วัฏจักรไนโตรเจนในธรรมชาติ คุณสมบัติของไนโตรเจน

ประเภทบทเรียน -รวมกัน

วิธีการ:การค้นหาบางส่วน การนำเสนอปัญหา การสืบพันธุ์ การอธิบาย และการอธิบาย

เป้า:

การรับรู้ของนักเรียนเกี่ยวกับความสำคัญของประเด็นทั้งหมดที่กล่าวถึง ความสามารถในการสร้างความสัมพันธ์กับธรรมชาติและสังคมบนพื้นฐานของการเคารพต่อชีวิต สำหรับสิ่งมีชีวิตทั้งหมดในฐานะส่วนที่มีเอกลักษณ์และทรงคุณค่าของชีวมณฑล

งาน:

เกี่ยวกับการศึกษา: แสดงความหลากหลายของปัจจัยที่กระทำต่อสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติ สัมพัทธภาพของแนวคิด "ปัจจัยที่เป็นอันตรายและเป็นประโยชน์" ความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตบนโลก และทางเลือกในการปรับตัวของสิ่งมีชีวิตให้เข้ากับสภาพแวดล้อมทั้งหมด

เกี่ยวกับการศึกษา:พัฒนาทักษะการสื่อสารความสามารถในการรับความรู้อย่างอิสระและกระตุ้นกิจกรรมการเรียนรู้ ความสามารถในการวิเคราะห์ข้อมูลเน้นสิ่งสำคัญในเนื้อหาที่กำลังศึกษา

เกี่ยวกับการศึกษา:

เพื่อปลูกฝังวัฒนธรรมของพฤติกรรมในธรรมชาติ คุณสมบัติของบุคลิกภาพที่มีความอดทน เพื่อปลูกฝังความสนใจและความรักต่อธรรมชาติที่มีชีวิต เพื่อสร้างทัศนคติเชิงบวกที่มั่นคงต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลก เพื่อพัฒนาความสามารถในการมองเห็นความงาม

ส่วนตัว: ความสนใจทางปัญญาในนิเวศวิทยา.. เข้าใจถึงความจำเป็นในการได้รับความรู้เกี่ยวกับความหลากหลายของการเชื่อมโยงทางชีวภาพในชุมชนธรรมชาติเพื่อการอนุรักษ์ biocenoses ธรรมชาติ ความสามารถในการเลือกเป้าหมายและความหมายในการกระทำและการกระทำที่เกี่ยวข้องกับธรรมชาติของชีวิต ความจำเป็นในการประเมินงานของตัวเองและงานของเพื่อนร่วมชั้นอย่างยุติธรรม

ความรู้ความเข้าใจ: ความสามารถในการทำงานกับแหล่งข้อมูลต่างๆ การแปลงจากรูปแบบหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่ง เปรียบเทียบและวิเคราะห์ข้อมูล สรุปผล เตรียมข้อความและการนำเสนอ

กฎระเบียบ:ความสามารถในการจัดระเบียบงานให้เสร็จโดยอิสระ ประเมินความถูกต้องของงาน และสะท้อนกิจกรรมของตนเอง

การสื่อสาร: มีส่วนร่วมในการสนทนาในชั้นเรียน ตอบคำถามจากครู เพื่อนร่วมชั้น พูดต่อหน้าผู้ฟังโดยใช้อุปกรณ์มัลติมีเดีย หรือการสาธิตด้วยวิธีอื่น

ผลลัพธ์ที่วางแผนไว้

เรื่อง:รู้แนวคิดของ "ที่อยู่อาศัย" "นิเวศวิทยา" "ปัจจัยทางนิเวศวิทยา" อิทธิพลที่มีต่อสิ่งมีชีวิต "ความเชื่อมโยงระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิต"; สามารถกำหนดแนวคิดเรื่อง “ปัจจัยทางชีวภาพ” ได้ ระบุลักษณะปัจจัยทางชีวภาพยกตัวอย่าง

ส่วนตัว:ตัดสิน ค้นหา และเลือกข้อมูล วิเคราะห์การเชื่อมต่อ เปรียบเทียบ ค้นหาคำตอบสำหรับคำถามที่เป็นปัญหา

เมตาหัวข้อ: ความเชื่อมโยงกับสาขาวิชาวิชาการ เช่น ชีววิทยา เคมี ฟิสิกส์ ภูมิศาสตร์ วางแผนการดำเนินการโดยมีเป้าหมายที่ตั้งไว้ ค้นหาข้อมูลที่จำเป็นในตำราเรียนและเอกสารอ้างอิง ดำเนินการวิเคราะห์วัตถุธรรมชาติ สรุปผล; กำหนดความคิดเห็นของคุณเอง

รูปแบบการจัดกิจกรรมการศึกษา -บุคคลกลุ่ม

วิธีการสอน:งานอิสระที่มีภาพประกอบ ภาพประกอบเชิงอธิบาย อิงจากการค้นหาบางส่วน พร้อมวรรณกรรมเพิ่มเติมและหนังสือเรียน พร้อม COR

เทคนิค:การวิเคราะห์ การสังเคราะห์ การอนุมาน การแปลข้อมูลจากประเภทหนึ่งไปยังอีกประเภทหนึ่ง ลักษณะทั่วไป

การเรียนรู้เนื้อหาใหม่

วัฏจักรไนโตรเจน

วัฏจักรไนโตรเจนเป็นตัวอย่างหนึ่งของวัฏจักรการควบคุมตนเองซึ่งมีปริมาณสำรองขนาดใหญ่ในชั้นบรรยากาศ อากาศซึ่งประกอบด้วยไนโตรเจน 78% เป็น "แหล่งกักเก็บ" ที่ใหญ่ที่สุด และในเวลาเดียวกัน เนื่องจากมีกิจกรรมทางเคมีต่ำ จึงเป็น "วาล์วนิรภัย" ของระบบ ไนโตรเจนถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศอย่างต่อเนื่องเนื่องจากกิจกรรมของแบคทีเรีย denitrifying และถูกกำจัดออกจากบรรยากาศอย่างต่อเนื่องอันเป็นผลมาจากกิจกรรมของแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนและสาหร่ายบางชนิด (การตรึงไนโตรเจนทางชีวเคมี) รวมถึงการกระทำของการปล่อยกระแสไฟฟ้าในระหว่าง พายุฝนฟ้าคะนอง วัฏจักรไนโตรเจนประกอบด้วยกระบวนการต่อไปนี้: การตรึง การดูดซึม ไนตริฟิเคชั่น การแยกไนตริฟิเคชัน การสลายตัว การชะล้าง การกำจัด การตกตะกอน ฯลฯ

วัฏจักรไนโตรเจนในชีวมณฑลมีลักษณะเฉพาะและช้ามากการตรึงไนโตรเจนในสิ่งมีชีวิตนั้นดำเนินการโดยสิ่งมีชีวิตจำนวนจำกัด จุลินทรีย์แต่ละตัวที่มีอยู่ในดินและชั้นบนของมหาสมุทรโลกสามารถสลายโมเลกุลไนโตรเจน (N2) และใช้อะตอมของมันเพื่อสร้างกลุ่มอะมิโนของโปรตีน (-1NH) และสารประกอบอินทรีย์อื่นๆ ไนโตรเจนในบรรยากาศถูกดูดซับโดยแบคทีเรียที่ตรึงไนโตรเจนและสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินบางชนิด พวกเขาสังเคราะห์ไนเตรตซึ่งพืชชนิดอื่นในชีวมณฑลสามารถใช้ได้ การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพนั้นดำเนินการโดยแบคทีเรียบางชนิดในการอยู่ร่วมกันกับพืชที่สูงขึ้นในดิน (ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียที่เป็นปมที่อาศัยอยู่บนรากของพืชตระกูลถั่ว) หลังจากการตาย พืชและสัตว์จะส่งไนโตรเจนกลับคืนสู่ดิน จากจุดที่มันเข้าสู่พืชและสัตว์รุ่นใหม่

ไนโตรเจนบางส่วนในรูปโมเลกุลจะกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศ ในดิน กระบวนการไนตริฟิเคชันเกิดขึ้นซึ่งประกอบด้วยลูกโซ่ของปฏิกิริยาเมื่อจุลินทรีย์ออกซิเดชันของแอมโมเนียมไอออน (IN^) ต่อไนไตรต์ (N02") หรือไนไตรต์เป็นไนเตรต (IO3-) เกิดขึ้น ของไนไตรต์และไนเตรตไปเป็นสารประกอบก๊าซของโมเลกุลไนโตรเจน (N2) หรือไนโตรเจนออกไซด์ (IxOy) ถือเป็นสาระสำคัญของกระบวนการดีไนตริฟิเคชัน

ไอโซโทป

ไนโตรเจนธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปเสถียร 2 ไอโซโทป 14 N - 99.635% และ 15 N - 0.365%

ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของไนโตรเจนมีเลขมวล 11,12,13,16 และ 17 ทั้งหมดนี้เป็นไอโซโทปอายุสั้นมาก เสถียรที่สุดคือ 13 N มีครึ่งชีวิต 10 นาที

โมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสไอโซโทป ฉัน เอ็น 14 =1, ไอ เอ็น 15 =1/2.

ความชุก

ภายนอกโลก ไนโตรเจน (สารประกอบและอนุมูลของมัน - CN", NH", NH` 2, NH 3) พบได้ในเนบิวลาก๊าซ บรรยากาศสุริยะ บนดาวยูเรนัส ดาวเนปจูน และอวกาศระหว่างดวงดาว มีการบันทึกไนโตรเจนประมาณ 2% ในชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์ แต่ตัวเลขนี้ยังต้องได้รับการยืนยัน ไนโตรเจนเป็นธาตุที่มีมากที่สุดเป็นอันดับสี่ในระบบสุริยะ (รองจากไฮโดรเจน ฮีเลียม และออกซิเจน) ชีวิตเป็นหนี้ไนโตรเจนเป็นจำนวนมาก แต่ไนโตรเจน ซึ่งเป็นไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศเป็นอย่างน้อย มีต้นกำเนิดจากดวงอาทิตย์ไม่มากเท่ากับกระบวนการต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต

ไนโตรเจนส่วนใหญ่พบได้ในธรรมชาติในสภาวะอิสระ ไนโตรเจนในรูปแบบของโมเลกุลไดอะตอมมิก N2 ประกอบขึ้นเป็นบรรยากาศส่วนใหญ่โดยมีเนื้อหาอยู่ที่ 75.6% (โดยมวล) หรือ 78.084% (โดยปริมาตร) นั่นคือประมาณ 3.87 * 10 15 ตัน โดยทั่วไปแล้ว เราอาศัยอยู่ในบรรยากาศไนโตรเจนซึ่งมีออกซิเจนอยู่พอสมควร

มวลของไนโตรเจนที่ละลายในไฮโดรสเฟียร์โดยคำนึงถึงกระบวนการละลายไนโตรเจนในบรรยากาศในน้ำและปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศพร้อมกันนั้นเกิดขึ้นประมาณ 2 * 10 13 ตัน นอกจากนี้ไนโตรเจนประมาณ 7 * 10 11 ตันคือ ที่มีอยู่ในไฮโดรสเฟียร์ในรูปของสารประกอบ

บทบาททางชีวภาพ

ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบที่จำเป็นต่อการดำรงอยู่ของสัตว์และพืช มันเป็นส่วนหนึ่งของโปรตีน (16-18% โดยน้ำหนัก), กรดอะมิโน, กรดนิวคลีอิก, นิวคลีโอโปรตีน, คลอโรฟิลล์, เฮโมโกลบิน ฯลฯ ในองค์ประกอบของเซลล์ที่มีชีวิตตามจำนวนอะตอมไนโตรเจน - ประมาณ 2% โดยเศษส่วนมวล - ประมาณ 2.5% (อันดับที่ 4 รองจากไฮโดรเจน คาร์บอน และออกซิเจน) ในเรื่องนี้ ไนโตรเจนคงที่จำนวนมากมีอยู่ในสิ่งมีชีวิต “อินทรียวัตถุที่ตายแล้ว” และสสารที่กระจัดกระจายในทะเลและมหาสมุทร ปริมาณนี้ประมาณไว้ประมาณ 1.9 * 10 11 ตัน อันเป็นผลมาจากกระบวนการสลายตัวและการสลายตัวของอินทรียวัตถุที่มีไนโตรเจนภายใต้ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่ดีสามารถเกิดการสะสมของแร่ธาตุตามธรรมชาติที่มีไนโตรเจนได้เช่น "ดินประสิวชิลี" (โซเดียมไนเตรตที่มีส่วนผสมของสารประกอบอื่น ๆ ) ดินประสิวนอร์เวย์อินเดีย

วัฏจักรไนโตรเจนในธรรมชาติ

ไนโตรเจนเป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และละลายได้ในน้ำเล็กน้อย เบากว่าอากาศเล็กน้อย: มวลของไนโตรเจนหนึ่งลิตรคือ 1.25 กรัม โมเลกุลไนโตรเจนเป็นสารที่ไม่ใช้งานทางเคมี ที่อุณหภูมิห้องจะมีปฏิกิริยากับลิเธียมเท่านั้น กิจกรรมที่ต่ำของไนโตรเจนอธิบายได้ด้วยความแข็งแรงสูงของโมเลกุล ซึ่งกำหนดพลังงานกระตุ้นสูงของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับการมีส่วนร่วมของไนโตรเจน

