Лекция 7. Lect_07_Nitrogen_II Цикл азота (окончание). Продолжение рассказа про азотфиксацию. Азотфиксирующий представитель актиномицет Frankia (симбиоз с ольхой и Casuarina). Азотфиксация в кишечнике термита. Новый учет колониальной морской цианобактерии Trichodesmium. Железо как лимитирующий элемент. Пыль из Сахары. Стехиометрия разных продуцентов и консументов. Ограничение азотом. Растения, добывающие азот из животных. Аммонификация. Нитрификация. Денитрификация. Фораминиферы – эукариоты, способные проводить денитификацию. Anammox (anaerobic ammonium oxidation) – анаэробное окисление аммония. Анаэробное окисление метана с помощью нитрата. Загрязнение атмосферы оксидами азота. Кислые дожди и неожиданное удобрение. «Снежные корни» альпийской хохлатки.

N C H N O P S

Азотфиксация Среди ныне существующих азотфиксаторов: 1.Фототрофы: цианобактерии 2. Хемотрофы: водородные бактерии (существующие за счет окисления молекулярного водорода), некоторые метанокисляющие бактерии, актиномицеты, а также ряд анаэробных бактерий, разлагающих сахара Азотфиксация связана с большими энергетическими затратами

Frankia alni (Actinomycetales) образующая симбиоз с ольхой Наросты на корнях ольхи

Frankia alni (Actinomycetales) Alnus glutinosa root hairs 14 days after infection by Frankia alni. Numerous deformations at tips are now visibles, they will trap Frankia hyphae and thus permit penetration of the root hair and subsequent nodule induction (photo P. Pujic)

Casuarina glauca – растение семейства буковых, вступает в симбиоз с азотфиксирующим актиномицетом Frankia

14 NOVEMBER 2008 VOL 322 SCIENCE

Pseudotrichonympha grassi — представитель гипермастигин (Hypermastigida), обитающих в кишечнике термита. A — под микроскопом в фазовом контрасте. B — то же при окраске люминесцентным красителем, выявляющим ядро. C — то же при использовании метода FISH (fluorescence in situ hybridization); зеленым цветом выделяются бактерии — внутриклеточные симбионты простейших, желтым — масса перерабатываемой древесины. Длина масштабной линейки 100 мкм

В каждом жгутиконосце постоянно обитают около 100 тысяч бактерий, относящихся к отряду Bacteroidales. Условное название «phylotype CfPt1-2»

См. на сайте ЭЛЕМЕНТЫ: Бактерии-симбионты, разлагающие для термитов древесину, еще и связывают для них атмосферный азот Pseudotrichonympha grassi

Разные формы колоний Trichodesmium Сфотографированное из космоса скопление Trichodesmium — Снимок NASA около Австралии

По существующим оценкам экспорт азота из поверхностных вод океана составляет 420 Тг (10 12 г) в год Приток за год: с речными водами – 80 Тг с пылью и осадками – 60 Тг из глубинных вод (апвеллинги) – 90 Тг за счет азотфиксаторов – 140 Тг В сумме – 370 Тг N в год НЕ ХВАТАЕТ 50 Тг

Планктонная сеть и видеопланкторекордер По данным видеопланкторекордера суммарная азотфиксация в океане в раз выше, чем предполагалось ранее

Coastal Zone Color Scanner (or CZCS)

Распределение пыли (г/м 2 в год), приносимой ветрами из Сахары, пустынь Аравийского полуострова и Центральной Азии. С пылью поступает железо!

Буря в северо-западной Африке. Снимок со спутника 28 февраля 2000 г. Облака пыли из района Сахары сносятся ветром на запад, в Атлантический океан. Попадающая в центральные районы океана пыль – важнейший источник биогенных элементов, прежде всего фосфора и железа, необходимых для развития фитопланктона. С сайта:

За старой шхуной Ragland остается красный след. Рас Джордж, бизнесмен, исследователь-любитель, основатель фонда «Планктос Фаундейшн», вносит в океан около Гавайских островов раствор железной руды. Он надеется так образом повысить продуктивность фитопланктона, который будет связывать больше СО 2. Фото из: Nature (2003. V P. 109)

Распределение интенсивности азотфиксации (микромоль N 2 /м 2 в год) по акватории Мирового океана. Азот связывается там, где интенсивно идет денитрификация

Растения потребляют азот из почвы или воды в основном в форме нитратного (NO 3 - ) и аммонийного (NH 4 + ) ионов. В ходе ассимиляции используется растениями для построения аминокислот, белков и нуклеиновых кислот и др.

