Круговорот азота в природе. Свойства азота

Тип урока - комбинированный

Методы: частично-поисковый, про-блемного изложения, репродуктивный, объясни-тельно-иллюстративный.

Цель:

Осознание учащимися значимости всех обсуждаемых вопросов, умение строить свои отношения с природой и обществом на основе уважения к жизни, ко всему живому как уникальной и бесценной части биосферы;

Задачи:

Образовательные : показать множественность факторов, действующих на организмы в природе, относительность понятия «вредные и полезные факторы», многообразие жизни на планете Земля и варианты адаптаций живых существ ко всему спектру условий среды обитания.

Развивающие: развивать коммуникативные навыки, умения самостоятельно добывать знания и стимулировать свою познавательную активность; умения анализировать информацию, выделять главное в изучаемом материале.

Воспитательные:

Воспитывать культуру поведения в природе, качества толерантной личности, прививать интерес и любовь к живой природе, формировать устойчивое положительное отношение к каждому живому организму на Земле, формировать умение видеть прекрасное.

Личностные : познавательный интерес к экологии.. Понимание не-обходимости получения знаний о многообразии биотических связей в природных со-обществах для сохранения естественных биоценозов. Способность выбирать целевые и смысловые установки в своих действиях и поступках по отношению к живой природе. Потребность в справедливом оценивании своей работы и работы одноклассников

Познавательные : умение работать с различными источниками информации, пре-образовывать её из одной формы в другую, сравнивать и анализировать информацию, делать выводы, готовить сообщения и презентации.

Регулятивные: умение организовать самостоятельно выполнение заданий, оценивать правильность выполнения работы, рефлексию своей деятельности.

Коммуникативные : участвовать в диалоге на уроке; отвечать на вопросы учителя, товари-щей по классу, выступать перед аудиторией, используя мультимедийное оборудование или другие средства демонстрации

Планируемые результаты

Предметные: знать - понятия «среда обитания», «экология», «экологические факторы» их влияние на живые организмы, «связи живого и неживого»;. Уметь - определять понятие «биотические факторы»; характеризовать биотические факторы, приводить примеры.

Личностные: высказывать суждения, осуществлять поиск и отбор информации;анализировать связи, сопоставлять, находить ответ на проблемный вопрос

Метапредметные : связи с такими учебными дисциплинами как биология, химия, физика, география. Планировать действия с поставленной целью; находить необходимую информацию в учебнике и справочной литературе; осуществлять анализ объектов природы; делать выводы; сформулировать собственное мнение.

Форма организации учебной деятельности - индивидуальная, групповая

Методы обучения: наглядно-иллюстративный, объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый, самостоятельная работа с дополнительной литературой и учебником, с ЦОР.

Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.

Изучение нового материала

Круговорот азота

Круговорот азота - это пример саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере. Воздух, на 78% со-стоящий из азота, представляет собой крупнейший «резервуар» и одновременно вследствие своей малой химической активности - «предохранительный клапан» системы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бакте-рий и постоянно извлекается из атмосферы в результате деятель-ности азотфиксирующих бактерий и некоторых водорослей (био-химическая фиксация азота), а также действия электрических разрядов при грозе. Круговорот азота складывается из следующих процессов: фиксация, ассимиляция, нитрификация, денитрифика-ция, разложение, выщелачивание, вынос, выпадение с осадками и т. д.

Круговорот азота в биосфере носит весьма своеобразный и замедленный характер. Фиксация азота в живом веществе осуще-ствляется ограниченным количеством живых существ. Отдельные микроорганизмы, содержащиеся в почве и верхних слоях Миро-вого океана, способны расщеплять молекулярный азот (N2) и ис-пользовать его атомы для построения аминогрупп белков (-1ЧНг) и других органических соединений. Атмосферный азот поглоща-ется азотофиксирующими бактериями, некоторыми видами сине-зеленых водорослей. Они синтезируют нитраты, которые стано-вятся доступными для использования другими растениями био-сферы. Биофиксация азота осуществляется некоторыми бакте-риями в симбиозе с высшими растениями в почвах (например, клубеньковыми бактериями, живущими на корнях бобовых рас-тений). После своей гибели растения и животные возвращают азот в почву, откуда он поступает в состав новых поколений рас-тений и животных.

Определенная часть азота в виде молекул возвращается в ат-мосферу. В почвах происходит процесс нитрификации, который состоит из цепи реакций, когда при участии микроорганизмов происходит окисление иона аммония (ИН^) до нитрита (N02") или нитрита до нитрата (ИОз-). Восстановление нитритов и нит-ратов до газообразного соединения молекулярного азота (N2) или оксидов азота (ИхОу) составляют сущность процесса денитрифи-кации.

