Круговорот азота в природе рисунок. Биосферные процессы

Азот (или нитроген «N ») – это один из важнейших элементов, который содержится в биосфере, и совершат круговорот. Около 80% воздуха содержит этот элемент, в котором два атома соединены в молекулу N 2. Связь этих атомов весьма прочная. Азот, который находится в «связанном» состоянии, используется всеми живыми существами. Когда молекулы нитрогена расщепляются, атомы N принимают участие в различных реакциях, соединяясь с атомами иных элементов. Довольно часто N соединяется с оксигеном. Поскольку в таких веществах связь нитрогена с другими атомами весьма слабая, то он хорошо усваивается живыми организмами.

Как протекает круговорот нитрогена

Нитроген циркулирует в окружающей среде по путям замкнутым и взаимосвязанным. В первую очередь, N выделяется при распаде веществ в грунте. Когда растения попадают в почву, живые организмы извлекают из них азот, благодаря чему он превращается в молекулы, используемые для процессов обмена веществ. Оставшиеся атомы соединяются с атомами иных элементов, после чего освобождаются в виде ионов аммония либо аммиака. Затем азот связывается другими веществами, после чего образуются нитраты, которые поступают в растения. В результате N участвует в появлении молекул. Когда травы, кустарники, деревья и другая флора отмирает, попадает в землю, нитроген снова возвращается в грунт, после чего круговорот наступает снова. Азот теряется, если входит в состав осадочных веществ, преобразуется в минералы и породы, либо при деятельности денитрифицирующих бактерий.

Нитроген в природе

В воздухе содержится не около 4 квадриллионов тонн N , а в Мировом океане – примерно 20 трлн. тонн. Та часть нитрогена, имеющаяся в организмах живых существ, составляет примерно 100 млн. тонн. Из них 4 миллиона тонн находится во флоре и фауне, а остальные 96 миллионов тонн – в микроорганизмах. Таким образом, значительная часть нитрогена присутствует в бактериях, благодаря которым N связывается. Ежегодно во время различных процессов связывается 100-150 тонн нитрогена. Наибольшее количество этого элемента есть в минеральных удобрениях, которые производят люди.

Таким образом, цикл круговорота N – это неотъемлемая часть природных процессов. Благодаря этому вытекают различные изменения. В результате антропогенной деятельности происходит изменение круговорота азота в среде, но пока что это не представляет большой опасности для окружающей среды.

Малый круговорот азота - это процесс преобразования азота в почве. Он включает биологическую фиксацию атмосферного (молекулярного) азота, его минерализацию (аммонификации и нитрификацию), денитрификацию, иммобилизации. В центре этого круговорота находится биомасса почвы. Минерализация и иммобилизация азота происходят в противоположных направлениях и определяют его трансформацию. Микробная масса, на которую приходится 2-3% общего содержания азота почвы, при этом играет важную роль. Она одновременно является временным резервом для продуктов минерализации, источником трансформированного азота для растений и катализатором для процессов преобразования азота в почве.

Соотношение процессов минерализации и накопления органических азотсодержащих веществ определяет азотный режим почвы. Оно зависит также от антропогенных факторов, то есть влияния деятельности человека на почву в процессе его сельскохозяйственного использования.

В внутрихозяйственному круговорота азота кроме того, участвуют животные. Поэтому азот, выносится из почвы с урожаем сельскохозяйственных культур, возвращается в почву вместе с органическими удобрениями (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Биоцикл азота в агроценозах (Г. П. Гамзиков, 2014)

В хозяйственном круговороте современного производства потери азота преобладают над его поступлением в почву. Это происходит вследствие вывода из круговорота азота урожая культур и продуктов животноводства, вывозимых за пределы хозяйства.

Геологический круговорот охватывает широкий круг процессов, происходящих в природе, в результате чего пополнения запасов азота в почве и его потери происходят одновременно (рис. 5.2).

Рис. 5.2.