Redfield ratio (соотношение числа атомов в веществе океанического планктона) C : N : P 106 : 16 : 1

Средние значения отношения числа атомов углерода к азоту и углерода к фосфору в веществе фитопланктона, высшей водной и наземной растительности, а также в телах водных и наземных животных-фитофагов (по: Elser J.J., et al., 2000, с добавлениями). C : NC : P Морской фитопланктон 6.6 : 1116 : 1 Водная растительность 10 : 1307 : 1 Наземная растительность 36 : 1968 : 1 Водные фитофаги 6.3 : 1124 : 1 Наземные фитофаги 6.5 : 1116 : 1

Азот из насекомых! Jacqueline T. Ngai, Diane S. Srivastava. Predators accelerate nutrient cycling in a bromeliad ecosystem // Science V № P. 963

Животные получают азот с пищей. В процессе метаболизма животных происходит диссимиляция веществ, содержащих азот Продукты выделения у водных животных: как правило аммиак и мочевина CO(NH 2 ) 2 а у наземных животных – мочевая кислота C 5 H 4 N 4 O 3

Аммонификация – перевод азота из органической формы в аммоний (NH 4 + ) или аммиак NH 3 реакцию осуществляют бактерии аммонификаторы (аэробы и анаэробы)

Аммоний (NH 4 + ) и аммиак NH 3 - потенциальные доноры электронов

Нитрификация – окисление аммония (NH 4 + ) до нитрита (NO 2 - ), а потом до нитрата (NO 3 - )

Нитрификация открыта Сергеем Николаевичем Виноградским: в 1887 (идея) в 1890 (доказательства) ( )

I фазу (NH 3 + → NO 2 - ) проводят бактерии рода Nitrosomonas, II фазу (NO 2 - → NO 3 - ) бактерии рода Nitrobacter

Денитрификация – восстановление нитрата NO 3 - до свободного молекулярного азота N 2 При этом окисляются органические вещества (углеводы, спирты, органические кислоты). Процесс энергоемкий

Денитрификация возможна только в анаэробной среде (свободный кислород – более выгодный окислитель) Пример: окисление глюкозы, сопровождающееся восстановлением нитрата 5C 6 H 12 O KNO 3 → 24KHCO N H 2 O

Схема преобразований азота в ходе денитрификации: NO 3 − → NO 2 − → NO → N 2 O → N 2

Из: Davidson et al., Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides // BioScience V.8. P Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides NO 3 − → NO 2 − → NO → N 2 O → N 2

Из: Davidson et al., Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides // BioScience V.8. P Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides

В ответ на рост содержания в воздухе СО 2 растения снижают интенсивность транспирации, но связывают при этом больше СО 2. Уменьшение транспирации приводит к тому, что из почвы откачивается меньше воды. Соответственно, возрастает увлажненность почвы, ухудшается её аэрация, возникают участки, где кислород практически отсутствует (состояние аноксии). В отсутствии кислорода в почве развиваются бактерии, которые при получении необходимой им энергии в качестве окислителя используют азот. Начинается процесс денитрификации, в ходе которого азот последовательно восстанавливается. На одном этапе этого процесса в воздух выделяется закись азота (N 2 O). С другой стороны, в условиях обилия СО 2 растения растут быстрее, в частности, увеличивают массу корней. При этом корнями в почву выделяется большое количество лабильного органического вещества, которое охотно используется бактериями. В местах, где нет кислорода, преимущество получают бактерии метаногены. Конечный продукт их метаболизма, выбрасываемый во внешнюю среду, это метан. Закись азота и метан – газы, обладающие сильным парниковым эффектом. Из: Alexander Knohl and Edzo Veldkamp // Nature 2011 V P Возрастание содержания СО 2 ведет к эмиссии N 2 O и CH 4