Изотопы

Природный азот состоит из двух стабильных изотопов 14 N - 99,635% и 15 N - 0,365%.

Известны радиоактивные изотопы азота с массовыми числами 11,12,13,16 и17. Все они являются очень короткоживущими изотопами. Самый стабильный из них 13 N имеет период полураспада 10 мин.

Магнитный момент ядер изотопов I N 14 =1, I N 15 =1/2.

Распространенность

Вне пределов Земли азот (его соединения и радикалы - CN", NH", NH` 2 , NH 3) обнаружен в газовых туманностях, солнечной атмосфере, на Уране, Нептуне, межзвёздном пространстве. В атмосфере Венеры зафиксировано около 2% азота, но эта цифра ещё требует подтверждения. Азот - четвёртый по распространенности элемент Солнечной системы (после водорода, гелия и кислорода). Жизнь многим обязана азоту, но и азот, по крайней мере, атмосферный, своим происхождением обязан не столько Солнцу, сколько жизненным процессам.

Большая часть азота находится в природе в свободном состоянии. Азот, в форме двухатомных молекул N 2 составляет большую часть атмосферы, где его содержание составляет 75,6% (по массе) или 78,084% (по объему), то есть около 3,87*10 15 тонн. В общем, мы обитаем в азотной атмосфере, умеренно обогащённой кислородом.

Масса растворённого в гидросфере азота, учитывая, что одновременно происходят процессы растворения азота атмосферы в воде и выделения его в атмосферу, составляет около 2*10 13 тонн, кроме того примерно 7*10 11 тонн азота содержатся в гидросфере в виде соединений.

Биологическая роль

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений. Он входит в состав белков (16-18% по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. в составе живых клеток по числу атомов азота около 2%, по массовой доле - около 2,5% (четвертое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9*10 11 тонн. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образовываться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например, «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), норвежская, индийская селитры.

Круговорот азота в природе

Азот - бесцветный газ, не имеющий запаха и малорастворимый в воде. Он немного легче воздуха: масса одного литра азота равна 1,25г. Молекулярный азот - химически малоактивное вещество. При комнатной температуре он взаимодействует лишь с литием. Малая активность азота объясняется большой прочностью его молекул, обусловливающей высокую энергию активации реакций, протекающих с участием азота.

Общее содержание азота в земной коре составляет 0,04%(масс.). Азот составляет около 79% атмосферы, но огромное количество живых существ не способны прямо использовать этот запас азота. Сначала он должен быть фиксированным специализированными организмами или человеком - в этом последнем случае фиксация осуществляется с помощью специально разработанных промышленных процессов.

Несмотря на величайшую сложность, этот круговорот осуществляется быстро и беспрепятственно. Воздух, содержащий 78% азота, одновременно служит и огромным вместилищем и предохранительным клапаном системы. Он беспрерывно и в разных формах питает круговорот азота.

Цикл азота состоит в следующем. Его главная роль заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структур организма - аминокислот белка, а также нуклеиновых кислот. В живых организмах содержится примерно 3% всего активного фонда азота. Растения потребляют примерно 1% азота; время его круговорота составляет 100 лет.

От растений-продуцентов азотосодержащие соединения переходят к консументам, от которых после отщепления аминов от органических соединений азот выделяется в виде аммиака или мочевины, а мочевина затем также превращается в аммиак (вследствие гидролиза).

Рис. 1. Трансформация и использование СО 2 в природе

В дальнейшем в процессах окисления азота аммиака (нитрификации) образуются нитраты, способные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Все эти химические превращения возможны в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Эти удивительные бактерии - фиксаторы азота - способны использовать энергию своего дыхания для прямого усвоения атмосферного азота и синтезирования протеидов. Таким путем в почву ежегодно вносится около 25 кг азота на 1 га.

Но самые эффективные бактерии живут в симбиозе с бобовыми растениями в клубеньках, развивающихся на корнях растений. В присутствии молибдена, который служит катализатором, и особой формы гемоглобина (уникальный случай у растений) эти бактерии (Rhizobium ) ассимилируют громадные количества азота. Образующийся (связанный) азот постоянно диффундирует в ризосфере (часть почвы), когда клубеньки распадаются. Но еще азот поступает в наземную часть растений. Благодаря этому бобовые исключительно богаты протеинами и очень питательны для травоядных. Годовой запас, таким образом, накапливаемый в культурах клевера и люцерны, составляет 150-140 кг/га.

Помимо бобовых такие бактерии живут на листьях растений (в тропиках) из семейства Rublaceae , а также актиномицеты - на корнях ольхи, фиксирующие азот. В водной среде - это синие водоросли.

