Сравнительная ценность ионов аммония и нитрита как источников азота для растений была объектом многих исследований. Казалось бы, ион аммония явно предпочтительнее: валентность азота в нем равна –3, т. е. та же, что у азота в аминокислотах; валентность же нитратного азота равна +5. Значит, для того чтобы использовать азот из нитратного иона, растение должно затратить энергию на восстановление пятивалентного азота до трехвалентного. На деле все обстоит сложнее: то, какая форма азота предпочтительнее, зависит. Как оказалось, совсем от других факторов. Так как ион аммония заряжен положительно, почти сразу же после его образования в почве он захватывается частицами ила, на которых и остается вплоть до окисления. Отрицательный ион нитрата, напротив, свободно движется в почве, а значит, легче попадает в зону корней.

Почвенные азотофиксирующие организмы оставались малоизученными вплоть до конца XIX века. Ученые даже опасались, денитрифицирующие бактерии, как раз в то время открытые, постепенно исчерпают запас фиксированного азота в почве и снизят плодородие. В своей речи перед Королевским обществом в Лондоне сэр У. Крукс набросал мрачную картину голода, который ожидает человечество в недалеком будущем, если не появится искусственные способы фиксации азота. В то время главным источником селитры и для производства удобрений, и для выработки взрывчатых веществ были залежи в Чили. Именно потребность во взрывчатых веществах стала главным стимулом для химиков. В 1914 году немецкие химики Ф. Габер и К. Бош предложили католический способ промышленной фиксации азота.

После того как круговорот азота был в общих чертах изучен, стала понятна роль бактерий-денитрификаторов. Без таких бактерий, возвращающих азот в атмосферу, большая часть атмосферного азота находилась бы сейчас в связанной форме в океане и в осадочных породах. В настоящее время в атмосфере, разумеется, недостаточно кислорода для перевода всего свободного азота в нитраты. Но вполне вероятно, что односторонний процесс в отсутствие денитрификаторов привел к подкислению воды в океане нитратами. Началось бы выделение двуокиси углерода из карбонатных горных парод. Растения постоянно извлекали бы двуокись углерода из воздуха, углерод с течением времени откладывался бы в форме каменного угля или других углеводородов, а свободный кислород насыщал бы атмосферу и соединялся с азотом. Из-за многообразия и сложности всех этих процессов трудно сказать, как выглядел бы мир реакции денитрификации, но наверняка это был бы непривычный для нас мир.

Процесс биологической фиксации азота известен далеко не во всех деталях. Хотелось бы знать, каким образом активирующий фермент, используемый азотофиксирующими бактериями. Может при обычной температуре и нормальном давлении выполнять то, что происходит в химическом реакторе при сотнях градусов и атмосфер. Во всем мире наберется не более нескольких килограммов этого удивительного фермента.

Азотфиксирующие организмы делятся на две большие группы: живущие самостоятельно и живущие в симбиозе с высшими растениями. Граница между этими группами не так резка, как думали раньше. Ведь степень взаимозависимости растений и микроорганизмов может быть различной. Симбиотические микроорганизмы непосредственно зависят от растения как источника энергии, а возможно и некоторых питательных веществ. Свободноживущие азотфиксаторы получают энергию от растения косвенным путем, а некоторые из них используют непосредственно световую энергию.

Видимо, главными поставщиками фиксированного азота на почвах, занятых злаками, и в других экосистемах, где нет растений с азотфиксирующими симбионтами, служат различные бактерии. В подходящих условиях сине-зеленые водоросли могут быть важным источником фиксированного азота. Их вклад в фиксацию азота особенно заметем на рисовых полях и в других местах, где условия благоприятствуют их развитию.

Но для Земли в целом естественным важнейшим источником фиксированного азота служат, видимо. Бобовые растения. Они важнее других азотфиксирующих растений с хозяйственной точки зрения и потому лучше изучены.

Говоря о мировой продовольственной проблеме, обычно подчеркивают необходимость расширения посевов бобовых культур. Ведь они не только обогащают почву азотом, но и сами по себе являются ценным пищевым продуктом, содержащим все необходимые аминокислоты. Однако широкое выращивание бобовых на больших площадях наталкивается на некоторые препятствие. Главное из них - традиция и вкусы. Во многих странах. Где бобовые никогда не употреблялись в пищу, введение из в качестве основной пищевой культуры, естественно, сопряжено с большими трудностями.

Рассмотрев основные реакции круговорота азота, мы можем теперь взглянуть на весь этот процесс в целом и попытаться понять его связи с другими процессами в природе. Морская вода имеет слегка щелочную реакцию, она может медленно отдавать в воздух аммиак, но количественно оценить этот приток аммиака почти невозможно, Суша служит в основном окислов азота. С дождями вносится в год около 25 млн. т фиксированного азота. Считается, что 70% этого количества фиксировано и циркулирует в биосфере уже довольно давно и лишь 305 фиксировано недавно под действием разрядов атмосферного электричества и в результате других атмосферных явлений.

В систему постоянно поступает новый азот в результате выветривания изверженных пород земной коры. Потеря азота уравновешивается поступлением в атмосферу так называемого «ювенильного азота» из вулканов. Этим путем в круговорот ежегодно возвращается 2…3 млн. т фиксированного азота.

Если в конце XIX века ученые опасались, как бы бактерии-денитрификаторы не обеднили почву, то сегодня, напротив, озабочены отставанием денитрификации от фиксации азота. Ведь большое количество фиксированного азота вносится в биосферу как следствие его промышленной фиксации и усиленного выращивания бобовых. Возникла необходимость больше узнать о денитрификации – узнать точно, где и в каких условиях она происходит.

Известно прежде всего, что в норме денитрификация почти не идет в аэробных условиях. Если доступен свободный кислород, то для организма энергетически выгоднее окислять с его помощью органические соединения, чем использовать кислород, связанный в нитратах. Однако в биосфере должны быть и обширные области с анаэробными условиями, благоприятствующими денитрификации. Такие условия складываются всюду, где поступление органических веществ превосходит поступление кислорода, необходимого для их разложения. Типичные примеры областей, где процесс денитрификации идет вблизи от поверхности – арктическая тундра, болота и другие сходные местообитания с ограниченным поступлением кислорода.

Что касается круговорота азота в океане в океане, то о нем известно еще. Мы знаем, что некоторые морские организмы фиксируют азот, но количественных данных у нас почти нет. Считается, что за год реки выносят в океан около 10 млн. т в форме нитратов и раза в два больше в форме органических веществ. Поскольку в осадочные породы уходит мало азота, можно считать, что океан до вмешательства человека в круговорот азота успевал денитрифицировать все это количество.

Так как мы недостаточно осмотрительно обращаемся с азотными удобрениями и азотсодержащими отбросами, реки и озера могут перенасытиться азотом, попадающим в них с водой. В таких водоемах и подземных водах концентрация азота может настолько повыситься, что вода станет вообще не пригодной для питья. Кое-где это уже произошло. Не исключено, что удастся использовать процессы микробной денитрификации для уменьшения количества связанного азота, но потребуется еще много усилий на то, чтобы разработать методы практического применения денитрификаторов.

Деятельность, направленная, на то, чтобы прокормить растущее народонаселение, должна быть уравновешена, поисками путей к сохранению равновесия в круговороте азота. )