ปริมาณไนโตรเจนทั้งหมดในเปลือกโลกคือ 0.04% (มวล) ไนโตรเจนคิดเป็นประมาณ 79% ของบรรยากาศ แต่สิ่งมีชีวิตจำนวนมากไม่สามารถใช้ไนโตรเจนนี้ได้โดยตรง ก่อนอื่นจะต้องได้รับการแก้ไขโดยสิ่งมีชีวิตพิเศษหรือมนุษย์ - ในกรณีหลังนี้การตรึงจะดำเนินการโดยใช้กระบวนการทางอุตสาหกรรมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ

แม้จะมีความซับซ้อนมากที่สุด แต่วงจรนี้ก็เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและราบรื่น อากาศที่มีไนโตรเจน 78% ทำหน้าที่เป็นทั้งภาชนะขนาดใหญ่และวาล์วนิรภัยสำหรับระบบไปพร้อมกัน มันจะป้อนวงจรไนโตรเจนอย่างต่อเนื่องและในรูปแบบที่แตกต่างกัน

วัฏจักรไนโตรเจนมีดังนี้ บทบาทหลักคือเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างที่สำคัญของร่างกาย - กรดอะมิโนโปรตีนและกรดนิวคลีอิก สิ่งมีชีวิตประกอบด้วยประมาณ 3% ของปริมาณไนโตรเจนที่ใช้งานทั้งหมด พืชใช้ไนโตรเจนประมาณ 1%; รอบเวลาของมันคือ 100 ปี

จากโรงงานผลิต สารประกอบที่มีไนโตรเจนจะถูกส่งผ่านไปยังผู้บริโภค ซึ่งหลังจากกำจัดเอมีนออกจากสารประกอบอินทรีย์แล้ว ไนโตรเจนจะถูกปล่อยออกมาในรูปของแอมโมเนียหรือยูเรีย และยูเรียก็จะถูกแปลงเป็นแอมโมเนียด้วย (เนื่องจากการไฮโดรไลซิส)

ข้าว. 1. การเปลี่ยนแปลงและการใช้ CO 2 ในธรรมชาติ

ต่อจากนั้นในกระบวนการออกซิเดชั่นของแอมโมเนียไนโตรเจน (ไนตริฟิเคชัน) จะมีไนเตรตเกิดขึ้นซึ่งสามารถดูดซึมได้โดยรากพืช ในระหว่างการดีไนตริฟิเคชัน ไนไตรต์และไนเตรตบางส่วนจะลดลงเป็นไนโตรเจนโมเลกุลที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศ การเปลี่ยนแปลงทางเคมีทั้งหมดนี้เป็นไปได้อันเป็นผลมาจากกิจกรรมที่สำคัญของจุลินทรีย์ในดิน แบคทีเรียที่น่าทึ่งเหล่านี้ - สารตรึงไนโตรเจน - สามารถใช้พลังงานจากการหายใจเพื่อดูดซับไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศได้โดยตรงและสังเคราะห์โปรตีน ด้วยวิธีนี้ไนโตรเจนประมาณ 25 กิโลกรัมต่อ 1 เฮกตาร์จะถูกนำเข้าสู่ดินทุกปี

แต่แบคทีเรียที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดนั้นอาศัยอยู่ในการอยู่ร่วมกันโดยมีพืชตระกูลถั่วเป็นก้อนที่พัฒนาบนรากของพืช เมื่อมีโมลิบดีนัมซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและมีฮีโมโกลบินรูปแบบพิเศษ (มีเฉพาะในพืช) แบคทีเรียเหล่านี้ ( ไรโซเบียม) ดูดซึมไนโตรเจนจำนวนมหาศาล ไนโตรเจนที่เกิดขึ้น (คงที่) จะแพร่กระจายเข้าสู่ไรโซสเฟียร์ (ส่วนหนึ่งของดิน) อย่างต่อเนื่องในขณะที่ปมจะสลายตัว แต่ไนโตรเจนก็เข้าสู่ส่วนเหนือพื้นดินของพืชเช่นกัน ทำให้พืชตระกูลถั่วอุดมไปด้วยโปรตีนเป็นพิเศษและมีคุณค่าทางโภชนาการสูงสำหรับสัตว์กินพืช ปริมาณสำรองรายปีซึ่งสะสมอยู่ในพืชโคลเวอร์และอัลฟัลฟาอยู่ที่ 150-140 กิโลกรัม/เฮกตาร์

นอกจากพืชตระกูลถั่วแล้วแบคทีเรียดังกล่าวยังอาศัยอยู่บนใบของพืช (ในเขตร้อน) จากครอบครัว Rublaceaeเช่นเดียวกับ actinomycetes - บนรากต้นไม้ชนิดหนึ่งเพื่อตรึงไนโตรเจน ในสภาพแวดล้อมทางน้ำ สิ่งเหล่านี้คือสาหร่ายสีน้ำเงิน

ในทางกลับกัน แบคทีเรียที่กำจัดไนตริไฟเออร์จะสลายไนเตรตและปล่อย N2 ซึ่งระเหยออกสู่ชั้นบรรยากาศ แต่กระบวนการนี้ไม่เป็นอันตรายมากนักเนื่องจากจะสลายไนโตรเจนทั้งหมดประมาณ 20% จากนั้นจึงเฉพาะบนดินที่มีการปฏิสนธิสูงด้วยปุ๋ยคอกเท่านั้น (ไนโตรเจนประมาณ 50-60 กิโลกรัมต่อเฮกตาร์)

แม้ว่าผู้คนและสัตว์บกจะอาศัยอยู่ที่ก้นมหาสมุทรอากาศ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยไนโตรเจน แต่องค์ประกอบนี้เองที่กำหนดแหล่งอาหารสำหรับผู้อยู่อาศัยในมหาสมุทรนี้ส่วนใหญ่ เราทุกคนขึ้นอยู่กับทรัพยากรไนโตรเจนคงที่ที่มีอยู่ “คงที่” คือไนโตรเจนที่รวมอยู่ในสารประกอบทางเคมีที่พืชและสัตว์สามารถใช้ได้ ไนโตรเจนไม่ทำงานในชั้นบรรยากาศ แต่สิ่งมีชีวิตบางชนิดยังสามารถจับกับมันได้ ไนโตรเจนในบรรยากาศจำนวนเล็กน้อยได้รับการแก้ไขในกระบวนการไอออไนเซชันตามธรรมชาติ บรรยากาศแตกตัวเป็นไอออนด้วยรังสีคอสมิก อุกกาบาตที่ลุกไหม้ และการปล่อยกระแสไฟฟ้า (ฟ้าผ่า) ในเวลาอันสั้น ปล่อยพลังงานจำนวนมากที่จำเป็นสำหรับไนโตรเจนในการทำปฏิกิริยากับออกซิเจนหรือไฮโดรเจนในน้ำ แม้แต่สิ่งมีชีวิตในทะเลบางชนิดก็ช่วยตรึงไนโตรเจน แต่เห็นได้ชัดว่าซัพพลายเออร์รายใหญ่ที่สุดของไนโตรเจนคงที่ในธรรมชาติก็คือจุลินทรีย์ในดินและการเชื่อมโยงทางชีวภาพระหว่างสิ่งมีชีวิตและพืชดังกล่าว

การตรึงไนโตรเจนในบรรยากาศในธรรมชาติเกิดขึ้นในสองทิศทางหลักคือ abiogenic และ bioogenic เส้นทางแรกเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาไนโตรเจนกับออกซิเจนเป็นหลัก เนื่องจากไนโตรเจนมีความเฉื่อยทางเคมีมาก จึงจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนมาก (อุณหภูมิสูง) สำหรับการเกิดออกซิเดชัน สภาวะเหล่านี้เกิดขึ้นได้ในระหว่างการปล่อยฟ้าผ่าเมื่ออุณหภูมิสูงถึง 25,000 o C หรือมากกว่า ในกรณีนี้จะเกิดการก่อตัวของไนโตรเจนออกไซด์ต่างๆ นอกจากนี้ยังมีความเป็นไปได้ที่การตรึงแบบไม่มีชีวิตเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาโฟโตคะตาไลติกบนพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์หรือไดอิเล็กทริกแบบบรอดแบนด์ (ทรายทะเลทราย)

อย่างไรก็ตาม ส่วนหลักของโมเลกุลไนโตรเจน (ประมาณ 1.4 * 10 8 ตันต่อปี) ได้รับการแก้ไขทางชีวภาพ เชื่อกันมานานแล้วว่ามีจุลินทรีย์เพียงไม่กี่ชนิด (แม้ว่าจะแพร่หลายบนพื้นผิวโลก) เท่านั้นที่สามารถจับกับโมเลกุลไนโตรเจน: แบคทีเรีย อะโซโทแบคเตอร์และ คลอสตริเดียมแบคทีเรียปมของพืชตระกูลถั่ว ไรโซเบียม, ไซยาโนแบคทีเรีย อนาบาเอนา, นอสตอคเป็นต้น เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ในน้ำและดินมีความสามารถเช่นนี้ เช่น แอกติโนไมซีตในหัวของออลเดอร์และต้นไม้อื่นๆ (รวมทั้งหมด 160 ชนิด) ทั้งหมดนี้เปลี่ยนโมเลกุลไนโตรเจนเป็นสารประกอบแอมโมเนียม (NH 4 +) กระบวนการนี้ต้องใช้พลังงานจำนวนมาก (เพื่อตรึงไนโตรเจนในบรรยากาศ 1 กรัม แบคทีเรียในก้อนพืชตระกูลถั่วใช้ประมาณ 167.5 กิโลจูล กล่าวคือ พวกมันออกซิไดซ์กลูโคสประมาณ 10 กรัม) ดังนั้นผลประโยชน์ร่วมกันจากการทำงานร่วมกันของพืชและแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนจึงมองเห็นได้ - แบบแรกให้ "ที่อยู่อาศัย" หลังและจัดหา "เชื้อเพลิง" ที่ได้รับจากการสังเคราะห์ด้วยแสง - กลูโคสส่วนหลังให้ไนโตรเจน จำเป็นสำหรับพืชในรูปแบบที่สามารถดูดซึมได้

ในบรรดาการแทรกแซงของมนุษย์ทุกประเภทในวัฏจักรตามธรรมชาติของสาร การตรึงไนโตรเจนทางอุตสาหกรรมถือเป็นการดำเนินการที่ใหญ่ที่สุด ในสมัยก่อน เมื่อไม่มีการผลิตปุ๋ยเทียมในปริมาณมาก เมื่อพืชตระกูลถั่วที่ตรึงไนโตรเจนยังไม่ได้ปลูกในพื้นที่ขนาดใหญ่ ปริมาณไนโตรเจนที่ถูกดึงออกจากบรรยากาศในกระบวนการตรึงตามธรรมชาติก็สมดุลอย่างสมบูรณ์โดยการกลับคืนสู่บรรยากาศ อันเป็นผลมาจากกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตในการเปลี่ยนไนเตรตอินทรีย์ให้เป็นก๊าซไนโตรเจน ไนโตรเจนในรูปของสารประกอบแอมโมเนียและแอมโมเนียมซึ่งเป็นผลมาจากกระบวนการตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพจะถูกออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วเป็นไนเตรตและไนไตรต์ (กระบวนการนี้เรียกว่าไนตริฟิเคชั่น) อย่างหลังซึ่งไม่ได้เชื่อมต่อกันด้วยเนื้อเยื่อพืช (และต่อไปตามห่วงโซ่อาหารโดยสัตว์กินพืชและผู้ล่า) อย่าอยู่ในดินเป็นเวลานาน ไนเตรตและไนไตรต์ส่วนใหญ่ละลายน้ำได้สูง ดังนั้นพวกมันจึงถูกชะล้างออกไปด้วยน้ำและสุดท้ายก็ไปจบลงที่มหาสมุทรโลก (การไหลนี้อยู่ที่ประมาณ 2.5 - 8 * 10 7 ตันต่อปี)

การกำจัดสารประกอบไนโตรเจนลงในแม่น้ำมากเกินไปอาจทำให้เกิดการบานของสาหร่าย และผลจากกิจกรรมทางชีวภาพที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้น้ำขาดออกซิเจน ซึ่งจะทำให้ปลาและสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ที่ต้องการออกซิเจนตาย ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงที่สุดของเรื่องนี้คือการทำให้ทะเลสาบอีรีหมดสภาพอย่างรวดเร็ว

ในกรณีที่ไม่มีกิจกรรมของมนุษย์ กระบวนการตรึงไนโตรเจนและไนตริฟิเคชันเกือบจะสมดุลอย่างสมบูรณ์โดยปฏิกิริยาตรงกันข้ามของดีไนตริฟิเคชั่น ไนโตรเจนบางส่วนเข้าสู่ชั้นบรรยากาศจากการปะทุของภูเขาไฟ บางส่วนเกาะติดแน่นในดินและแร่ธาตุดินเหนียว และไนโตรเจนรั่วไหลจากชั้นบนของชั้นบรรยากาศสู่อวกาศระหว่างดาวเคราะห์