Запасы азота в почве пополняются в основном вследствие азотфиксирующих способности микроорганизмов (биологический азот) и поступления с атмосферными осадками. Различают симбиотическую и несимбиотичну азотфиксации. Бобовые растения, которые в результате симбиоза с клубеньковыми бактериями способны усваивать атмосферный азот и обогащать им почву, называют азотонакопичувачамы . Наибольшую азотфиксирующих способность имеют многолетние бобовые травы - люцерна, клевер, эспарцет, донник, из однолетних - люпин, кормовые бобы. Наименьшей азотфиксирующих способностью характеризуется горох. Азотфиксация значительно меняется в зависимости от культуры, ее урожайности, свойств почвы, внесенных удобрений и др.

Фиксация азота из воздуха также происходит несимбиотичнимы (свободноживущих) азотфиксирующих микроорганизмами почвы (азотобактерии, клостридиум и др.), Ризосферных микроорганизмами (ассоциативная азотфиксация). Она зависит от многих факторов. Жизнедеятельность, а соответственно и активность этих микроорганизмов, ограничивают такие факторы: недостаток в почве усвояемых углеводов; отсутствие достаточного количества в почве других питательных веществ; кислая реакция почвенной среды; низкая температура, недостаток или избыток влаги в почве; неудовлетворительная аэрация. Микроорганизмы, многочисленные представители которых населяют почву, за год накапливают 5-15 кг / га связанного азота при благоприятных условиях в дерново-подзолистых и серых лесных почвах эта величина может достигать 20-25, в черноземах - 30-40, в условиях тропиков и субтропиков - 80 кг / га и более. Фиксированный микроорганизмами в ризосфере растений азот участвует в питании растений, как и азот, фиксированный бульбочковими бактериями. Атмосферный азот связывают также грибы, водоросли, которые существуют в симбиозе с некоторыми высшими растениями.

На основе азотобактера (свободноживущих азотфиксаторы) методами генной инженерии созданы бактериальные препараты, которые позволяют в системе удобрения культур заменить часть азота минеральных удобрений на биологически фиксированный азот.

Высокие нормы минеральных удобрений (60 кг / га д. Г..) Резко снижают производительность свободноживущих микроорганизмов. Депрессия длится 2-2,5 мес после внесения удобрений, затем уровень азотфиксации восстанавливается и значительно превышает первоначальный. В почвах с содержанием гумуса более 2,5% депрессия не наблюдается. Процессы денитрификации и несимбиотичнои азотфиксации сопряженные, то есть количество несимбиотично фиксированного азота приравнивается к суммарному количеству его газообразных потерь из почвы, минеральных и органических удобрений.

Улучшить азотное питание небобовых культур (пшеницы, ячменя, кукурузы, свеклы и др.) Способны ассоциативные азот фиксаторы, например азоспирила. Эти микроорганизмы поселяются в зоне корневых систем растений и при благоприятных условиях могут на 30-40% обеспечить потребность растений в азоте.

Следует отметить, что активизации биологической азотфиксации способствует известкование кислых почв, оптимизация фосфорного и калийного питания растений, внесение физиологически оправданных норм минерального азота или его полное исключение.

Запасы азота в почве в определенной степени пополняются азотом атмосферных осадков. В виде аммиака и нитратов в почву за год попадает от 2 до 10 кг / га азота. Эти соединения азота образуются в атмосфере при грозовых разрядов и оседают в виде промышленных выбросов. По данным наблюдений, последним ежегодно поступает от нескольких до 100 кг / га азота.

В процессе сельскохозяйственного использования запасы азота в почве также увеличиваются за счет семян и посадочного материала. Эти источники пополнения природных запасов азота практически интересные, но они восстанавливают только часть азота, выносится с урожаями культур. Самый реальный путь пополнения запасов азота - использование органических и минеральных удобрений.

Недостаток азота достаточно часто является фактором, лимитирующим прирост урожая. В природе есть много путей снижения доступности для растений азота, основными из которых являются: 1) вынесение с хозяйственной частью урожая; 2) потери в результате водной и ветровой эрозии; 3) газообразные потери аммиака, оксидов азота и молекулярного азота 4) вымывание нитратной формы азота в грунтовые воды; 5) иммобилизация азота почвенной микрофлорой; 6) фиксация аммония в почве или Необменная его поглощения.

