Селитрообразование

селитряное брожение или нитрификация — в природе совершается в широких размерах и имеет весьма важное значение как потому, что селитра представляет наиболее пригодный источник азотистой пищи для растений, так и потому, что огромная масса этого вещества, утилизируемая в технике, имеет своим источником все тот же естественный процесс. Искусственных способов получения селитры, хорошо разработанных, еще неизвестно; существующие способы, еще в недавнее время практиковавшиеся в Европе в широких размерах, представляют простое подражание условиям образования этого вещества в природе. Селитра образуется в природе двумя путями: 1) окислением аммиака, 2) непосредственным соединением кислорода и азота воздуха. В обоих случаях образующаяся азотная кислота тотчас вступает в соединение с основаниями — известью, аммиаком, чем существенно облегчается дальнейшее образование ее; в противном случае, накопление свободной азотной кислоты послужило бы препятствием к образованию новых количеств ее. Присутствие свободных оснований — углекислых щелочей и в особенности щелочных земель составляет поэтому необходимое условие С. Из происшедших азотно-кислых солей извести, магния, аммиака, путем обменного разложения с растворимыми солями калия и натрия, образуются затем калийная, или обыкновенная, селитра KNO₃ и кубическая, или чилийская, селитра NaNO₃. Из указанных двух способов С., наибольшее значение имеет несомненно первый, т. е. окисление аммиака, так как он пользуется более широким распространением, дает наибольшие количества этого вещества и играет весьма важную роль в общем круговороте азотистых веществ в природе.

1) Образование селитры путем окисления аммиака, или селитряное брожение. Аммиак NH₃ легко горит в чистом кислороде, но в обыкновенном воздухе он не окисляется. Если же пропускать смесь аммиака и воздуха через нагретую (ок. 800°) губчатую платину, то происходит образование азотной кислоты (и воды), которая с избытком аммиака дает азотно-аммиачную соль.

Этот простой химический опыт, который легко может быть воспроизведен каждым, приводил ученых к мысли, что аналогичный процесс может происходить и в почве, так как, с одной стороны, в ней постоянно образуется аммиак, путем разложения сложных азотистых соединений, а с другой стороны, почва представляет пористое тело, способное, как думали, заменить губчатую платину.

Однако, подтвердить это предположение прямыми опытами никому не удавалось с достаточной убедитедьностью. Механизм окисления аммиака в естественных условиях природы ускользал от объяснения, несмотря на то, что на первых порах он казался очень простым. Либих старался помочь делу, принимая, что окисление аммиака в почве происходит под влиянием тления органических веществ, причем тлеющее, т. е. соединяющееся с кислородом, органическое вещество, наподобие фермента, передает свой молекулярный процесс аммиаку и вызывает его окисление. Такое толкование представляло уже значительный шаг вперед, так как исключало окисление аммиака из ряда простых химических процессов и сближало его с тем сложным биологическим явлением, которое известно под именем брожения. Дальнейшая история вопроса показала, что Либих был близок к истине; но только после работ Пастера, разъяснивших процесс брожения и указавших ту огромную роль, которая принадлежит микробам в химических превращениях, совершающихся в природе, явилась возможность обяснить и окисление аммиака в почве. Пастер еще в 1862 г. высказал мысль, что явления нитрификации следовало бы подвергнуть новому изучению, с точки зрения новых, развитых им идей; выполнение этой задачи взяли на себя французские ученые, Шлезинг и Мюнц, напечатавшие в 1877 г. небольшую статью, произведшую, однако, настоящий переворот в вопросе о С. Названные авторы наполнили стеклянную трубку, длиною в 1 метр, прокаленным кварцевым песком, смешанным с углекислой известью, и, поместив ее вертикально, фильтровали сквозь нее сточную (содержавшую аммиак) воду. Оказалось, что в течение первых 20 дней аммиак проходил через этот длинный слой песка, не окисляясь; по истечении же этого срока в фильтрате появилась азотная кислота, затем количество ее постепенно увеличивалось и под конец весь аммиак, после фильтрации, оказывался превращенным в азотную кислоту. Азотная кислота должна была бы появиться уже в первых порциях фильтрата, если бы окисление аммиака было следствием пористого строения почвы; между тем, с микробиологической точки зрения, указанной Пастером, запаздывание реакции предусматривалось заранее, так как песок перед опытом был прокален, и нужно было время для того, чтобы из внесенных вместе со сточной водой зародышей успело развиться достаточное количество живых агентов окисления. Дальнейшие наблюдения доставили еще более важные указания. Оказалось, что нитрификация аммиака останавливается ниже 5° и выше 55°, всего же лучше происходит при 37°; нначе говоря, обнаруживает такую же зависимость от температуры, какая вообще наблюдается лишь в явлениях, связанных с жизнью. Увеличение влажности почвы, до тех пор пока это не препятствует свободному проветриванию ее, усиливает энергию процесса. Но особенно замечательным представляется то обстоятельство, что окисление аммиака прекращается под влиянием паров хлороформа и снова возобновляется с удалением этого анестезирующего вещества. Все эти наблюдения с несомненностью указывали на то, что нитрификация аммиака в почве не физический, а биологический процесс, тесно связанный с жизнедеятельностью микроорганизмов, населяющих почву. Выделить из почвы эти организмы Шлезингу и Мюнцу не удалось; достиг этого в 1890 г. известный русский бактериолог — Виноградский.