ไนโตรเจนที่รวมอยู่ในเนื้อเยื่อของพืชและสัตว์หลังจากการตายของพวกเขาจะถูกแอมโมไนฟิเคชัน (การสลายตัวของสารประกอบเชิงซ้อนที่มีไนโตรเจนด้วยการปล่อยแอมโมเนียและแอมโมเนียมไอออน) และการแยกไนตริฟิเคชันนั่นคือการปล่อยไนโตรเจนอะตอมมิกเช่นเดียวกับออกไซด์ของมัน . กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นทั้งหมดเนื่องจากกิจกรรมของจุลินทรีย์ภายใต้สภาวะแอโรบิกและไร้ออกซิเจน

เพื่อให้เข้าใจถึงเส้นทางที่แตกแขนงอย่างซับซ้อนซึ่งไนโตรเจนเคลื่อนที่ในชีวมณฑล ให้เราติดตามเส้นทางของอะตอมไนโตรเจนจากชั้นบรรยากาศไปยังเซลล์ของจุลินทรีย์ จากนั้นลงสู่ดินในรูปแบบไนโตรเจนคงที่ และจากดินไปสู่ที่สูงขึ้น พืช ซึ่งไนโตรเจนคงที่สามารถเข้าสู่สิ่งมีชีวิตในสัตว์ได้ เมื่อพืชและสัตว์ตาย ไนโตรเจนคงตัวกลับคืนสู่ดิน จากจุดที่มันเข้าสู่พืชและสัตว์รุ่นใหม่ หรือผ่านเข้าสู่ชั้นบรรยากาศในรูปของธาตุไนโตรเจน

สิ่งมีชีวิตบางชนิดพบว่ามีประโยชน์ในการออกซิไดซ์สารประกอบไนโตรเจน ในขณะที่สิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมเดียวกันสามารถอยู่รอดได้เพียงเพราะความสามารถในการลดสารประกอบเหล่านี้เท่านั้น นอกจากสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงที่ใช้พลังงานแสงแล้ว สิ่งมีชีวิตทุกชนิดยังได้รับพลังงานจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีอีกด้วย โดยปกตินี่คือการเกิดออกซิเดชันของสารประกอบหนึ่งพร้อมกับรีดักชันของอีกสารประกอบหนึ่งพร้อมกัน แม้ว่าบางครั้งโมเลกุลที่แตกต่างกันของสารเดียวกันหรือแม้แต่ชิ้นส่วนที่แตกต่างกันของโมเลกุลเดียวกันก็สามารถออกซิไดซ์และรีดิวซ์ได้ วัฏจักรไนโตรเจนในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตเป็นไปได้เนื่องจากการออกซิเดชันของสารประกอบไนโตรเจนอนินทรีย์รีดิวซ์โดยออกซิเจนในบรรยากาศจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปแบบที่มีประสิทธิภาพทางชีวภาพ ภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน สารประกอบไนโตรเจนที่ถูกออกซิไดซ์สามารถทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดเซอร์ของสารประกอบอินทรีย์ โดยปล่อยพลังงานที่เป็นประโยชน์ออกมา

บทบาทเฉพาะของไนโตรเจนในกระบวนการทางชีวภาพเกิดจากสถานะออกซิเดชันจำนวนมากผิดปกติ ซึ่งก็คือวาเลนซ์ วาเลนซ์- นี่คือคุณสมบัติของอะตอมขององค์ประกอบที่กำหนดในการแนบหรือแทนที่อะตอมขององค์ประกอบอื่นจำนวนหนึ่ง ในร่างกายของสัตว์และพืช ไนโตรเจนส่วนใหญ่มีอยู่ในรูปของแอมโมเนียมไอออนหรือในรูปของสารประกอบอะมิโน ในทั้งสองรูปแบบ ไนโตรเจนจะลดลงอย่างมาก เมื่อรวมกับอะตอมอื่นอีก 3 อะตอม ไนโตรเจนก็จะรับอิเล็กตรอน 3 ตัวจากพวกมัน นั่นคือมีสถานะออกซิเดชันที่ -3 ในรูปแบบออกซิไดซ์สูงอีกรูปแบบหนึ่ง (ไนเตรตไอออน (NO 3 +5) อิเล็กตรอนชั้นนอกทั้งห้าของอะตอมไนโตรเจนมีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะกับอะตอมออกซิเจนดังนั้นจึงได้รับสถานะออกซิเดชันที่ +5 ไนเตรตไอออนเป็นรูปแบบหลักใน ซึ่งมีไนโตรเจนอยู่ในดิน เมื่อแอมโมเนียม ไอออนหรือกรดอะมิโนผ่านเข้าไปในไนเตรตในดิน ความจุของไนโตรเจนจะต้องเปลี่ยนไป 8 หน่วย กล่าวคือ อะตอมจะสูญเสียอิเล็กตรอน 8 ตัว เมื่อไนโตรเจนไนเตรตผ่านเข้าไปในไนโตรเจนของหมู่อะมิโน อะตอมจะได้รับอิเล็กตรอน 8 ตัว

สารประกอบไนโตรเจนอนินทรีย์จะไม่เกิดขึ้นในธรรมชาติในปริมาณมาก ยกเว้นโซเดียมไนเตรต NaNO 3 ซึ่งก่อตัวเป็นชั้นหนาบนชายฝั่งแปซิฟิกของชิลี ดินมีไนโตรเจนอยู่เล็กน้อย โดยส่วนใหญ่อยู่ในรูปของเกลือของกรดไนตริก แต่ในรูปของสารประกอบอินทรีย์ที่ซับซ้อน - โปรตีน - ไนโตรเจนเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด การเปลี่ยนแปลงของโปรตีนที่เกิดขึ้นในเซลล์พืชและสัตว์เป็นพื้นฐานของกระบวนการชีวิตทั้งหมด หากไม่มีโปรตีนก็ไม่มีชีวิต และเนื่องจากไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบสำคัญของโปรตีน จึงเป็นที่ชัดเจนว่าธาตุนี้มีบทบาทสำคัญในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตอย่างไร

โดยทั่วไป ปฏิกิริยาในดินที่ลดไนโตรเจนจะให้พลังงานมากกว่าปฏิกิริยาออกซิเดชั่นที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไนโตรเจนอย่างมีนัยสำคัญ โดยสรุป เราสามารถพูดได้ว่าในธรรมชาติ ปฏิกิริยาใดๆ ที่เกิดขึ้นอย่างน้อย 15 กิโลแคลอรี/โมล เมื่อแปลงสารประกอบหนึ่งไปเป็นอีกสารประกอบหนึ่งจะทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานสำหรับสิ่งมีชีวิตหรือกลุ่มของสิ่งมีชีวิตโดยเฉพาะ

การตรึงไนโตรเจนต้องใช้พลังงาน ประการแรก ไนโตรเจนจะต้อง "กระตุ้น" นั่นคือโมเลกุลไนโตรเจนจะต้องแตกออกเป็นสองอะตอม โดยจะใช้เวลาอย่างน้อย 160 กิโลแคลอรี/โมล การตรึงตัวเอง นั่นคือ การรวมกันของอะตอมไนโตรเจน 2 อะตอมกับไฮโดรเจน 3 โมเลกุลจนเกิดเป็นแอมโมเนีย 2 โมเลกุล ให้พลังงานประมาณ 13 กิโลแคลอรี ซึ่งหมายความว่าโดยรวมแล้วจะใช้เวลาอย่างน้อย 147 กิโลแคลอรีกับปฏิกิริยา แต่ไม่ทราบว่าสิ่งมีชีวิตที่ตรึงไนโตรเจนจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนนี้จริงหรือไม่ แท้จริงแล้ว ในปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ ไม่ได้มีเพียงการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างสารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเท่านั้น แต่ยังเป็นพลังงานกระตุ้นที่ลดลงอีกด้วย

สัตว์กินโปรตีนจากพืช กรดอะมิโน และสารที่มีไนโตรเจนอื่นๆ พร้อมกับอาหาร ดังนั้นพืชจึงสามารถให้ไนโตรเจนอินทรีย์แก่สิ่งมีชีวิตอื่น - ผู้บริโภคได้

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดจัดหาไนโตรเจนให้กับสิ่งแวดล้อม ในด้านหนึ่ง พวกมันทั้งหมดปล่อยผลิตภัณฑ์จากการเผาผลาญไนโตรเจนในช่วงชีวิตของพวกเขา: แอมโมเนีย (NH 3), ยูเรีย (CO(NH 2) 2) และกรดยูริก สารประกอบสองชนิดสุดท้ายสลายตัวในดินเกิดเป็นแอมโมเนีย (ซึ่งเมื่อละลายในน้ำจะผลิตไอออนแอมโมเนียม)

กรดยูริกที่นกและสัตว์เลื้อยคลานหลั่งออกมาจะถูกทำให้เป็นแร่ธาตุอย่างรวดเร็วโดยจุลินทรีย์กลุ่มพิเศษเพื่อสร้าง NH 3 และ CO 2 ในทางกลับกัน ไนโตรเจนที่รวมอยู่ในองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตหลังจากการตายของพวกเขาผ่านการแอมโมไนฟิเคชัน (การสลายตัวของสารประกอบเชิงซ้อนที่มีไนโตรเจนด้วยการปล่อยแอมโมเนียและแอมโมเนียมไอออน) และไนตริฟิเคชั่น

แอมโมเนียหรือแอมโมเนียมไอออนที่ผลิตในดินสามารถดูดซึมได้โดยรากพืช ไนโตรเจนจะรวมอยู่ในกรดอะมิโนและกลายเป็นส่วนหนึ่งของโปรตีน ถ้าพืชถูกสัตว์กินเข้าไป ไนโตรเจนก็จะถูกรวมเข้ากับโปรตีนอื่นๆ ไม่ว่าในกรณีใด โปรตีนก็จะกลับคืนสู่ดินในที่สุด ซึ่งจะถูกย่อยสลายเป็นกรดอะมิโนที่เป็นส่วนประกอบ ภายใต้สภาวะแอโรบิก ดินประกอบด้วยจุลินทรีย์จำนวนมากที่สามารถออกซิไดซ์กรดอะมิโนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และแอมโมเนียได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อสลายตัว ไกลซีนจะปล่อยพลังงาน 176 กิโลแคลอรี/โมล

จุลินทรีย์บางชนิดในสกุล ไนโตรโซโมแนสใช้ไนตริฟิเคชันของแอมโมเนียมไอออนเป็นแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียว เมื่อมีออกซิเจน แอมโมเนียจะผลิตไนไตรต์ไอออนและน้ำ พลังงานที่ได้ในปฏิกิริยานี้คือ 65 กิโลแคลอรี/โมล ซึ่งเพียงพอสำหรับการดำรงอยู่อย่าง "เหมาะสม" ไนโตรโซโมแนสเป็นของกลุ่มที่เรียกว่าออโตโทรฟ - สิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช้พลังงานที่เก็บไว้ในอินทรียวัตถุ Photoautotroph ใช้พลังงานแสง และ chemoautotroph ชอบ ไนโตรโซโมแนสได้รับพลังงานจากสารประกอบอนินทรีย์

จุลินทรีย์เฉพาะกลุ่มอีกกลุ่มหนึ่งซึ่ง ไนโตรแบคเตอร์สามารถดึงพลังงานจากไนไตรต์ที่ถูกละเลยได้ ไนโตรโซโมแนสที่ ออกซิเดชันของไนไตรต์ไอออนเป็นไนเตรตไอออนจะปล่อยพลังงานประมาณ 17 กิโลแคลอรี/โมล ซึ่งไม่มาก แต่ก็เพียงพอที่จะรองรับการดำรงอยู่ ไนโตรแบคเตอร์ .

