자연의 질소 순환. 질소의 성질
수업 유형 -결합된
행동 양식:부분적으로 검색, 문제 제시, 재생산, 설명 및 예시.
표적:
토론된 모든 문제의 중요성에 대한 학생들의 인식, 생물권의 독특하고 귀중한 부분인 모든 생명체에 대한 존중을 바탕으로 자연 및 사회와의 관계를 구축할 수 있는 능력
작업:
교육적인: 자연의 유기체에 작용하는 요인의 다양성, "유해한 요소와 유익한 요소"라는 개념의 상대성, 지구상의 생명체의 다양성 및 전체 환경 조건에 대한 생명체의 적응 옵션을 보여줍니다.
교육적인:의사소통 기술, 독립적으로 지식을 얻고 인지 활동을 자극하는 능력을 개발합니다. 정보를 분석하는 능력, 연구 중인 자료의 주요 내용을 강조합니다.
교육적인:
자연의 행동 문화, 관용적 성격의 자질을 배양하고, 살아있는 자연에 대한 관심과 사랑을 심어주고, 지구상의 모든 생명체에 대해 안정된 긍정적 태도를 형성하고, 아름다움을 보는 능력을 개발합니다.
개인의: 생태학에 대한 인지적 관심.. 자연 생물권의 보존을 위해 자연 공동체의 생물적 연결의 다양성에 대한 지식을 얻을 필요성을 이해합니다. 살아있는 자연과 관련하여 자신의 행동과 행동에서 목표와 의미를 선택하는 능력. 자신의 작업과 급우의 작업에 대한 공정한 평가의 필요성
인지: 다양한 정보 소스로 작업하고, 정보를 한 형식에서 다른 형식으로 변환하고, 정보를 비교 및 분석하고, 결론을 도출하고, 메시지와 프레젠테이션을 준비하는 능력입니다.
규제:독립적인 업무 완료를 조직하고, 업무의 정확성을 평가하고, 자신의 활동을 성찰하는 능력.
의사소통: 수업 중 대화에 참여합니다. 교사, 급우의 질문에 답하고 멀티미디어 장비 또는 기타 시연 수단을 사용하여 청중 앞에서 연설합니다.
계획된 결과
주제:"서식지", "생태학", "생태적 요인"의 개념, 생물체에 대한 영향, "생물과 무생물 간의 연결"을 알고 있습니다. “생물학적 요인”의 개념을 정의할 수 있습니다. 생물학적 요인을 특성화하고 예를 들어보십시오.
개인의:판단, 정보 검색 및 선택, 연결 분석, 비교, 문제가 있는 질문에 대한 답 찾기
메타주제: 생물학, 화학, 물리학, 지리학과 같은 학문 분야와의 연결입니다. 설정된 목표를 가지고 행동을 계획하십시오. 교과서와 참고 문헌에서 필요한 정보를 찾으십시오. 자연물 분석을 수행합니다. 결론을 짓다; 자신의 의견을 공식화하십시오.
교육 활동 조직 형태 -개인, 단체
교육 방법: COR을 사용한 시각적 설명, 설명 설명, 부분 검색 기반, 추가 문헌 및 교과서를 사용한 독립적 작업.
기법:분석, 종합, 추론, 한 유형에서 다른 유형으로의 정보 번역, 일반화.
새로운 자료를 학습
질소 순환
질소 순환은 대기에 많은 예비 자금이 있는 자기 조절 순환의 한 예입니다. 78%가 질소로 구성된 공기는 가장 큰 "저장소"인 동시에 화학적 활성이 낮기 때문에 시스템의 "안전 밸브"입니다. 질소는 탈질 박테리아의 활동으로 인해 지속적으로 대기 중으로 방출되며, 질소 고정 박테리아 및 일부 조류(생화학적 질소 고정)의 활동과 작업 중 방전 작용의 결과로 대기에서 지속적으로 제거됩니다. 뇌우. 질소 순환은 고정, 동화, 질화, 탈질, 분해, 침출, 제거, 침전 등의 과정으로 구성됩니다.
생물권의 질소 순환은 매우 독특하고 느립니다.생명체의 질소 고정은 제한된 수의 생명체에 의해 수행됩니다. 토양과 세계 해양의 상층부에 포함된 개별 미생물은 분자 질소(N2)를 분해하고 그 원자를 사용하여 단백질(-1NH) 및 기타 유기 화합물의 아미노 그룹을 만들 수 있습니다. 대기 질소는 질소 고정 박테리아와 일부 유형의 남조류에 의해 흡수됩니다. 그들은 생물권의 다른 식물이 사용할 수 있는 질산염을 합성합니다. 질소 생물고정은 토양의 고등 식물과 공생하는 일부 박테리아(예: 콩과 식물의 뿌리에 사는 결절 박테리아)에 의해 수행됩니다. 식물과 동물은 죽은 후 질소를 토양으로 반환하고, 그곳에서 새로운 세대의 식물과 동물로 유입됩니다.
분자 형태의 질소의 특정 부분은 대기로 되돌아갑니다. 토양에서는 미생물의 참여로 암모늄 이온(IN^)이 아질산염(NO2")으로 산화되거나 아질산염이 질산염(IO3-)으로 산화되는 일련의 반응으로 구성된 질산화 과정이 발생합니다. 아질산염과 질산염을 분자 질소(N2) 또는 질소 산화물(IxOy)의 기체 화합물로 변환하는 것이 탈질 공정의 핵심입니다.
동위원소
천연 질소는 두 가지 안정 동위원소인 14 N - 99.635%와 15 N - 0.365%로 구성됩니다.
질소의 방사성 동위원소는 질량수 11,12,13,16 및 17로 알려져 있습니다. 그들 모두는 수명이 매우 짧은 동위원소입니다. 그 중 가장 안정적인 13N은 반감기가 10분이다.
동위원소 핵의 자기 모멘트 나 N 14 =1, 나 N 15 =1/2.
널리 퍼짐
지구 외부에서 질소(그 화합물 및 라디칼 - CN", NH", NH` 2, NH 3)는 가스 성운, 태양 대기, 천왕성, 해왕성 및 성간 공간에서 발견됩니다. 금성 대기에는 약 2%의 질소가 기록되어 있지만 이 수치는 아직 확인이 필요합니다. 질소는 태양계에서 수소, 헬륨, 산소에 이어 네 번째로 풍부한 원소입니다. 생명은 질소에 많은 빚을 지고 있지만, 질소, 적어도 대기 질소는 그 기원이 태양보다는 생명 과정에 있습니다.
대부분의 질소는 자연에서 자유 상태로 발견됩니다. 이원자 N2 분자 형태의 질소는 대기의 대부분을 구성하며 그 함량은 75.6%(질량 기준) 또는 78.084%(부피 기준), 즉 약 3.87 * 10 15톤입니다. 일반적으로 우리는 산소가 적당히 풍부한 질소 대기에 살고 있습니다.
대기 질소를 물에 용해시키고 대기로 방출하는 과정이 동시에 발생한다는 점을 고려하면 수권에 용해 된 질소의 질량은 약 2 * 10 13 톤이며, 또한 약 7 * 10 11 톤의 질소가 수권에 화합물 형태로 함유되어 있다.
생물학적 역할
질소는 동물과 식물이 존재하는 데 필요한 요소입니다. 그것은 질소 원자 수에 따라 살아있는 세포 구성에서 단백질 (16-18 중량 %), 아미노산, 핵산, 핵 단백질, 엽록소, 헤모글로빈 등의 일부입니다. 질량 분율로 약 2 %입니다. 2.5%(수소, 탄소, 산소에 이어 4위). 이와 관련하여, 살아있는 유기체, "죽은 유기물" 및 바다와 해양의 분산 물질에는 상당량의 고정 질소가 포함되어 있습니다. 이 수량은 약 1.9 * 10 11 톤으로 추산됩니다. 유리한 환경 요인에 따라 질소 함유 유기물의 부패 및 분해 과정의 결과로, 예를 들어 "칠레 초석"(다른 화합물의 불순물이 포함된 질산나트륨)과 같은 질소 함유 미네랄의 천연 퇴적물이 형성될 수 있습니다. 노르웨이산, 인도산 초석.
자연의 질소 순환
질소는 무색, 무취의 기체이며 물에 약간 용해됩니다. 공기보다 약간 가볍습니다. 질소 1리터의 질량은 1.25g입니다. 분자 질소는 화학적으로 비활성인 물질입니다. 실온에서는 리튬과만 상호작용합니다. 질소의 낮은 활성은 분자의 강도가 높기 때문에 설명되며, 이는 질소의 참여로 발생하는 반응의 높은 활성화 에너지를 결정합니다.
지각의 총 질소 함량은 0.04%(질량)입니다. 질소는 대기의 약 79%를 구성하지만, 수많은 생명체는 이러한 질소 공급을 직접 사용할 수 없습니다. 먼저 특수 유기체나 인간에 의해 고정되어야 합니다. 후자의 경우 고정은 특별히 고안된 산업 공정을 사용하여 수행됩니다.
가장 큰 복잡성에도 불구하고 이 주기는 빠르고 원활하게 발생합니다. 78%의 질소를 함유한 공기는 거대한 용기이자 시스템의 안전 밸브 역할을 동시에 수행합니다. 이는 지속적으로 다양한 형태로 질소 순환에 공급됩니다.
질소 순환은 다음과 같습니다. 그것의 주요 역할은 신체의 중요한 구조, 즉 단백질 아미노산과 핵산의 일부라는 것입니다. 살아있는 유기체는 전체 활성 질소 기금의 약 3%를 함유하고 있습니다. 식물은 약 1%의 질소를 소비합니다. 그 주기는 100년이다.
생산자 식물에서 질소 함유 화합물은 소비자에게 전달되며, 유기 화합물에서 아민을 제거한 후 질소는 암모니아 또는 요소의 형태로 방출되고 요소는 가수분해로 인해 암모니아로 전환됩니다.
쌀. 1. 자연에서의 CO 2 변환 및 이용
이어서, 암모니아성 질소의 산화(질산화) 과정에서 식물 뿌리에 흡수될 수 있는 질산염이 형성됩니다. 탈질화 과정에서 일부 아질산염과 질산염은 대기로 유입되는 분자 질소로 환원됩니다. 이러한 모든 화학적 변형은 토양 미생물의 중요한 활동의 결과로 가능합니다. 이 놀라운 박테리아(질소 고정제)는 호흡 에너지를 사용하여 대기 질소를 직접 흡수하고 단백질을 합성할 수 있습니다. 이러한 방식으로 매년 1헥타르당 약 25kg의 질소가 토양에 유입됩니다.
그러나 가장 효과적인 박테리아는 식물의 뿌리에서 발달하는 결절에서 콩과 식물과 공생하여 산다. 촉매 역할을 하는 몰리브덴과 특수한 형태의 헤모글로빈(식물에서 독특함)이 있는 경우 이러한 박테리아( 리조비움) 엄청난 양의 질소를 흡수합니다. 생성된(고정된) 질소는 결절이 분해됨에 따라 근권(토양의 일부)으로 지속적으로 확산됩니다. 그러나 질소는 식물의 지상부에도 들어갑니다. 이로 인해 콩과 식물은 단백질이 매우 풍부하고 초식 동물에게 영양가가 높습니다. 따라서 클로버와 자주개자리 작물에 축적된 연간 매장량은 150-140kg/ha입니다.
콩과 식물 외에도 이러한 박테리아는 가족의 식물 (열대 지방) 잎에 서식합니다. 루블라과, 방선균뿐만 아니라 - 오리나무 뿌리에서 질소를 고정합니다. 수생 환경에서 이들은 푸른 조류입니다.
반면, 탈질 박테리아는 질산염을 분해하고 N2를 방출하여 대기 중으로 증발합니다. 그러나이 과정은 전체 질소의 약 20 %를 분해하고 분뇨로 고도로 비옥 한 토양 (헥타르 당 약 50-60kg의 질소)에서만 분해되기 때문에 그다지 위험하지 않습니다.
사람과 육지 동물은 주로 질소로 구성된 공기 바다의 바닥에 살고 있지만, 이 바다의 주민들에게 식량 공급을 가장 많이 결정하는 것은 바로 이 요소입니다. 우리 모두는 이용 가능한 고정 질소 자원에 의존합니다. "고정"은 식물과 동물이 사용할 수 있는 화합물에 포함된 질소입니다. 질소는 대기 중에서 활동적이지 않지만 일부 유기체는 여전히 질소에 결합할 수 있습니다. 자연 이온화 과정에서는 더 적은 양의 대기 질소가 고정됩니다. 대기는 우주선, 운석 연소, 전기 방전(번개)에 의해 단시간에 이온화되어 질소가 물 속의 산소나 수소와 반응하는 데 필요한 많은 양의 에너지를 방출합니다. 일부 해양 유기체도 질소를 고정하지만, 자연에서 고정 질소를 가장 많이 공급하는 것은 토양 미생물과 그러한 유기체와 식물 사이의 공생 관계입니다.
자연에서 대기 질소의 고정은 비생물성과 생물성이라는 두 가지 주요 방향으로 발생합니다. 첫 번째 경로는 주로 질소와 산소의 반응을 포함합니다. 질소는 화학적으로 매우 불활성이므로 산화에는 많은 양의 에너지(고온)가 필요합니다. 이러한 조건은 온도가 25,000oC 이상에 도달할 때 번개 방전 중에 달성됩니다. 이 경우 다양한 질소산화물이 생성됩니다. 반도체나 광대역 유전체(사막 모래) 표면의 광촉매 반응으로 인해 비생물학적 고정이 발생할 가능성도 있습니다.
그러나 분자 질소의 주요 부분(약 1.4 * 10 8 t/년)은 생물학적으로 고정되어 있습니다. 오랫동안 (지구 표면에 널리 퍼져 있기는 하지만) 소수의 미생물만이 분자 질소를 결합할 수 있다고 믿어졌습니다. 아조토박터그리고 클로스트리디움,콩과 식물의 결절 박테리아 리조비움, 시아노박테리아 아나바에나, 노스톡등. 이제 물과 토양의 많은 다른 유기체, 예를 들어 오리나무 및 기타 나무의 괴경에 있는 방선균(총 160종)이 이러한 능력을 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다. 이들 모두는 분자 질소를 암모늄 화합물(NH 4 +)로 전환합니다. 이 과정에는 상당한 에너지 소비가 필요합니다(대기 질소 1g을 고정하기 위해 콩과 식물 결절의 박테리아는 약 167.5kJ를 소비합니다. 즉, 약 10g의 포도당을 산화합니다). 따라서 식물과 질소 고정 박테리아의 공생으로 인한 상호 이익이 눈에 띕니다. 전자는 후자에게 "살 곳"을 제공하고 광합성의 결과로 얻은 "연료"인 포도당을 공급하고 후자는 질소를 제공합니다 식물이 흡수할 수 있는 형태로 필요합니다.
물질의 자연 순환에 대한 모든 유형의 인간 개입 중에서 산업적 질소 고정이 규모가 가장 큽니다. 인공 비료의 대량 생산이 없었던 초기에는 질소 고정 콩과 식물이 아직 넓은 지역에 자라지 않았을 때 자연 고정 과정에서 대기에서 제거되는 질소의 양은 대기로의 복귀에 의해 완전히 균형을 이루었습니다. 유기 질산염을 기체 질소로 전환하는 유기체의 활동의 결과로 . 생물학적 질소 고정 과정에서 발생하는 암모니아 및 암모늄 화합물 형태의 질소는 빠르게 질산염과 아질산염으로 산화됩니다(이 과정을 질화라고 함). 후자는 식물 조직으로 연결되지 않고(초식동물과 포식자에 의한 먹이사슬을 따라 더 나아가) 토양에 오랫동안 남아 있지 않습니다. 대부분의 질산염과 아질산염은 용해도가 높기 때문에 물로 씻겨 나가 궁극적으로 세계 해양으로 흘러갑니다(이 흐름은 연간 2.5 - 8 * 10 7 톤으로 추정됩니다).
질소 화합물을 강으로 과도하게 제거하면 녹조가 번성할 수 있으며, 생물학적 활동이 증가하여 물에 산소가 부족하여 산소가 필요한 물고기와 기타 유기체가 죽을 수 있습니다. 이것의 가장 유명한 예는 이리 호수의 급속한 부영양화입니다.
인간의 활동이 없을 때, 질소 고정과 질산화 과정은 탈질화의 반대 반응에 의해 거의 완전히 균형을 이룹니다. 일부 질소는 화산 폭발과 함께 맨틀에서 대기로 유입되고 일부는 토양과 점토 광물에 단단히 고정되며 대기의 상층부에서 행성 간 공간으로 질소가 누출됩니다.
식물과 동물의 조직에 포함된 질소는 사망 후 암모니아화(암모니아 및 암모늄 이온의 방출과 함께 질소 함유 복합 화합물의 분해) 및 탈질화, 즉 원자 질소 및 그 산화물의 방출을 겪습니다. . 이러한 과정은 전적으로 호기성 및 혐기성 조건에서 미생물의 활동으로 인해 발생합니다.
생물권에서 질소가 이동하는 복잡하게 갈라진 경로에 대한 아이디어를 얻으려면 대기에서 미생물 세포로, 그런 다음 고정 질소로 토양으로, 토양에서 더 높은 곳으로 질소 원자의 경로를 추적해 보겠습니다. 고정된 질소가 동물 유기체에 들어갈 수 있는 식물. 식물과 동물은 죽을 때 고정된 질소를 토양으로 되돌려 새로운 세대의 식물과 동물에 들어가거나 원소 질소의 형태로 대기로 전달합니다.
일부 유기체는 질소 화합물을 산화하는 것이 유익하다고 생각하는 반면, 동일한 환경에 사는 다른 유기체는 이러한 화합물을 환원하는 능력으로 인해 생존합니다. 빛 에너지를 사용하는 광합성 유기체 외에도 모든 생명체는 화학적 변형을 통해 에너지를 얻습니다. 일반적으로 이는 한 화합물의 산화와 다른 화합물의 동시 환원이지만 때로는 동일한 물질의 다른 분자 또는 동일한 분자의 다른 단편이 산화 및 환원될 수도 있습니다. 대기 산소에 의해 환원된 무기 질소 화합물이 산화되면 생물학적으로 효과적인 형태의 에너지가 방출되기 때문에 살아있는 자연의 질소 순환이 가능합니다. 혐기성 조건에서 산화된 질소 화합물은 유기 화합물의 산화제 역할을 하여 유용한 에너지를 방출할 수 있습니다.
생물학적 과정에서 질소의 특별한 역할은 비정상적으로 많은 수의 산화 상태, 즉 원자가에 기인합니다. 원자가-이것은 특정 원소의 원자가 다른 원소의 특정 수의 원자를 부착하거나 대체하는 특성입니다. 동물과 식물의 몸에서 대부분의 질소는 암모늄 이온 형태나 아미노 화합물 형태로 존재합니다. 두 가지 형태 모두에서 질소는 크게 환원됩니다. 세 개의 다른 원자와 결합하여 세 개의 전자를 받아들입니다. 즉 산화 상태는 -3입니다. 또 다른 고도로 산화된 형태(질산염 이온(NO 3 +5))에서는 질소 원자의 외부 전자 5개가 산소 원자와의 결합 형성에 참여하여 +5의 산화 상태를 얻습니다. 질산염 이온은 다음의 주요 형태입니다. 토양에 존재하는 질소. 암모늄 이온 또는 아미노산이 토양 질산염에 들어갈 때 질소의 원자가는 8 단위로 변해야 합니다. 즉, 원자는 8개의 전자를 잃습니다.질산염 질소가 아미노기의 질소에 들어갈 때 , 원자는 8개의 전자를 얻습니다.
무기질소 화합물은 칠레 태평양 연안에 두꺼운 층을 형성하는 질산나트륨 NaNO3를 제외하고는 자연에서 대량으로 발생하지 않습니다. 토양에는 주로 질산염 형태의 소량의 질소가 포함되어 있습니다. 그러나 복잡한 유기 화합물(단백질)의 형태로 질소는 모든 살아있는 유기체의 일부입니다. 식물과 동물 세포에서 단백질이 겪는 변형은 모든 생명 과정의 기초를 형성합니다. 단백질이 없으면 생명도 없고, 질소는 단백질의 필수 구성 요소이기 때문에 이 요소가 살아있는 자연에서 얼마나 중요한 역할을 하는지는 분명합니다.
일반적으로 토양에서 질소를 감소시키는 반응은 질소 원자에서 전자를 제거하는 산화 반응보다 훨씬 더 많은 에너지를 제공합니다. 요약하면, 자연에서 하나의 화합물을 다른 화합물로 전환할 때 최소 15kcal/mol이 형성되는 모든 반응은 특정 유기체 또는 유기체 그룹의 에너지원으로 작용한다고 말할 수 있습니다.
질소 고정에는 에너지가 필요합니다. 첫째, 질소는 "활성화"되어야 합니다. 즉, 질소 분자가 두 개의 원자로 분해되어야 합니다. 최소한 160kcal/mol이 필요합니다. 고정 자체, 즉 두 개의 질소 원자와 세 개의 수소 분자가 결합하여 두 개의 암모니아 분자를 형성하는 것은 약 13kcal을 제공합니다. 이는 전체적으로 최소 147kcal이 반응에 소비됨을 의미합니다. 그러나 질소 고정 유기체가 실제로 이 정도의 에너지를 소비해야 하는지 여부는 알려져 있지 않습니다. 실제로, 효소에 의해 촉매되는 반응에서는 반응물과 최종 생성물 사이의 에너지 교환뿐만 아니라 활성화 에너지의 감소도 있습니다.
동물은 음식과 함께 식물성 단백질, 아미노산 및 기타 질소 함유 물질을 섭취합니다. 따라서 식물은 유기질소를 다른 유기체, 즉 소비자가 이용할 수 있게 만듭니다.
모든 살아있는 유기체는 환경에 질소를 공급합니다. 한편으로, 그들은 모두 일생 동안 암모니아(NH 3), 요소(CO(NH 2) 2) 및 요산과 같은 질소 대사 산물을 방출합니다. 마지막 두 화합물은 토양에서 분해되어 암모니아를 형성합니다(물에 용해되면 암모늄 이온을 생성함).
새와 파충류가 분비하는 요산은 특수한 미생물 그룹에 의해 빠르게 무기화되어 NH3와 CO2를 형성합니다. 반면, 생명체의 구성에 포함된 질소는 사망 후 암모니아화(암모니아 및 암모늄 이온 방출과 함께 질소 함유 복합 화합물의 분해) 및 질산화를 겪습니다.
토양에서 생성된 암모니아 또는 암모늄 이온은 식물 뿌리에 흡수될 수 있습니다. 질소는 아미노산에 포함되어 단백질의 일부가 됩니다. 동물이 식물을 먹으면 질소가 다른 단백질에 흡수됩니다. 두 경우 모두 단백질은 결국 토양으로 돌아가서 구성 아미노산으로 분해됩니다. 호기성 조건에서 토양에는 아미노산을 이산화탄소, 물 및 암모니아로 산화시킬 수 있는 많은 미생물이 포함되어 있습니다. 예를 들어, 분해될 때 글리신은 176kcal/mol을 방출합니다.
속의 일부 미생물 니트로소모나스암모늄 이온의 질산화를 유일한 에너지원으로 사용합니다. 산소가 있으면 암모니아는 아질산염 이온과 물을 생성합니다. 이 반응의 에너지 수율은 65kcal/mol이며 이는 "괜찮은" 존재에 충분합니다. 니트로소모나스유기물에 저장된 에너지를 소비하지 않는 유기체, 소위 독립 영양 생물 그룹에 속합니다. 광독립영양생물은 빛 에너지를 사용하고, 화학독립영양생물은 다음과 같습니다. 니트로소모나스, 무기 화합물로부터 에너지를 얻습니다.
또 다른 특수한 미생물 그룹으로, 니트로박터, 무시되었던 아질산염으로부터 에너지를 추출할 수 있다 니트로소모나스.~에 아질산염 이온이 질산염 이온으로 산화되면 약 17kcal/mol이 방출됩니다. 많지는 않지만 생존하기에 충분합니다. 니트로박터 .
토양에는 다양한 유형의 박테리아가 있습니다. 즉, 혐기성 조건에서 유기 화합물이 산화되는 동안 질산염 및 아질산염 이온을 전자 수용체로 사용할 수 있는 탈질제입니다.
질산화 생성물 - NO 3 - 및 (NO 2 -)은 이후에 탈질화됩니다. 이 과정은 전적으로 아질산염을 통해 질산염을 기체 아산화질소(N 2 O) 및 질소(N 2)로 환원시키는 능력을 가진 탈질 박테리아의 활동으로 인해 발생합니다. 이 가스는 대기 중으로 자유롭게 전달됩니다.
10 [H] + 2H+ +2NO 3 - = N 2 + 6H 2 O
산소가 없으면 질산염은 최종 수소 수용체 역할을 합니다. 질산염을 최종 수소 수용체로 사용하여 질소 분자를 형성함으로써 에너지를 얻는 능력은 박테리아에 널리 퍼져 있습니다. 토양의 제한된 지역에서 일시적인 질소 손실은 의심할 여지없이 탈질 박테리아의 활동과 관련이 있습니다. 따라서 토양 미생물의 참여 없이는 질소 순환이 불가능합니다.
식물의 질소 공급원으로서 암모늄 이온과 아질산염 이온의 비교 가치는 많은 연구 주제였습니다. 암모늄 이온이 분명히 바람직한 것 같습니다. 질소의 산화 상태는 -3, 즉 아미노산의 질소 산화 상태와 동일합니다. 질산성 질소의 산화 상태는 +5입니다. 이는 식물이 질산염 이온의 질소를 사용하려면 5가 질소를 3가 질소로 환원하는 데 에너지를 소비해야 함을 의미합니다. 실제로는 모든 것이 더 복잡합니다. 어떤 형태의 질소가 바람직한지는 완전히 다른 요인에 따라 달라집니다. 암모늄 이온은 양전하를 띠기 때문에 토양에 형성된 직후에 슬러지 입자에 포착되어 산화될 때까지 남아 있습니다. 반대로 질산 음이온은 토양에서 자유롭게 이동하므로 뿌리 영역으로 더 쉽게 들어갑니다.
토양의 질소 고정 유기체는 19세기 말까지 제대로 이해되지 않았습니다. 과학자들은 당시 발견된 탈질세균이 토양에 고정된 질소 공급을 점차 고갈시켜 비옥도를 떨어뜨릴 것이라는 우려까지 제기했다. 런던 왕립학회 연설에서 W. 크룩스 경은 인공적인 질소 고정 방법이 개발되지 않는 한 가까운 미래에 인류를 기다리고 있는 기근에 대한 암울한 그림을 그려냈습니다. 당시 비료 생산과 폭발물 생산에 사용되는 질산염의 주요 공급원은 칠레의 퇴적물이었습니다. 그것은 필요하다
질소 순환을 일반적인 용어로 연구한 결과, 탈질 박테리아의 역할이 명확해졌습니다. 그러한 박테리아가 질소를 대기 중으로 돌려보내지 않는다면, 대부분의 대기 질소는 이제 바다와 퇴적물에 묶여 있을 것입니다. 현재 대기에는 모든 유리 질소를 질산염으로 변환할 만큼 산소가 충분하지 않습니다. 그러나 탈질제가 없는 일방적인 과정으로 인해 질산염으로 인해 바닷물이 산성화되었을 가능성이 높습니다. 탄산염 암석에서 이산화탄소가 방출되기 시작합니다. 식물은 지속적으로 공기에서 이산화탄소를 추출하고, 탄소는 시간이 지남에 따라 석탄이나 기타 탄화수소의 형태로 축적되며, 유리산소는 대기를 포화시켜 질소와 결합하게 됩니다. 이 모든 과정이 다양하고 복잡하기 때문에 탈질 반응의 세계가 어떤 모습일지 단정하기는 어렵지만, 우리에게는 분명 낯선 세계일 것입니다.
생물학적 질소고정 과정은 자세히 알려져 있지 않다. 나는 질소 고정 박테리아가 사용하는 활성화 효소가 어떻게 상온과 상압에서 수백 도와 대기압의 화학 반응기에서 일어나는 일을 알고 싶습니다. 전 세계적으로 이 놀라운 효소가 몇 킬로그램씩 축적될 것입니다.
질소고정 유기체는 두 개의 큰 그룹, 즉 독립적으로 사는 그룹과 고등 식물과 공생하여 사는 그룹으로 나뉩니다. 이들 그룹 사이의 경계는 그리 뚜렷하지 않습니다. 식물과 미생물의 상호의존도는 다양할 수 있습니다. 공생 미생물은 식물에 에너지원과 일부 영양소를 직접적으로 의존합니다. 자유생활을 하는 질소고정자는 식물로부터 간접적으로 에너지를 얻고, 일부는 빛에너지를 직접적으로 사용합니다.
곡물이 차지하는 토양과 질소 고정 공생체를 가진 식물이 없는 기타 생태계에서 고정 질소를 공급하는 주요 공급원은 다양한 박테리아입니다. 적절한 조건에서 남조류는 고정 질소의 중요한 공급원이 될 수 있습니다. 질소 고정에 대한 이들의 기여는 논 및 기타 개발에 유리한 조건에서 특히 두드러집니다. 그러나 지구 전체에 있어서 콩과 식물은 고정 질소의 가장 중요한 천연 공급원입니다. 이는 경제적 관점에서 다른 질소 고정 식물보다 더 중요하므로 더 잘 연구됩니다.
질소 순환은 현재 인간의 영향을 많이 받습니다. 한편, 질소 비료의 대량 생산과 사용은 질산염의 과도한 축적을 초래합니다. 비료의 형태로 밭에 공급된 질소는 작물 폐기물, 침출 및 탈질소화를 통해 손실됩니다.
반면에 암모니아가 질산염으로 전환되는 속도가 감소하면 암모늄 비료가 토양에 축적됩니다. 산업 폐기물에 의한 토양 오염으로 인해 미생물의 활동을 억제하는 것이 가능합니다. 그러나 이러한 프로세스는 본질적으로 지역적입니다. 훨씬 더 중요한 것은 화력 발전소, 운송 및 공장에서 연료 연소 중에 대기로 질소 산화물이 유입되는 것입니다("여우 꼬리"(NO 2)). 산업 지역에서는 공기 중 농도가 매우 위험해집니다. 방사선의 영향으로 유기물(탄화수소)과 질소산화물이 반응하여 독성이 강한 발암성 화합물이 형성됩니다.
질소 순환에 영향을 미치는 요인
인간의 활동이 없을 때, 질소 고정과 질산화 과정은 탈질화의 반대 반응에 의해 거의 완전히 균형을 이룹니다. 질소의 일부는 화산 폭발과 함께 맨틀에서 대기로 들어가고, 일부는 토양과 점토 광물에 단단히 고정되어 있으며, 또한 질소는 대기의 상층에서 행성 간 공간으로 끊임없이 누출됩니다. 그러나 현재 질소 순환은 인간이 유발하는 많은 요인의 영향을 받습니다. 첫 번째는 산성비인데, 산성산화물(예를 들어 질소산화물)로 인한 대기오염으로 인해 강우와 눈의 pH가 낮아지는 현상이다. 이 현상의 화학적 성질은 다음과 같습니다. 화석 연료를 연소하기 위해 공기 또는 연료와 공기의 혼합물이 내연 기관과 보일러에 공급됩니다. 공기의 거의 4/5는 질소 가스로 구성되고 1/5은 산소로 구성됩니다. 설비 내부에 고온이 발생하면 필연적으로 질소와 산소의 반응이 일어나고 질소 산화물이 형성됩니다.
N 2 + O 2 = 2NO - Q
이 반응은 흡열 반응이며 번개 방전 중 자연 조건에서 발생하며 대기 중 다른 유사한 자기 현상도 수반합니다. 오늘날 우리 활동의 결과로 인간은 지구상의 산화질소(II) 축적을 크게 증가시킵니다. 산화질소(II)는 정상적인 조건에서 이미 산화질소(IV)로 쉽게 산화됩니다.
2NO 2 + H 2 O = HNO 3 + HNO 2
질산과 아질산이 형성됩니다. 대기 중의 물방울에서 이들 산은 각각 해리되어 질산염 이온과 아질산염 이온을 형성하고, 이온은 산성비와 함께 토양으로 유입됩니다. 토양 질소 대사에 영향을 미치는 인위적 요인의 두 번째 그룹은 기술적 배출입니다. 질소산화물은 가장 흔한 대기 오염 물질 중 하나입니다. 그리고 암모니아, 황산 및 질산 생산의 꾸준한 증가는 폐가스량의 증가와 결과적으로 대기로 배출되는 질소 산화물의 양의 증가와 직접적인 관련이 있습니다. 세 번째 요인 그룹은 아질산염, 질산염(질산나트륨(NaNO 3), 질산칼륨(KNO 3), 질산칼슘(Ca(NO 3) 2), 질산암모늄 NH 4 NO 3) 및 유기 비료로 토양을 과도하게 비료화하는 것입니다. 마지막으로, 토양 질소 대사는 생물학적 오염 수준의 증가로 인해 부정적인 영향을 받습니다. 가능한 원인: 폐수 배출, 위생 기준 미준수(개 산책, 통제되지 않은 유기 폐기물 처리, 하수 시스템 기능 저하 등). 결과적으로 토양은 암모니아, 암모늄염, 요소, 인돌, 메르캅탄 및 기타 유기 분해 생성물로 오염됩니다. 추가적인 암모니아가 토양에서 형성되고, 이는 박테리아에 의해 질산염으로 처리됩니다.
질소 순환 연구의 관련성
암석권, 수권, 대기 및 지구의 살아있는 유기체 사이에는 화학 원소가 끊임없이 교환됩니다. 이 과정은 주기적입니다. 한 구에서 다른 구로 이동한 후 요소는 원래 상태로 돌아갑니다.
인위적 생물권은 인간이 직접 새로운 풍경을 창조하고 생태학적 균형을 심각하게 변화시킬 수 있는 인간의 직접적인 영향을 받아 형성된 특별한 자연 공동체입니다. 또한 인간 활동은 요소의 순환에 큰 영향을 미칩니다. 인간이 유발한 영향의 결과로 자연 순환에 존재하는 화학 물질의 추가 또는 제거로 인해 자연 순환에 큰 변화가 있었기 때문에 지난 세기에 특히 눈에 띄게 되었습니다. 질소는 동물과 식물의 존재에 필요한 요소로 단백질, 아미노산, 핵산, 엽록소, 유전자 등의 일부입니다. 물질”과 바다와 바다의 분산된 물질입니다.
질소 순환의 특성을 연구하려면 포괄적인 방법론을 사용하여 토양의 아질산염(NO 2 -), 질산염(NO 3 -) 및 암모늄(NH 4 +) 이온 함량과 미생물학적 매개변수를 연구할 수 있습니다.
질소 순환, 특히 인위적 생물권에서 질소 순환을 연구하고 제어하는 것은 매우 중요합니다. 순환의 어느 부분에서나 작은 실패가 심각한 결과를 초래할 수 있기 때문입니다. 토양의 심각한 화학적 오염, 수역의 과도한 성장 및 분해 생성물로 인한 오염 죽은 유기물(암모니아, 아민 등), 식수에 용해성 질소 화합물 함량이 높습니다.
질소 및 그 화합물의 독성학
대기 질소 자체는 인체와 포유류에 직접적인 영향을 미칠 만큼 불활성입니다. 그러나 혈압이 높으면 마취, 중독 또는 질식(산소 부족으로 인해)을 유발합니다. 압력이 급격히 감소하면 질소가 감압병을 유발합니다. 질소 대기에 놓인 동물은 빨리 죽지만 질소의 독성 때문이 아니라 산소 부족으로 인해 죽습니다.
많은 질소 화합물은 매우 활동적이며 독성이 있는 경우가 많습니다.
광물질 비료에 포함된 질소의 최대 13%가 지하수로 유입됩니다. 세계보건기구(WHO)는 식수의 질산염 최대 허용 농도를 온대 위도 지역의 경우 45mg/l, 열대 지역의 경우 10mg/l로 채택했습니다.
환경에서 가장 흔한 화학 원소 중 하나는 질소입니다. 대기 중 질소의 양은 많습니다. 대기의 4/5가 이 화학 원소로 구성되어 있습니다. 대부분의 원소는 두 개의 원자가 N 2 분자를 형성하는 자유 형태입니다. 분자 내의 원자 사이의 결합이 상당히 강하기 때문에 이러한 화합물을 직접 사용하는 것은 불가능합니다.
살아있는 유기체가 이 화학 원소를 완전히 흡수하려면 "결합된" 상태로 전환되어야 합니다. 이 상태에서 질소는 전하를 띠는 질산염 이온 NO3-이며, 이 형태로 식물에 흡수될 수 있습니다.
자연의 질소 순환은 "결합" 과정 없이는 불가능합니다. 왜냐하면 N2 분자의 분해가 지구상의 다양한 생명 과정을 지원하는 것을 가능하게 하기 때문입니다.
질소의 특성
질소는 자연에서 주로 자유(비결합) 상태로 발견되는 무색의 무독성 가스입니다. 이것은 대기의 주요 부분입니다. 거의 80%가 분자 물질로 채워져 있습니다. 분자 형태의 질소는 살아있는 자연에 쓸모가 없습니다. 정상적인 조건에서 질소의 분자는 리튬과만 화학적으로 반응합니다. 그러나 생물권의 본질에서 질소의 중요성은 과대평가하기 어렵습니다. 이 물질은 가장 단순한 단백질 분자의 필수적인 부분입니다. 그러나 단백질은 모든 생명체의 필수 요소입니다.
순환은 어떻게 일어나는가?
자연의 질소 순환은 실제로 지구의 생물권에서 질소가 순환하는 폐쇄적이고 상호 연결된 경로의 사슬입니다. 본질적으로 이 결합 요소의 주요 공급자는 다양한 미생물입니다. 9천만 톤에서 1억 4천만 톤의 질소 이온이 생물권에 필요한 상태로 들어가는 것은 미세한 작업자 덕분입니다.
자연에 질소가 존재하는 이유는 주로 박테리아와 조류의 활동 때문입니다. 자연의 N2 순환은 분해된 폐기물에서 질소를 추출하는 다양한 미생물의 활동에서 비롯됩니다. 요소의 한 부분은 이러한 미생물의 존재에 필요한 분자로 변환됩니다. 다른 부분은 암모늄 이온과 암모니아 분자의 형태로 방출됩니다. 다양한 종의 박테리아가 이러한 물질의 질소를 질산염 형태로 전환합니다. 비료 형태의 질소 화합물은 식물에 흡수되고 이를 통해 동물에 흡수됩니다. 유기체가 죽은 후 미량원소는 토양으로 돌아가 자연의 질소 순환을 다시 시작합니다. 질소 흐름 다이어그램은 아래와 같습니다.
주기 동안 N2는 무기 퇴적물에 통합되거나 특정 박테리아의 활동으로 인해 방출될 수 있습니다. 또한 화산 폭발과 간헐천의 작동으로 인해 지구 대기에서 이 물질의 비율이 증가합니다.
농업에 질소를 적용
토지 헥타르당 비료 1kg의 비율로 질소 화합물로 토양을 비옥하게 하면 곡물 수확량을 몇 퍼센트 늘릴 수 있습니다.
농업에서는 100만 톤의 질소가 작물 형태로 제거되는 반면, 질소 비료는 2배 적게 사용됩니다. 광물질 비료 사용의 높은 수익성에도 불구하고 이 물질에 대한 식물의 요구는 인위적으로 20-25%만 충족됩니다. 나머지 양은 생물학적 고정(천연 비료)으로 인해 토양에서 추출됩니다. 생산성의 추가 증가는 분뇨의 합리적인 사용, 광물질 비료의 생산 증가 및 "생물학적"(미생물에 의해 생산된) 고정 질소의 효과적인 사용에만 달려 있습니다.
산업에서의 질소 응용
질소는 산업에서도 사용됩니다. 합성된 물질의 대부분은 암모니아, 폭발물 시스템 및 다양한 염료 생산에 사용됩니다. 이는 또한 제조 산업(예: 코크스 가공)에도 사용됩니다. 질소의 특성은 널리 알려져 있으며 다양한 식품 첨가물 생산에 고려됩니다. 액체질소는 우수한 냉매로서 식품의 냉동에 널리 사용됩니다. 그러나 여전히 그것을 사용하는 주요 방법은 광물질 비료를 생산하는 것입니다.
가장 유명한 질소 전환 박테리아는 콩과 식물의 괴경에서 발견됩니다.
질소의 유익한 특성은 토양 비옥도를 높이는 데 도움이 됩니다. 먼저 렌즈콩, 완두콩 또는 콩을 밭에 뿌린 다음 식물을 땅에 뿌립니다. 그런 다음 이 지역에서 다른 작물을 재배하여 질소를 천연 비료로 사용할 수 있습니다.
광물질 비료
그러나 비료로 이용 가능한 천연 질소는 작물 수확량을 유지하기에 충분하지 않았습니다. 그리고 사람들은 고정질소가 포함된 광물질 비료를 사용하기 시작했습니다.
산업적 규모로 질소를 고정하는 기술은 제1차 세계 대전 직전에 독일 군사 과학자들에 의해 발견되었습니다. 그런 다음 방위 산업의 요구에 맞는 암모니아 생산 계획이 개발되었습니다. 기술을 개선한 후, 과학자들은 농업용 고정 질소를 생산하기 위한 신뢰할 수 있는 계획을 생각해 냈습니다. 현재 농부들은 식량 작물을 재배하기 위해 8천만 톤 이상의 고정 질소를 사용합니다.
천연고정질소
놀랍게도 뇌우 중에는 일정량의 대기 질소가 고정됩니다. 번개는 일반적으로 생각하는 것보다 훨씬 더 자주 발생합니다. 10초 안에 전 세계적으로 약 500번의 번개가 번쩍인다. 전기 방전은 주변 대기를 가열하고 질소는 산소와 결합합니다. 질소 연소 반응이 일어나 다양한 종류의 질소와 산소 화합물이 생성됩니다. 이것은 매우 좋은 형태의 질소 고정이지만 연간 약 천만 톤만 방출합니다.
인공고정질소
위에서 언급했듯이 질소의 주요 공급원은 세계 대부분의 국가에서 농업에 적극적으로 사용되는 광물질 비료입니다. 모든 유형의 화석 연료(석탄, 가스, 석유 파생물)의 연소도 유리 질소를 고정시킵니다. 직접 연소 외에도 엔진과 발전기의 작동은 질소와 산소의 반응에 필요한 열을 생성합니다. 일반적으로 연중 연소를 통해 생물권에 적합한 약 2천만 톤의 질소가 생성됩니다.
결론
자연에서 질소 순환은 어떻게 발생합니까? 이 동작의 다이어그램은 시각적으로 표시될 수 있습니다. 예를 들어, 전체 생물권이 두 개의 상호 연결된 컨테이너라고 상상할 수 있습니다. 대용량은 자연, 주로 수권과 대기에 질소가 존재함을 나타냅니다. 생명체의 일부인 질소가 거의 포함되어 있지 않습니다. 좁은 통로는 두 용기를 연결하며, 질소는 어떤 식으로든 결합 상태로 전달됩니다. 자연 환경에서는 그러한 통로를 통해 질소가 살아있는 유기체에 들어가고 죽은 후에는 무생물의 일부가 됩니다.
비교적 짧은 기간에 걸쳐 인간 활동이 자연 환경의 N2 수준에 영향을 미치기 시작했습니다. 자연에서 질소의 역할은 아직 완전히 연구되지 않았습니다. 각 생태계가 이 물질의 일정량만 흡수할 수 있다는 것은 이미 분명합니다. 모든 생태계에서 질소가 과잉되면 식물이 과도하게 성장하고 강과 저수지가 막히게 됩니다.
이 문제를 부영양화(조류 오염)이라고 합니다. 이 문제가 발생하면 조류는 수역을 어둡게 하여 경쟁하는 생명체를 몰아냅니다. 많은 양의 조류가 죽은 후에는 식물의 잔해가 분해될 수 있도록 물에 포함된 모든 산소가 필요합니다. 물고기, 갑각류 및 기타 동물은 산소가 부족한 수역을 떠납니다. 물은 늪지대가 되고 몇 년이 지나면 진흙으로 뒤덮이게 됩니다. 호수나 연못은 죽은 늪으로 변합니다.
자연의 질소 순환에 대한 추가 연구는 그러한 문제의 결과를 예방하고 인간의 경제 활동과 자연 생태계 간의 균형을 유지하는 데 도움이 될 것입니다.
생물권 내 물질 순환은 태양 에너지 덕분에 살아있는 유기체의 먹이 사슬을 따라 특정 화학 원소가 "여행"하는 것입니다. "여행" 중에 일부 요소는 여러 가지 이유로 떨어져서 일반적으로 땅에 남아 있습니다. 그들의 자리는 일반적으로 대기에서 나오는 것과 동일한 위치를 차지합니다. 이것은 지구상의 생명을 보장하는 것에 대한 가장 간단한 설명입니다. 어떤 이유로 그러한 여행이 중단되면 모든 생명체의 존재가 중단됩니다.
생물권 내 물질의 순환을 간략하게 설명하려면 몇 가지 출발점을 두는 것이 필요합니다. 첫째, 자연에서 알려지고 발견되는 90가지 이상의 화학 원소 중 약 40가지가 살아있는 유기체에 필요합니다. 둘째, 이러한 물질의 양이 제한되어 있습니다. 셋째, 우리는 생물권, 즉 생명체가 들어있는 지구의 껍질, 즉 생명체 간의 상호 작용에 대해서만 이야기하고 있습니다. 넷째, 순환에 기여하는 에너지는 태양에서 나오는 에너지입니다. 다양한 반응의 결과로 지구의 장에서 생성되는 에너지는 고려중인 과정에 참여하지 않습니다. 그리고 마지막으로 한 가지. 이 “여정”의 출발점보다 앞서가는 것이 필요하다. 원에는 끝과 시작이 있을 수 없기 때문에 조건부이지만, 프로세스를 설명하기 위해 어딘가에서 시작하려면 이것이 필요합니다. 분해자 또는 무덤 파는 사람과 함께 영양 사슬의 가장 낮은 링크부터 시작합시다.
갑각류, 벌레, 유충, 미생물, 박테리아 및 기타 무덤 파는 사람은 산소를 소비하고 에너지를 사용하여 무기 화학 원소를 살아있는 유기체에 공급하고 먹이 사슬을 따라 추가 이동하는 데 적합한 유기 물질로 가공합니다. 또한, 이러한 이미 유기 물질은 동물, 새, 어류 등뿐만 아니라 식물도 포함하는 소비자 또는 소비자가 먹습니다. 후자는 생산자 또는 생산자입니다. 그들은 이러한 영양소와 에너지를 사용하여 지구상의 모든 생명체가 호흡하는 데 적합한 주요 요소인 산소를 생성합니다. 소비자, 생산자, 심지어 분해자도 죽습니다. 그들의 유해는 그 안에 포함된 유기 물질과 함께 무덤 파는 사람들의 처분에 따라 "떨어집니다".
그리고 모든 것이 다시 반복됩니다. 예를 들어, 생물권에 존재하는 모든 산소는 2000년에, 이산화탄소는 300년에 완전히 교체됩니다. 이러한 순환을 일반적으로 생지화학적 순환이라고 합니다.
일부 유기 물질은 "여행" 중에 다른 물질과 반응 및 상호 작용을 합니다. 결과적으로 존재하는 형태로는 분해기에 의해 처리될 수 없는 혼합물이 형성됩니다. 이러한 혼합물은 땅에 "저장된" 상태로 유지됩니다. 무덤 파는 사람의 "탁자"에 떨어지는 모든 유기 물질을 처리할 수 있는 것은 아닙니다. 박테리아의 도움으로 모든 것이 썩을 수 있는 것은 아닙니다. 썩지 않은 잔해는 창고에 보관됩니다. 저장 또는 비축 상태로 남아 있는 모든 것은 공정에서 제거되며 생물권의 물질 순환에 포함되지 않습니다.
따라서 생물권에서 살아있는 유기체의 활동을 추진하는 물질의 순환은 두 가지 구성 요소로 나눌 수 있습니다. 하나 - 예비 자금 - 살아있는 유기체의 활동과 관련이 없으며 당분간 순환에 참여하지 않는 물질의 일부입니다. 두 번째는 회전펀드입니다. 이는 살아있는 유기체가 적극적으로 사용하는 물질의 작은 부분만을 나타냅니다.
지구상의 생명체에게 꼭 필요한 기본 화학 원소는 무엇입니까? 산소, 탄소, 질소, 인 등이 있습니다. 화합물 중 순환의 주요 화합물은 물입니다.
산소
생물권의 산소 순환은 광합성 과정에서 시작되어야 하며 그 결과 수십억 년 전에 나타났습니다. 그것은 태양 에너지의 영향으로 식물에 의해 물 분자로부터 방출됩니다. 산소는 또한 전자기 복사의 영향으로 화학 화합물이 분해되는 수증기의 화학 반응 중에 대기의 상층에서 형성됩니다. 그러나 이것은 산소의 미미한 공급원입니다. 주요한 것은 광합성입니다. 산소는 물에서도 발견됩니다. 대기보다 21 배 적습니다.
생성된 산소는 살아있는 유기체가 호흡을 위해 사용합니다. 또한 다양한 무기염의 산화제이기도 합니다.
그리고 사람은 산소 소비자입니다. 그러나 과학 기술 혁명이 시작되면서 이러한 소비는 여러 번 증가했습니다. 수많은 산업 생산, 운송 중에 산소가 연소되거나 결합되어 인간 생활에서 가정 및 기타 요구를 충족시키기 때문입니다. 기존에 존재했던 이른바 대기 중 산소 교환기금은 전체 부피의 5%에 달했다. 즉, 광합성 과정에서 소비된 만큼의 산소가 생산된 셈이다. 이제 이 볼륨은 엄청나게 작아지고 있습니다. 말하자면 산소는 비상 예비량에서 소비됩니다. 거기에서는 추가할 사람이 없습니다.
이 문제는 일부 유기 폐기물이 처리되지 않고 부패성 박테리아의 영향을 받지 않고 퇴적암에 남아 이탄, 석탄 및 유사한 광물을 형성한다는 사실로 인해 약간 완화됩니다.
광합성의 결과가 산소라면 그 원료는 탄소입니다.
질소
생물권의 질소 순환은 단백질, 핵산, 지단백질, ATP, 엽록소 등과 같은 중요한 유기 화합물의 형성과 관련이 있습니다. 질소는 분자 형태로 대기 중에 존재합니다. 살아있는 유기체와 함께 이는 지구상의 모든 질소의 약 2%에 불과합니다. 이 형태에서는 박테리아와 남조류만이 섭취할 수 있습니다. 나머지 식물 세계에서는 분자 형태의 질소가 식품 역할을 할 수 없으며 무기 화합물 형태로만 처리될 수 있습니다. 이러한 화합물 중 일부 유형은 뇌우 중에 형성되어 강우와 함께 물과 토양에 떨어집니다.
질소 또는 질소 고정의 가장 활동적인 "재활용자"는 결절 박테리아입니다. 그들은 콩과 식물 뿌리 세포에 정착하여 분자 질소를 식물에 적합한 화합물로 전환합니다. 그들이 죽은 후에는 토양에도 질소가 풍부해집니다.
부패성 박테리아는 질소 함유 유기 화합물을 암모니아로 분해합니다. 그 중 일부는 대기로 배출되고 나머지는 다른 유형의 박테리아에 의해 아질산염과 질산염으로 산화됩니다. 이들은 차례로 식물에 먹이로 공급되며 질산화 박테리아에 의해 산화물과 분자 질소로 환원됩니다. 대기권에 다시 들어갑니다.
따라서 다양한 유형의 박테리아가 질소 순환에서 주요 역할을 한다는 것이 분명합니다. 그리고 만약 당신이 이 종들 중 적어도 20종을 파괴한다면, 지구상의 생명체는 멸종될 것입니다.
그리고 다시 한번 확립된 회로가 사람에 의해 깨졌습니다. 그는 작물 수확량을 늘리기 위해 질소 함유 비료를 적극적으로 사용하기 시작했습니다.
탄소
생물권의 탄소 순환은 산소와 질소의 순환과 불가분의 관계가 있습니다.
생물권에서 탄소 순환 체계는 녹색 식물의 생명 활동과 이산화탄소를 산소로 전환하는 능력, 즉 광합성을 기반으로 합니다.
탄소는 다양한 방식으로 다른 원소와 상호 작용하며 거의 모든 종류의 유기 화합물의 일부입니다. 예를 들어, 이산화탄소와 메탄의 일부입니다. 그것은 물에 용해되며 그 함량은 대기보다 훨씬 높습니다.
탄소는 유병률 측면에서 상위 10위 안에 들지는 않지만 살아있는 유기체에서는 건조 질량의 18~45%를 차지합니다.
바다는 이산화탄소 수준을 조절하는 역할을 합니다. 공기 중 물의 비율이 증가하자마자 물은 이산화탄소를 흡수하여 위치를 평준화합니다. 바다에서 탄소를 소비하는 또 다른 사람은 조개껍질을 만드는 데 탄소를 사용하는 해양 생물입니다.
생물권의 탄소 순환은 일종의 교환 자금인 대기권과 수권의 이산화탄소 존재에 기초합니다. 그것은 살아있는 유기체의 호흡에 의해 보충됩니다. 토양의 유기 잔류물을 분해하는 과정에 참여하는 박테리아, 곰팡이 및 기타 미생물은 대기 중 이산화탄소 보충에도 참여합니다. 탄소는 광물화되고 썩지 않은 유기 잔류물에 "보존"됩니다. 석탄 및 갈탄, 이탄, 오일 셰일 및 이와 유사한 퇴적물. 그러나 주요 탄소 예비 기금은 석회석과 백운석입니다. 그들이 포함하고 있는 탄소는 지구 깊숙한 곳에 "안전하게 숨겨져" 있으며 지각 변동과 폭발 중 화산 가스 방출 중에만 방출됩니다.
탄소 방출을 통한 호흡 과정과 탄소 흡수를 통한 광합성 과정은 살아있는 유기체를 매우 빠르게 통과하기 때문에 지구 전체 탄소의 극히 일부만이주기에 참여합니다. 이 과정이 상호적이지 않다면 초밥 공장만으로도 4~5년 안에 모든 탄소를 소모하게 될 것입니다.
현재 인간 활동 덕분에 식물계에는 이산화탄소가 부족하지 않습니다. 두 가지 소스에서 즉시 동시에 보충됩니다. 이러한 유형의 인간 활동 작업을 위해 산업, 생산 및 운송 작업뿐만 아니라 석탄, 이탄, 셰일 등과 같은 "통조림 제품"의 사용과 관련하여 산소를 연소합니다. 대기 중 이산화탄소 함량이 25% 증가한 이유는 무엇입니까?
인
생물권의 인 순환은 ATP, DNA, RNA 등과 같은 유기 물질의 합성과 불가분의 관계가 있습니다.
토양과 물의 인 함량은 매우 낮습니다. 주요 매장량은 먼 과거에 형성된 암석에 있습니다. 이 암석이 풍화되면서 인 순환이 시작됩니다.
인은 오르토인산 이온의 형태로만 식물에 흡수됩니다. 이것은 주로 무덤 파는 사람이 유기 잔해를 처리한 결과입니다. 그러나 토양의 알칼리성 또는 산성 인자가 높으면 인산염이 실제로 용해되지 않습니다.
인은 다양한 종류의 박테리아에 탁월한 영양소입니다. 특히 인 함량이 증가함에 따라 급속히 발전하는 남조류.
그러나 대부분의 인은 강이나 다른 물과 함께 바다로 운반됩니다. 그곳에서는 식물성 플랑크톤과 바닷새 및 다른 종의 동물이 적극적으로 먹습니다. 그 후, 인은 해저로 떨어져 퇴적암을 형성합니다. 즉, 바닷물 층 아래에서만 땅으로 돌아갑니다.
보시다시피 인 순환은 구체적입니다. 폐쇄되어 있지 않기 때문에 회로라고 부르기는 어렵습니다.
황
생물권에서는 아미노산 형성에 황 순환이 필요합니다. 이는 단백질의 3차원 구조를 생성합니다. 여기에는 에너지를 합성하기 위해 산소를 소비하는 박테리아와 유기체가 포함됩니다. 그들은 황을 황산염으로 산화시키고, 단세포 핵전 생명체는 황산염을 황화수소로 환원시킵니다. 그 외에도 전체 유황 박테리아 그룹은 황화수소를 황으로 산화시킨 다음 황산염으로 산화시킵니다. 식물은 토양에서 황 이온(SO 2-4)만 소비할 수 있으므로 일부 미생물은 산화제이고 다른 미생물은 환원제입니다.
유황과 그 유도체가 생물권에 축적되는 곳은 바다와 대기입니다. 유황은 물에서 황화수소가 방출되면서 대기로 유입됩니다. 또한, 황은 생산 및 가정용으로 화석 연료가 연소될 때 이산화물의 형태로 대기에 유입됩니다. 주로 석탄. 그곳에서 산화되어 빗물 속에서 황산으로 변하여 땅에 떨어집니다. 산성비 자체는 동식물계 전체에 심각한 해를 끼치며, 폭풍우와 녹은 물과 함께 강으로 유입됩니다. 강은 황산염 이온을 바다로 운반합니다.
유황은 또한 황화물 형태와 기체 형태(황화수소 및 이산화황)로 암석에 포함되어 있습니다. 바다 밑바닥에는 천연 유황이 매장되어 있습니다. 그러나 이것은 모두 "예비"입니다.
물
생물권에는 더 이상 널리 퍼진 물질이 없습니다. 그 매장량은 주로 바다와 바다의 짠맛이 나는 형태로 약 97 %입니다. 나머지는 담수, 빙하, 지하수 및 지하수입니다.
생물권의 물 순환은 전통적으로 저수지 표면과 식물 잎의 증발로 시작되며 그 양은 약 500,000m3입니다. km. 강수량은 직접적으로 수역으로 떨어지거나 토양과 지하수를 통과하여 강수량의 형태로 되돌아옵니다.
생물권에서 물의 역할과 진화의 역사는 출현 순간부터 모든 생명체가 완전히 물에 의존했다는 것입니다. 생물권에서 물은 살아있는 유기체를 통해 여러 번 분해와 탄생의 순환을 거쳤습니다.
물 순환은 대체로 물리적인 과정입니다. 그러나 동물, 특히 식물의 세계가 여기에 중요한 역할을 합니다. 나무 잎의 표면에서 물이 증발하는 정도는 예를 들어 1헥타르의 숲에서 하루 최대 50톤의 물이 증발하는 정도입니다.
저수지 표면에서 물의 증발이 순환을 위해 자연스럽다면 산림 지역이 있는 대륙의 경우 이러한 과정이 물을 보존하는 유일하고 주요한 방법입니다. 여기서 순환은 마치 닫힌 사이클처럼 발생합니다. 강수량은 토양과 식물 표면의 증발로 인해 형성됩니다.
광합성 과정에서 식물은 물 분자에 포함된 수소를 사용하여 새로운 유기 화합물을 생성하고 산소를 방출합니다. 그리고 반대로 호흡 과정에서 생명체는 산화 과정을 거치며 다시 물이 생성됩니다.
다양한 유형의 화학 물질의 순환을 설명하면서 우리는 이러한 과정에 대한 인간의 보다 적극적인 영향에 직면하게 됩니다. 현재 자연은 수십억 년의 생존 역사로 인해 혼란스러운 균형을 조절하고 회복하는 데 대처하고 있습니다. 그러나 "질병"의 첫 번째 증상은 이미 나타났습니다. 그리고 이것이 바로 '온실 효과'입니다. 두 가지 에너지, 즉 태양 에너지와 지구에 의해 반사되는 에너지는 살아있는 유기체를 보호하지 않지만 반대로 서로를 강화합니다. 결과적으로 주변 온도가 상승합니다. 빙하가 빠르게 녹고 바다, 땅, 식물 표면에서 물이 증발하는 것 외에 그러한 증가로 인해 어떤 결과가 있을 수 있습니까?
비디오 - 생물권의 물질 순환
쌀. 생물권의 질소 순환
질소 순환은 생물권의 모든 영역을 포괄합니다. 식물에 의한 흡수는 제한적입니다., 그들은 수소와 산소 (NO 3- 및 NH 4)와 결합하는 형태로만 질소를 흡수하기 때문입니다. 그리고 이것은 대기 중 질소 매장량이 무궁무진하다는 사실에도 불구하고(부피의 78%). 분해자(소멸자) 또는 오히려 토양 박테리아, 죽은 유기체의 단백질 물질을 점차적으로 분해하여 암모늄 화합물, 질산염 및 아질산염으로 전환합니다. 질산염 중 일부는 순환 중에 지하수에 들어가 오염시킵니다.
질소는 다시 대기로 돌아갑니다. 부패 중에 방출되는 가스. 사실, 일부 산화하다공기 중 - 뇌우 중 - 빗물과 함께 토양에 들어가지만 이런 식으로 박테리아보다 10 배 적게 고정됩니다.
인간의 개입 질소 순환은 다음과 같습니다.
~에 화석 연료 연소다량의 질소산화물(NO)이 대기로 방출됩니다. 산화질소는 대기 중의 산소와 결합하여 이산화질소(NO2)를 형성하며, 이는 수증기와 반응하여 형성될 수 있습니다. 질산(HNO 3 ) . 이 산은 산성 침전의 성분.
비료의 사용대기로 방출됩니다 " 온실 가스» 아산화질소(N 2 영형)
다음과 같은 경우 수생 생태계에서 질산염과 암모늄 이온의 양이 증가합니다. 들판에서 흘러나오는 비료. 과도한 영양분은 빠른 속도로 이어집니다. 조류 성장, 분해되는 동안 용존 산소가 소비되어 대량으로 발생합니다. 물고기의 역병.
인과 황의 생화학적 순환은 훨씬 덜 완벽합니다. 그들 중 대부분은 "접근할 수 없는" 매장지인 지각의 예비 기금에 포함되어 있습니다.
황과 인의 순환이 대표적이다. 퇴적생지화학적 순환. 그러한 주기 다양한 영향으로 인해 쉽게 손상됨교환된 물질의 일부가 사이클을 떠납니다. 지질학적 과정의 결과나 생물에 의한 친생체 성분의 추출을 통해서만 주기로 다시 돌아올 수 있습니다.
인 순환
쌀. 생물권의 인 순환
주로 인산염 이온(PO 3- 및 HPO 4 2-) 형태의 인은 중요한 식물과 동물 모두의 영양 성분. 분자의 일부입니다 DNA, 운반 유전정보; 분자 ATP와 ADP, 유기체에 필요한 것을 저장합니다. 화학 에너지, 세포 호흡에 사용됩니다. 분자 지방, 형성 세포막식물과 동물 세포에서; 뿐만 아니라 조성물에 포함된 물질 뼈와 치아.
인은 다음에서 발견됩니다. 바위과거 지질시대에 형성되었다. 이 암석이 지각 깊이에서 지표면, 풍화 지역으로 상승하면 생지 화학적 순환에 들어갈 수 있습니다. 침식 과정그 사람은 끌려가고 있어 바다에서잘 알려진 광물의 형태로 - 인회석.
일반적인 인 순환은 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 물과 땅.
육상 생태계에서는 인이 천천히 방출됩니다. 파괴(또는 풍화) 인산염 광석, 토양 수분에 의해 용해되고 식물뿌리로 흡수.
동물은 필요한 인을 얻습니다. 식사식물이나 다른 초식 동물. 이 인의 상당 부분은 다음과 같은 형태로 존재합니다. 동물 배설물 및 분해 산물죽은 동물과 식물은 다시 돌아옵니다. 토양, 침식 있음 - 있음 강하, 그리고 결국 바다 밑바닥까지불용성 인산염 퇴적암의 형태.
인은 수생 생태계에 흡수됩니다. 식물성 플랑크톤그리고 영양 사슬을 따라 3차 소비자까지 전달됩니다. 바닷새. 그들의 배설물( 구아노) 다시 빠져들다 바다사이클에 진입하거나 해안에 쌓이다그리고 바다로 씻겨 나가다. 따라서 인의 일부는 물고기를 먹는 새 (펠리컨, 가넷, 가마우지 등)의 배설물에 인이 풍부한 유기물 인 구아노의 형태로 육지 표면으로 돌아갑니다. 그러나 자연 과정과 인위적 활동의 결과로 매년 비교할 수 없을 정도로 많은 양의 인산염이 육지 표면에서 바다로 씻겨 나가고 있습니다.
인간의 개입 인 순환에는 주로 두 가지 옵션이 있습니다.
생산대량 인산염 광석광물질 비료 및 세제 생산용;
수생 생태계에서 인산염 이온의 과잉 증가당신이 그들을 때렸을 때 가축 농장의 오염된 유출수, 들판에서 씻겨 나갔다. 인산염 비료, 처리된 도시 폐기물과 처리되지 않은 도시 폐기물뿐만 아니라 배수구. 이러한 요소의 과잉은 남조류 및 기타 수생 식물의 "폭발적인" 성장에 기여하여 수생 생태계의 중요한 균형을 뒤흔듭니다.
황 순환
Sera는 또한 다음과 같은 주요 준비금을 보유하고 있습니다. 퇴적물그리고 토양, 그러나 인과 달리 예비 기금이 있으며 대기.
교환 기금에서 주요 역할은 다음에 속합니다. 미생물. 그들 중 하나 환원제, 다른 - 산화제.
바위에황은 황화물(FeS2 등)의 형태로 발생합니다. 솔루션– 이온 형태(SO 4 -2), 기체상에서– 황화수소(H2S) 또는 이산화황(SO2) 형태. 유황은 일부 유기체에 축적됩니다. 가장 순수한 형태로(S2) 그리고 이들이 죽으면 바다 밑바닥에 천연 황의 퇴적물이 형성됩니다.
해양 환경에서 황산이온은 염소 다음으로 함량이 두 번째이며, 자가영양생물에 의해 환원되어 아미노산에 포함되는 황의 주요 이용 형태입니다.
황 순환, 유기체는 소량을 필요로 하지만, 생산과 분해의 전반적인 과정에서 핵심입니다.
육상 생태계에서 유황은 다음으로 되돌아갑니다. 토양~에 식물이 죽어가고 있다, 캡처됨 미생물, 어느 복원하다 H2S로. 다른 유기체와 산소 자체에 노출되면 이러한 제품이 산화됩니다. 결성됨 황산염녹여 흡수하다 식물토양의 기공 용액에서 - 이것이 순환이 계속되는 방식입니다.
황 순환과 질소 순환이 중단될 수 있습니다. 인간의 개입 . 이는 주로 다음으로 인해 발생합니다. 화석 연료 연소, 특히 석탄. 이산화황(SO2)은 광합성 과정을 방해하고 다음과 같은 결과를 초래합니다. 식물의 죽음.
인간에 의해 생지화학적 순환이 교란되면 물질의 순환이 불가능해진다 주기적, ㅏ 비순환. 천연자원 보호는 특히 비순환적 생지화학적 과정을 순환적 과정으로 전환하는 것을 목표로 해야 합니다.