Микробы селитряного брожения. Окисление аммиака происходит не сразу, а, как это было замечено еще Шлезингом и Мюнцем, в две последовательные фазы: сначала образуется азотистая кислота: 2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2Н₂О, а затем уже азотистая кислота окисляется в азотную HNO₃. Образование азотистой кислоты, которая, как известно, с аммиачными солями выделяет азот в свободном состоянии, объясняет и тот факт, что нитрификация всегда сопровождается потерей азота. Первая фаза окисления совершается под влиянием бактерии, которую Виноградский назвал Nitrosomonas, нитритная бактерия; вторая — под влиянием Nitrobacter, нитратной бактерии. Нитритная бактерия представляет несколько различных форм: 1) Nitrosomonas europaea, населяющая почвы Европы. Развивается или в форме подвижных овальных клеток длиной 1,2—1,8 µ (µ = 0,001 mm), шир. 0,9—1,0 µ, снабженных коротеньким, спирально-завитым жгутиком; или же образует слизистые комки (зооглеи) на дне сосуда, покрывающие осадок углекислой извести. 2) N. javanica, найденная на о-ве Яве. Шаровидная бактерия, диам. 0,5 — 0,6 µ, с очень длинным (до 30 µ) жгутиком; образует очень плотные зооглеи; 3) N. africana и 4) N. japonica. Оба последние вида близки к европейскому, но отличаются от него меньшими размерами; 5) Nitrosococeus brasiliensis — нитратная бактерия Нового Света; резко отличается от предыдущих своими крупными размерами (до 2 µ в диам.), отсутствием жгутиков и неспособностью образовать зооглеи. Нитратная бактерия Nitrobacter принадлежит к мельчайшим из доныне известных бактерий. Она имеет всего 0,5 µ в длину и 0,15—0,25 µ в ширину. В морфологическом отношении она еще очень мало изучена. Характерную особенность всех этих организмов составляет то обстоятельство, что они способны питаться углекислотой воздуха, подобно зеленым растениям, хотя и не содержат зеленого пигмента (хлорофилла); для разложения углекислоты они пользуются той химической энергией, которая освобождается при окислении аммиака. Благодаря этому селитряные бактерии могут расти и окислять аммиак в таких средах, которые вовсе не содержат органических веществ. Так, для нитритного микроба наиболее подходящим оказывается следующий питательный раствор:

--------------------------------------------------------------

| Сернокислого аммиака    | 2,0 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Фосфорнокислого калия  | 1,0 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Сернокислого магния       | 0,5 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Сернокислого железа      | 0,4 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Углекислого магния         | в избытке   |

|------------------------------------------------------------|

| Хлористого натрия          | 2,0 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Воды дистиллированной  | 1000 г        |

|------------------------------------------------------------|

| Для нитратного микроба:                     |

|------------------------------------------------------------|

| Азотистокислого калия    | 1,0 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Фосфорнокислого калия  | 0,5 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Сернокислого магния       | 0,3 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Углекислого натрия         | 0,5 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Хлористого натрия          | 0,5 г           |

|------------------------------------------------------------|

| Воды дистиллированной  | 1000 г        |

--------------------------------------------------------------

К этому раствору минеральных солей можно прибавить 1,5% агара и выращивать нитратный микроб на твердом субстрате. Сложные углеродистые соединения оказываются ненужными. По новейшим данным Виноградского, даже такие вещества, как глюкоза и пептон, представляющие превосходную пищу для других бактерий, для микробов селитряного брожения не только не нужны, но даже вредны. В очень слабых концентрациях селитряные бактерии еще переносят их присутствие, но уже 0,5% глюкозы и 0,8% пептона задерживают развитие нитратного микроба, а более высота концентрации действуют даже дезинфицирующим образом. Такое своеобразное отношение к питательным органическим веществам составляет, очевидно, специфическую особенность этих организмов и не может быть объяснено даже привычкой к жизни в минеральной среде, так как известно, что даже типичные зеленые растения, искони привыкшие питаться углекислотой воздуха, отлично могут усваивать и готовые углеродистые соединения. Указанное выше разделение функций между двумя группами селитряных бактерий, как оказывается, проведено чрезвычайно резко: нитритные микробы, окисляющие аммиак, абсолютно лишены способности окислять азотистую кислоту, и наоборот — нитратный микроб совершенно не способен окислять аммиак, на него это вещество действует даже чрезвычайно ядовито. По наблюдениям Виноградского, уже доза 5:1000000 замедляет, а 15:1000000 — совершенно останавливает развитие нитратного бацилла. На более сложные азотистые соединения — мочевину, аминокислоты, амины, белковые вещества и проч., селитряные бактерии вовсе не действуют. Все подобные вещества оказывают на них даже вредное влияние.

Фиг. 1. Nitrosomonas europaea. Нитритный микроб из почвы Казанской губ. Чистая культура в искусственном субстрате.