Денитрификация стала возможной только после появления в достаточном количестве нитритов, а их образование требовало наличия в среде свободного кислорода. Т.е. всё это могло происходить не ранее, чем 2.4 млрд лет тому назад

Способность к денитрификации возникала в эволюции не один раз: она свойственна представителям разных неродственных групп бактерий, оказавшихся в среде, где нет свободного кислорода, но есть нитраты

«Нитратное дыхание» фораминифер предполагалось ещё в 1991 г., но было обнаружено только в 2006 Risgaard-Petersen N., Langezaal A., Ingvardsen S. et al., Evidence for complete denitrification in a benthic foraminifer // Nature V P

Распределение фораминифер (a) и нитрата (b) по глубине в верхних 5 см донного осадка Распределение кислорода (светлые кружки) и численности фораминиферы Globobulimina (заштрихованная гистограмма) (a), нитритов и нитратов, находящихся в воде (черные точки) и в клетках живых организмов (серая гистограмма) (b). (Risgaard-Petersen et al., 2006 // Nature. V P )

Фораминиферы Globobulimina pseudospinescens (a), Nonionella cf. stella (b) и Stainforthia (c). Масштабная линейка слева – 100 мкм. Нижняя панель: d – часть клетки Globobulimina; пищевые вакуоли (FV), митохондрии (Mi) и пероксисомы (показаны стрелками); e – при большем увеличении видны митохондрии (Mi); и аппарат Гольджи (G); f – группа митохондрий

Anammox anaerobic ammonium oxidation Нитрит и аммоний непосредственно конвертируются в газообразный N 2. Процесс дает по-видимому до 50% N 2, образующегося в океане NH NO 2 - → N 2 + 2H 2 O

Kuypers M.M, Sliekers A.O., Lavik G. et al., Anaerobic ammonium oxidation by anammox bacteria in the Black Sea // Nature. V P

b, Morphology of the anammox cell and proposed model for the anammox process. HH, hydrazine (N2H4) hydrolase; HZO, hydrazine oxidizing enzyme; NR, nitrite reducing enzyme. c, Fluorescence in situ hybridization of filter material from station 7617 (142 m water depth). Green cells are total Eubacteria stained with EUB338 probe; red cells (encircled) are anammox bacteria stained with a new specific probe

Анаэробное окисление метана с помощью нитрата (процесс открыт в 2006 г.) 5CH 4 + 8NO 3 – + 8H + → → 5CO 2 + 4N 2 + 4H 2 O Ashna A. Raghoebarsing, Arjan Pol, Katinka T. van de Pas-Schoonen et al. A microbial consortium couples anaerobic methane oxidation to denitrification // Nature V P

Метан (CH 4 ), образующийся на дне (1), частично окисляется анаэробно (2), взаимодействуя с нитритами (NO 2 – ) и нитратами (NO 3 – ). Часть метана проходит выше и окисляется аэробно (3). В левой части рисунка показано образование нитритов и нитратов (4) и обычная денитрификация (5). Из статьи Thauer, Shima, Nature. V P

На рисунке из статьи Raghoebarsing et al, 2006, видно, как в культуре в течение суток содержание метана уменьшается, а молекулярного азота возрастет (верхняя пaнель), а также как расходуются при этом нитрат и нитрит (нижняя панель). Концентрации веществ – в микромолях (за исключением нитрата – в миллимолях).

Превращения азота при сжигании ископаемого топлива в воздухе

Загрязнение атмосферы оксидами азота ведёт к повышению продуктивности лесов (Magnani et al., Nature V P )

Высокогорные растения могут добывать азот из снега с помощью специальных «снежных корней» Vladimir G. Onipchenko et al., New nitrogen uptake strategy: specialized snow roots // Ecology Letters. Published Online: Jun

Хохлатка Corydalis conorhiza. «Ковер» между растениями – высохшие «снежные корни»

Хохлатка Corydalis conorhiza См. также: «Высокогорные растения могут добывать азот из снега с помощью специальных «снежных корней»». «Элементы» Новости науки