ในดินมีแบคทีเรียหลายประเภท - สารดีไนตริฟายเออร์ซึ่งเมื่ออยู่ในสภาวะไร้ออกซิเจนสามารถใช้ไนเตรตและไนไตรต์ไอออนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนในระหว่างการออกซิเดชันของสารประกอบอินทรีย์

ผลิตภัณฑ์ไนตริฟิเคชั่น - NO 3 - และ (NO 2 -) จะต้องผ่านกระบวนการดีไนตริฟิเคชันในเวลาต่อมา กระบวนการนี้เกิดขึ้นทั้งหมดเนื่องจากกิจกรรมของแบคทีเรีย denitrifying ซึ่งมีความสามารถในการลดไนเตรตผ่านไนไตรท์เป็นก๊าซไนตรัสออกไซด์ (N 2 O) และไนโตรเจน (N 2) ก๊าซเหล่านี้ผ่านเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้อย่างอิสระ

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

ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน ไนเตรตจะทำหน้าที่เป็นตัวรับไฮโดรเจนขั้นสุดท้าย ความสามารถในการรับพลังงานโดยใช้ไนเตรตเป็นตัวรับไฮโดรเจนสุดท้ายเพื่อสร้างโมเลกุลไนโตรเจนนั้นแพร่หลายในแบคทีเรีย การสูญเสียไนโตรเจนชั่วคราวในพื้นที่จำกัดของดินมีความเกี่ยวข้องกับกิจกรรมของแบคทีเรียที่ทำให้เกิดการแยกตัวอย่างไม่ต้องสงสัย ดังนั้นวัฏจักรไนโตรเจนจึงเป็นไปไม่ได้หากปราศจากการมีส่วนร่วมของจุลินทรีย์ในดิน

ค่าเปรียบเทียบของแอมโมเนียมและไนไตรต์ไอออนในฐานะแหล่งไนโตรเจนสำหรับพืชเป็นหัวข้อที่มีการวิจัยมากมาย ดูเหมือนว่าแอมโมเนียมไอออนจะดีกว่าอย่างชัดเจน: สถานะออกซิเดชันของไนโตรเจนในนั้นคือ -3 นั่นคือเหมือนกับสถานะไนโตรเจนในกรดอะมิโน สถานะออกซิเดชันของไนเตรตไนโตรเจนคือ +5 ซึ่งหมายความว่าเพื่อที่จะใช้ไนโตรเจนจากไนเตรตไอออน พืชจะต้องใช้พลังงานในการลดไนโตรเจนเพนตะวาเลนต์ไปเป็นไนโตรเจนไตรวาเลนต์ ในความเป็นจริงทุกอย่างมีความซับซ้อนมากขึ้น: ไนโตรเจนรูปแบบใดที่ดีกว่านั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง เนื่องจากแอมโมเนียมไอออนมีประจุบวก เกือบจะในทันทีหลังจากก่อตัวในดิน แอมโมเนียมไอออนจึงถูกจับโดยอนุภาคของตะกอน ซึ่งจะคงอยู่จนกระทั่งเกิดออกซิเดชัน ในทางกลับกันไอออนไนเตรตเชิงลบจะเคลื่อนที่อย่างอิสระในดินซึ่งหมายความว่าเข้าสู่โซนรากได้ง่ายขึ้น

สิ่งมีชีวิตที่ตรึงไนโตรเจนในดินยังคงไม่ค่อยมีใครเข้าใจจนกระทั่งปลายศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์กลัวด้วยซ้ำว่าแบคทีเรียที่แยกไนตริไฟเออร์ซึ่งค้นพบในเวลานั้นจะค่อยๆ หมดแหล่งไนโตรเจนคงที่ในดินและลดอัตราการเจริญพันธุ์ ในการปราศรัยต่อ Royal Society ในลอนดอน เซอร์ ดับเบิลยู ครูกส์ ได้วาดภาพอันน่าสยดสยองของการอดอยากที่รอมนุษยชาติอยู่ในอนาคตอันใกล้นี้ เว้นแต่จะมีการพัฒนาวิธีการตรึงไนโตรเจนเทียมขึ้นมา ในเวลานั้น แหล่งไนเตรตหลักสำหรับทั้งการผลิตปุ๋ยและการผลิตวัตถุระเบิดคือแหล่งสะสมในชิลี มันเป็นความจำเป็นสำหรับ

หลังจากศึกษาวัฏจักรไนโตรเจนโดยทั่วไปแล้ว บทบาทของแบคทีเรียที่ทำให้เกิดการแยกตัวก็ชัดเจนขึ้น หากไม่มีแบคทีเรียดังกล่าวคืนไนโตรเจนสู่ชั้นบรรยากาศ ไนโตรเจนในบรรยากาศส่วนใหญ่ก็จะอยู่ในรูปแบบการจับตัวกันในมหาสมุทรและตะกอน ขณะนี้มีออกซิเจนในบรรยากาศไม่เพียงพอที่จะเปลี่ยนไนโตรเจนอิสระทั้งหมดให้เป็นไนเตรต แต่มีแนวโน้มว่ากระบวนการด้านเดียวในกรณีที่ไม่มีสารกำจัดไนตริไฟเออร์จะนำไปสู่การทำให้น้ำทะเลเป็นกรดด้วยไนเตรต คาร์บอนไดออกไซด์จะเริ่มถูกปล่อยออกมาจากหินคาร์บอเนต พืชจะดึงคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากอากาศอย่างต่อเนื่อง คาร์บอนจะถูกสะสมอยู่ในรูปแบบของถ่านหินหรือไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ เมื่อเวลาผ่านไป และออกซิเจนอิสระจะทำให้บรรยากาศอิ่มตัวและรวมตัวกับไนโตรเจน เนื่องจากความหลากหลายและความซับซ้อนของกระบวนการทั้งหมดเหล่านี้ จึงเป็นการยากที่จะบอกว่าโลกแห่งปฏิกิริยาดีไนตริฟิเคชั่นจะเป็นอย่างไร แต่มันจะเป็นโลกที่ไม่ธรรมดาสำหรับเราอย่างแน่นอน

กระบวนการตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพยังไม่ทราบรายละเอียด ฉันอยากทราบว่าเอนไซม์กระตุ้นการทำงานของแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนที่อุณหภูมิปกติและความดันปกติ สามารถทำหน้าที่ในเครื่องปฏิกรณ์เคมีที่อุณหภูมิหลายร้อยองศาและบรรยากาศได้อย่างไร เอนไซม์ที่น่าทึ่งนี้จะสะสมอยู่ทั่วโลกหลายกิโลกรัม

สิ่งมีชีวิตตรึงไนโตรเจนแบ่งออกเป็นสองกลุ่มใหญ่: สิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่อย่างอิสระและสิ่งมีชีวิตที่อยู่ร่วมกับพืชชั้นสูง เขตแดนระหว่างกลุ่มเหล่านี้ไม่ได้คมมากนัก ระดับการพึ่งพาอาศัยกันของพืชและจุลินทรีย์อาจแตกต่างกันไป จุลินทรีย์ชีวภาพอาศัยพืชโดยตรงเป็นแหล่งพลังงานและอาจเป็นสารอาหารบางชนิด สารตรึงไนโตรเจนอิสระได้รับพลังงานจากพืชโดยอ้อม และบางส่วนใช้พลังงานแสงโดยตรง

ซัพพลายเออร์หลักของไนโตรเจนคงที่ในดินที่ถูกครอบครองโดยธัญพืชและในระบบนิเวศอื่น ๆ ที่ไม่มีพืชที่มีสัญลักษณ์การตรึงไนโตรเจนคือแบคทีเรียต่างๆ ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม สาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียวสามารถเป็นแหล่งสำคัญของไนโตรเจนคงที่ได้ การมีส่วนช่วยในการตรึงไนโตรเจนจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในนาข้าวและสถานที่อื่นๆ ที่มีสภาวะเอื้ออำนวยต่อการพัฒนา แต่สำหรับโลกโดยรวม พืชตระกูลถั่วเป็นแหล่งไนโตรเจนคงที่ตามธรรมชาติที่สำคัญที่สุด มีความสำคัญมากกว่าพืชตรึงไนโตรเจนอื่นๆ ในมุมมองทางเศรษฐกิจ ดังนั้นจึงควรศึกษาให้ดียิ่งขึ้น

วัฏจักรไนโตรเจนในปัจจุบันได้รับผลกระทบอย่างมากจากมนุษย์ ในแง่หนึ่งการผลิตปุ๋ยไนโตรเจนจำนวนมากและการใช้งานทำให้เกิดการสะสมไนเตรตมากเกินไป ไนโตรเจนที่จ่ายให้กับทุ่งนาในรูปของปุ๋ยจะสูญเสียไปโดยอาศัยของเสียจากพืชผล การชะล้าง และการแยกไนตริฟิเคชั่น

ในทางกลับกัน เมื่ออัตราการเปลี่ยนแอมโมเนียเป็นไนเตรตลดลง ปุ๋ยแอมโมเนียมก็จะสะสมอยู่ในดิน สามารถระงับการทำงานของจุลินทรีย์อันเป็นผลมาจากการปนเปื้อนในดินด้วยขยะอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม กระบวนการเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะในท้องถิ่น สิ่งที่สำคัญกว่านั้นคือการที่ไนโตรเจนออกไซด์เข้าสู่ชั้นบรรยากาศระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อน การขนส่ง และโรงงาน (“หางสุนัขจิ้งจอก” (NO 2)) ในพื้นที่อุตสาหกรรม ความเข้มข้นของพวกมันในอากาศกลายเป็นอันตรายมาก ภายใต้อิทธิพลของการแผ่รังสีปฏิกิริยาของอินทรียวัตถุ (ไฮโดรคาร์บอน) กับไนโตรเจนออกไซด์จะเกิดขึ้นพร้อมกับการก่อตัวของสารประกอบที่เป็นพิษสูงและเป็นสารก่อมะเร็ง

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อวัฏจักรไนโตรเจน

ในกรณีที่ไม่มีกิจกรรมของมนุษย์ กระบวนการตรึงไนโตรเจนและไนตริฟิเคชันเกือบจะสมดุลอย่างสมบูรณ์โดยปฏิกิริยาตรงกันข้ามของดีไนตริฟิเคชั่น ไนโตรเจนส่วนหนึ่งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศจากการปะทุของภูเขาไฟส่วนหนึ่งถูกจับอย่างแน่นหนาในดินและแร่ธาตุดินเหนียวนอกจากนี้ไนโตรเจนยังรั่วไหลจากชั้นบนของบรรยากาศอย่างต่อเนื่องสู่อวกาศระหว่างดาวเคราะห์ แต่ปัจจุบันวัฏจักรไนโตรเจนได้รับอิทธิพลจากปัจจัยหลายประการที่เกิดจากมนุษย์ ประการแรกคือฝนกรด ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ทำให้ค่า pH ของฝนและหิมะลดลงเนื่องจากมลพิษทางอากาศจากออกไซด์ที่เป็นกรด (เช่น ไนโตรเจนออกไซด์) เคมีของปรากฏการณ์นี้มีดังนี้ ในการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล อากาศหรือส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศจะถูกส่งไปยังเครื่องยนต์สันดาปภายในและหม้อไอน้ำ อากาศเกือบ 4/5 ประกอบด้วยก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจน 1/5 ที่อุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นภายในการติดตั้ง ปฏิกิริยาของไนโตรเจนกับออกซิเจนจะเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้และเกิดไนโตรเจนออกไซด์:

N 2 + O 2 = 2NO - Q

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนและเกิดขึ้นภายใต้สภาวะธรรมชาติระหว่างการปล่อยฟ้าผ่า และยังเกิดขึ้นพร้อมกับปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันในชั้นบรรยากาศด้วย ในปัจจุบัน จากกิจกรรมของเรา มนุษย์จึงเพิ่มการสะสมของไนตริกออกไซด์ (II) บนโลกนี้มากขึ้นอย่างมาก ไนตริกออกไซด์ (II) สามารถออกซิไดซ์เป็นไนโตรเจนออกไซด์ (IV) ได้อย่างง่ายดายภายใต้สภาวะปกติ:

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

กรดไนตริกและไนตรัสเกิดขึ้น ในหยดน้ำในบรรยากาศ กรดเหล่านี้จะแยกตัวออกเพื่อสร้างไนเตรตและไนไตรต์ไอออน ตามลำดับ และไอออนจะเข้าสู่ดินพร้อมกับฝนกรด ปัจจัยทางมานุษยวิทยากลุ่มที่สองที่ส่งผลต่อการเผาผลาญไนโตรเจนในดินคือการปล่อยมลพิษทางเทคโนโลยี ไนโตรเจนออกไซด์เป็นหนึ่งในมลพิษทางอากาศที่พบบ่อยที่สุด และการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในการผลิตแอมโมเนีย ซัลฟิวริก และกรดไนตริกนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเพิ่มขึ้นของปริมาตรของก๊าซเสีย และเป็นผลให้ปริมาณไนโตรเจนออกไซด์ที่ปล่อยออกมาสู่ชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้นด้วย ปัจจัยกลุ่มที่สามคือการทำให้ดินมีไนไตรต์มากเกินไป ไนเตรต (โซเดียมไนเตรต (NaNO 3) โพแทสเซียมไนเตรต (KNO 3) แคลเซียมไนเตรต (Ca(NO 3) 2) แอมโมเนียมไนเตรต NH 4 NO 3) และปุ๋ยอินทรีย์ ในที่สุด เมแทบอลิซึมของไนโตรเจนในดินได้รับผลกระทบทางลบจากระดับมลพิษทางชีวภาพที่เพิ่มขึ้น สาเหตุที่เป็นไปได้: การปล่อยน้ำเสีย การไม่ปฏิบัติตามมาตรฐานสุขอนามัย (การพาสุนัขเดิน การทิ้งขยะอินทรีย์ที่ไม่สามารถควบคุมได้ ระบบบำบัดน้ำเสียทำงานไม่ดี ฯลฯ) ส่งผลให้ดินปนเปื้อนแอมโมเนีย เกลือแอมโมเนียม ยูเรีย อินโดล เมอร์แคปแทน และผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ที่เกิดจากการสลายตัวของสารอินทรีย์ แอมโมเนียเพิ่มเติมจะเกิดขึ้นในดิน ซึ่งแบคทีเรียจะแปรสภาพเป็นไนเตรต