С другой стороны, бактерии-денитрификаторы разлагают нитраты, освобождают N 2 , который улетучивается в атмосферу. Но этот процесс не очень опасен, так как разлагает примерно 20% общего азота, и то лишь на почвах, очень удобренных навозом (примерно 50-60 кг азота 1 га).

Хотя люди и наземные животные живут на дне воздушного океана, в основном состоящего из азота, именно этот элемент в наибольшей степени определяет запас пищи для обитателей этого океана. Все мы зависим от имеющихся ресурсов фиксированного азота. «Фиксированным» называют азот, включенный в такое химическое соединение, которое может быть использовано растениями и животными. В атмосфере азот не активен, но некоторые организмы всё же могут связывать его. Меньшее количество атмосферного азота фиксируется в природных процессах ионизации. Атмосфера ионизируется космическими лучами, сгорающими метеоритами, электрическими разрядами (молнии) за короткое время выделяющими большое количество энергии, необходимое для того, чтобы азот смог прореагировать с кислородом или водородом воды. Азот фиксируют даже некоторые морские организмы, но, видимо, самыми крупными поставщиками фиксированного азота в природе являются почвенные микроорганизмы и симбиотические ассоциации между такими организмами и растениями.

Фиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям - абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25000 о С и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).

Однако основная часть молекулярного азота (около 1,4*10 8 т/год) фиксируется биогенным путём. Долгое время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов (хотя и широко распространённых на поверхности Земли): бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium , цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Сейчас известно, что этой способностью обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубнях ольхи и других деревьев (всего 160 видов). Все они превращают молекулярный азот в соединения аммония (NH 4 +). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10г глюкозы). Таким образом, видна взаимная польза от симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий - первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» - глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме.

Из всех видов вмешательства человека в естественный круговорот веществ промышленная фиксация азота - самое крупное по масштабам. В прежние времена, когда не существовало массового производства искусственных удобрений, когда ещё не выращивались на больших площадях азотфиксирующие бобовые культуры, количество азота, удаляемого из атмосферы в процессе естественной фиксации, вполне уравновешивалось его возвратом в атмосферу в результате деятельности организмов превращающих органические нитраты в газообразный азот. Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессе биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и, в конце концов, попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5 - 8*10 7 т/год).

Чрезмерный вынос азотистых соединений в реки может вызвать «цветение» водорослей и в результате усиления их биологической активности вода может лишиться кислорода, что вызовет гибель рыбы и других, нуждающихся в кислороде организмов. Самый известный пример этого - быстрая эвтрофизация озера Эри.

Азот, включенный в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификции (разложению азотсодержащих сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации, то есть, выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.

Чтобы получить представление о сложно разветвлённых путях, по которым движется азот в биосфере, проследим путь атомов азота из атмосферы в клетки микроорганизмов, затем в почву - уже в качестве фиксированного азота, а из почвы - в высшие растения, откуда связанный азот может поступать в организмы животных. Растения и животные, отмирая, возвращают фиксированный азот в почву, откуда он либо поступает в новые поколения растений и животных, либо в виде элементарного азота переходит в атмосферу.

Некоторые организмы находят выгодным окислять соединения азота, тогда как другие организмы, обитающие в той же среде, выживают лишь благодаря своей способности восстанавливать эти соединения. Кроме фотосинтезирующих организмов, использующих энергию света, все живые существа получают энергию за счет химических превращений. Обычно это окисление одного соединения с одновременным восстановлением другого, хотя иногда окислятся и восстанавливаться могут разные молекулы одного и того же вещества или даже разные фрагменты одной молекулы. Круговорот азота в живой природе возможен потому, что при окислении атмосферным кислородом восстановленных неорганических соединений азота выделяется энергия в биологически эффективной форме. В анаэробных условиях окисленные соединения азота могут служить окислителями органических соединений, с выходом полезной энергии.

Специфическая роль азота в биологических процессах обусловлена необычно большим числом степеней окисления, то есть валентностей. Валентность - это свойство атома данного элемента присоединять или замещать определённое число атомов другого элемента. В организме животных и растений большая часть азота присутствует или в виде иона аммония, или в виде аминосоединений. В обеих формах азот сильно восстановлен: соединившись с тремя другими атомами, он принял от них три электрона, то есть имеет степень окисления -3. В другой сильно окислённой форме (нитрат-ион (NO 3 +5) пять внешних электронов атома азота участвуют в образовании связей с атомом кислорода, приобретая при этом степень окисления +5. Нитрат-ион - главная форма, в которой азот присутствует в почве. При переходе иона аммония или аминокислот в почвенные нитраты валентность азота должна меняться на 8 единиц, то есть атом теряет 8 электронов. При переходе нитратного азота в азот аминогруппы атом приобретает 8 электронов.

Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших количествах, если не считать натриевую селитру NaNO 3 , образующую мощные пласты на побережье Тихого океана в Чили. Почва содержит не значительные количества азота, преимущественно в виде солей азотной кислоты. Но в виде сложных органических соединений - белков - азот входит в состав всех живых организмов. Превращения, которым подвергаются белки в клетках растений и животных составляют основу всех жизненных процессов. Без белка нет жизни, а так как азот является обязательной составной частью белка, то понятно, какую важную роль играет этот элемент в живой природе.

В целом протекающие в почве реакции, в которых азот восстанавливается, дают значительно больше энергии, чем окислительные реакции, в результате которых у атомов азота отнимаются электроны. Обобщая, можно сказать, что в природе любая реакция, в которой при превращении одного соединения в другое образуется хотя бы 15 ккал / моль, служит источником энергии для того или иного организма или группы организмов.

Фиксация азота требует энергии. Сначала азот надо «активировать», то есть разбить молекулу азота на два атома. На это уйдёт по меньшей мере 160 ккал / моль. Сама фиксация, то есть соединение двух атомов азота с тремя молекулами водорода с образованием двух молекул аммиака, даёт около 13 ккал. Значит, в целом на реакцию расходуется не менее 147 ккал. Но неизвестно, приходится ли азотфиксирующим организмам, в самом деле, расходовать такое количество энергии. Ведь в реакциях, катализируемых ферментами, происходит не просто обмен энергией между реагирующими веществами и конечными продуктами, а снижение энергии активации.

Животные потребляют с пищей растительные белки, аминокислоты и др. азотсодержащие вещества. Таким образом, растения делают органический азот доступным для других организмов - консументов.

Все живые организмы поставляют азот в окружающую среду. С одной стороны, все они выделяют в ходе жизнедеятельности продукты азотистого обмена: аммиак (NH 3), мочевину (СО(NH 2) 2) и мочевую кислоту. Последние два соединения разлагаются в почве с образованием аммиака (который при растворении в воде дает ионы аммония).

Мочевая кислота, выделяемая птицами и рептилиями, также быстро минерализуется особыми группами микроорганизмов с образованием NH 3 и СО 2 . С другой стороны, азот, включённый в состав живых существ, после их гибели подвергается аммонификации (разложение содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и нитрификации.

Аммиак или ион аммония, образовавшийся в почве, может поглощаться корнями растений. Азот при этом включается в аминокислоты и становится частью белка. Если растение затем поедается животным, то азот включается в другие белки. В любом случае белок в конечном итоге возвращается в почву, где распадается на составляющие его аминокислоты. В аэробных условиях в почве содержится множество микроорганизмов, способных окислять аминокислоты до двуокиси углерода, воды и аммиака. При разложении, например, глицина выделяется 176 ккал / моль.

Некоторые микроорганизмы из рода Nitrosomonas используют нитрификацию иона аммония как единственный источник энергии. В присутствии кислорода аммиак даёт нитритный ион и воду; выход энергии в этой реакции составляет 65 ккал / моль, а этого вполне достаточно для «приличного» существования. Nitrosomonas относится к группе так называемых автотрофов - организмов, которые не потребляют энергию, запасённую в органических веществах. Фотоавтотрофы используют энергию света, а хемоавтотрофы, подобные Nitrosomonas , получают энергию из неорганических соединений.

Другая специализированная группа микроорганизмов, представителем которой является Nitrobacter , способна извлекать из нитритов энергию, которой пренебрёг Nitrosomonas. При окислении нитритного иона в нитратный освобождается около 17 ккал/моль - немного, но вполне достаточно для того, чтобы поддержать существование Nitrobacter .

В почве немало разных видов бактерий - денитрификаторов, которые попав в анаэробные условия, могут использовать нитратный и нитритный ионы как акцепторы электронов при окислении органических соединений.

Продукты нитрификации - NO 3 - и (NO 2 -) в дальнейшем подвергаются денитрификации. Этот процесс целиком происходят благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, которые обладают способностью восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота (N 2 O) и азота (N 2). Эти газы свободно переходят в атмосферу.

10 [H] + 2H+ +2NO 3 - = N 2 + 6H 2 O

В отсутствии кислорода нитрат служит конечным акцептором водорода. Способность получать энергию путем использования нитрата как конечного акцептора водорода с образованием молекулы азота широко распространена у бактерий. Временные потери азота на ограниченных участках почвы, несомненно, связаны с деятельностью денитрифицирующих бактерий. Таким образом, круговорот азота невозможен без участия почвенной микрофлоры.