Фиг. 2. Тот же нитритный микроб из почвы г. Цюриха. Видны коротенькие изогнутые реснички (жгутики), свойственные этому виду микроба.

Фиг. 3. Nitrosoinonas javanica. Нитритный микроб с о. Явы. Видны характерные для этого вида очень длинные спирально-завитые реснички.

Фиг. 4. Нитратная бактерия (Nitrobacter): чистая культура в искусственном субстрате.

Работа селитряных бактерий в почве. Селитряные бактерии вообще очень широко распространены в почвах, в особенности в поверхностных слоях их, где имеется достаточное количество кислорода для окислительной деятельности. Так как, однако, для успешного развития их необходимо еще присутствие углесолей, которые нейтрализовали бы образующуюся азотную кислоту, то понятно, что в кислых, напр. луговых, торфяниковых и лесных почвах эти бактерии не встречаются. Здесь для облегчения С. необходимо удобрение углекислой известью. C другой стороны, богатые перегноем почвы также не представляют удобной среды для развития селитряных бактерий, так как органические вещества задерживают рост бактерий. Внесение в почву свежего органического удобрения также задерживает С. До тех пор, пока в почве много растворимых углеродистых соединений, селитряные бактерии остаются бездеятельными; в это время развиваются другие — гнилостные бактерии, которые постепенно разрушают (минерализуют) органические вещества, превращая их в углекислоту, воду, аммиак и проч. Только после того, как эта работа будет закончена, наступает благоприятный момент для развития селитряных бактерий, и прежде всего нитритных, так как на нитратный микроб присутствие даже ничтожных количеств аммиака оказывает вредное действие. Нитритный микроб окислит аммиак в азотистую кислоту и этим подготавливает среду для размножения нитратного микроба, который и доводит окисление аммиака до конца, до образования азотной кислоты. На сложные органические соединения, содержащие азот, селитряные бактерии не способны действовать; их работа и в этом отношении связана с деятельностью гнилостных бактерий, переводящих азот органических веществ в аммиак. Таким образом, процесс превращения азота органических остатков в селитру представляет весьма сложную цепь последовательной смены поколений различных микробов: сначала гнилостные бактерии, затем нитритные и, наконец, нитратные. Весьма важное обстоятельство, усложняющее течение этого процесса, состоит далее в том, что в той же почве может происходить и обратное явление — восстановление азотной кислоты в азотистую и далее в аммиак, и даже свободный азот. В последнем случае происходит, следовательно, потеря почвой азота, которая может достигать 10%. Это явление, известное под именем денитрификации, представляет тоже результат жизнедеятельности определенных микробов. Еще в 1882 г. французские ученые, Гейон и Дюити, показали, что, если сточную воду, к которой прибавлено немного селитры, заразить гниющей мочой, азотная кислота восстанавливается, причем происходит выделение азота в свободном состоянии. Авторам удалось получить чистые культуры этих денитрифицирующих бактерий, которых они нашли 4 вида. При посеве их в бульон или вообще в среду, богатую органическим веществом, с прибавкой 10% калийной селитры, восстановление азотной кислоты шло чрезвычайно быстро: в течение одного дня в одном литре жидкости восстанавливалось до 10 г селитры. Последующие разыскания других авторов (Déhérain et Maquenne, Stutzer u. Burri, Jensen) указали еще несколько видов этих бактерий, и в настоящее время мы можем сказать, что денитрифицирующие бактерии, подобно нитрифицирующим, пользуются весьма широким распространением в природе; видовой же состав их несравненно более многочислен. Особенно часто они встречаются в навозе домашних животных. Одни из них способны восстанавливать азотную кислоту только до азотистой, другие до аммиака и дальше до свободного азота; наблюдаются и случаи ассоциированной деятельности, причем один микроб восстанавливает азотную кислоту до азотистой, а другой продолжает его работу и доводит восстановление до конца. Для всех существенно необходимым условием является присутствие органического вещества и ограниченный доступ воздуха, т. е. условия обратные тем, в которых происходит нитрификация. Отсюда понятно, что прибавка свежего органического удобрения не только не будет полезна для С., но может вызвать прямо обратный процесс — денитрификацию. То же происходит и в богатых перегноем почвах, если они дурно проветриваются; они теряют тогда азот. В общем, принимая во внимание, что в зародышах селитряных микробов недостатка никогда не бывает [Если их нет в почве, напр. торфяниковой, то они приносятся с удобрением.], можно сказать, что успешный ход С. в почве существенно обуславливается следующими обстоятельствами: 1) предварительная минерализация азота (образование аммиака) 2) присутствие свободных оснований (углесолей), 3) достаточный доступ воздуха, 4) бедность почвы органическими веществами, 5) повышенная температура (optim. 37°), 6) достаточная степень влажности, необходимая для свободного развития микробов, но не настолько значительная, чтобы препятствовать циркуляции воздуха, 7) отсутствие хлористых металлов, так как наблюдения показали, что хлористый калий или кальций оказывают вредное влияние на нитрификацию в почве. Об образовании селитры путем окисления атмосферного азота — см. Крепкая водка.

Дм. Ивановский.