Потери азота в результате водной и ветровой эрозии могут достигать значительных величин. Вместе с частичками почвы выносятся гумус и другие азотсодержащие соединения. Так, на черноземных почвах потеря азота через водную эрозию составляет 12-17 кг / га.

Наибольшее количество газообразного азота теряется в виде аммиака NH3, молекулярного азота N2 и гемиоксиду азота N2O. Среди этих потерь значительное количество приходится на аммиак, который теряется из мочи и навоза домашних животных, вследствие выделения из почвы и внесенных удобрений. Чем выше карбонатность почвы, тем больше потери аммиачного азота. Кроме того, потери значительно возрастают на легких по гранулометрическому составу почвах и при высокой температуре.

Большая часть газообразного азота теряется из почвы в результате процессов денитрификации . Благоприятными условиями для этого процесса является анаэробная среда, щелочная реакция почвенного раствора, избыток в почве энергоемкого органического материала, высокая влажность почвы. Процесс денитрификации достаточно распространен и происходит почти во всех почвах. В зависимости от почвенно-климатических условий потери азота от них в опытах с нуклидом азота I5N колебались от 10 до 35% внесенной нормы азота и в среднем составляли 15%.

Нитраты вымываются в низшие слои почвы и в подпочвенные воды потому, что обычно они образуют в почве водорастворимые соединения и не поглощаются отрицательно заряженными коллоидами почвы. При вымывании нитратов наблюдается такая последовательность действия факторов: годовое выпадение осадков, испарения, температура, растительность (вид и продолжительность выращивания) - водопроницаемость почвы - запасы гумуса в почве - биологическая активность почвы - технология применения удобрений (сроки, нормы, формы и т. Д.). Наибольшие потери азота от вымывания оказываются на почвах легкого гранулометрического состава с низким содержанием органических веществ, при высоком увлажнения или избыточного орошения.

Обычно глубину вымывания нитратов рассчитывают по формуле

d = a / R,

где d - глубина вымывания, см; а - толщина слоя воды, см; R - водоутры м тельная способность почвы,%.

Например, если водоудерживающая способность пылевато суглинка составляет 46% и слой воды толщиной 1 см перемещается ниже корневой зоны, то нитраты вымываются по профилю почвы на 2,2 см. В почвах легкого гранулометрического состава, водоудерживающая способность которых составляет ½ от пылевидных суглинков, вымывание нитратов будет вдвое больше на каждый сантиметр слоя воды, или 4,4 см / см воды.

В естественных фитоценозах образования минерального азота и поглощения его растениями уравниваются так, что избыток его в почвах не накапливается. Теоретически в почве до периода сбора урожая не должно оставаться азота, который был внесен с удобрениями.

В условиях интенсивного земледелия миграция нитратов по профилю почвы и основание может иметь целый ряд негативных последствий прежде всего вследствие попадания их в подпочвенные воды, поскольку уже с глубины 2 м они почти не используются полевыми культурами.

Вопрос доступности для растений нитратов из разных глубин достаточно еще не изучено. Считают, что большинство культур плохо усваивают эту форму азота уже с глубины 80-100 см, а с глубины более 1,5 м частично усваивать азот нитратов могут только многолетние травы.

Перемещение нитратов вглубь сложно объяснить перемещением с капиллярной влагой, поскольку влажность черноземов уже на глубине 3-5 м обычно мало меняется. С глубиной включается механизм перемещения нитратов с пленочной водой, которая выстилает пространство грунтовых пор. Это является одной из причин того, что характер распределения нитратов по профилю почвы и основание не отвечает распределения в нем влаги. На это различие влияют также трещиноватость гумусового профиля черноземов, в значительной степени препятствует восходящем перемещению нитратов в результате расходов воды на диффузное испарения, поддержание ингредиента нисходящего перемещения нитратов в период ранневесеннего и позднеосеннего увлажнения, возвращение их в почву вследствие слабого усвоения растениями с основания.

