическое значение, способствуя сохранению динамического равновесия между содержанием молекулярного азота в атмосфере и связанного азота почвы, растительного и животного мира.

    Круговорот азота, таким образом, играет важнейшую роль в поддержании жизни на Земле.

    Свойства азота

    В свободном состоянии азот представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, состоящий из двухатомных молекул — N2. Вес 1 л его при t° 0° и давлении 760 мм рт. ст. равен 1,2506 г, t°кип — 195,8°, t°пл — 209,86°; плотность жидкого А. 0,808 (при t° — 195,8°), твердого — 1,026 (при t ° — 255°). В 1 мл воды при t° 0°, 20° и 38° и парциальном давлении азота, равном 760 мм, растворяется соответственно 0,0235, 0,0154 и 0,0122 мл азота.

    Растворимость азота в крови меньше; она составляет при t° 38° 0,0110 мл А. При малых парциальных давлениях азота его растворимость в крови несколько больше, чем в воде.

    В обычных условиях азот физиологически инертен, но при вдыхании воздуха, сжатого до 2—2,5 атм, наступает состояние, называемое азотным наркозом, сходное с опьянением алкоголем. Это явление может иметь место при водолазных работах (см.) на глубине нескольких десятков метров. Для предупреждения возникновения подобного состояния иногда пользуются искусственными газовыми смесями, в которых азот заменен гелием или каким-либо другим инертным газом. При резком и значительном снижении парциального давления азота растворимость его в крови и тканях настолько снижается, что часть его выделяется в виде пузырьков, что является одной из причин возникновения кессонной болезни, наблюдающейся у водолазов при быстром их подъеме на поверхность и у летчиков при больших скоростях взлета самолетов в верхние слои атмосферы (см. Декомпрессионная болезнь).

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *