Ciclo do nitrogênio na natureza. Propriedades do nitrogênio

Tipo de aula - combinado

Métodos: parcialmente pesquisa, apresentação do problema, reprodutiva, explicativa e ilustrativa.

Alvo:

Consciência dos alunos sobre o significado de todas as questões discutidas, a capacidade de construir as suas relações com a natureza e a sociedade baseadas no respeito pela vida, por todos os seres vivos como parte única e inestimável da biosfera;

Tarefas:

Educacional: mostrar a multiplicidade de fatores que atuam sobre os organismos da natureza, a relatividade do conceito de “fatores nocivos e benéficos”, a diversidade da vida no planeta Terra e as opções de adaptação dos seres vivos a toda a gama de condições ambientais.

Educacional: desenvolver habilidades de comunicação, capacidade de obter conhecimentos de forma independente e estimular a atividade cognitiva; capacidade de analisar informações, destacar o principal do material em estudo.

Educacional:

Cultivar uma cultura de comportamento na natureza, as qualidades de uma personalidade tolerante, incutir interesse e amor pela natureza viva, formar uma atitude positiva estável em relação a todos os organismos vivos na Terra, desenvolver a capacidade de ver a beleza.

Pessoal: interesse cognitivo em ecologia.. Compreender a necessidade de obter conhecimento sobre a diversidade de conexões bióticas em comunidades naturais para a conservação de biocenoses naturais. A capacidade de escolher objetivos e significados em suas ações e ações em relação à natureza viva. A necessidade de uma avaliação justa do próprio trabalho e do trabalho dos colegas

Cognitivo: capacidade de trabalhar com diversas fontes de informação, transformá-la de uma forma para outra, comparar e analisar informações, tirar conclusões, preparar mensagens e apresentações.

Regulatório: a capacidade de organizar a conclusão independente de tarefas, avaliar a correção do trabalho e refletir sobre suas atividades.

Comunicação: participar do diálogo em aula; responder perguntas do professor, colegas, falar diante de um público utilizando equipamento multimídia ou outro meio de demonstração

Resultados planejados

Assunto: conhecer os conceitos de “habitat”, “ecologia”, “fatores ecológicos”, sua influência nos organismos vivos, “conexões entre seres vivos e não vivos”;. Ser capaz de definir o conceito de “fatores bióticos”; caracterizar fatores bióticos, dar exemplos.

Pessoal: fazer julgamentos, pesquisar e selecionar informações; analisar conexões, comparar, encontrar uma resposta para uma questão problemática

Metassujeito: conexões com disciplinas acadêmicas como biologia, química, física, geografia. Planejar ações com objetivo definido; encontre as informações necessárias no livro didático e na literatura de referência; realizar análises de objetos naturais; tirar conclusões; formule sua própria opinião.

Forma de organização das atividades educativas - indivíduo, grupo

Métodos de ensino: trabalho visual-ilustrativo, explicativo-ilustrativo, parcialmente baseado em pesquisa, independente, com literatura adicional e livro didático, com COR.

Técnicas: análise, síntese, inferência, tradução de informações de um tipo para outro, generalização.

Aprendendo novo material

Ciclo do nitrogênio

O ciclo do nitrogênio é um exemplo de ciclo autorregulado com um grande fundo de reserva na atmosfera. O ar, 78% constituído por nitrogênio, é o maior “reservatório” e ao mesmo tempo, devido à sua baixa atividade química, uma “válvula de segurança” do sistema. O nitrogênio é constantemente liberado na atmosfera devido à atividade de bactérias desnitrificantes e é constantemente removido da atmosfera como resultado da atividade de bactérias fixadoras de nitrogênio e algumas algas (fixação bioquímica de nitrogênio), bem como da ação de descargas elétricas durante tempestades. O ciclo do nitrogênio consiste nos seguintes processos: fixação, assimilação, nitrificação, desnitrificação, decomposição, lixiviação, remoção, precipitação, etc.

O ciclo do nitrogênio na biosfera é único e lento. A fixação de nitrogênio na matéria viva é realizada por um número limitado de seres vivos. Microrganismos individuais contidos no solo e nas camadas superiores do Oceano Mundial são capazes de quebrar o nitrogênio molecular (N2) e usar seus átomos para construir grupos amino de proteínas (-1NH) e outros compostos orgânicos. O nitrogênio atmosférico é absorvido por bactérias fixadoras de nitrogênio e alguns tipos de algas verde-azuladas. Eles sintetizam nitratos, que ficam disponíveis para uso por outras plantas da biosfera. A biofixação de nitrogênio é realizada por algumas bactérias em simbiose com plantas superiores no solo (por exemplo, bactérias nodulares que vivem nas raízes de leguminosas). Após a sua morte, as plantas e os animais devolvem o nitrogênio ao solo, de onde entra nas novas gerações de plantas e animais.

Uma certa parte do nitrogênio na forma de moléculas retorna à atmosfera. Nos solos ocorre o processo de nitrificação, que consiste em uma cadeia de reações quando, com a participação de microrganismos, ocorre a oxidação do íon amônio (IN^) a nitrito (N02") ou nitrito a nitrato (IO3-). Redução de nitritos e nitratos a um composto gasoso de nitrogênio molecular (N2) ou óxidos de nitrogênio (IxOy) constituem a essência do processo de desnitrificação.

Isótopos

O nitrogênio natural consiste em dois isótopos estáveis 14 N - 99,635% e 15 N - 0,365%.

Isótopos radioativos de nitrogênio são conhecidos com números de massa 11,12,13,16 e 17. Todos eles são isótopos de vida muito curta. O mais estável deles, 13 N, tem meia-vida de 10 minutos.

Momento magnético de núcleos isotópicos EU N 14 =1, eu N 15 =1/2.

Prevalência

Fora da Terra, o nitrogênio (seus compostos e radicais - CN", NH", NH` 2, NH 3) é encontrado em nebulosas gasosas, na atmosfera solar, em Urano, Netuno e no espaço interestelar. Cerca de 2% de nitrogênio foi registrado na atmosfera de Vênus, mas este número ainda requer confirmação. O nitrogênio é o quarto elemento mais abundante no sistema solar (depois do hidrogênio, hélio e oxigênio). A vida deve muito ao nitrogênio, mas o nitrogênio, pelo menos o nitrogênio atmosférico, deve sua origem não tanto ao Sol, mas aos processos vitais.

A maior parte do nitrogênio é encontrada em estado livre na natureza. O nitrogênio, na forma de moléculas diatômicas de N2, compõe a maior parte da atmosfera, onde seu conteúdo é de 75,6% (em massa) ou 78,084% (em volume), ou seja, cerca de 3,87 * 10 15 toneladas. Em geral, vivemos numa atmosfera de nitrogênio moderadamente enriquecida com oxigênio.

A massa de nitrogênio dissolvida na hidrosfera, levando em consideração que ocorrem simultaneamente os processos de dissolução do nitrogênio atmosférico na água e liberação na atmosfera, é de cerca de 2 * 10 13 toneladas, além disso, aproximadamente 7 * 10 11 toneladas de nitrogênio são contido na hidrosfera na forma de compostos.

Papel biológico

O nitrogênio é um elemento necessário à existência de animais e plantas. Faz parte de proteínas (16-18% em peso), aminoácidos, ácidos nucléicos, nucleoproteínas, clorofila, hemoglobina, etc. na composição das células vivas pelo número de átomos de nitrogênio - cerca de 2%, por fração de massa - cerca de 2,5% (quarto lugar depois do hidrogénio, carbono e oxigénio). A este respeito, uma quantidade significativa de nitrogênio fixo está contida nos organismos vivos, na “matéria orgânica morta” e na matéria dispersa dos mares e oceanos. Essa quantidade é estimada em aproximadamente 1,9*10 11 toneladas. Como resultado dos processos de decomposição e decomposição da matéria orgânica contendo nitrogênio, sujeitos a fatores ambientais favoráveis, podem ser formados depósitos naturais de minerais contendo nitrogênio, por exemplo, “salitre chileno” (nitrato de sódio com misturas de outros compostos), Salitre norueguês, indiano.

Ciclo do nitrogênio na natureza

O nitrogênio é um gás incolor e inodoro e ligeiramente solúvel em água. É ligeiramente mais leve que o ar: a massa de um litro de nitrogênio é 1,25 g. O nitrogênio molecular é uma substância quimicamente inativa. À temperatura ambiente, interage apenas com o lítio. A baixa atividade do nitrogênio é explicada pela alta resistência de suas moléculas, o que determina a alta energia de ativação das reações que ocorrem com a participação do nitrogênio.

O conteúdo total de nitrogênio na crosta terrestre é de 0,04% (em massa). O nitrogênio constitui cerca de 79% da atmosfera, mas um grande número de seres vivos não consegue utilizar diretamente esse suprimento de nitrogênio. Deve primeiro ser fixado por organismos especializados ou por seres humanos - neste último caso a fixação é realizada através de processos industriais especialmente concebidos.

Apesar da maior complexidade, esse ciclo ocorre de forma rápida e tranquila. O ar, contendo 78% de nitrogênio, serve simultaneamente como um enorme recipiente e uma válvula de segurança para o sistema. Alimenta continuamente e em diferentes formas o ciclo do nitrogênio.

O ciclo do nitrogênio é o seguinte. Sua principal função é fazer parte das estruturas vitais do corpo - aminoácidos proteicos, bem como ácidos nucléicos. Os organismos vivos contêm aproximadamente 3% do fundo total de nitrogênio ativo. As plantas consomem aproximadamente 1% de nitrogênio; seu tempo de ciclo é de 100 anos.

Das plantas produtoras, os compostos contendo nitrogênio passam para os consumidores, dos quais, após a eliminação das aminas dos compostos orgânicos, o nitrogênio é liberado na forma de amônia ou uréia, e a uréia também é convertida em amônia (devido à hidrólise).

Arroz. 1. Transformação e utilização do CO 2 na natureza

Posteriormente, nos processos de oxidação do nitrogênio amoniacal (nitrificação), formam-se nitratos que podem ser assimilados pelas raízes das plantas. Durante a desnitrificação, alguns dos nitritos e nitratos são reduzidos a nitrogênio molecular que entra na atmosfera. Todas essas transformações químicas são possíveis como resultado da atividade vital dos microrganismos do solo. Essas bactérias incríveis - fixadoras de nitrogênio - são capazes de usar a energia de sua respiração para absorver diretamente o nitrogênio atmosférico e sintetizar proteínas. Desta forma, cerca de 25 kg de nitrogênio por 1 hectare são introduzidos anualmente no solo.

Mas as bactérias mais eficazes vivem em simbiose com leguminosas em nódulos que se desenvolvem nas raízes das plantas. Na presença de molibdênio, que serve como catalisador, e de uma forma especial de hemoglobina (única em plantas), essas bactérias ( Rizóbio) assimilam enormes quantidades de nitrogênio. O nitrogênio resultante (fixo) difunde-se continuamente na rizosfera (parte do solo) à medida que os nódulos se desintegram. Mas o nitrogênio também entra na parte aérea das plantas. Isto torna as leguminosas excepcionalmente ricas em proteínas e altamente nutritivas para os herbívoros. A reserva anual, assim acumulada nas culturas de trevo e alfafa, é de 150-140 kg/ha.

Além das leguminosas, essas bactérias vivem nas folhas das plantas (nos trópicos) da família Rubláceas, bem como actinomicetos - em raízes de amieiro, fixando nitrogênio. No ambiente aquático, são algas azuis.

Por outro lado, as bactérias desnitrificantes decompõem nitratos e liberam N2, que evapora na atmosfera. Mas esse processo não é muito perigoso, pois decompõe aproximadamente 20% do nitrogênio total, e somente em solos altamente fertilizados com esterco (aproximadamente 50-60 kg de nitrogênio por hectare).

Embora as pessoas e os animais terrestres vivam no fundo de um oceano de ar, constituído principalmente por nitrogênio, é esse elemento que mais determina o abastecimento alimentar dos habitantes desse oceano. Todos dependemos dos recursos fixos de azoto disponíveis. “Fixo” é o nitrogênio incluído em um composto químico que pode ser utilizado por plantas e animais. O nitrogênio não é ativo na atmosfera, mas alguns organismos ainda podem ligá-lo. Uma quantidade menor de nitrogênio atmosférico é fixada em processos naturais de ionização. A atmosfera é ionizada por raios cósmicos, queima de meteoritos e descargas elétricas (raios) em um curto espaço de tempo, liberando uma grande quantidade de energia necessária para que o nitrogênio reaja com o oxigênio ou hidrogênio na água. Até mesmo alguns organismos marinhos fixam azoto, mas aparentemente os maiores fornecedores de azoto fixo na natureza são os microrganismos do solo e as associações simbióticas entre esses organismos e as plantas.

A fixação do nitrogênio atmosférico na natureza ocorre em duas direções principais - abiogênica e biogênica. A primeira via envolve principalmente reações de nitrogênio com oxigênio. Como o nitrogênio é quimicamente muito inerte, são necessárias grandes quantidades de energia (altas temperaturas) para a oxidação. Essas condições são alcançadas durante descargas atmosféricas quando a temperatura atinge 25.000 o C ou mais. Neste caso, ocorre a formação de vários óxidos de nitrogênio. Existe também a possibilidade de que a fixação abiótica ocorra como resultado de reações fotocatalíticas na superfície de semicondutores ou dielétricos de banda larga (areia do deserto).

No entanto, a maior parte do nitrogênio molecular (cerca de 1,4 * 10 8 t/ano) é fixada biogenicamente. Durante muito tempo acreditou-se que apenas um pequeno número de espécies de microrganismos (embora difundidos na superfície da Terra) poderiam ligar o nitrogênio molecular: bactérias Azotobacter E Clostrídio, bactérias nodulares de plantas leguminosas Rizóbio, cianobactéria Anabaena, Nostoc etc. Sabe-se agora que muitos outros organismos na água e no solo têm esta capacidade, por exemplo, os actinomicetos nos tubérculos do amieiro e de outras árvores (160 espécies no total). Todos eles convertem o nitrogênio molecular em compostos de amônio (NH 4 +). Este processo requer um gasto energético significativo (para fixar 1g de nitrogênio atmosférico, as bactérias presentes nos nódulos das leguminosas consomem cerca de 167,5 kJ, ou seja, oxidam aproximadamente 10g de glicose). Assim, é visível o benefício mútuo da simbiose entre plantas e bactérias fixadoras de nitrogênio - as primeiras fornecem às últimas um “lugar para morar” e fornecem o “combustível” obtido com a fotossíntese - a glicose, as últimas fornecem o nitrogênio necessário para as plantas em uma forma que elas possam absorver.

De todos os tipos de intervenção humana no ciclo natural das substâncias, a fixação industrial de nitrogênio é a de maior escala. Antigamente, quando não havia produção em massa de fertilizantes artificiais, quando as leguminosas fixadoras de nitrogênio ainda não eram cultivadas em grandes áreas, a quantidade de nitrogênio retirada da atmosfera no processo de fixação natural era completamente equilibrada pelo seu retorno à atmosfera. como resultado da atividade de organismos convertendo nitratos orgânicos em nitrogênio gasoso. O nitrogênio na forma de amônia e compostos de amônio, resultante do processo de fixação biogênica do nitrogênio, é rapidamente oxidado em nitratos e nitritos (esse processo é chamado de nitrificação). Estes últimos, não conectados por tecidos vegetais (e mais adiante na cadeia alimentar por herbívoros e predadores), não permanecem no solo por muito tempo. A maioria dos nitratos e nitritos são altamente solúveis, por isso são levados pela água e acabam nos oceanos do mundo (esse fluxo é estimado em 2,5 - 8 * 10 7 toneladas/ano).

A remoção excessiva de compostos nitrogenados nos rios pode causar proliferação de algas e, como resultado do aumento da atividade biológica, a água pode ser privada de oxigênio, o que causará a morte de peixes e outros organismos que necessitam de oxigênio. O exemplo mais famoso disso é a rápida eutrofização do Lago Erie.

O nitrogênio incluído nos tecidos de plantas e animais, após sua morte, sofre amonificação (decomposição de compostos complexos contendo nitrogênio com liberação de amônia e íons amônio) e desnitrificação, ou seja, liberação de nitrogênio atômico, bem como de seus óxidos . Esses processos ocorrem inteiramente devido à atividade de microrganismos em condições aeróbicas e anaeróbicas.

Para se ter uma ideia dos caminhos complexamente ramificados ao longo dos quais o nitrogênio se move na biosfera, vamos traçar o caminho dos átomos de nitrogênio da atmosfera para as células dos microrganismos, depois para o solo como nitrogênio fixo e do solo para os níveis superiores. plantas, de onde o nitrogênio fixo pode entrar nos organismos animais. As plantas e os animais, quando morrem, devolvem o nitrogênio fixado ao solo, de onde entra nas novas gerações de plantas e animais, ou passa para a atmosfera na forma de nitrogênio elementar.

Alguns organismos consideram benéfico oxidar compostos de nitrogênio, enquanto outros organismos que vivem no mesmo ambiente sobrevivem apenas devido à sua capacidade de reduzir esses compostos. Além dos organismos fotossintéticos que utilizam a energia luminosa, todos os seres vivos obtêm energia por meio de transformações químicas. Geralmente esta é a oxidação de um composto com a redução simultânea de outro, embora às vezes diferentes moléculas da mesma substância ou mesmo diferentes fragmentos da mesma molécula possam ser oxidados e reduzidos. O ciclo do nitrogênio na natureza viva é possível porque a oxidação de compostos inorgânicos reduzidos de nitrogênio pelo oxigênio atmosférico libera energia de uma forma biologicamente eficaz. Sob condições anaeróbicas, os compostos de nitrogênio oxidados podem servir como oxidantes de compostos orgânicos, liberando energia útil.

O papel específico do nitrogênio nos processos biológicos se deve a um número incomumente grande de estados de oxidação, ou seja, valências. Valência- esta é a propriedade de um átomo de um determinado elemento de anexar ou substituir um certo número de átomos de outro elemento. No corpo de animais e plantas, a maior parte do nitrogênio está presente na forma de íon amônio ou na forma de compostos amino. Em ambas as formas, o nitrogênio é altamente reduzido: tendo se combinado com outros três átomos, aceitou deles três elétrons, ou seja, possui estado de oxidação de -3. Em outra forma altamente oxidada (íon nitrato (NO 3 +5), os cinco elétrons externos do átomo de nitrogênio participam da formação de ligações com o átomo de oxigênio, adquirindo assim um estado de oxidação de +5. O íon nitrato é a principal forma em qual nitrogênio está presente no solo.Quando um íon de amônio ou aminoácidos passa para os nitratos do solo, a valência do nitrogênio deve mudar em 8 unidades, ou seja, o átomo perde 8 elétrons.Quando o nitrogênio do nitrato passa para o nitrogênio amino, o átomo ganha 8 elétrons.

Os compostos inorgânicos de nitrogênio não ocorrem em grandes quantidades na natureza, com exceção do nitrato de sódio NaNO 3, que forma camadas espessas na costa do Pacífico do Chile. O solo contém pequenas quantidades de nitrogênio, principalmente na forma de sais de ácido nítrico. Mas na forma de compostos orgânicos complexos - proteínas - o nitrogênio faz parte de todos os organismos vivos. As transformações pelas quais as proteínas passam nas células vegetais e animais constituem a base de todos os processos vitais. Sem proteína não há vida, e como o nitrogênio é um componente essencial das proteínas, fica claro o papel importante que esse elemento desempenha na natureza viva.

Em geral, as reações no solo que reduzem o nitrogênio fornecem significativamente mais energia do que as reações oxidativas que removem elétrons dos átomos de nitrogênio. Resumindo, podemos dizer que na natureza, qualquer reação na qual se formam pelo menos 15 kcal/mol ao converter um composto em outro serve como fonte de energia para um determinado organismo ou grupo de organismos.

A fixação de nitrogênio requer energia. Primeiro, o nitrogênio deve ser “ativado”, ou seja, a molécula de nitrogênio deve ser quebrada em dois átomos. Isso levará pelo menos 160 kcal/mol. A própria fixação, ou seja, a combinação de dois átomos de nitrogênio com três moléculas de hidrogênio para formar duas moléculas de amônia, dá cerca de 13 kcal. Isso significa que no total são gastas pelo menos 147 kcal na reação. Mas não se sabe se os organismos fixadores de nitrogênio realmente precisam gastar essa quantidade de energia. Com efeito, nas reações catalisadas por enzimas, não ocorre apenas uma troca de energia entre os reagentes e os produtos finais, mas também uma diminuição da energia de ativação.

Os animais consomem proteínas vegetais, aminoácidos e outras substâncias contendo nitrogênio com os alimentos. Assim, as plantas disponibilizam nitrogênio orgânico para outros organismos - consumidores.

Todos os organismos vivos fornecem nitrogênio ao meio ambiente. Por um lado, todos liberam produtos do metabolismo do nitrogênio durante a vida: amônia (NH 3), uréia (CO(NH 2) 2) e ácido úrico. Os dois últimos compostos se decompõem no solo formando amônia (que, quando dissolvida em água, produz íons de amônio).

O ácido úrico secretado por aves e répteis também é rapidamente mineralizado por grupos especiais de microrganismos para formar NH 3 e CO 2. Por outro lado, o nitrogênio incluído na composição dos seres vivos, após sua morte, sofre amonificação (decomposição de compostos complexos contendo nitrogênio com liberação de amônia e íons amônio) e nitrificação.

A amônia, ou íon amônio, produzida no solo pode ser absorvida pelas raízes das plantas. O nitrogênio é então incluído nos aminoácidos e passa a fazer parte da proteína. Se a planta for consumida por um animal, o nitrogênio é incorporado a outras proteínas. Em ambos os casos, a proteína eventualmente retorna ao solo, onde é decomposta nos aminoácidos constituintes. Sob condições aeróbicas, o solo contém muitos microrganismos que podem oxidar aminoácidos em dióxido de carbono, água e amônia. Ao se decompor, por exemplo, a glicina libera 176 kcal/mol.

Alguns microrganismos do gênero Nitrosomonas usar a nitrificação do íon amônio como única fonte de energia. Na presença de oxigênio, a amônia produz íon nitrito e água; O rendimento energético nesta reação é de 65 kcal/mol, e isso é suficiente para uma existência “decente”. Nitrosomonas pertence ao grupo dos chamados autotróficos - organismos que não consomem energia armazenada na matéria orgânica. Os fotoautotróficos usam energia luminosa e os quimioautotróficos como Nitrosomonas, obter energia a partir de compostos inorgânicos.

Outro grupo especializado de microrganismos, dos quais Nitrobacter, é capaz de extrair energia dos nitritos, o que foi negligenciado Nitrosomonas. No a oxidação de um íon nitrito em um íon nitrato libera cerca de 17 kcal/mol - não muito, mas o suficiente para sustentar a existência Nitrobacter .

Existem muitos tipos diferentes de bactérias no solo - desnitrificadoras, que, uma vez em condições anaeróbicas, podem usar íons nitrato e nitrito como aceitadores de elétrons durante a oxidação de compostos orgânicos.

Os produtos de nitrificação - NO 3 - e (NO 2 -) são posteriormente submetidos à desnitrificação. Esse processo ocorre inteiramente devido à atividade de bactérias desnitrificantes, que têm a capacidade de reduzir o nitrato através do nitrito a óxido nitroso gasoso (N 2 O) e nitrogênio (N 2). Esses gases passam livremente para a atmosfera.

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

Na ausência de oxigênio, o nitrato serve como aceptor final de hidrogênio. A capacidade de obter energia usando nitrato como aceptor final de hidrogênio para formar uma molécula de nitrogênio é difundida em bactérias. As perdas temporárias de nitrogênio em áreas limitadas do solo estão, sem dúvida, associadas à atividade de bactérias desnitrificantes. Assim, o ciclo do nitrogênio é impossível sem a participação da microflora do solo.

O valor comparativo dos íons amônio e nitrito como fontes de nitrogênio para as plantas tem sido objeto de muitas pesquisas. Parece que o íon amônio é claramente preferível: o estado de oxidação do nitrogênio nele é -3, ou seja, o mesmo do nitrogênio nos aminoácidos; O estado de oxidação do nitrogênio nitrato é +5. Isso significa que para utilizar o nitrogênio do íon nitrato, a planta deve gastar energia na redução do nitrogênio pentavalente para trivalente. Na realidade, tudo é mais complicado: a forma de nitrogênio preferível depende, ao que parece, de fatores completamente diferentes. Como o íon amônio tem carga positiva, quase imediatamente após sua formação no solo ele é capturado pelas partículas de lodo, nas quais permanece até a oxidação. O íon nitrato negativo, ao contrário, move-se livremente no solo, o que significa que entra mais facilmente na zona radicular.

Os organismos fixadores de nitrogênio no solo permaneceram pouco compreendidos até o final do século XIX. Os cientistas temiam até que as bactérias desnitrificantes, descobertas naquela época, esgotassem gradualmente o suprimento de nitrogênio fixo no solo e reduzissem a fertilidade. No seu discurso na Royal Society em Londres, Sir W. Crookes esboçou um quadro sombrio da fome que aguarda a humanidade num futuro próximo, a menos que sejam desenvolvidos métodos artificiais de fixação de azoto. Naquela época, a principal fonte de nitrato tanto para a produção de fertilizantes quanto para a produção de explosivos eram as jazidas no Chile. É a necessidade de

Depois que o ciclo do nitrogênio foi estudado em termos gerais, o papel das bactérias desnitrificantes tornou-se claro. Sem essas bactérias devolvendo o nitrogênio à atmosfera, a maior parte do nitrogênio atmosférico estaria agora em forma ligada no oceano e nos sedimentos. Atualmente não há oxigênio suficiente na atmosfera para converter todo o nitrogênio livre em nitratos. Mas é provável que um processo unilateral na ausência de desnitrificadores tenha levado à acidificação da água do oceano com nitratos. O dióxido de carbono começaria a ser liberado das rochas carbonáticas. As plantas extrairiam constantemente dióxido de carbono do ar, o carbono seria depositado ao longo do tempo na forma de carvão ou outros hidrocarbonetos, e o oxigênio livre saturaria a atmosfera e se combinaria com o nitrogênio. Devido à diversidade e complexidade de todos estes processos, é difícil dizer como seria o mundo da reação de desnitrificação, mas certamente seria um mundo incomum para nós.

O processo de fixação biológica do nitrogênio não é conhecido em detalhes. Gostaria de saber como a enzima ativadora usada pelas bactérias fixadoras de nitrogênio pode, em temperatura e pressão normais, fazer o que acontece em um reator químico a centenas de graus e atmosferas. Em todo o mundo, vários quilogramas desta incrível enzima serão acumulados.

Os organismos fixadores de nitrogênio são divididos em dois grandes grupos: aqueles que vivem de forma independente e aqueles que vivem em simbiose com plantas superiores. A fronteira entre esses grupos não é tão nítida. O grau de interdependência de plantas e microrganismos pode variar. Os microrganismos simbióticos dependem diretamente da planta como fonte de energia e possivelmente de alguns nutrientes. Os fixadores de nitrogênio de vida livre obtêm energia da planta indiretamente, e alguns deles usam a energia luminosa diretamente.

Os principais fornecedores de nitrogênio fixo em solos ocupados por cereais e em outros ecossistemas onde não existem plantas com simbiontes fixadores de nitrogênio são diversas bactérias. Sob condições adequadas, as algas verde-azuladas podem ser uma importante fonte de nitrogênio fixo. A sua contribuição para a fixação de azoto é especialmente notável nos arrozais e noutros locais onde as condições são favoráveis ao seu desenvolvimento. Mas para a Terra como um todo, as leguminosas são a fonte natural mais importante de nitrogênio fixo. Elas são mais importantes do ponto de vista econômico do que outras plantas fixadoras de nitrogênio e, portanto, são mais bem estudadas.

O ciclo do nitrogênio é atualmente altamente impactado pelos humanos. Por um lado, a produção em massa de fertilizantes azotados e a sua utilização conduzem à acumulação excessiva de nitratos. O nitrogênio fornecido aos campos na forma de fertilizantes é perdido através de resíduos agrícolas, lixiviação e desnitrificação.

Por outro lado, quando a taxa de conversão da amônia em nitratos diminui, os fertilizantes de amônio se acumulam no solo. É possível suprimir a atividade de microrganismos em decorrência da contaminação do solo com resíduos industriais. No entanto, esses processos são de natureza local. Muito mais importante é a entrada de óxidos de nitrogênio na atmosfera durante a combustão de combustíveis em usinas termelétricas, transportes e fábricas (“rabo de raposa” (NO 2)). Nas áreas industriais, a sua concentração no ar torna-se muito perigosa. Sob a influência da radiação, ocorrem reações da matéria orgânica (hidrocarbonetos) com os óxidos de nitrogênio com formação de compostos altamente tóxicos e cancerígenos.

Fatores que influenciam o ciclo do nitrogênio

Na ausência de atividade humana, os processos de fixação de nitrogênio e nitrificação são quase completamente equilibrados pelas reações opostas de desnitrificação. Parte do nitrogênio entra na atmosfera vindo do manto durante as erupções vulcânicas, parte está firmemente fixada nos solos e nos minerais argilosos, além disso, o nitrogênio está constantemente vazando das camadas superiores da atmosfera para o espaço interplanetário. Mas atualmente, o ciclo do nitrogênio é influenciado por muitos fatores causados pelo homem. A primeira é a chuva ácida, fenômeno em que ocorre diminuição do pH das chuvas e da neve devido à poluição do ar por óxidos ácidos (por exemplo, óxidos de nitrogênio). A química desse fenômeno é a seguinte. Para queimar combustíveis fósseis, ar ou uma mistura de combustível e ar é fornecido aos motores de combustão interna e caldeiras. Quase 4/5 do ar consiste em gás nitrogênio e 1/5 em oxigênio. Em altas temperaturas criadas no interior das instalações, ocorre inevitavelmente uma reação do nitrogênio com o oxigênio e forma-se óxido de nitrogênio:

N 2 + O 2 = 2NO - Q

Esta reação é endotérmica e ocorre em condições naturais durante descargas atmosféricas, e também acompanha outros fenômenos magnéticos semelhantes na atmosfera. Hoje em dia, como resultado de nossas atividades, o homem aumenta muito o acúmulo de óxido nítrico (II) no planeta. O óxido nítrico (II) é facilmente oxidado em óxido nítrico (IV) já em condições normais:

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

ácidos nítrico e nitroso são formados. Nas gotículas de água atmosférica, esses ácidos se dissociam para formar íons nitrato e nitrito, respectivamente, e os íons entram no solo com a chuva ácida. O segundo grupo de factores antropogénicos que afectam o metabolismo do azoto no solo são as emissões tecnológicas. Os óxidos de nitrogênio são um dos poluentes atmosféricos mais comuns. E o aumento constante da produção de amônia, ácido sulfúrico e nítrico está diretamente relacionado ao aumento do volume de gases residuais e, conseqüentemente, ao aumento da quantidade de óxidos de nitrogênio emitidos na atmosfera. O terceiro grupo de fatores é a fertilização excessiva de solos com nitritos, nitratos (nitrato de sódio (NaNO 3), nitrato de potássio (KNO 3), nitrato de cálcio (Ca(NO 3) 2), nitrato de amônio NH 4 NO 3) e fertilizantes orgânicos. Finalmente, o metabolismo do azoto no solo é afectado negativamente pelo aumento dos níveis de poluição biológica. Possíveis causas: lançamento de águas residuais, incumprimento de normas sanitárias (passear cães, lixões descontrolados de resíduos orgânicos, mau funcionamento dos sistemas de esgotos, etc.). Como resultado, o solo fica contaminado com amônia, sais de amônio, uréia, indol, mercaptanos e outros produtos de decomposição orgânica. Amônia adicional é formada no solo, que é então processada pelas bactérias em nitratos.

Relevância do estudo do ciclo do nitrogênio

Há uma troca constante de elementos químicos entre a litosfera, a hidrosfera, a atmosfera e os organismos vivos da Terra. Este processo é cíclico: passando de uma esfera para outra, os elementos retornam ao seu estado original.

As biocenoses antropogênicas são comunidades naturais especiais formadas sob a influência direta do homem, que pode criar novas paisagens e alterar seriamente o equilíbrio ecológico. Além disso, a atividade humana tem um enorme impacto no ciclo dos elementos. Tornou-se especialmente perceptível no último século porque ocorreram grandes mudanças nos ciclos naturais devido à adição ou remoção de produtos químicos neles presentes como resultado de impactos induzidos pelo homem. O nitrogênio é um elemento necessário à existência de animais e plantas, faz parte de proteínas, aminoácidos, ácidos nucléicos, clorofila, genes, etc. Nesse sentido, uma quantidade significativa de nitrogênio ligado é encontrada nos organismos vivos, “orgânicos mortos matéria” e matéria dispersa dos mares e oceanos.

Para estudar as características do ciclo do nitrogênio, você pode usar uma metodologia abrangente para estudar o conteúdo de íons nitrito (NO 2 -), nitrato (NO 3 -) e amônio (NH 4 +) no solo e seus parâmetros microbiológicos.

É muito importante estudar e controlar o ciclo do nitrogênio, principalmente nas biocenoses antrópicas, pois uma pequena falha em qualquer parte do ciclo pode levar a graves consequências: grave poluição química dos solos, crescimento excessivo de corpos d'água e sua contaminação com produtos de decomposição de matéria orgânica morta (amônia, aminas, etc.), alto teor de compostos de nitrogênio solúveis na água potável.

Toxicologia do nitrogênio e seus compostos

O próprio nitrogênio atmosférico é inerte o suficiente para ter um efeito direto no corpo humano e nos mamíferos. Porém, com hipertensão, causa narcose, intoxicação ou asfixia (por falta de oxigênio); Quando a pressão diminui rapidamente, o nitrogênio causa a doença descompressiva. Animais colocados em atmosfera de nitrogênio morrem rapidamente, mas não devido à toxicidade do nitrogênio, mas devido à falta de oxigênio.

Muitos compostos de nitrogênio são muito ativos e frequentemente tóxicos

Até 13% do nitrogênio contido nos fertilizantes minerais vai para as águas subterrâneas. A Organização Mundial da Saúde (OMS) adotou uma concentração máxima permitida de nitratos na água potável: 45 mg/l para latitudes temperadas e 10 mg/l para os trópicos.

Um dos elementos químicos mais comuns no meio ambiente é o nitrogênio. A quantidade de nitrogênio na atmosfera é grande - quatro quintos da atmosfera consistem nesse elemento químico. A maior parte do elemento está na forma livre, na qual dois átomos formam a molécula de N 2. Devido à ligação bastante forte entre os átomos da molécula, não é possível usar tal composto diretamente.

Para que os organismos vivos assimilem totalmente este elemento químico, ele deve ser transferido para um estado “ligado”. Neste estado, o nitrogênio é um íon nitrato carregado NO3-, nesta forma pode ser absorvido pelas plantas.

O ciclo do nitrogênio na natureza é impossível sem o processo de “ligação”, pois é a quebra da molécula de N2 que permite sustentar diversos processos vitais em nosso planeta.

Características do nitrogênio

O nitrogênio é um gás incolor e não venenoso, encontrado principalmente na natureza em estado livre (não ligado). Esta é a parte principal da atmosfera - quase 80% dela é ocupada por matéria molecular. Em sua forma molecular, o nitrogênio é inútil para a natureza viva - suas moléculas em condições normais reagem quimicamente apenas com o lítio. Mas é difícil superestimar a importância do nitrogênio na natureza da biosfera. Esta substância é parte integrante de qualquer molécula de proteína, mesmo da mais simples. Mas a proteína é um elemento essencial de todos os organismos vivos.

Como acontece o ciclo?

O ciclo do nitrogênio na natureza é, na verdade, uma cadeia de caminhos fechados e interconectados através dos quais o nitrogênio circula na biosfera terrestre. Na natureza, os principais fornecedores deste elemento ligado são vários microrganismos. É graças aos trabalhadores microscópicos que de 90 a 140 milhões de toneladas de íons nitrogênio passam para o estado necessário para a biosfera.

A presença de nitrogênio na natureza se deve em grande parte à atividade de bactérias e algas. O ciclo do N2 na natureza tem origem na atividade de vários microrganismos que extraem nitrogênio de resíduos em decomposição. Uma parte do elemento é convertida em moléculas necessárias à existência desses microrganismos. A outra parte é liberada na forma de íons de amônio e moléculas de amônia. Várias espécies de bactérias convertem o nitrogênio dessas substâncias na forma de nitratos. Os compostos de nitrogênio na forma de fertilizante são absorvidos pelas plantas e, por meio delas, pelos animais. Após a morte do organismo, o microelemento retorna ao solo para reiniciar o ciclo do nitrogênio na natureza. O diagrama de fluxo de nitrogênio é apresentado abaixo.

Durante o ciclo, o N2 pode ser incorporado em sedimentos inorgânicos ou liberado como resultado da atividade de certas bactérias. Além disso, as erupções vulcânicas e o funcionamento dos gêiseres aumentam a proporção dessa substância na atmosfera terrestre.

Aplicação de nitrogênio na agricultura

Ao fertilizar o solo com compostos de nitrogênio na proporção de um quilograma de fertilizante por hectare de terra, você pode aumentar o rendimento das safras de grãos em vários por cento.
Na agricultura, o nitrogênio é extraído na forma de lavouras na quantidade de 1 milhão de toneladas, enquanto são utilizados duas vezes menos fertilizantes nitrogenados. Apesar da elevada rentabilidade da utilização de fertilizantes minerais, as necessidades das plantas nesta substância são cobertas artificialmente em apenas 20-25%. O restante de sua quantidade é extraído do solo por fixação biológica (fertilizantes naturais). Maiores aumentos de produtividade dependerão apenas do uso racional do esterco, do aumento da produção de fertilizantes minerais e do uso eficaz do nitrogênio fixo “biológico” (produzido por microrganismos).

Aplicação de nitrogênio na indústria

O nitrogênio também é usado na indústria. A maior parte da substância sintetizada é utilizada na produção de amônia, sistemas explosivos e diversos corantes. Também é utilizado na indústria manufatureira - por exemplo, no processamento de coque. As propriedades do nitrogênio são amplamente conhecidas e levadas em consideração na produção de diversos aditivos alimentares. O nitrogênio líquido é um excelente refrigerante e amplamente utilizado para congelar alimentos. Mas ainda assim, a principal forma de aproveitamento é a produção de fertilizantes minerais.

As bactérias conversoras de nitrogênio mais famosas são encontradas nos tubérculos das plantas da família das leguminosas.

As propriedades benéficas do nitrogênio ajudam a aumentar a fertilidade do solo: primeiro, lentilhas, ervilhas ou feijões são semeados no campo e depois as plantas são enterradas no solo. Outras culturas são então cultivadas nesta área, que podem utilizar o nitrogênio como fertilizante natural.

Fertilizantes minerais

Mas o azoto natural disponível como fertilizante não foi suficiente para manter o rendimento das culturas. E as pessoas começaram a usar fertilizantes minerais que incluíam nitrogênio fixo.

A tecnologia de fixação de nitrogênio em escala industrial foi descoberta por cientistas militares alemães às vésperas da Primeira Guerra Mundial. Em seguida, foi desenvolvido um esquema para a produção de amônia para as necessidades da indústria de defesa. Depois de refinarem a tecnologia, os cientistas criaram um esquema fiável para a produção de azoto fixo para a agricultura. Actualmente, os agricultores utilizam mais de 80 milhões de toneladas de azoto fixo para cultivar culturas alimentares.

Nitrogênio fixo natural

Surpreendentemente, uma certa quantidade de nitrogênio atmosférico fica fixa durante as tempestades. Os relâmpagos ocorrem com muito mais frequência do que normalmente se pensa. Em 10 segundos, cerca de quinhentos relâmpagos no mundo. Uma descarga de eletricidade aquece a atmosfera ao seu redor, o nitrogênio se combina com o oxigênio. Ocorre uma reação de combustão de nitrogênio, que produz vários tipos de compostos de nitrogênio e oxigênio. Esta é uma forma muito boa de fixação de nitrogênio, mas libera apenas cerca de 10 milhões de toneladas por ano.

Nitrogênio fixo artificial

Como foi escrito acima, a principal fonte de nitrogênio são os fertilizantes minerais, que são ativamente utilizados na agricultura na maioria dos países do mundo. A combustão de todos os tipos de combustíveis fósseis (carvão, gás, derivados de petróleo) também leva à fixação de nitrogênio livre. Além da combustão direta, o funcionamento de motores e geradores elétricos também gera o calor necessário para a reação do nitrogênio com o oxigênio. Em geral, durante o ano, a combustão produz cerca de 20 milhões de toneladas de nitrogênio adequado para a biosfera.

Conclusão

Como ocorre o ciclo do nitrogênio na natureza? O diagrama desse movimento pode ser apresentado visualmente. Por exemplo, pode-se imaginar que toda a biosfera consiste em dois recipientes interligados. Grande capacidade representa a presença de nitrogênio na natureza, principalmente na hidrosfera e na atmosfera. Muito pouco contém nitrogênio, que faz parte da vida. Uma passagem estreita conecta os dois recipientes, nos quais o nitrogênio, de uma forma ou de outra, passa para um estado ligado. No ambiente natural, é através dessas passagens que o nitrogênio entra nos organismos vivos e se torna parte da natureza inanimada após sua morte.

Durante um período de tempo relativamente curto, as atividades humanas começaram a afetar os níveis de N2 no ambiente natural. O papel do nitrogênio na natureza ainda não foi totalmente compreendido. Já está claro que cada sistema ecológico é capaz de assimilar apenas uma certa quantidade desta substância. O excesso de nitrogênio em qualquer ecossistema leva ao crescimento excessivo das plantas e ao entupimento de rios e reservatórios.

Este problema é denominado eutrofização - poluição por algas. Quando esse problema ocorre, as algas escurecem o corpo d’água, expulsando formas de vida concorrentes. Após a morte de uma grande quantidade de algas, será necessário todo o oxigênio contido na água para que os restos das plantas possam se decompor. Peixes, crustáceos e outros animais deixam corpos d'água pobres em oxigênio. A água fica pantanosa e depois de alguns anos fica coberta de lama. Um lago ou lagoa se transforma em um pântano morto.

Um estudo mais aprofundado do ciclo do azoto na natureza ajudará a prevenir as consequências de tais problemas e a manter um equilíbrio entre as actividades económicas humanas e os ecossistemas naturais.

A circulação de substâncias na biosfera é a “viagem” de certos elementos químicos ao longo da cadeia alimentar dos organismos vivos, graças à energia do Sol. Durante a “viagem”, alguns elementos, por motivos diversos, caem e permanecem, via de regra, no solo. Seu lugar é ocupado pelos mesmos que costumam vir da atmosfera. Esta é a descrição mais simplificada do que garante a vida no planeta Terra. Se tal viagem for interrompida por algum motivo, a existência de todos os seres vivos cessará.

Para descrever brevemente o ciclo das substâncias na biosfera, é necessário estabelecer vários pontos de partida. Em primeiro lugar, dos mais de noventa elementos químicos conhecidos e encontrados na natureza, cerca de quarenta são necessários aos organismos vivos. Em segundo lugar, a quantidade destas substâncias é limitada. Em terceiro lugar, estamos falando apenas da biosfera, isto é, da concha da Terra que contém vida e, portanto, das interações entre os organismos vivos. Em quarto lugar, a energia que contribui para o ciclo é a energia proveniente do Sol. A energia gerada nas entranhas da Terra como resultado de diversas reações não participa do processo em questão. E uma última coisa. É preciso antecipar-se ao ponto de partida desta “jornada”. É condicional, pois não pode haver fim e começo para um círculo, mas isso é necessário para começar em algum lugar para descrever o processo. Vamos começar com o elo mais baixo da cadeia trófica - com decompositores ou coveiros.

Crustáceos, vermes, larvas, microorganismos, bactérias e outros coveiros, consumindo oxigênio e usando energia, processam elementos químicos inorgânicos em uma substância orgânica adequada para alimentar organismos vivos e seu posterior movimento ao longo da cadeia alimentar. Além disso, estas substâncias já orgânicas são consumidas por consumidores ou consumidores, que incluem não apenas animais, aves, peixes e semelhantes, mas também plantas. Estes últimos são produtores ou produtores. Eles, a partir desses nutrientes e energia, produzem oxigênio, principal elemento respiratório de todos os seres vivos do planeta. Consumidores, produtores e até decompositores morrem. Seus restos mortais, junto com as substâncias orgânicas neles contidas, “caem” à disposição dos coveiros.

E tudo se repete novamente. Por exemplo, todo o oxigênio que existe na biosfera completa sua renovação em 2.000 anos, e o dióxido de carbono em 300. Esse ciclo é geralmente chamado de ciclo biogeoquímico.

Algumas substâncias orgânicas durante sua “jornada” entram em reações e interações com outras substâncias. Como resultado, formam-se misturas que, na forma em que existem, não podem ser processadas pelos decompositores. Essas misturas permanecem “armazenadas” no solo. Nem todas as substâncias orgânicas que caem na “mesa” dos coveiros não podem ser processadas por eles. Nem tudo pode apodrecer com a ajuda de bactérias. Esses restos não apodrecidos vão para armazenamento. Tudo o que fica armazenado ou em reserva é retirado do processo e não entra no ciclo das substâncias da biosfera.

Assim, na biosfera, o ciclo das substâncias, cuja força motriz é a atividade dos organismos vivos, pode ser dividido em dois componentes. Um - o fundo de reserva - é uma parte da substância que não está associada às atividades dos organismos vivos e por enquanto não participa da circulação. E o segundo é o fundo rotativo. Representa apenas uma pequena parte da substância que é ativamente utilizada pelos organismos vivos.

Átomos de quais elementos químicos básicos são tão necessários para a vida na Terra? São eles: oxigênio, carbono, nitrogênio, fósforo e alguns outros. Dos compostos, o principal em circulação é a água.

Oxigênio

O ciclo do oxigênio na biosfera deveria começar com o processo de fotossíntese, que surgiu há bilhões de anos. É liberado pelas plantas a partir de moléculas de água sob a influência da energia solar. O oxigênio também é formado nas camadas superiores da atmosfera durante reações químicas no vapor d'água, onde os compostos químicos se decompõem sob a influência da radiação eletromagnética. Mas esta é uma fonte menor de oxigênio. O principal é a fotossíntese. O oxigênio também é encontrado na água. Embora haja 21 vezes menos do que na atmosfera.

O oxigênio resultante é usado pelos organismos vivos para a respiração. É também um agente oxidante de vários sais minerais.

E uma pessoa é consumidora de oxigênio. Mas com o início da revolução científica e tecnológica, este consumo aumentou muitas vezes, uma vez que o oxigénio é queimado ou ligado durante o funcionamento de numerosas produções industriais, transportes, para satisfazer necessidades domésticas e outras no decurso da vida humana. O chamado fundo de troca de oxigênio na atmosfera, anteriormente existente, correspondia a 5% do seu volume total, ou seja, tanto oxigênio foi produzido no processo de fotossíntese quanto foi consumido. Agora esse volume está se tornando catastroficamente pequeno. O oxigênio é consumido, por assim dizer, da reserva de emergência. De lá, onde não há ninguém para adicioná-lo.

Este problema é ligeiramente atenuado pelo facto de parte dos resíduos orgânicos não ser processada e não cair sob a influência de bactérias putrefativas, mas permanecer em rochas sedimentares, formando turfa, carvão e minerais semelhantes.

Se o resultado da fotossíntese for o oxigênio, então sua matéria-prima é o carbono.

Azoto

O ciclo do nitrogênio na biosfera está associado à formação de compostos orgânicos importantes como proteínas, ácidos nucléicos, lipoproteínas, ATP, clorofila e outros. O nitrogênio, na forma molecular, é encontrado na atmosfera. Juntamente com os organismos vivos, isto representa apenas cerca de 2% de todo o nitrogênio na Terra. Nesta forma, só pode ser consumido por bactérias e algas verde-azuladas. Para o resto do mundo vegetal, o nitrogênio na forma molecular não pode servir como alimento, mas só pode ser processado na forma de compostos inorgânicos. Alguns tipos de tais compostos são formados durante tempestades e caem na água e no solo com as chuvas.

Os “recicladores” mais ativos de nitrogênio ou fixadores de nitrogênio são as bactérias nodulares. Eles se instalam nas células das raízes das leguminosas e convertem o nitrogênio molecular em seus compostos adequados para as plantas. Depois que morrem, o solo também é enriquecido com nitrogênio.

Bactérias putrefativas decompõem compostos orgânicos contendo nitrogênio em amônia. Parte dele vai para a atmosfera e o restante é oxidado por outros tipos de bactérias em nitritos e nitratos. Estes, por sua vez, são fornecidos como alimento às plantas e são reduzidos a óxidos e nitrogênio molecular pelas bactérias nitrificantes. Que reentram na atmosfera.

Assim, fica claro que vários tipos de bactérias desempenham o papel principal no ciclo do nitrogênio. E se pelo menos 20 dessas espécies forem destruídas, a vida no planeta cessará.

E novamente o circuito estabelecido foi quebrado pelo homem. Para aumentar o rendimento das colheitas, ele começou a usar ativamente fertilizantes contendo nitrogênio.

Carbono

O ciclo do carbono na biosfera está inextricavelmente ligado à circulação de oxigênio e nitrogênio.

Na biosfera, o esquema do ciclo do carbono baseia-se na atividade vital das plantas verdes e na sua capacidade de converter dióxido de carbono em oxigênio, ou seja, na fotossíntese.

O carbono interage com outros elementos de diversas maneiras e faz parte de quase todas as classes de compostos orgânicos. Por exemplo, faz parte do dióxido de carbono e do metano. É dissolvido em água, onde seu conteúdo é muito maior do que na atmosfera.

Embora o carbono não esteja entre os dez primeiros em termos de prevalência, nos organismos vivos ele representa de 18 a 45% da massa seca.

Os oceanos servem como reguladores dos níveis de dióxido de carbono. Assim que a sua participação no ar aumenta, a água nivela as posições absorvendo dióxido de carbono. Outro consumidor de carbono no oceano são os organismos marinhos, que o utilizam para construir conchas.

O ciclo do carbono na biosfera é baseado na presença de dióxido de carbono na atmosfera e na hidrosfera, que é uma espécie de fundo de troca. É reabastecido pela respiração dos organismos vivos. Bactérias, fungos e outros microrganismos que participam do processo de decomposição dos resíduos orgânicos do solo também participam da reposição de dióxido de carbono na atmosfera.O carbono é “conservado” em resíduos orgânicos mineralizados e não podres. Em carvão e lenhite, turfa, xisto betuminoso e depósitos semelhantes. Mas o principal fundo de reserva de carbono é o calcário e a dolomita. O carbono que eles contêm está “escondido com segurança” nas profundezas do planeta e é liberado apenas durante mudanças tectônicas e emissões de gases vulcânicos durante as erupções.

Devido ao fato de o processo de respiração com liberação de carbono e o processo de fotossíntese com sua absorção passarem pelos organismos vivos muito rapidamente, apenas uma pequena fração do carbono total do planeta participa do ciclo. Se esse processo não fosse recíproco, só as plantas de sushi consumiriam todo o carbono em apenas 4-5 anos.

Atualmente, graças à atividade humana, o mundo vegetal não tem escassez de dióxido de carbono. É reabastecido imediata e simultaneamente por duas fontes. Ao queimar oxigénio durante o funcionamento da indústria, produção e transporte, bem como em conexão com a utilização desses “produtos enlatados” - carvão, turfa, xisto, e assim por diante - para o trabalho destes tipos de atividades humanas. Por que o teor de dióxido de carbono na atmosfera aumentou 25%.

Fósforo

O ciclo do fósforo na biosfera está intimamente ligado à síntese de substâncias orgânicas como ATP, DNA, RNA e outras.

O teor de fósforo no solo e na água é muito baixo. Suas principais reservas estão em rochas formadas em um passado distante. Com o intemperismo dessas rochas, inicia-se o ciclo do fósforo.

O fósforo é absorvido pelas plantas apenas na forma de íons de ácido ortofosfórico. Este é principalmente um produto do processamento de restos orgânicos pelos coveiros. Mas se os solos tiverem um alto fator alcalino ou ácido, os fosfatos praticamente não se dissolvem neles.

O fósforo é um excelente nutriente para vários tipos de bactérias. Especialmente algas verde-azuladas, que se desenvolvem rapidamente com o aumento do teor de fósforo.

No entanto, a maior parte do fósforo é transportada pelos rios e outras águas para o oceano. Lá é consumido ativamente pelo fitoplâncton e, com ele, por aves marinhas e outras espécies de animais. Posteriormente, o fósforo cai no fundo do oceano e forma rochas sedimentares. Ou seja, ele retorna ao solo, apenas sob uma camada de água do mar.

Como você pode ver, o ciclo do fósforo é específico. É difícil chamá-lo de circuito, pois não está fechado.

Enxofre

Na biosfera, o ciclo do enxofre é necessário para a formação de aminoácidos. Ele cria a estrutura tridimensional das proteínas. Envolve bactérias e organismos que consomem oxigênio para sintetizar energia. Eles oxidam o enxofre em sulfatos, e os organismos vivos pré-nucleares unicelulares reduzem os sulfatos em sulfeto de hidrogênio. Além deles, grupos inteiros de bactérias sulfurosas oxidam o sulfeto de hidrogênio em enxofre e depois em sulfatos. As plantas só podem consumir íon enxofre do solo - SO 2-4.Assim, alguns microrganismos são agentes oxidantes, enquanto outros são agentes redutores.

Os locais onde o enxofre e seus derivados se acumulam na biosfera são o oceano e a atmosfera. O enxofre entra na atmosfera com a liberação de sulfeto de hidrogênio da água. Além disso, o enxofre entra na atmosfera na forma de dióxido quando os combustíveis fósseis são queimados na produção e para fins domésticos. Principalmente carvão. Lá ele se oxida e, transformando-se em ácido sulfúrico na água da chuva, cai junto com ela no chão. A própria chuva ácida causa danos significativos a todo o mundo vegetal e animal e, além disso, com as águas pluviais e derretidas, entra nos rios. Os rios transportam íons de sulfato de enxofre para o oceano.

O enxofre também está contido nas rochas na forma de sulfetos e na forma gasosa - sulfeto de hidrogênio e dióxido de enxofre. No fundo dos mares existem depósitos de enxofre nativo. Mas tudo isso é “reserva”.

Água

Não existe substância mais difundida na biosfera. Suas reservas estão principalmente na forma salgada-amargo das águas dos mares e oceanos - cerca de 97%. O resto é água doce, geleiras e águas subterrâneas e subterrâneas.

O ciclo da água na biosfera começa convencionalmente com sua evaporação da superfície dos reservatórios e das folhas das plantas e atinge aproximadamente 500.000 metros cúbicos. km. Ele retorna na forma de precipitação, que cai diretamente nos corpos d'água ou passando pelo solo e pelas águas subterrâneas.

O papel da água na biosfera e a história da sua evolução é tal que toda a vida, desde o seu aparecimento, foi completamente dependente da água. Na biosfera, a água passou muitas vezes por ciclos de decomposição e nascimento através de organismos vivos.

O ciclo da água é em grande parte um processo físico. Porém, o mundo animal e, principalmente, o vegetal tem um papel importante nisso. A evaporação da água da superfície das folhas das árvores é tal que, por exemplo, um hectare de floresta evapora até 50 toneladas de água por dia.

Se a evaporação da água das superfícies dos reservatórios é natural para sua circulação, então para os continentes com suas zonas florestais, tal processo é a única e principal forma de preservá-la. Aqui a circulação ocorre como se estivesse em um ciclo fechado. A precipitação é formada a partir da evaporação do solo e das superfícies das plantas.

Durante a fotossíntese, as plantas usam o hidrogênio contido em uma molécula de água para criar um novo composto orgânico e liberar oxigênio. E, inversamente, no processo de respiração, os organismos vivos passam por um processo de oxidação e a água é formada novamente.

Ao descrever a circulação de vários tipos de produtos químicos, nos deparamos com uma influência humana mais ativa nesses processos. Atualmente, a natureza, devido à sua história de sobrevivência multibilionária, está lidando com a regulação e restauração de equilíbrios perturbados. Mas os primeiros sintomas da “doença” já estão aí. E este é o “efeito estufa”. Quando duas energias: a solar e a refletida pela Terra, não protegem os organismos vivos, mas, pelo contrário, fortalecem-se mutuamente. Como resultado, a temperatura ambiente aumenta. Que consequências poderia haver desse aumento, além do derretimento acelerado das geleiras e da evaporação da água das superfícies dos oceanos, da terra e das plantas?

Vídeo - Ciclo de substâncias na biosfera

Arroz. Ciclo do nitrogênio na biosfera

O ciclo do nitrogênio cobre todas as áreas da biosfera. Sua absorção pelas plantas é limitada, pois absorvem nitrogênio apenas na forma de combinação com hidrogênio e oxigênio (N0 3- e NH 4). E isso apesar de as reservas de nitrogênio na atmosfera serem inesgotáveis (78% do seu volume). Decompositores(destruidores), ou melhor, bactérias do solo, decompõem gradualmente as substâncias proteicas dos organismos mortos e as convertem em compostos de amônio, nitratos e nitritos. Alguns dos nitratos entram nas águas subterrâneas durante o ciclo e as poluem.

O nitrogênio retorna à atmosfera novamente com gases liberados durante a decomposição. É verdade, parte disso oxida no ar - durante as trovoadas - e entra no solo com a água da chuva, mas assim se fixa 10 vezes menos do que com as bactérias.

Intervenção humana O ciclo do nitrogênio é o seguinte:

no queimando combustível fossíl Grandes quantidades de óxido de nitrogênio (NO) são liberadas na atmosfera. O óxido nítrico então se combina com o oxigênio da atmosfera para formar dióxido de nitrogênio (NO2), que ao reagir com vapor de água pode formar ácido nítrico (HNO 3 ) . Este ácido torna-se componente da precipitação ácida.

uso de fertilizantes leva à liberação na atmosfera " gases de efeito estufa» óxido nitroso (N 2 Ó)

aumento na quantidade de nitratos e íons de amônio em ecossistemas aquáticos quando escoamento de fertilizantes dos campos. O excesso de nutrientes leva a rápida crescimento de algas, durante a decomposição da qual o oxigênio dissolvido é consumido, o que leva a massiva peste de peixe.

Os ciclos bioquímicos do fósforo e do enxofre são muito menos perfeitos, porque A maior parte deles está contida no fundo de reserva da crosta terrestre, na reserva “inacessível”.

O ciclo do enxofre e do fósforo é um ciclo típico ciclo biogeoquímico sedimentar. Tais ciclos facilmente danificado por vários tipos de influências e parte do material trocado sai do ciclo. Só pode retornar ao ciclo como resultado de processos geológicos ou através da extração de componentes biofílicos pela matéria viva.

Ciclo do fósforo

Arroz. Ciclo do fósforo na biosfera

O fósforo, principalmente na forma de íons fosfato (PO 3- e HPO 4 2-), é um importante elemento nutricional para plantas e animais. Faz parte das moléculas ADN, carregando Informação genética; moléculas ATP e ADP, que armazenam o que os organismos precisam energia química, usado na respiração celular; moléculas gordo, formando membranas celulares em células vegetais e animais; bem como substâncias incluídas na composição ossos e dentes.

O fósforo é encontrado em pedras formado em épocas geológicas passadas. Pode entrar no ciclo biogeoquímico se essas rochas subirem das profundezas da crosta terrestre para a superfície terrestre, para a zona de intemperismo. Processos de erosão ele está sendo retirado no mar na forma de um mineral bem conhecido - apatita.

O ciclo geral do fósforo pode ser dividido em duas partes - água e terra.

Nos ecossistemas terrestres, o fósforo é liberado lentamente destruição(ou intemperismo) minérios de fosfato, é dissolvido pela umidade do solo e absorvido pelas raízes das plantas.

Os animais obtêm o fósforo de que necessitam, comendo plantas ou outros animais herbívoros. Uma parcela significativa deste fósforo está na forma excrementos de animais e produtos de decomposição animais e plantas mortos são devolvidos solo, com erosão - em rios, e no final para o fundo do oceano na forma de rochas sedimentares de fosfato insolúveis.

O fósforo é absorvido em ecossistemas aquáticos fitoplâncton e é transmitido ao longo da cadeia trófica até consumidores de terceira ordem - aves marinhas. Seus excrementos ( guano) cair novamente mar e entrar em um ciclo, ou acumular na costa E lavado para o mar. Assim, parte do fósforo retorna à superfície da terra na forma de guano - massa orgânica enriquecida com fósforo presente nos excrementos de aves piscícolas (pelicanos, gansos-patolas, biguás, etc.). No entanto, uma quantidade incomparavelmente maior de fosfatos é lavada anualmente da superfície terrestre para o oceano como resultado de processos naturais e atividades antropogénicas.

Intervenção humana no ciclo do fósforo se resume principalmente a duas opções:

Produção grandes quantidades minérios de fosfato para a produção de fertilizantes minerais e detergentes;

aumento do excesso de íons fosfato em ecossistemas aquáticos quando você os acerta escoamento contaminado de fazendas de gado, lavado dos campos fertilizantes fosfatados, bem como resíduos urbanos tratados e não tratados drenos. O excesso destes elementos promove o crescimento “explosivo” de algas verde-azuladas e outras plantas aquáticas, o que perturba o equilíbrio vital dos ecossistemas aquáticos.

Ciclo do enxofre

A Sera também possui um fundo de reserva principal em sedimentos E solo, mas ao contrário do fósforo tem um fundo de reserva e em atmosfera.

Num fundo de câmbio o papel principal pertence a microorganismos. Um deles agentes redutores, outro - agentes oxidantes.

Nas rochas o enxofre ocorre na forma de sulfetos (FeS2, etc.), em soluções– na forma de um íon (SO 4 -2), na fase gasosa– na forma de sulfeto de hidrogênio (H2S) ou dióxido de enxofre (SO2). O enxofre se acumula em alguns organismos na sua forma mais pura(S2) e quando morrem, formam-se depósitos de enxofre nativo no fundo dos mares.

No ambiente marinho, o íon sulfato ocupa o segundo lugar em conteúdo, depois do cloro, e é a principal forma disponível de enxofre, que é reduzido pelos autotróficos e incluído nos aminoácidos.

Ciclo do enxofre, embora os organismos exijam isso em pequenas quantidades, é fundamental no processo geral de produção e decomposição.

Nos ecossistemas terrestres, o enxofre retorna para solo no morrendo de plantas, é capturado microorganismos, qual restaurar para H2S. Outros organismos e a própria exposição ao oxigênio causam a oxidação desses produtos. Formado sulfatos dissolver e absorver plantas das soluções dos poros do solo - é assim que o ciclo continua.

O ciclo do enxofre, assim como o ciclo do nitrogênio, pode ser interrompido intervenção humana . Isto se deve principalmente queimando combustível fossíl, e especialmente carvão. O dióxido de enxofre (SO2) interrompe os processos de fotossíntese e leva a morte da vegetação.

Quando os ciclos biogeoquímicos são interrompidos pelos humanos, a circulação de substâncias torna-se impossível cíclico, A acíclico. A protecção dos recursos naturais deve visar especialmente a transformação de processos biogeoquímicos acíclicos em cíclicos.