Перемещение нитратов по профилю почвы прямо пропорционально зависит от проникновения воды. Свободная грунтовая вода просачивается по профилю почвы под действием силы гравитации и сил капиллярности. Довольно быстро перемещается вода после дождей и паводков, на скорость этого процесса влияют характер почвы (размеры и форма грунтовых полостей) и его влажность. Чем выше влажность почвы, тем быстрее проходит по ней, вытесняя почвенный воздух, фронт гравитационной и капиллярной влаги.

Капиллярная вода может подниматься от уровня грунтовых вод на высоту до 6 м в почвах тяжелого гранулометрического состава и до 2 м в почвах легкого гранулометрического состава. На черноземах капиллярное поднятие сначала происходит со скоростью около 1 см / мин, но затем быстро замедляется. На высоту 1 м капиллярная вода поднимается около года, а на высоту 3 м - до трех лет.

В случае снижения общей влажности почвы скорость перемещения воды в нем значительно падает. По подсчетам В. Г. Ротмистрова, проведенными еще в 1904 г.., Скорость восстановления влажности высушенного грунта за счет соседних участков, которые содержат свободную воду, составляет 1 см / сутки. В сравнительно сухих почвах она уменьшается до сотых и тысячных долей сантиметра в сутки. В общем почву является средой, для которого характерна низкая скорость перемещения воды до предела высушивания.

В паровом поле на увлажненных почвах происходят значительные потери нитратов, но их количество можно регулировать и резко уменьшать (выращивать культуры сплошного посева; рознично вносить удобрения в период вегетации и в фазы крупнейшего усвоения азота своевременно вносить азотные удобрения и регулировать питательный режим во время орошения, подбирать соответствующие нормы минеральных удобрений и т.д.). Большое количество азота может поглощаться микроорганизмами при внесении органических веществ с большим соотношением углерода к азоту. Например, солома и другие органические остатки содержат 0,5-1,0% азота, тогда как солома зернобобовых - 1,5-2,0% азота и имеет соотношение углерода к азоту 20: 1. В то же время содержание азота в плазме микроорганизмов составляет 5 -10% (соотношение азота к углероду в среднем 1: 10). Почти такое же соотношение между азотом и углеродом в гумусе. Поэтому внесение в почву, бедный азотом, органических веществ способствует интенсивному развитию почвенной микрофлоры и приводит к снижению содержания в почве минерального азота, используемого на строительство плазмы микроорганизмов, а это, в свою очередь, приводит к ухудшению азотного питания культурных растений.

Процесс иммобилизации азота из почвы микроорганизмами не всегда является негативным фактором. На легких по гранулометрическому составу почвах, в частности при достаточном увлажнении, в результате иммобилизации минеральный азот закрепляется в верхних его слоях. В дальнейшем во время разложения плазмы микроорганизмов часть его превращается в аммонийный азот, а затем в процессе нитрификации - на нитратный. При этом аммонийный и нитратный азот может усваиваться растениями.

Негативное воздействие иммобилизации азота под культурными растениями зачастую оказывается после запашки соломы или растительных остатков без внесения минеральных азотных удобрений.

Часть азота почвы или азота, внесенного с удобрениями, поглощается некоторыми минералами из группы гидрослюд. Кристаллическая решетка минерала при этом расширяется и поглощает ионы аммония сначала обменно. Затем он может проникнуть в его середину, занимая свободные радикалы. В случае подсушивания почвы катионы аммония будто сжимаются, то есть фиксируются, поэтому нитрификувальни бактерии на них не действуют и они почти не вытесняются растворителями. Такой фиксированный аммоний считают условно потерянным. В верхних слоях почвы содержание фиксированного азота составляет 2-7% общего, а в основе доля его повышается до 30-35 %. В почве аммоний может быть естественно фиксированным или фиксированным после внесения азотных удобрений; последний для растений доступнее.

Итак, только азот биосферы поддерживает жизнедеятельность живых организмов на Земле. В биосфере происходит сложный процесс: из инертного газа с помощью азотфиксирующих микроорганизмов атмосферный азот превращается в органические соединения, которые далее поступают в азотный обмен микроорганизмов, растений и животных. Грунт при этом является средой, в которой осуществляется полный цикл превращения азота: азотфиксация, аммонификации, нитрификация, денитрификация. Применение минеральных удобрений позволяет управлять коловращением азота в земледелии. Это одно из важнейших условий интенсивного земледелия. Минеральные удобрения по химическому составу идентичны имеющимся в живой природе и при правильном их использовании является мощным фактором ее развития.