ความเกี่ยวข้องของการศึกษาวัฏจักรไนโตรเจน

มีการแลกเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีอย่างต่อเนื่องระหว่างเปลือกโลก ไฮโดรสเฟียร์ บรรยากาศ และสิ่งมีชีวิตของโลก กระบวนการนี้เป็นวัฏจักร: เมื่อย้ายจากทรงกลมหนึ่งไปอีกทรงกลมหนึ่ง องค์ประกอบต่างๆ จะกลับสู่สภาพเดิม

biocenoses จากการกระทำของมนุษย์เป็นชุมชนธรรมชาติพิเศษที่ก่อตั้งขึ้นภายใต้อิทธิพลโดยตรงของมนุษย์ ซึ่งตัวเขาเองสามารถสร้างภูมิทัศน์ใหม่และเปลี่ยนแปลงสมดุลของระบบนิเวศอย่างจริงจัง นอกจากนี้ กิจกรรมของมนุษย์ยังส่งผลกระทบอย่างมากต่อวงจรขององค์ประกอบอีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในศตวรรษที่ผ่านมา เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในวัฏจักรธรรมชาติ เนื่องจากการเติมหรือกำจัดสารเคมีที่มีอยู่ในวัฏจักรอันเป็นผลมาจากผลกระทบจากมนุษย์ ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบที่จำเป็นต่อการดำรงอยู่ของสัตว์และพืชโดยเป็นส่วนหนึ่งของโปรตีน กรดอะมิโน กรดนิวคลีอิก คลอโรฟิลล์ ยีน ฯลฯ ในเรื่องนี้พบไนโตรเจนที่จับกันจำนวนมากในสิ่งมีชีวิต "สารอินทรีย์ที่ตายแล้ว" วัตถุ” และวัตถุในทะเลและมหาสมุทรก็กระจัดกระจาย

เพื่อศึกษาลักษณะของวัฏจักรไนโตรเจน คุณสามารถใช้วิธีการที่ครอบคลุมเพื่อศึกษาเนื้อหาของไนไตรต์ (NO 2 -), ไนเตรต (NO 3 -) และแอมโมเนียม (NH 4 +) ไอออนในดินและพารามิเตอร์ทางจุลชีววิทยาของมัน

เป็นสิ่งสำคัญมากในการศึกษาและควบคุมวัฏจักรไนโตรเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสารชีวะจากการกระทำของมนุษย์ เนื่องจากความล้มเหลวเล็กน้อยในส่วนใดส่วนหนึ่งของวงจรสามารถนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ร้ายแรง: มลพิษทางเคมีอย่างรุนแรงในดิน การเจริญเติบโตมากเกินไปในแหล่งน้ำ และการปนเปื้อนด้วยผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของ สารอินทรีย์ที่ตายแล้ว (แอมโมเนีย เอมีน ฯลฯ) สารประกอบไนโตรเจนที่ละลายน้ำได้ในน้ำดื่มมีปริมาณสูง

พิษวิทยาของไนโตรเจนและสารประกอบของมัน

ไนโตรเจนในบรรยากาศนั้นมีฤทธิ์เฉื่อยมากพอที่จะส่งผลโดยตรงต่อร่างกายมนุษย์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แต่ด้วยความดันโลหิตสูงจะทำให้ง่วงซึม มึนเมา หรือหายใจไม่ออก (เนื่องจากขาดออกซิเจน) เมื่อความดันลดลงอย่างรวดเร็ว ไนโตรเจนทำให้เกิดอาการป่วยจากการบีบอัด สัตว์ที่อยู่ในบรรยากาศไนโตรเจนจะตายอย่างรวดเร็ว แต่ไม่ใช่เพราะความเป็นพิษของไนโตรเจน แต่เกิดจากการขาดออกซิเจน

สารประกอบไนโตรเจนหลายชนิดมีฤทธิ์มากและมักเป็นพิษ

ไนโตรเจนมากถึง 13% ที่มีอยู่ในปุ๋ยแร่จะไหลลงสู่น้ำใต้ดิน องค์การอนามัยโลก (WHO) ได้ใช้ความเข้มข้นสูงสุดของไนเตรตในน้ำดื่มที่อนุญาต: 45 มก./ล. สำหรับละติจูดเขตอบอุ่น และ 10 มก./ล. สำหรับเขตร้อน

องค์ประกอบทางเคมีที่พบบ่อยที่สุดอย่างหนึ่งในสิ่งแวดล้อมคือไนโตรเจน ปริมาณไนโตรเจนในบรรยากาศมีขนาดใหญ่ - สี่ในห้าของบรรยากาศประกอบด้วยองค์ประกอบทางเคมีนี้ ธาตุส่วนใหญ่อยู่ในรูปแบบอิสระ โดยอะตอม 2 อะตอมจะรวมกันเป็นโมเลกุล N2 เนื่องจากพันธะที่ค่อนข้างแน่นระหว่างอะตอมในโมเลกุลจึงไม่สามารถใช้สารประกอบดังกล่าวได้โดยตรง

เพื่อให้สิ่งมีชีวิตดูดซึมองค์ประกอบทางเคมีนี้ได้อย่างเต็มที่ จะต้องถ่ายโอนไปสู่สถานะ "ผูกมัด" ในสถานะนี้ไนโตรเจนคือไอออนไนเตรตที่มีประจุ NO3- ซึ่งในรูปแบบนี้พืชสามารถดูดซึมได้

วัฏจักรไนโตรเจนในธรรมชาติเป็นไปไม่ได้หากไม่มีกระบวนการ "จับตัว" เนื่องจากเป็นการสลายตัวของโมเลกุล N2 ที่ทำให้สามารถรองรับกระบวนการชีวิตต่างๆ บนโลกของเราได้

ลักษณะของไนโตรเจน

ไนโตรเจนเป็นก๊าซไม่มีสี ไม่เป็นพิษ ซึ่งส่วนใหญ่พบในธรรมชาติในสภาวะอิสระ (ไม่ยึดติด) นี่คือส่วนหลักของบรรยากาศ - เกือบ 80% ถูกครอบครองโดยสสารโมเลกุล ในรูปแบบโมเลกุล ไนโตรเจนไม่มีประโยชน์ต่อธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต โมเลกุลของมันภายใต้สภาวะปกติจะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับลิเธียมเท่านั้น แต่ความสำคัญของไนโตรเจนในธรรมชาติของชีวมณฑลนั้นยากที่จะประเมินค่าสูงไป สารนี้เป็นส่วนสำคัญของโมเลกุลโปรตีนที่ง่ายที่สุด แต่โปรตีนเป็นองค์ประกอบสำคัญของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด

วงจรเกิดขึ้นได้อย่างไร?

วัฏจักรไนโตรเจนในธรรมชาติ แท้จริงแล้วคือสายโซ่ของเส้นทางที่เชื่อมต่อถึงกันแบบปิด ซึ่งไนโตรเจนจะไหลเวียนอยู่ในชีวมณฑลของโลก โดยธรรมชาติแล้ว ซัพพลายเออร์หลักขององค์ประกอบที่ถูกผูกไว้นี้คือจุลินทรีย์ต่างๆ ต้องขอบคุณคนงานด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ไอออนไนโตรเจนตั้งแต่ 90 ถึง 140 ล้านตันผ่านเข้าสู่สถานะที่จำเป็นสำหรับชีวมณฑล

การมีอยู่ของไนโตรเจนในธรรมชาติส่วนใหญ่เกิดจากกิจกรรมของแบคทีเรียและสาหร่าย วัฏจักร N2 ในธรรมชาติมีต้นกำเนิดจากกิจกรรมของจุลินทรีย์หลายชนิดที่สกัดไนโตรเจนจากการย่อยสลายของเสีย ส่วนหนึ่งขององค์ประกอบจะถูกแปลงเป็นโมเลกุลที่จำเป็นสำหรับการดำรงอยู่ของจุลินทรีย์เหล่านี้ อีกส่วนหนึ่งถูกปล่อยออกมาในรูปของแอมโมเนียมไอออนและโมเลกุลแอมโมเนีย แบคทีเรียหลายชนิดเปลี่ยนไนโตรเจนจากสารเหล่านี้ให้อยู่ในรูปของไนเตรต สารประกอบไนโตรเจนในรูปปุ๋ยถูกพืชดูดซับและสัตว์ดูดซึมได้ หลังจากการตายของสิ่งมีชีวิต จุลธาตุจะกลับคืนสู่ดินเพื่อเริ่มวงจรไนโตรเจนในธรรมชาติอีกครั้ง แผนภาพการไหลของไนโตรเจนแสดงไว้ด้านล่าง

ในระหว่างวงจร N2 อาจถูกรวมเข้ากับตะกอนอนินทรีย์หรือปล่อยออกมาอันเป็นผลมาจากการทำงานของแบคทีเรียบางชนิด นอกจากนี้การปะทุของภูเขาไฟและการทำงานของไกเซอร์ทำให้สัดส่วนของสารนี้ในชั้นบรรยากาศของโลกเพิ่มขึ้น

การใช้ไนโตรเจนในการเกษตร

ด้วยการใส่ปุ๋ยดินด้วยสารประกอบไนโตรเจนในอัตราปุ๋ยหนึ่งกิโลกรัมต่อเฮกตาร์คุณสามารถเพิ่มผลผลิตพืชธัญพืชได้หลายเปอร์เซ็นต์
ในการเกษตร ไนโตรเจนจะถูกกำจัดออกไปในรูปของพืชผลจำนวน 1 ล้านตัน ในขณะที่ใช้ปุ๋ยไนโตรเจนน้อยกว่าสองเท่า แม้จะมีผลกำไรสูงจากการใช้ปุ๋ยแร่ แต่ความต้องการของพืชสำหรับสารนี้ถูกปกคลุมไปด้วยเทียมเพียง 20-25% ปริมาณที่เหลือจะถูกสกัดจากดินเนื่องจากการตรึงทางชีวภาพ (ปุ๋ยธรรมชาติ) การเพิ่มผลผลิตเพิ่มเติมจะขึ้นอยู่กับการใช้ปุ๋ยอย่างมีเหตุผล การเพิ่มการผลิตปุ๋ยแร่ และการใช้ไนโตรเจนคงที่แบบ "ชีวภาพ" (ผลิตโดยจุลินทรีย์) อย่างมีประสิทธิภาพ

การใช้ไนโตรเจนในอุตสาหกรรม

ไนโตรเจนยังใช้ในอุตสาหกรรมอีกด้วย สารสังเคราะห์ส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตแอมโมเนีย ระบบระเบิด และสีย้อมต่างๆ นอกจากนี้ยังใช้ในอุตสาหกรรมการผลิต เช่น ในการแปรรูปโค้ก คุณสมบัติของไนโตรเจนเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายและนำมาพิจารณาในการผลิตวัตถุเจือปนอาหารต่างๆ ไนโตรเจนเหลวเป็นสารทำความเย็นที่ดีเยี่ยมและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการแช่แข็งอาหาร แต่ถึงกระนั้นวิธีหลักในการใช้ก็คือการผลิตปุ๋ยแร่

แบคทีเรียที่เปลี่ยนไนโตรเจนที่มีชื่อเสียงที่สุดพบได้ในหัวของพืชในตระกูลถั่ว

คุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ของไนโตรเจนช่วยเพิ่มความอุดมสมบูรณ์ของดิน: ขั้นแรกให้หว่านถั่วเลนทิลถั่วหรือถั่วในทุ่งนาจากนั้นจึงไถพืชลงดิน จึงปลูกพืชอื่นๆ ในบริเวณนี้ ซึ่งสามารถใช้ไนโตรเจนเป็นปุ๋ยธรรมชาติได้

ปุ๋ยแร่

แต่ไนโตรเจนตามธรรมชาติที่ใช้เป็นปุ๋ยนั้นไม่เพียงพอต่อการรักษาผลผลิตพืชผล และผู้คนเริ่มใช้ปุ๋ยแร่ที่มีไนโตรเจนคงที่

เทคโนโลยีในการตรึงไนโตรเจนในระดับอุตสาหกรรมถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์การทหารชาวเยอรมันในช่วงก่อนสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง จากนั้นจึงมีการพัฒนาแผนการผลิตแอมโมเนียตามความต้องการของอุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ หลังจากปรับปรุงเทคโนโลยีแล้ว นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นโครงการที่เชื่อถือได้สำหรับการผลิตไนโตรเจนคงที่เพื่อการเกษตร ปัจจุบัน เกษตรกรใช้ไนโตรเจนคงที่มากกว่า 80 ล้านตันในการปลูกพืชอาหาร

ไนโตรเจนคงที่ตามธรรมชาติ

น่าแปลกที่ไนโตรเจนในบรรยากาศจำนวนหนึ่งจะคงที่ในระหว่างเกิดพายุฝนฟ้าคะนอง แสงวาบฟ้าผ่าเกิดขึ้นบ่อยกว่าที่คิดไว้มาก ภายใน 10 วินาที สายฟ้าวาบประมาณห้าร้อยดวงในโลก การปล่อยกระแสไฟฟ้าจะทำให้บรรยากาศโดยรอบร้อนขึ้น ไนโตรเจนจะรวมตัวกับออกซิเจน ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไนโตรเจนเกิดขึ้นซึ่งก่อให้เกิดสารประกอบไนโตรเจนและออกซิเจนหลายประเภท นี่เป็นรูปแบบการตรึงไนโตรเจนที่ค่อนข้างดี แต่จะปล่อยก๊าซออกมาเพียงประมาณ 10 ล้านตันต่อปีเท่านั้น

ไนโตรเจนคงที่ประดิษฐ์

ตามที่เขียนไว้ข้างต้น แหล่งที่มาหลักของไนโตรเจนคือปุ๋ยแร่ซึ่งใช้ในการเกษตรในประเทศส่วนใหญ่ของโลก การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลทุกประเภท (ถ่านหิน ก๊าซ อนุพันธ์ปิโตรเลียม) ยังนำไปสู่การตรึงไนโตรเจนอิสระอีกด้วย นอกเหนือจากการเผาไหม้โดยตรงแล้ว การทำงานของเครื่องยนต์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ายังสร้างความร้อนที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาไนโตรเจนกับออกซิเจนอีกด้วย โดยทั่วไปในระหว่างปี การเผาไหม้จะผลิตไนโตรเจนประมาณ 20 ล้านตันซึ่งเหมาะสมกับชีวมณฑล

บทสรุป

วัฏจักรไนโตรเจนเกิดขึ้นในธรรมชาติได้อย่างไร? แผนภาพของการเคลื่อนไหวนี้สามารถนำเสนอได้ด้วยสายตา ตัวอย่างเช่น เราสามารถจินตนาการได้ว่าชีวมณฑลทั้งหมดเป็นภาชนะสองใบที่เชื่อมต่อถึงกัน ความจุขนาดใหญ่แสดงถึงการมีอยู่ของไนโตรเจนในธรรมชาติ โดยส่วนใหญ่อยู่ในไฮโดรสเฟียร์และบรรยากาศ มีไนโตรเจนน้อยมากซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของชีวิต ทางเดินแคบ ๆ เชื่อมต่อภาชนะทั้งสองซึ่งไนโตรเจนไม่ทางใดก็ทางหนึ่งจะผ่านเข้าสู่สถานะที่ถูกผูกไว้ ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติไนโตรเจนจะเข้าสู่สิ่งมีชีวิตและกลายเป็นส่วนหนึ่งของธรรมชาติที่ไม่มีชีวิตหลังจากการตายผ่านทางข้อความดังกล่าว

ในช่วงเวลาอันสั้น กิจกรรมของมนุษย์เริ่มส่งผลต่อระดับ N2 ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ บทบาทของไนโตรเจนในธรรมชาติยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างสมบูรณ์ เป็นที่ชัดเจนแล้วว่าแต่ละระบบนิเวศสามารถดูดซึมสารนี้ได้เพียงจำนวนหนึ่งเท่านั้น ไนโตรเจนส่วนเกินในระบบนิเวศใด ๆ นำไปสู่การเจริญเติบโตของพืชมากเกินไป และการอุดตันของแม่น้ำและอ่างเก็บน้ำ

ปัญหานี้เรียกว่ายูโทรฟิเคชัน - มลภาวะจากสาหร่าย เมื่อปัญหานี้เกิดขึ้น สาหร่ายจะทำให้แหล่งน้ำมืดลง และเบียดเสียดสิ่งมีชีวิตที่แข่งขันกัน หลังจากที่สาหร่ายจำนวนมากตายไป ออกซิเจนทั้งหมดที่มีอยู่ในน้ำจะจำเป็นเพื่อให้ซากพืชสามารถย่อยสลายได้ ปลา สัตว์น้ำที่มีเปลือกแข็ง และสัตว์อื่นๆ ออกจากแหล่งน้ำที่มีออกซิเจนต่ำ น้ำจะกลายเป็นแอ่งน้ำและหลังจากนั้นไม่กี่ปีก็กลายเป็นโคลน ทะเลสาบหรือสระน้ำกลายเป็นหนองน้ำที่ตายแล้ว

การศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัฏจักรไนโตรเจนในธรรมชาติจะช่วยป้องกันผลกระทบของปัญหาดังกล่าวและรักษาสมดุลระหว่างกิจกรรมทางเศรษฐกิจของมนุษย์และระบบนิเวศทางธรรมชาติ

การไหลเวียนของสารในชีวมณฑลเป็น "การเดินทาง" ขององค์ประกอบทางเคมีบางอย่างตามห่วงโซ่อาหารของสิ่งมีชีวิตด้วยพลังงานของดวงอาทิตย์ ในระหว่าง "การเดินทาง" องค์ประกอบบางอย่างหล่นลงมาและคงอยู่บนพื้นตามกฎด้วยเหตุผลหลายประการ สถานที่ของพวกเขาถูกยึดครองโดยสถานที่เดียวกันกับที่มักจะมาจากชั้นบรรยากาศ นี่เป็นคำอธิบายที่ง่ายที่สุดเกี่ยวกับสิ่งที่รับประกันชีวิตบนโลก หากการเดินทางดังกล่าวถูกขัดจังหวะด้วยเหตุผลบางประการ การดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดก็จะยุติลง

เพื่ออธิบายวัฏจักรของสารในชีวมณฑลโดยย่อ จำเป็นต้องระบุจุดเริ่มต้นหลายประการ ประการแรก องค์ประกอบทางเคมีมากกว่าเก้าสิบชนิดที่รู้จักและพบในธรรมชาติ ประมาณสี่สิบองค์ประกอบเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิต ประการที่สอง ปริมาณของสารเหล่านี้มีจำกัด ประการที่สาม เรากำลังพูดถึงเฉพาะเกี่ยวกับชีวมณฑลเท่านั้น นั่นคือเกี่ยวกับเปลือกโลกที่มีชีวิต และดังนั้น เกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิต ประการที่สี่ พลังงานที่ก่อให้เกิดวัฏจักรคือพลังงานที่มาจากดวงอาทิตย์ พลังงานที่สร้างขึ้นในบาดาลของโลกอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาต่างๆ ไม่ได้มีส่วนร่วมในกระบวนการที่กำลังพิจารณา และสิ่งสุดท้ายอย่างหนึ่ง จำเป็นต้องก้าวไปข้างหน้าถึงจุดเริ่มต้นของ "การเดินทาง" นี้ มันเป็นเงื่อนไขเนื่องจากไม่สามารถมีจุดสิ้นสุดและจุดเริ่มต้นของวงกลมได้ แต่จำเป็นเพื่อที่จะเริ่มต้นที่ไหนสักแห่งเพื่ออธิบายกระบวนการ เริ่มจากลิงค์ต่ำสุดของห่วงโซ่อาหาร - ด้วยตัวย่อยสลายหรือผู้ขุดหลุมฝังศพ

สัตว์น้ำที่มีเปลือกแข็ง หนอน ตัวอ่อน จุลินทรีย์ แบคทีเรีย และสัตว์กินเนื้ออื่น ๆ ที่ใช้ออกซิเจนและใช้พลังงาน แปรรูปองค์ประกอบทางเคมีอนินทรีย์ให้เป็นสารอินทรีย์ที่เหมาะสมสำหรับการให้อาหารสิ่งมีชีวิตและการเคลื่อนที่ต่อไปตามห่วงโซ่อาหาร นอกจากนี้ สารอินทรีย์เหล่านี้ยังถูกบริโภคโดยผู้บริโภคหรือผู้บริโภค ซึ่งรวมถึงสัตว์ นก ปลา และอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน แต่ยังรวมถึงพืชด้วย หลังเป็นผู้ผลิตหรือผู้ผลิต พวกเขาใช้สารอาหารและพลังงานเหล่านี้เพื่อผลิตออกซิเจนซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักที่เหมาะสำหรับการหายใจของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลก ผู้บริโภค ผู้ผลิต และแม้แต่ผู้ย่อยสลายก็เสียชีวิต ซากศพของพวกเขาพร้อมกับสารอินทรีย์ที่มีอยู่ในนั้น "ตกลงมา" เมื่อกำจัดผู้ขุดหลุมศพ

และทุกอย่างก็เกิดขึ้นซ้ำอีกครั้ง ตัวอย่างเช่น ออกซิเจนทั้งหมดที่มีอยู่ในชีวมณฑลจะเสร็จสิ้นการหมุนเวียนในปี 2000 และคาร์บอนไดออกไซด์ในปี 300 วัฏจักรดังกล่าวมักเรียกว่าวัฏจักรชีวธรณีเคมี

สารอินทรีย์บางชนิดในระหว่าง “การเดินทาง” จะเกิดปฏิกิริยาและปฏิกิริยากับสารอื่นๆ เป็นผลให้เกิดสารผสมขึ้นซึ่งในรูปแบบที่มีอยู่นั้นไม่สามารถผ่านกระบวนการโดยตัวย่อยสลายได้ สารผสมดังกล่าวยังคง "เก็บ" ไว้ในพื้นดิน สารอินทรีย์บางชนิดที่ตกบน "โต๊ะ" ของนักขุดดินไม่สามารถแปรรูปได้ ไม่ใช่ทุกสิ่งที่สามารถเน่าเปื่อยได้ด้วยความช่วยเหลือของแบคทีเรีย ซากที่ไม่เน่าเปื่อยดังกล่าวจะถูกนำไปจัดเก็บ ทุกสิ่งที่ยังคงอยู่ในการจัดเก็บหรือสำรองจะถูกลบออกจากกระบวนการ และไม่รวมอยู่ในวงจรของสารในชีวมณฑล

ดังนั้นในชีวมณฑล วัฏจักรของสารซึ่งเป็นแรงผลักดันซึ่งเป็นกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตสามารถแบ่งออกเป็นสององค์ประกอบ หนึ่ง - กองทุนสำรอง - เป็นส่วนหนึ่งของสารที่ไม่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตและไม่มีส่วนร่วมในการไหลเวียนในขณะนี้ และประการที่สองคือกองทุนหมุนเวียน เป็นเพียงส่วนเล็ก ๆ ของสารที่สิ่งมีชีวิตใช้อย่างแข็งขัน

อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีพื้นฐานใดที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตบนโลกมาก ได้แก่: ออกซิเจน คาร์บอน ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และอื่นๆ สารประกอบหลักในการไหลเวียนคือน้ำ

ออกซิเจน

วัฏจักรของออกซิเจนในชีวมณฑลควรเริ่มต้นด้วยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งเป็นผลมาจากการที่มันปรากฏขึ้นเมื่อหลายพันล้านปีก่อน มันถูกปล่อยออกมาโดยพืชจากโมเลกุลของน้ำภายใต้อิทธิพลของพลังงานแสงอาทิตย์ ออกซิเจนยังเกิดขึ้นในชั้นบนของบรรยากาศในระหว่างปฏิกิริยาเคมีในไอน้ำ ซึ่งสารประกอบทางเคมีจะสลายตัวภายใต้อิทธิพลของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า แต่นี่เป็นแหล่งออกซิเจนเพียงเล็กน้อย สิ่งสำคัญคือการสังเคราะห์ด้วยแสง ออกซิเจนก็พบได้ในน้ำเช่นกัน แม้ว่าจะมีน้อยกว่าในชั้นบรรยากาศถึง 21 เท่าก็ตาม

สิ่งมีชีวิตจะใช้ออกซิเจนในการหายใจ นอกจากนี้ยังเป็นสารออกซิไดซ์สำหรับเกลือแร่ต่างๆ

และคนเราก็เป็นผู้ใช้ออกซิเจน แต่ด้วยจุดเริ่มต้นของการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี การบริโภคนี้ได้เพิ่มขึ้นหลายเท่า เนื่องจากออกซิเจนถูกเผาหรือผูกไว้ระหว่างการดำเนินการของการผลิตทางอุตสาหกรรมจำนวนมาก การขนส่ง เพื่อตอบสนองความต้องการในครัวเรือนและความต้องการอื่น ๆ ในชีวิตมนุษย์ กองทุนแลกเปลี่ยนออกซิเจนที่มีอยู่ก่อนหน้านี้ในชั้นบรรยากาศมีจำนวน 5% ของปริมาตรทั้งหมดนั่นคือออกซิเจนมากที่ผลิตขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงตามที่มีการบริโภคไป ตอนนี้ปริมาณนี้มีขนาดเล็กลงอย่างหายนะ พูดอีกอย่างก็คือ ออกซิเจนถูกใช้ไปจากเงินสำรองฉุกเฉิน จากตรงนั้นไม่มีใครมาเสริมเลย

ปัญหานี้บรรเทาลงได้เล็กน้อยจากข้อเท็จจริงที่ว่าขยะอินทรีย์บางส่วนไม่ได้ผ่านกระบวนการแปรรูปและไม่ตกอยู่ภายใต้อิทธิพลของแบคทีเรียที่เน่าเปื่อยได้ แต่ยังคงอยู่ในหินตะกอนซึ่งก่อตัวเป็นพีท ถ่านหิน และแร่ธาตุที่คล้ายกัน

หากผลลัพธ์ของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือออกซิเจน วัตถุดิบก็คือคาร์บอน

ไนโตรเจน

วัฏจักรไนโตรเจนในชีวมณฑลเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของสารประกอบอินทรีย์ที่สำคัญ เช่น โปรตีน กรดนิวคลีอิก ไลโปโปรตีน ATP คลอโรฟิลล์ และอื่นๆ ไนโตรเจนในรูปโมเลกุลพบได้ในชั้นบรรยากาศ เมื่อรวมกับสิ่งมีชีวิตแล้ว นี่เป็นเพียงประมาณ 2% ของไนโตรเจนทั้งหมดบนโลก ในรูปแบบนี้แบคทีเรียและสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินเท่านั้นที่สามารถบริโภคได้ สำหรับส่วนที่เหลือของโลกพืช ไนโตรเจนในรูปแบบโมเลกุลไม่สามารถทำหน้าที่เป็นอาหารได้ แต่สามารถแปรรูปได้เฉพาะในรูปของสารประกอบอนินทรีย์เท่านั้น สารประกอบดังกล่าวบางชนิดเกิดขึ้นเมื่อเกิดพายุฝนฟ้าคะนองและตกลงไปในน้ำและดินเมื่อมีฝนตก

“ผู้รีไซเคิล” ของไนโตรเจนหรือตัวตรึงไนโตรเจนที่ใช้งานมากที่สุดคือแบคทีเรียที่เป็นปม พวกมันจับตัวอยู่ในเซลล์ของรากพืชตระกูลถั่วและเปลี่ยนโมเลกุลไนโตรเจนให้เป็นสารประกอบที่เหมาะกับพืช หลังจากที่พวกมันตาย ดินก็จะอุดมไปด้วยไนโตรเจนเช่นกัน

แบคทีเรียที่เน่าเปื่อยสลายสารประกอบอินทรีย์ที่มีไนโตรเจนเป็นแอมโมเนีย บางส่วนเข้าไปในชั้นบรรยากาศ และส่วนที่เหลือถูกออกซิไดซ์โดยแบคทีเรียประเภทอื่น ๆ ให้เป็นไนไตรต์และไนเตรต ในทางกลับกัน สิ่งเหล่านี้จะถูกป้อนเป็นอาหารให้กับพืชและถูกรีดิวซ์เป็นออกไซด์และโมเลกุลไนโตรเจนโดยแบคทีเรียไนตริไฟดิ้ง ซึ่งกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศอีกครั้ง

ดังนั้นจึงชัดเจนว่าแบคทีเรียประเภทต่างๆ มีบทบาทสำคัญในวัฏจักรไนโตรเจน และถ้าคุณทำลายสิ่งมีชีวิตเหล่านี้อย่างน้อย 20 ชนิด ชีวิตบนโลกนี้ก็จะหยุดลง

และอีกครั้งหนึ่งวงจรที่ถูกสร้างขึ้นก็ถูกทำลายโดยมนุษย์ เพื่อเพิ่มผลผลิต เขาเริ่มใช้ปุ๋ยที่มีไนโตรเจนอย่างจริงจัง

คาร์บอน

วัฏจักรคาร์บอนในชีวมณฑลเชื่อมโยงกับการไหลเวียนของออกซิเจนและไนโตรเจนอย่างแยกไม่ออก

ในชีวมณฑล โครงร่างวัฏจักรคาร์บอนขึ้นอยู่กับกิจกรรมชีวิตของพืชสีเขียวและความสามารถในการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นออกซิเจน ซึ่งก็คือ การสังเคราะห์ด้วยแสง

คาร์บอนมีปฏิกิริยากับองค์ประกอบอื่นๆ ในรูปแบบต่างๆ และเป็นส่วนหนึ่งของสารประกอบอินทรีย์เกือบทุกประเภท เช่น เป็นส่วนหนึ่งของคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทน มันถูกละลายในน้ำซึ่งมีเนื้อหาสูงกว่าในบรรยากาศมาก

แม้ว่าคาร์บอนจะไม่ได้อยู่ในสิบอันดับแรกในแง่ของความชุก แต่ในสิ่งมีชีวิตนั้นคาร์บอนคิดเป็น 18 ถึง 45% ของมวลแห้ง

มหาสมุทรทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมระดับคาร์บอนไดออกไซด์ ทันทีที่ส่วนแบ่งในอากาศเพิ่มขึ้น น้ำจะลดระดับลงโดยการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ ผู้บริโภคคาร์บอนในมหาสมุทรอีกรายหนึ่งคือสิ่งมีชีวิตในทะเลซึ่งใช้คาร์บอนในการสร้างเปลือกหอย

วัฏจักรคาร์บอนในชีวมณฑลขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศและไฮโดรสเฟียร์ซึ่งเป็นกองทุนแลกเปลี่ยนชนิดหนึ่ง มันถูกเติมเต็มด้วยการหายใจของสิ่งมีชีวิต แบคทีเรีย เชื้อรา และจุลินทรีย์อื่น ๆ ที่มีส่วนร่วมในกระบวนการสลายตัวของสารอินทรีย์ตกค้างในดินยังมีส่วนร่วมในการเติมเต็มคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ คาร์บอนถูก "อนุรักษ์" ในสารตกค้างอินทรีย์ที่ไม่เน่าเปื่อยเป็นแร่ ในถ่านหินและถ่านหินสีน้ำตาล พีท หินน้ำมัน และตะกอนที่คล้ายกัน แต่กองทุนสำรองคาร์บอนหลักคือหินปูนและโดโลไมต์ คาร์บอนที่บรรจุอยู่นั้น “ถูกซ่อนไว้อย่างปลอดภัย” ในส่วนลึกของโลก และจะถูกปล่อยออกมาเฉพาะในช่วงการเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลกและการปล่อยก๊าซภูเขาไฟในระหว่างการปะทุเท่านั้น

เนื่องจากกระบวนการหายใจด้วยการปล่อยคาร์บอนและกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงที่มีการดูดซับผ่านสิ่งมีชีวิตอย่างรวดเร็วจึงมีคาร์บอนเพียงส่วนน้อยของโลกเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในวงจรนี้ หากกระบวนการนี้ไม่ตอบแทนกัน โรงงานซูชิเพียงอย่างเดียวก็จะใช้คาร์บอนทั้งหมดหมดในเวลาเพียง 4-5 ปี

ในปัจจุบัน ต้องขอบคุณกิจกรรมของมนุษย์ที่ทำให้โลกของพืชไม่ขาดแคลนคาร์บอนไดออกไซด์ จะถูกเติมเต็มทันทีและพร้อมกันจากสองแหล่ง โดยการเผาไหม้ออกซิเจนในระหว่างการดำเนินงานของอุตสาหกรรม การผลิต และการขนส่ง ตลอดจนเกี่ยวข้องกับการใช้ "สินค้ากระป๋อง" เช่น ถ่านหิน พีท หินดินดาน และอื่นๆ สำหรับกิจกรรมของมนุษย์ประเภทนี้ เหตุใดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศจึงเพิ่มขึ้น 25%

ฟอสฟอรัส

วัฏจักรฟอสฟอรัสในชีวมณฑลมีความเชื่อมโยงอย่างแยกไม่ออกกับการสังเคราะห์สารอินทรีย์ เช่น ATP, DNA, RNA และอื่นๆ

ปริมาณฟอสฟอรัสในดินและน้ำต่ำมาก เขตสงวนหลักอยู่ในหินที่ก่อตัวขึ้นในอดีตอันไกลโพ้น เมื่อหินเหล่านี้ผุกร่อน วัฏจักรฟอสฟอรัสก็เริ่มต้นขึ้น

ฟอสฟอรัสถูกพืชดูดซึมได้เฉพาะในรูปของไอออนของกรดออร์โธฟอสฟอริกเท่านั้น นี่เป็นผลผลิตส่วนใหญ่จากการแปรรูปซากอินทรีย์โดยนักขุดหลุมศพ แต่ถ้าดินมีปัจจัยที่เป็นด่างหรือเป็นกรดสูงฟอสเฟตก็จะไม่ละลายในนั้น

ฟอสฟอรัสเป็นสารอาหารที่ดีเยี่ยมสำหรับแบคทีเรียประเภทต่างๆ โดยเฉพาะสาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียวซึ่งมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วเมื่อมีปริมาณฟอสฟอรัสเพิ่มขึ้น

อย่างไรก็ตามฟอสฟอรัสส่วนใหญ่จะถูกพาไปกับแม่น้ำและน้ำอื่นๆ ลงสู่มหาสมุทร ที่นั่นแพลงก์ตอนพืชจะถูกกินอย่างแข็งขัน และนกทะเลและสัตว์สายพันธุ์อื่น ๆ ก็กินด้วยเช่นกัน ต่อมาฟอสฟอรัสตกลงสู่พื้นมหาสมุทรและก่อตัวเป็นหินตะกอน นั่นคือมันกลับคืนสู่พื้นดินภายใต้ชั้นน้ำทะเลเท่านั้น

อย่างที่คุณเห็น วัฏจักรฟอสฟอรัสมีความเฉพาะเจาะจง เป็นการยากที่จะเรียกมันว่าวงจรเนื่องจากไม่ได้ปิด

กำมะถัน

ในชีวมณฑล วัฏจักรซัลเฟอร์จำเป็นต่อการก่อตัวของกรดอะมิโน ทำให้เกิดโครงสร้างสามมิติของโปรตีน มันเกี่ยวข้องกับแบคทีเรียและสิ่งมีชีวิตที่ใช้ออกซิเจนเพื่อสังเคราะห์พลังงาน พวกมันออกซิไดซ์ซัลเฟอร์เป็นซัลเฟต และสิ่งมีชีวิตก่อนนิวเคลียร์เซลล์เดียวจะลดซัลเฟตเป็นไฮโดรเจนซัลไฟด์ นอกจากนี้แบคทีเรียกำมะถันทั้งกลุ่มยังออกซิไดซ์ไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นกำมะถันและจากนั้นเป็นซัลเฟต พืชสามารถใช้ซัลเฟอร์ไอออนจากดินได้เท่านั้น - SO 2-4 ดังนั้นจุลินทรีย์บางชนิดจึงเป็นตัวออกซิไดซ์ในขณะที่บางชนิดเป็นตัวรีดิวซ์

สถานที่ที่กำมะถันและอนุพันธ์สะสมอยู่ในชีวมณฑลคือมหาสมุทรและบรรยากาศ ซัลเฟอร์เข้าสู่ชั้นบรรยากาศโดยปล่อยไฮโดรเจนซัลไฟด์ออกจากน้ำ นอกจากนี้ ซัลเฟอร์จะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศในรูปของไดออกไซด์เมื่อมีการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลในการผลิตและเพื่อใช้ในครัวเรือน ส่วนใหญ่เป็นถ่านหิน ที่นั่นมันจะออกซิไดซ์และกลายเป็นกรดซัลฟิวริกในน้ำฝนและตกลงสู่พื้นด้วย ฝนกรดเองก่อให้เกิดอันตรายอย่างมากต่อพืชและสัตว์ทั้งโลกและยิ่งไปกว่านั้นเมื่อมีพายุและน้ำละลายก็เข้าสู่แม่น้ำ แม่น้ำนำพาไอออนซัลเฟอร์ซัลเฟตลงสู่มหาสมุทร

ซัลเฟอร์ยังมีอยู่ในหินในรูปของซัลไฟด์และในรูปของก๊าซ - ไฮโดรเจนซัลไฟด์และซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ที่ก้นทะเลมีแหล่งสะสมของกำมะถันพื้นเมือง แต่ทั้งหมดนี้เป็น "สำรอง"

น้ำ

ไม่มีสารที่แพร่หลายอีกต่อไปในชีวมณฑล ปริมาณสำรองส่วนใหญ่อยู่ในรูปแบบน้ำทะเลและมหาสมุทรที่มีรสเค็มและขม - ประมาณ 97% ส่วนที่เหลือเป็นน้ำจืด ธารน้ำแข็ง และน้ำใต้ดินและน้ำใต้ดิน

วัฏจักรของน้ำในชีวมณฑลตามอัตภาพเริ่มต้นจากการระเหยออกจากพื้นผิวของอ่างเก็บน้ำและใบพืช และมีจำนวนประมาณ 500,000 ลูกบาศก์เมตร กม. มันกลับมาในรูปของการตกตะกอน ซึ่งตกลงสู่แหล่งน้ำโดยตรง หรือโดยผ่านดินและน้ำใต้ดิน

บทบาทของน้ำในชีวมณฑลและประวัติความเป็นมาของวิวัฒนาการนั้นทำให้ทุกชีวิตนับตั้งแต่วินาทีที่มันปรากฏตัวขึ้นนั้นต้องอาศัยน้ำโดยสิ้นเชิง ในชีวมณฑล น้ำได้ผ่านวงจรการสลายตัวและกำเนิดหลายครั้งผ่านสิ่งมีชีวิต

วัฏจักรของน้ำส่วนใหญ่เป็นกระบวนการทางกายภาพ อย่างไรก็ตาม สัตว์และโดยเฉพาะพืชโลกมีส่วนสำคัญในเรื่องนี้ การระเหยของน้ำจากพื้นที่ผิวใบของต้นไม้ทำให้ป่าไม้สามารถระเหยน้ำได้มากถึง 50 ตันต่อวัน

หากการระเหยของน้ำจากพื้นผิวอ่างเก็บน้ำเป็นไปตามธรรมชาติสำหรับการไหลเวียนดังนั้นสำหรับทวีปที่มีเขตป่าไม้กระบวนการดังกล่าวเป็นวิธีเดียวและหลักในการรักษาไว้ ที่นี่การไหลเวียนเกิดขึ้นราวกับอยู่ในวงจรปิด การตกตะกอนเกิดจากการระเหยของดินและพื้นผิวพืช

ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชใช้ไฮโดรเจนที่มีอยู่ในโมเลกุลของน้ำเพื่อสร้างสารประกอบอินทรีย์ใหม่และปล่อยออกซิเจน และในทางกลับกัน ในกระบวนการหายใจ สิ่งมีชีวิตจะเกิดกระบวนการออกซิเดชันและน้ำก็ก่อตัวขึ้นอีกครั้ง

เมื่ออธิบายการหมุนเวียนของสารเคมีประเภทต่างๆ เรากำลังเผชิญกับอิทธิพลของมนุษย์ที่กระตือรือร้นมากขึ้นต่อกระบวนการเหล่านี้ ในปัจจุบัน ธรรมชาติซึ่งมีประวัติศาสตร์การอยู่รอดมาหลายพันล้านปี กำลังเผชิญกับกฎระเบียบและการฟื้นฟูสมดุลที่ถูกรบกวน แต่อาการแรกของ “โรค” ก็มีอยู่แล้ว และนี่คือ “ภาวะเรือนกระจก” เมื่อพลังงานสองอย่าง: แสงอาทิตย์และสะท้อนจากโลกไม่ได้ปกป้องสิ่งมีชีวิต แต่ในทางกลับกันกลับเสริมสร้างซึ่งกันและกัน ส่งผลให้อุณหภูมิโดยรอบสูงขึ้น การเพิ่มขึ้นดังกล่าวจะมีผลกระทบอะไรบ้าง นอกเหนือจากการละลายอย่างรวดเร็วของธารน้ำแข็งและการระเหยของน้ำจากพื้นผิวมหาสมุทร พื้นดิน และพืชพรรณ

วิดีโอ - วัฏจักรของสารในชีวมณฑล

ข้าว. วัฏจักรไนโตรเจนในชีวมณฑล

วัฏจักรไนโตรเจนครอบคลุมทุกพื้นที่ของชีวมณฑล พืชดูดซึมได้จำกัดเนื่องจากพวกมันดูดซับไนโตรเจนในรูปแบบของการรวมเข้ากับไฮโดรเจนและออกซิเจนเท่านั้น (N0 3- และ NH 4) และแม้ว่าปริมาณไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศจะไม่เพียงพอ (78% ของปริมาตร) เครื่องย่อยสลาย(ผู้ทำลายล้าง) หรือมากกว่านั้น แบคทีเรียในดินค่อยๆ สลายสารโปรตีนของสิ่งมีชีวิตที่ตายแล้วและแปลงเป็นสารประกอบแอมโมเนียม ไนเตรต และไนไตรต์ ไนเตรตบางส่วนจะเข้าสู่น้ำใต้ดินในระหว่างวงจรและก่อให้เกิดมลพิษ

ไนโตรเจนกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศอีกครั้งด้วย ก๊าซที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัว. จริงอยู่ส่วนหนึ่ง ออกซิไดซ์ในอากาศ - ในช่วงพายุฝนฟ้าคะนอง - และเข้าสู่ดินด้วยน้ำฝน แต่ด้วยวิธีนี้จะได้รับการแก้ไขน้อยกว่าแบคทีเรียถึง 10 เท่า

การแทรกแซงของมนุษย์ วัฏจักรไนโตรเจนมีดังนี้:

ที่ การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลไนโตรเจนออกไซด์ (NO) จำนวนมากถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ จากนั้นไนตริกออกไซด์จะรวมตัวกับออกซิเจนในบรรยากาศเกิดเป็นไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2) ซึ่งเมื่อทำปฏิกิริยากับไอน้ำจะเกิดเป็น กรดไนตริก (เอชเอ็นโอ 3 ) . กรดนี้จะกลายเป็น ส่วนประกอบของการตกตะกอนของกรด.

การใช้ปุ๋ยนำไปสู่การปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ” ก๊าซเรือนกระจก» ไนตรัสออกไซด์ (เอ็น 2 โอ)

เพิ่มปริมาณไนเตรตและแอมโมเนียมไอออนในระบบนิเวศทางน้ำเมื่อใด ปุ๋ยที่ไหลออกมาจากทุ่งนา. สารอาหารส่วนเกินนำไปสู่ความรวดเร็ว การเจริญเติบโตของสาหร่ายในระหว่างการสลายตัวซึ่งมีการใช้ออกซิเจนที่ละลายน้ำซึ่งนำไปสู่มวลมาก โรคระบาดของปลา.

วัฏจักรทางชีวเคมีของฟอสฟอรัสและซัลเฟอร์มีความสมบูรณ์น้อยกว่ามากเพราะว่า ส่วนใหญ่อยู่ในกองทุนสำรองของเปลือกโลกในเขตสงวนที่ "ไม่สามารถเข้าถึงได้"

วัฏจักรของกำมะถันและฟอสฟอรัสเป็นเรื่องปกติ วัฏจักรชีวธรณีเคมีของตะกอน. วงจรดังกล่าว เสียหายได้ง่ายจากอิทธิพลประเภทต่างๆและส่วนหนึ่งของวัสดุที่แลกเปลี่ยนจะออกจากวงจร มันสามารถกลับคืนสู่วงจรได้อีกครั้งโดยเป็นผลมาจากกระบวนการทางธรณีวิทยาหรือผ่านการสกัดส่วนประกอบทางชีวภาพด้วยสิ่งมีชีวิตเท่านั้น

วงจรฟอสฟอรัส

ข้าว. วัฏจักรฟอสฟอรัสในชีวมณฑล

ฟอสฟอรัสซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในรูปของฟอสเฟตไอออน (PO 3- และ HPO 4 2-) มีความสำคัญ ธาตุอาหารสำหรับทั้งพืชและสัตว์. เป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุล ดีเอ็นเอ, แบก ข้อมูลทางพันธุกรรม; โมเลกุล เอทีพีและเอดีพีซึ่งเก็บสิ่งที่สิ่งมีชีวิตต้องการ พลังงานเคมีใช้ในการหายใจระดับเซลล์ โมเลกุล อ้วน, ขึ้นรูป เยื่อหุ้มเซลล์ในเซลล์พืชและสัตว์ รวมถึงสารที่รวมอยู่ในองค์ประกอบด้วย กระดูกและฟัน.

ฟอสฟอรัสพบได้ใน หินเกิดขึ้นในยุคทางธรณีวิทยาที่ผ่านมา มันสามารถเข้าสู่วงจรชีวชีวเคมีได้หากหินเหล่านี้เพิ่มขึ้นจากส่วนลึกของเปลือกโลกสู่พื้นผิวดินเข้าสู่เขตการผุกร่อน กระบวนการกัดเซาะเขากำลังถูกนำออกไป ในทะเลในรูปของแร่ชื่อดัง - อะพาไทต์.

วัฏจักรฟอสฟอรัสทั่วไปสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ส่วนคือ น้ำและที่ดิน.

ในระบบนิเวศภาคพื้นดิน ฟอสฟอรัสจะถูกปล่อยออกมาอย่างช้าๆ การทำลาย(หรือ การผุกร่อน) แร่ฟอสเฟตจะถูกละลายด้วยความชื้นในดินและ ดูดซึมโดยรากพืช.

สัตว์ได้รับฟอสฟอรัสที่ต้องการ การกินพืชหรือสัตว์กินพืชอื่น ๆ ส่วนสำคัญของฟอสฟอรัสนี้อยู่ในรูปแบบ มูลสัตว์และผลิตภัณฑ์ที่ย่อยสลายสัตว์และพืชที่ตายแล้วจะถูกส่งกลับไปยัง ดินที่มีการกัดเซาะเข้า-ออก แม่น้ำและในที่สุด ไปจนถึงก้นมหาสมุทรในรูปของหินตะกอนฟอสเฟตที่ไม่ละลายน้ำ

ฟอสฟอรัสถูกดูดซึมในระบบนิเวศทางน้ำ แพลงก์ตอนพืชและถ่ายทอดไปตามห่วงโซ่อาหารจนถึงผู้บริโภคลำดับที่สาม - นกทะเล. อุจจาระของพวกเขา ( ขี้ค้างคาว) ล้มลงไปอีกครั้ง ทะเลและเข้าสู่วงจรหรือ สะสมอยู่บนฝั่งและ ถูกพัดพาลงทะเล. ดังนั้นฟอสฟอรัสส่วนหนึ่งจึงกลับสู่พื้นผิวดินในรูปของขี้ค้างคาว - มวลอินทรีย์ที่อุดมด้วยฟอสฟอรัสในอุจจาระของนกกินปลา (นกกระทุง, แกนเนต, นกกาน้ำ ฯลฯ ) อย่างไรก็ตาม ฟอสเฟตในปริมาณที่มากขึ้นอย่างไม่มีใครเทียบถูกล้างทุกปีจากพื้นผิวดินลงสู่มหาสมุทรอันเป็นผลมาจากกระบวนการทางธรรมชาติและกิจกรรมของมนุษย์

การแทรกแซงของมนุษย์ ในวัฏจักรฟอสฟอรัส ส่วนใหญ่จะมีสองทางเลือก:

การผลิตปริมาณมาก แร่ฟอสเฟตสำหรับการผลิตปุ๋ยแร่และผงซักฟอก

เพิ่มไอออนฟอสเฟตส่วนเกินในระบบนิเวศทางน้ำเมื่อคุณตีพวกเขา ของเสียที่ปนเปื้อนจากฟาร์มปศุสัตว์ถูกพัดพาออกไปจากทุ่งนา ปุ๋ยฟอสเฟตตลอดจนของเสียชุมชนที่ได้รับการบำบัดและไม่ผ่านการบำบัด ท่อระบายน้ำ. องค์ประกอบที่มากเกินไปเหล่านี้ส่งเสริมการเจริญเติบโตแบบ "ระเบิด" ของสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินและพืชน้ำอื่นๆ ซึ่งทำให้สมดุลที่สำคัญในระบบนิเวศทางน้ำเสียไป

วัฏจักรซัลเฟอร์

เซระก็มีกองทุนสำรองหลักอยู่ด้วย ตะกอนและ ดินแต่ต่างจากฟอสฟอรัสตรงที่มีทุนสำรองและเข้า บรรยากาศ.

ในกองทุนแลกเปลี่ยนมีบทบาทหลัก จุลินทรีย์. หนึ่งในนั้น สารรีดิวซ์, อื่น - สารออกซิไดซ์.

ในโขดหินซัลเฟอร์เกิดขึ้นในรูปของซัลไฟด์ (FeS2 เป็นต้น) มา โซลูชั่น– ในรูปของไอออน (SO 4 -2) ในระยะก๊าซ– ในรูปของไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) หรือซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ซัลเฟอร์สะสมอยู่ในสิ่งมีชีวิตบางชนิด ในรูปแบบที่บริสุทธิ์ที่สุด(S2) และเมื่อมันตายไป จะเกิดการสะสมของกำมะถันพื้นเมืองที่ก้นทะเล

ในสภาพแวดล้อมทางทะเล ซัลเฟตไอออนมีปริมาณอยู่อันดับสองรองจากคลอรีน และเป็นกำมะถันรูปแบบหลักที่มีอยู่ ซึ่งถูกรีดิวซ์โดยออโตโทรฟและรวมอยู่ในกรดอะมิโน

วัฏจักรซัลเฟอร์แม้ว่าสิ่งมีชีวิตต้องการมันในปริมาณน้อยก็ตาม เป็นกุญแจสำคัญในกระบวนการผลิตและการสลายตัวโดยรวม.

ในระบบนิเวศน์ภาคพื้นดิน กำมะถันจะกลับคืนสู่ ดินที่ กำลังจะตายจากพืชถูกจับแล้ว จุลินทรีย์, ที่ คืนค่าถึง H2S สิ่งมีชีวิตอื่นๆ และการสัมผัสกับออกซิเจนทำให้ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ออกซิไดซ์ ก่อตัวขึ้น ซัลเฟตละลายและดูดซับ พืชจากสารละลายรูพรุนของดิน - นี่คือวงจรที่ดำเนินต่อไป

วัฏจักรซัลเฟอร์และวัฏจักรไนโตรเจนสามารถหยุดชะงักได้ การแทรกแซงของมนุษย์ . สาเหตุหลักมาจาก การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและโดยเฉพาะถ่านหิน ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ขัดขวางกระบวนการสังเคราะห์แสงและนำไปสู่ การตายของพืชพรรณ.

เมื่อวัฏจักรชีวชีวเคมีของมนุษย์หยุดชะงัก การไหลเวียนของสารจึงเป็นไปไม่ได้ วัฏจักร, ก ไม่หมุนเวียน. การคุ้มครองทรัพยากรธรรมชาติควรมุ่งเป้าไปที่การเปลี่ยนกระบวนการชีวชีวเคมีแบบอะไซเคิลให้เป็นแบบวัฏจักร