Нитраты и нитриты

Широко распространены в окружающей среде, главным образом в почве и воде.

Соли азотной кислоты, нитраты, являются элементом питания растений и естественным компонентом пищевых продуктов растительного происхождения. Их высокая концентрация в почве абсолютно не токсична для растений, напротив, она способствует усиленному росту надземной части растений, более активному протеканию процесса фотосинтеза, лучшему формированию репродуктивных органов и в конечном итоге – более высокому урожаю. Например, если в период вегетации в растениях салата и шпината нитратов будет меньше 2000 мг/кг, то высокого урожая не жди: листья будут мелкие, грубые, непригодные для реализации. Во время массового образования кочанов и черешков листьев капусты нитратов должно быть 2000–3000 мг/кг.

Поскольку в органические соединения растений включается только аммонийный азот, нитрат-анионы, поглощенные растением, должны восстановиться в клетках до аммиака. Образованием аммиака завершается и распад органических веществ – аминокислот, амидов, белков. По образному выражению академика Д.Н.Прянишникова, аммиак «есть альфа и омега в обмене азотистых веществ у растений».

Нитраты, поступившие в растения, восстанавливаются по схеме

Растения ассимилируют нитраты с помощью корневой системы двумя путями:

- восстановлением нитратов в нитриты с помощью нитрат - редуктазы НАДФ•Н;

- восстановлением нитратов в аммиак с помощью нитрит – редуктазы.

Первый этап восстановления нитрата протекает в соответствии с уравнением

где NAД(Р)H – никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный, NAД(Р)⁺никотинамидадениндинуклеотидфосфат окисленный.

Нитратредуктаза – фермент класса оксидоредуктаз, синтезируемый в клетках в ответ на поступление NO₃^–; им особенно богаты молодые листья и кончики корней.

Образующиеся нитриты не накапливаются, а быстро восстанавливаются до NH₄⁺ с помощью фермента нитритредуктазы

где ФД – ферредоксин – железосодержащий белок, выполняющий функции переносчика электронов.

Нитритредуктаза– фермент, активность которого в 5–20 раз выше, чем нитратредуктазы. Эффективность этого фермента так высока, что свободные промежуточные продукты при восстановлении NO₂^– до NН₄⁺ (гипонитрит (HNО)₂, гидроксиламин NН₂ОН) в растении не накапливаются. Нитритредуктаза может содержаться и в листьях, и в корнях.

Аммиак, поступивший в растение извне, образовавшийся при восстановлении нитратов или в процессе фиксации молекулярного азота, далее усваивается растениями с образованием различных аминокислот и амидов. Таким образом, нитраты являются естественным азотистым компонентом растительного организма.

Следует отметить, что содержание нитратов в разных частях растений неодинаково. Больше всего нитратов в тех частях растения, которые содержат большое количество тканей, служащих для проведения воды и минеральных солей к листьям и органам (ксилемные ткани). В жилках листьев, листовых черешках, стеблях нитратов больше, чем в мякоти листьев и плодах; в кожице и поверхностных слоях плодов они преобладают над внутренними слоями; в генеративных органах (органы полового размножения растений) эти вещества отсутствуют или имеются в меньших количествах, чем в вегетативных. К числу растений, склонных к накапливанию нитратов, относятся сахарная свекла (особенно листья), шпинат, морковь, кормовая свекла, салат, капуста. Парниковая зелень отличается более высоким содержанием нитратов, что объясняется интенсивным удобрением почвы и недостаточным освещением.

Меняется содержание нитратов в растениях и в течение суток. Это объясняется интенсивностью восстановления нитрат-ионов до аммиака. Ночью и рано утром активность ферментов, участвующих в восстановлении NО₃^–, низка, что ведет к их накоплению. С повышением температуры и интенсивности освещения активность этих ферментов, в первую очередь нитратредуктазы, возрастает, что ведет к снижению содержания нитратов. В связи с этим сбор овощей лучше вести днем, когда содержание NО₃^– уменьшается на 30–40% по сравнению с утренними часами.

Уменьшается количество нитратов и при хранении овощей и фруктов. Например, во время зимнего хранения содержание нитратов в картофеле снижается на 20%. В первый период хранения происходит послеуборочное дозревание, и нитрат-анионы, восстановившись до аммиака, включаются в состав органического вещества. Во второй период хранения, когда клубень выходит из состояния покоя и начинает прорастать, нитраты расходуются на построение новых органов (листья, корни).

В то же время у животных и человека высокие дозы нитратов могут вызвать отравление и даже привести к смерти. Токсическое действие нитратов связано с восстановлением их до нитритов, аммиака, гидроксиламина под влиянием микрофлоры пищеварительного тракта и тканевых ферментов. Если в организм человека поступают высокие дозы нитратов, через 4–6 ч появляются тошнота, одышка, посинение кожных покровов, диарея. Одновременно ощущается общая слабость, головокружение, боли в затылке и сердцебиение.

Первой медицинской помощью при этом является обильное промывание желудка, прием активированного угля и солевых слабительных. Употребление в течение долгого времени пищи и воды с высоким содержанием нитратов вызывает также аллергию, нарушение деятельности щитовидной железы, приводит к возникновению многочисленных болезней в результате нарушения обмена веществ, опорно-двигательного аппарата и нервной системы.

Чем же обусловлено такое токсическое действие на организм нитратов? Дело в том, что нитраты, превратившись в желудочно-кишечном тракте в нитриты, попадают в кровь и окисляют двухвалентное железо гемоглобина в трехвалентное. При этом образуется метгемоглобин, не способный переносить кислород к тканям и органам, в результате чего может наблюдаться удушье.

Выявлены два способа окисления гемоглобина HbFe²⁺. При прямом окислении роль окислителя играют нитрит-анионы

3HbFe²⁺ + 2NO₂^– + 14H⁺ = 3HbFe³⁺ + 2NH₃ + 4H₂O.