Сравнительная ценность ионов аммония и нитрита как источников азота для растений была объектом многих исследований. Казалось бы, ион аммония явно предпочтительнее: степень окисления азота в нём равна -3, то есть та же, что у азота в аминокислотах; степень окисления же нитратного азота равна +5. Значит, для того чтобы использовать азот из нитратного иона, растение должно затратить энергию на восстановлении пятивалентного азота до трехвалентного. На деле всё 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 остаётся 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. Учёные даже опасались, что 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 недалёком будущем, если не появятся 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

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 недостаточно кислорода для перевода всего свободного азота в нитраты. Но вполне вероятно, что односторонний процесс в отсутствии денитрификаторов привёл к подкислению воды в океане нитратами. Началось бы выделение двуокиси углерода из карбонатных горных пород. 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 азотфиксирующими бактериями, может при обычной температуре и нормальном давлении выполнять то, что происходит в химическом реакторе при сотнях градусов и атмосфер. Во всем мире наберётся несколько 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. 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.

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-зелёные водоросли могут быть важным источником фиксированного азота. Их вклад в фиксацию азота особенно заметен на рисовых полях и в других местах, где условия благоприятствуют их развитию. Но для Земли в целом естественным важнейшим источником фиксированного азота служат бобовые растения. Они важнее других азотфиксирующих растений с хозяйственной точки зрения и потому лучше изучены.

Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека. С одной стороны, массовое производство азотных удобрений и их использование приводит к избыточному накоплению нитратов. Азот, поступающий на поля в виде удобрений, теряется из-за отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации.

С другой стороны, при снижении скорости превращения аммиака в нитраты аммонийные удобрения накапливаются в почве. Возможно подавление деятельности микроорганизмов в результате загрязнения почвы отходами промышленности. Однако эти процессы носят локальный характер. Гораздо большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на ТЭЦ, транспорте, заводах («лисий хвост» (NO 2)). В промышленных районах их концентрация в воздухе становится очень опасной. Под воздействием излучения происходят реакции органики (углеводородов) с оксидами азота с образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений.

Факторы, влияющие на круговорот азота

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство. Но в настоящее время на круговорот азота влияет много факторов, вызванных человеком. Во-первых, это кислотные дожди - явление, при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков и снега из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (например, оксидами азота). Химизм этого явления состоит в следующем. Для сжигания органического топлива в двигатели внутреннего сгорания и котлы подается воздух или смесь топлива с воздухом. Почти на 4/5 воздух состоит из газа азота и на 1/5 - из кислорода. При высоких температурах, создаваемых внутри установок, неизбежно происходит реакция азота с кислородом и образуется оксид азота:

N 2 + O 2 = 2NO - Q

Эта реакция эндотермическая и в естественных условиях происходит при грозовых разрядах, а также сопутствует другим подобным магнитным явлениях в атмосфере. В наши дни человек в результате своей деятельности сильно увеличивает накопление оксида азота (II) на планете. Оксид азота (II) легко окисляется до оксида азота (IV) уже при нормальных условиях:

2NO 2 + H 2 O = HNO 3 + HNO 2

образуются азотная и азотистая кислоты. В капельках атмосферной воды эти кислоты диссоциируют с образованием, соответственно нитрат- и нитрит-ионов, а ионы попадают с кислотными дождями в почву. Вторая группа антропогенных факторов, влияющих на азотистый обмен почв, - это технологические выбросы. Оксиды азота одни из самых распространенных загрязнителей воздуха. А неуклонный рост производства аммиака, серной и азотной кислоты напрямую связан с увеличением объёма отходящих газов, а следовательно, с увеличением количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота. Третья группа факторов - переудобрение почв нитритами, нитратами (натриевая селитра (NaNO 3), калийная селитра (KNO 3), кальциевая селитра (Ca(NO 3)2), нитрат аммония NH 4 NO 3) и органическими удобрениями. И наконец, на азотистый обмен почв отрицательно влияет повышенный уровень биологического загрязнения. Возможные его причины: сброс сточных вод, несоблюдение санитарных норм (выгул собак, неконтролируемые свалки органических отходов, плохое функционирование канализационных систем и др.). Как следствие почва загрязняется аммиаком, солями аммония, мочевиной, индолом, меркаптанами и другими продуктами разложения органики. В почве образуется дополнительное количество аммиака, который затем перерабатывается бактериями в нитраты.

Актуальность изучения круговорота азота

Между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние.

Антропогенные биоценозы - это особые природные сообщества, сформировавшиеся под непосредственным влиянием человека, который сам может создавать новые ландшафты и серьёзным образом изменять экологическое равновесие. Кроме того, деятельность человека оказывает огромное влияние на круговорот элементов. Особенно заметным оно стало в последнее столетие, потому что произошли серьёзные изменения в природных круговоротах за счет добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в результате вызванных человеком воздействий. Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, генов и др. В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов.

