Соотношение процессов, ведущих к потере азота океаном, предсказуемо

Океан теряет дефицитный азот, который из нитритов и нитратов превращается в молекулярную форму N2 и уходит в атмосферу. Происходит это за счет двух процессов. Один из них давно известен — это денитрификация, а другой, открытый совсем недавно, — анаэробное окисление аммония. О том, какова относительная роль этих процессов в глобальном масштабе, высказывались самые разные мнения, но более внимательный анализ взаимосвязи этих реакций показал, что в масштабе всего океана соотношение денитрификации и анаэробного окисления аммония равно примерно 70:30.

Хотя молекулярный азот (N2) — самый распространенный газ в атмосфере, нехватка его в верхних слоях океана нередко ограничивает первичную продукцию на огромных акваториях. Дело в том, что фитопланктону, с которого и начинаются все пищевые цепи в океане, азот нужен не в молекулярной форме, а в виде нитратов (или, по крайней мере, нитритов или аммония). Иными словами, атмосферный азот нужно сначала связать, а потом через ряд промежуточных реакций довести его до формы, пригодной для использования организмами фитопланктона. Все эти реакции в море выполняют разные группы бактерий. Азотфиксирующие бактерии (в океане это почти исключительно цианобактерии) связывают атмосферный азот и превращают его в аммонийную форму. А затем уже другие бактерии, нитрифицирующие, окисляют аммоний до нитритов, а потом и до нитратов.

Но существуют в океане и обратные процессы — превращение нитратов в молекулярный азот, который выходит в атмосферу и таким образом теряется для экосистемы. До недавнего времени считалось, что это только один процесс, называемый денитрификацией. По сути, денитрификация — это постепенное, осуществляемое через ряд промежуточных стадий, окисление органических веществ в анаэробных условиях. Если кислорода, самого эффективного окислителя, в окружающей среде нет, то в качестве окислителя (акцептора электронов) подойдет и азот нитратов. Бактерии-денитрификаторы в анаэробных условиях восстанавливают азот нитратов до молекулярного азота, который теряется для экосистемы. Денитрификация — процесс, независимо возникавший неоднократно в разных группах бактерий, причем происходило это в ходе эволюции довольно поздно — ведь сначала в окружающей среде должен был в достаточных количествах появиться кислород — без этого нитраты бы не образовались.

Помимо денитрификации существует еще один процесс превращения нитратов в молекулярный азот. Это очень простая реакция окисления аммония в анаэробных условиях, когда окислителем выступает не кислород, а азот нитрита: NH4 + NO2 → N2 + 2H2O. Сокращенно эту реакцию называют «anammox» (anaerobic ammonium oxidation). В лаборатории она была открыта уже давно, но о том, что она работает в природе, причем в значительных масштабах, не подозревали. И вот только в 2003 году в журнале Nature появилась статья, авторы которой обнаружили, что данная реакция протекает в Черном море в тех слоях водной толщи, где есть аммоний и нитрит, но где уже нет кислорода.

Вскоре после открытия реакции anammox некоторые исследователи предположили, что скорее всего более половины N2, образующегося в океане, есть результат деятельности именно этих бактерий, а не давно известных денитрификаторов. Однако Бесс Уорд (Bess Ward) из Отдела наук о Земле Принстонского университета (США) недавно подвергла это утверждение сомнению. В частности, она обратила внимание на то, что большинство бактерий-денитрификаторов получают необходимый для них углерод из окисляемого органического вещества, тогда как «anammox-бактерии» берут углерод из СО2, который всегда есть в окружающей среде.

Большинство денитрифицирующих бактерий в процессе потребления и разложения органического вещества выделяют в окружающую среду растворимые неорганические формы азота, в частности NH4 и NO2, которые могут использовать «anammox-бактерии». Реакция анаэробного окисления аммония — это очень медленный процесс. Время генерации (продолжительности поколения) проводящих эту реакцию бактерий — почти две недели.

По мнению Бесс Уорд, загадкой является то, что же служит источником NH4 и NO2 в отсутствие процесса денитрификации. Органическое вещество в океане образуется из того, что синтезирует фитопланктон, и имеет установившийся химический состав. Полное его разложение и минерализация этого вещества, вплоть до образования СО2 и N2, происходят, если процессы денитрификации и реакции anammox (анаэробного окисления аммония) находятся в соотношении 71:29. Всякое другое соотношение требует дополнительного источника азота или углерода.

Некоторые исследователи указывают, что в зонах минимального содержания кислорода, то есть там, где только и может происходить денитрификация или анаэробное окисление аммония, эти процессы не встречаются вместе, а только или денитрификация, или реакция anammox. Этому было предложено несколько объяснений, но автор обсуждаемой работы склоняется к тому, что анаэробное окисление аммония происходит почти повсюду, где есть для этого условия, но с очень низкой скоростью, а денитрификация протекает быстро (и легко выявляется), но только в некоторых местах. При усреднении данных по многим станциям получается, что потери N2 в результате денитрификации и реакции anammox соотносятся как 72:28, что очень близко к теоретически ожидаемому.

Схема соотношения итрификации (которая проходит в богатой кислородом среде, Oxic), денитрификации и реакции anammox (в бескислородной среде, Anoxic). Аммоний поступает в результате процесса аммонификации уже на грани двух сред. Необходимый для реакции нитрит (NO2–) образуется в процессе денитрификации. Схема соответствует ситуации в Черном море. Из работы Kuypers et al., 2003

Разложение органического вещества в океане, заканчивающееся образованием свободного азота N2. В самых верхних слоях показан фитопланктон. Синтезированное им взвешенное органическое вещество (Particulate organic matter) находится ниже. Отношение углерода к азоту в нем 7,5. Ниже показаны два пути образования N2. Левая ветвь — классическая денитрификация; по ходу ее образуется нитрит NO2, который далее используется бактериями anammox. Справа показана ветвь анаэробного окисления аммония. Сам аммоний в местах, где есть остатки органики, но где нет (или почти нет) кислорода, обычно не бывает в дефиците. Итоговое соотношение денитрификации и анаэробного окисления аммония (71% и 29%) предсказуемо на основе состава исходного органического вещества. Из обсуждаемой статьи в Science

 

Источник: Bess B. Ward How Nitrogen Is Lost // Science, 2013. — V. 341. — P. 352—353 / А. Гиляров, elementy.ru

 

На заставке фото с сайта www.yughotel.ru