Азот непрерывно циркулирует в земной биосфере под влиянием различных химических и нехимических процессов, причем в последнее время связанный азот попадает в атмосферу в основном благодаря деятельности человека.

Азот - одно из самых распространенных веществ в биосфере , узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме (см. Химические связи), при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота - N 2 . Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот - его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота - чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH 3) или ионов аммония (NH 4 +). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO 3 –). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул . После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота - когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), - так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом - огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10 15) тонн, а в океанах - около 20 триллионов (20·10 12) тонн. Незначительная часть этого количества - около 100 миллионов тонн - ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных - все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

Главный поставщик связанного азота в природе - бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, - порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур - пригородные лужайки и сады удобряют им же).

Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны - растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер - пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота азота - еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось человечество. В связи с этим можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации».

Биосфера – это оболочка Земли, заселенная живыми организмами. Биосфера нашей планеты является сложной системой, в которой постоянно осуществляются круговороты различных веществ, тесно взаимосвязанных между собой. Азот – один из обязательных элементов важнейших органических соединений, из которых состоят ткани всех живых организмов (белков, АТФ, нуклеиновых кислот, т.д.).

Основные запасы данного химического элемента находятся в атмосфере в виде молекулярного азота, который не доступен для усвоения растениями в такой форме. Процесс круговорота азота начинается с поступления в экосистему соединений азота при выпадении осадков. Азотистые соединения образуются в атмосфере при разрядах молний во время гроз. С дождем они попадают в почву и воду.

Малая доля азотистых соединений выбрасывается в окружающую среду при извержениях вулканов. Ученые считают, что источником всего азота при формировании нашей планеты был вулканогенный NH3, который затем подвергся окислению атмосферным кислородом.

Таким образом, есть два пути вовлечения молекулярного азота в биогенный круговорот. Первый способ заключается в электрическом и фотохимическом окислении азота атмосферного воздуха. Второй путь – биологическая фиксация данного элемента микроорганизмами-азотфиксаторами, в т.ч. клубеньковыми бактериями. Лишь некоторые прокариоты способны осуществлять связывание атмосферного азота. В результате их жизнедеятельности образуется в несколько раз больше оксида азота на кв.м. площади поверхности Земли в год, чем при окислении атмосферного азота кислородом.

Клубеньковые бактерии и другие азотфиксаторы переводят азот из молекулярного состояния в соединения, которые легко усваиваются растениями. Затем азот продвигается по пищевым цепочкам экосистем в биосфере до редуцентов, чаще в почвенном покрове. После гибели растений и животных их организмы разлагаются с участием многочисленных микробов. При этом органический азот участвует в различных химических реакциях. Так, в процессе денитрификации органических веществ образуется элементарный азот, который затем возвращается в атмосферу, где начинается новый виток его циркуляции по внешнему кругу. Но основные запасы азота экосистем размещены в почве. При разложении белков с участием гнилостных бактерий образуется аммиак его производные, которые окисляются нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов. Эти соединения поступают в воды Мирового океана и атмосферный воздух. Именно отсюда данный элемент попадает снова в организмы растений и далее «движется» по внутренним каналам круговорота. Таким образом, живые организмы выполняют ключевую роль в круговороте азота.

Хозяйственная деятельность человека крайне негативно сказывается на балансе азота в природе. До того, как человек стал интенсивно использовать азотные минеральные удобрения для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, процессы нитрификации и денитрификации в природе были полностью сбалансированы.

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

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

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

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

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

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

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

Кислород

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

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

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

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

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

Азот

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

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

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

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

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

Углерод

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

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

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

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

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

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

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

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

Фосфор

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

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

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

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

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

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

Сера

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

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

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

Вода

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

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

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

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

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

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

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

Видео — Круговорот веществ в биосфере