Для изучения особенностей круговорота азота можно использовать комплексную методику по изучению содержания ионов нитритов (NO 2 -), нитратов (NO 3 -) и аммония (NH 4 +) в почве и её микробиологических показателях.

Очень важно изучать и контролировать круговорот азота, особенно в антропогенных биоценозах, потому что небольшой сбой в какой-либо части цикла может привести к серьёзным последствиям: сильным химическим загрязнениям почв, зарастанию водоемов и загрязнению их продуктами разложения отмершей органики (аммиак, амины и др.), высокому содержанию растворимых соединений азота в питьевой воде.

Токсикология азота и его соединений

Сам по себе атмосферный азот достаточно инертен, чтобы оказывать непосредственное влияние на организм человека и млекопитающих. Тем не менее, при повышенном давлении он вызывает наркоз, опьянение или удушье (при недостатке кислорода); при быстром снижении давления азот вызывает кессонную болезнь. Животные, помещенные в атмосферу азота, быстро погибают, но не вследствие ядовитости азота, а из-за отсутствия кислорода.

Многие соединения азота очень активны и нередко токсичны

В подземные воды уходит до 13% азота, содержащегося в минеральных удобрениях. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) приняла предельно допустимую концентрацию нитратов в питьевой воде: 45 мг/л для умеренных широт и 10 мг/л для тропиков.

Одним из самых распространенных химических элементов в окружающей среде является азот. Количество азота в атмосфере велико - четыре пятых атмосферы состоит из этого химического элемента. Большая часть элемента пребывает в свободной форме, при котором два атома образуют молекулу N 2 . Из-за достаточно прочной связи между атомами в молекуле использовать такое соединение напрямую не представляется возможным.

Чтобы живые организмы могли полноценно усваивать этот химический элемент, его нужно перевести в «связанное» состояние. В таком состоянии азот представляет собой заряженный нитрат-ион NO3-, в таком виде он может усваиваться растениями.

Круговорот азота в природе невозможен без процесса «связывания», так как именно расщепление молекулы N 2 дает возможность поддерживать различные жизненные процессы на нашей планете.

Характеристики азота

Азот является бесцветным неядовитым газом, который большей частью находится в природе в свободном (несвязанном) состоянии. Это основная часть атмосферы - почти 80% ее занимает молекулярное вещество. В молекулярном виде азот бесполезен для живой природы - молекулы его при нормальных условиях химически реагируют только с литием. Зато значение азота в природе биосферы трудно переоценить. Это вещество является неотъемлемой частью любой, даже самой простой молекулы белка. А ведь именно белок является необходимым элементом всех живых организмов.

Как происходит круговорот

Круговорот азота в природе, по сути, является цепочкой замкнутых взаимосвязанных путей, которыми азот циркулирует в биосфере Земли. В природе основным поставщиком этого связанного элемента выступают различные микроорганизмы. Именно благодаря микроскопическим труженикам от 90 до 140 млн. тонн иона азота переходит в нужное для биосферы состояние.

Нахождение азота в природе во многом связано с жизнедеятельностью бактерий и водорослей. Круговорот N 2 в природе берет свое начало в деятельности различных микроорганизмов, которые извлекают азот из разлагающихся отходов. Одна часть элемента преобразуется в молекулы, необходимые для существования этих микроорганизмов. Другая часть высвобождается в виде ионов аммония и молекул аммиака. Различные разновидности бактерий переводят азот из этих веществ в форму нитратов. Азотистые соединения в виде удобрения усваиваются растениями, а через них и животными. После смерти организма микроэлемент возвращается в почву, чтобы заново совершить круговорот азота в природе. Схема движения азота представлена ниже.

Во время совершения круговорота N 2 может включаться в состав неорганических отложений или высвобождаться в результате деятельности некоторых бактерий. Кроме этого, извержения вулканов, работа гейзеров увеличивают долю этого вещества в земной атмосфере.

Применение азота в сельском хозяйстве

Удобряя землю азотистыми соединениями из расчета - килограмм удобрений на гектар земли, можно повысить урожайность зерновых культур на несколько процентов.
В сельском хозяйстве в виде урожая азот выносится в количестве 1 млн. тонн, при этом азотистых удобрений используется в два раза меньше. Несмотря на высокую рентабельность использования минеральных удобрений, потребности растений в этом веществе покрываются искусственным путем всего на 20-25%. Остальное его количество извлекается из грунта за счет биологической фиксации (естественные удобрения). Дальнейшее повышение урожайности будет зависеть лишь от рационального применения навоза, наращивания производства минеральных удобрений и эффективного использования «биологического» (произведенного микроорганизмами) связанного азота.

Применение азота в промышленности

Применяется азот и в промышленности. Большая часть синтезированного вещества приходится на производство аммиака, взрывчатых систем, различных красителей. Применяется он и в обрабатывающей промышленности - например, при обработке кокса. Свойства азота широко известны и учитываются при производстве различных пищевых добавок. Жидкий азот - отличный хладагент и широко применяется для заморозки продуктов питания. Но все равно основным способом применения его является производство минеральных удобрений.

Самые известные бактерии, преобразующие азот, содержатся в клубнях растений семейства бобовых.

Полезные свойства азота помогают повышать плодородие грунта: в поле сначала сеют чечевицу, горох или фасоль, потом растения запахивают в землю. Затем на этом месте выращивают другие культуры, которые могут использовать азот в качестве естественного удобрения.

Минеральные удобрения

Но природного азота, пригодного в качестве удобрений, оказалось недостаточно для поддержания урожайности. И люди начали использовать минеральные удобрения, включающие в себя связанный азот.

Технология связывания азота в промышленных масштабах была открыта немецкими военными учеными накануне Первой мировой войны. Тогда была разработана схема производства аммиака для нужд оборонной промышленности. Доработав технологию, ученые придумали надежную схему производства связанного азота для сельского хозяйства. Сейчас аграриями применяется более 80 млн. тонн связанного азота для выращивания продовольственных культур.

Природный связанный азот

Удивительно, но определенная часть атмосферного азота связывается во время грозы. Вспышки молний происходят гораздо чаще, чем принято думать. В течение 10 секунд в мире сверкает около пятисот молний. Разряд электричества разогревает вокруг себя атмосферу, азот соединяется с кислородом. Происходит реакция горения азота, на выходе которой и получаются различные виды соединений азота с кислородом. Это довольно красивая форма связывания азота, но она высвобождает только около 10 млн. тонн в год.

Искусственный связанный азот

Как было написано выше, основным источником азота являются минеральные удобрения, которые активно используются в сельском хозяйстве большинства стран мира. Сгорание всех видов ископаемого топлива (уголь, газ, нефтяные производные) также приводит к связыванию свободного азота. Помимо прямого сгорания, при работе двигателей и электрогенераторов также возникает теплота, необходимая для реакции азота с кислородом. В общем, в течение года при сжигании получается около 20 миллионов тонн азота, пригодного для биосферы.

Заключение

Как происходит круговорот азота в природе? Схема этого движения может быть представлена наглядно. Например, можно вообразить, что вся биосфера представляет собой две сообщающиеся между собой емкости. Большая ёмкость представляет собой нахождение азота в природе главным образом в гидросфере и атмосфере. Очень маленькая содержит азот, который является частью жизнедеятельности. Узкий проход соединяет обе ёмкости, в нем азот тем или иным образом переходит в связанное состояние. В естественной среде именно через такие проходы азот попадает в живые организмы и становится частью неживой природы после своей гибели.

За сравнительно короткий период времени деятельность человека стала влиять на уровень N 2 в естественной среде. Роль азота в природе до конца еще не изучена. Уже сейчас ясно, что каждая экологическая система способна усвоить лишь определенное количество этого вещества. Излишек азота в любой экосистеме приводит к чрезмерному росту растений, засоренности рек и водоемов.

Такая проблема называется эвтрофикацией - загрязнением водорослями. При возникновении этой проблемы водоросли затемняют водоем, вытесняя из него конкурирующие формы жизни. После гибели большого количества водорослей понадобится весь кислород, содержащийся в воде, чтобы остатки растений смогли разложиться. Из бедных кислородом водоемов уходит рыба, ракообразные и другие животные. Вода заболачивается и через несколько лет покрывается тиной. Озеро или пруд превращается в мертвое болото.

Дальнейшее изучение круговорота азота в природе поможет предотвратить последствия таких проблем и соблюсти баланс между хозяйственной деятельностью человека и природными экосистемами.

Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца. В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы. Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.

Чтобы описать кратко круговорот веществ в биосфере необходимо поставить несколько отправных точек. Во-первых, из более чем девяноста химических элементов, известных и встречающихся в природе, для живых организмов, необходимо около сорока. Во-вторых, количество этих веществ ограничено. В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца. Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия». Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.

Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.

И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.

Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле. Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение. Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.

Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.

Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.

Кислород

Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии. Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез. Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.

Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.

И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей. Существовавший до этого так называемый обменный фонд кислорода в атмосфере в размере 5% общего его объема, то есть вырабатывалось в процессе фотосинтеза столько кислорода, сколько его потреблялось. То теперь этого объема становиться катастрофически мало. Происходит потребление кислорода, так сказать, из неприкосновенного запаса. Оттуда, куда его уже некому добавить.

Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.

Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.

Азот

Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.

Самыми активными «переработчиками» азота или азотофиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в клетках корней бобовых и преобразовывают молекулярный азот в его соединения, пригодные для растений. После их отмирания, азотом обогащается и почва.

Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.

Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.

И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.

Углерод

Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.

В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.

Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.

Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.

Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.

Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.

Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.

В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.

Фосфор

Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.

В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.

Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.

Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.

Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.

Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.

Сера

В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии. Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO 2- 4. Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.

Местами накопления серы и ее производных в биосфере является океан и атмосфера. В атмосферу сера поступает с выделением сероводорода из воды. Кроме того, сера попадает в атмосферу в виде диоксида при сжигании на производствах и в бытовых нуждах горючего ископаемого топлива. В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки. Реки несут ионы сульфатов серы в океан.

Содержится сера также в горных породах в виде сульфидов, в газообразном виде — сероводород и сернистый газ. На дне морей имеются залежи самородной серы. Но это все «резерв».

Вода

В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.

Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.

Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.

Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс. Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды.

Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.

В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.

Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная Землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают одна другую. В результате чего повышается температура окружающей среды. Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?

Видео — Круговорот веществ в биосфере

Рис. Круговорот азота в биосфере

Круговорот азота охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено , так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом (N0 3- и NH 4). И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а точнее почвенные бактерии , постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты . Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами . Правда, часть его окисляется в воздухе - во время грозовых разрядов - и поступает в почву с дождевой водой, но таким способом его фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

при сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образуется диоксид азота (NO 2),который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO 3 ) . Эта кислота становится компонентом кислотных осадков .

использование удобрений приводит к выделению в атмосферу «парникового газа » закиси азота (N 2 O )

увеличение количества нитратов и ионов аммония в водных экосистемах при смыве с удобрений с полей . Избыток питательных веществ приводит к быстрому росту водорослей , при разложении которых расходуется растворенный кислород, что приводит к массовым морам рыб .

Биохимические циклы фосфора и серы намного менее совершенны, т.К. Их основная масса содержится в резервном фонде земной коры, в «недоступном» резерве.

Круговорот серы и фосфора – это типичный осадочный биогеохимический цикл . Такие циклы легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться снова в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.

Круговорот фосфора

Рис. Круговорот фосфора в биосфере

Фосфор, главным образом в виде фосфат-ионов (РО 3- и НРО 4 2-), является важным питательным элементом как для растений, так и для животных . Он входит в состав молекул ДНК , несущих генетическую информацию ; молекул АТФ и АДФ , в которых запасается необходимая для организмов химическая энергия , используемая при клеточном дыхании; молекул жиров , образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов .

Фосфор содержится в горных породах , образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала – апатита .

Общий круговорот фосфора можно разделить на две части - водную и наземную .

В наземных экосистемах фосфор, высвобождаемый при медленном разрушении (или выветривании ) фосфатных руд , растворяется почвенной влагой и поглощается корнями растений .

Животные получают необходимый им фосфор, поедая растения или других растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в виде экскрементов животных и продуктов разложения мертвых животных и растений возвращается в почву , с эрозией - в реки , и, в конце концов, на дно океана в виде нерастворимых фосфатных осадочных пород.

В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка – морских птиц . Их экскременты (гуано ) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море . Т.о., часть фосфора возвращается на поверхность суши в виде гуано - обогащенной фосфором органической массы экскрементов питающихся рыбой птиц (пеликанов, олушей, бакланов и т. п.). Однако несравнимо большее количество фосфатов ежегодно смывается с поверхности суши в океан в результате природных процессов и антропогенной деятельности.

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:

добыча больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств;

увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм , смытых с полей фосфатных удобрений , а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков . Избыток этих элементов способствует «взрывному» росту сине-зеленых водорослей и других водных растений, что нарушает жизненное равновесие в водных экосистемах.

Круговорот серы

Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве , но в отличие от фосфора имеет резервный фонд и в атмосфере .

В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам . Одни из них восстановители , другие – окислители .

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в растворах – в форме иона (SO 4 -2), в газообразной фазе – в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (SO2). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S2) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

Круговорот серы , хотя ее требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продукции и разложения .

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений , захватывается микроорганизмами , которые восстанавливают ее до H2S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы – так продолжается круговорот.

Круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека . Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива , а особенно угля. Сернистый газ (SO2) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности .

При нарушении биогеохимических циклов человеком круговорот веществ становится не циклическим , а ациклическим . Охрана природных ресурсов должна быть в частности направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические процессы превратить в циклические.