Глобальный цикл азота

Содержание

1 Глобальный цикл азота  ………………………………………………………3

2 Роль биоты в поддержании глобальных циклов элементов ………………12

Выводы …………………………………………………………………………16

Список использованных источников …………………………………………17 
1 Глобальный цикл азота

Азот - важнейший элемент питания, необходимый для нормального развития растений. Он входит в состав белков (до 16-18% их массы), нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина, фосфатидов, алкалоидов. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новых клеток. В формировании почвенного покрова и плодородия экосистем, в повышении продуктивности земледелия и улучшении белкового питания человека азот столь же незаменим, как углерод. Азот накапливается преимущественно в живых организмах и почвах, но не в осадочных или изверженных породах. Это обусловлено неустойчивостью соединений азота вне живых организмов, их быстрым разложением, минерализацией и активной миграцией в биосфере. В почвах азот связан с живым органическим веществом или гумусом.

В биосфере азот присутствует в газообразной форме (N2, NН3, NO, NO2), в виде соединений азотной и азотистой кислот (нитраты и нитриты), солей аммония, а также входит в состав разнообразных органических соединений.

Главным источником азота в почве является гумус. Планетарные запасы азота в почвенном гумусе составляют 6 • 1010 т, однако он находится в недоступной растениям форме и непосредственно для их питания не используется. Азот гумуса переходит в растворимые и доступные формы лишь постепенно, в результате ряда сложных и длительных микробиологических превращений.

Устойчивые соединения азота, присутствующие в почвах, представлены формами со степенями окисления -3 и +5. Вне живых организмов азот в биосфере представлен молекулами N2, неорганическими соединениями (преимущественно NH4, NO3-, NO2-) и органическими формами. В биоценозах на долю минеральных соединений азота приходится не более 1-10%.

Перечисленные соединения азота входят как в состав неспецифических органических соединений почвы, так и в состав гумусовых кислот.

Трансформация соединений азота в почвах включает следующие процессы:

1) фиксация атмосферного  азота свободноживущими и клубеньковыми бактериями;

2) превращение азотсодержащих  соединений органических остатков в гумусовые кислоты;

3) аммонификация органических  азотсодержащих соединений;

4) нитрификация;

5) денитрификация и потеря  азота в атмосферу;

6) фиксация иона NH4+ глинистыми минералами;

7) вымывание различных  соединений азота с внутрипочвенным  и поверхностным стоком.

Азот поступает в почву с атмосферными осадками в виде NН3. Другим естественным источником азота является его фиксация свободноживущими микроорганизмами и клубеньковыми бактериями, а также появление соединений азота при разложении растительных и животных остатков. Существенным источником азота являются техногенные поступления в виде удобрений и отходов.

Рассмотрим важнейшие процессы, составляющие баланс азота в биоценозе. Биотический круговорот азота включает ряд очень сложных процессов, основную роль в которых играют микроорганизмы. Например, распад наиболее сложных высокомолекулярных азотосодержащих органических веществ - белков идет в несколько стадий.

На первой стадии происходит расщепление белков до аминокислот микроорганизмами, вырабатывающими ферменты протеазы:

БЕЛКИ → ПЕПТОНЫ → ПОЛИПЕПТИДЫ → АМИНОКИСЛОТЫ.

На второй стадии аминокислоты (RCHNH2COOH) разлагаются бактериями, актиномицетами, грибами как в аэробных, так и в анаэробных условиях:

RCHNH2COOH + О2 → RCOOH + NН3 + CO2     (1)

RCHNH2COOH + Н2О → RCOHCOOH + NН3.    (2)

Поскольку продуктом разложения аминокислот независимо от путей расщепления является аммиак NН3, то эта стадия называется аммонификацией.

Аммонификация — процесс разложения органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к образованию NН3 или NH4+.

В результате белкового обмена в животных организмах выделяется мочевина СО(NН2)2, которая тоже служит источником NН3

СО(NН2)2 + Н2О → 2 NН3 + СО2    (3)

При аммонификации могут образовываться также сероводород H2S, индол C2Н7N, скатол C9H9N, этилмеркаптан C2H5SH. Все эти вещества обладают неприятным резким запахом, поэтому распад белков часто называют гниением.

Ион NH4+ усваивается растениями, вовлекается в процессы гумификации, частично фиксируется, а также подвергается нитрификации, он может быть выщелочен или поглощен в почвенном комплексе или необменно фиксирован трехслойными глинистыми минералами с расширяющейся решеткой. Содержание фиксированного аммония в почвах меняется от 1-2 до 10-12 м-экв/100 г почвы. Аммонификация — первая стадия минерализации азотосодержащих органических соединений.

Следующей стадией является нитрификация - окисление аммиака (аммония) до нитритов и нитратов. Этот процесс протекает в два этапа:

1) окисление NН3 в HNO2 через гидроксиламин NH2OH и гипонитриты (соли азотноватистой кислоты НО — N = N — ОН):

NН3 +  HNO2→ NH2OH → HO—N=N—OH → HO—N=О

(при участии бактерий Nitrosomonas):

2 NН3 + ЗО2    →( 2HNО2 + 2Н2О +Q1 (суммарное уравнение);   (4)

2) окисление N3+ до N5+ (при участии бактерий (Nitrobacter):

2HNО2 + О2   →2HNО3 + Q2  (5)

Реакции нитрификации идут с выделением энергии, которую бактерии используют для своей жизнедеятельности, т. е. они являются хемоавтотрофами. Образовавшиеся при нитрификации нитриты и нитраты могут быть потенциальным источником кислорода в анаэробных условиях. Нитрификация протекает в почвах в окислительных условиях при величине окислительно-восстановительного потенциала Eh около 0,4-0, 5 В.

Нитрат-ион частично вымывается, поглощается растениями, подвергается денитрификации, замыкая биогеохимический цикл азота.

 Денитрификация - процесс восстановления нитрат-ионов до молекулярного азота, который осуществляется биологическим путем с помощью бактерий — денитрификаторов Pseudomonas, Micrococcus.

NO3 → NO2 → NO → N2O →N2.

Денитрификация протекает с потреблением энергии за счет жизнедеятельности бактерий.

Безазотистые органические вещества окисляются за счет нитратов и нитритов, которые при этом восстанавливаются до газообразного азота, вновь поступающего в атмосферу

5Сорг + 4КNО3 → 2N2 + 2К2СО3 + 3СО2    (6)

или

5[CH2O] +  4NO3 ¯ + 4H+ → 2N2 + 5CO2 + 7H2O (7)

где Сорг и [CH2O] означает органическое вещество. Реакция денитрификации, замыкающая цикл азота, показывает, как молекулярный азот возвращается в атмосферу.

Воздух по объему почти на 80 % состоит из молекулярного азота N2 и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента.

Поступление азота в атмосферу происходит: 1) в процессе денитрификации, т. е. биохимического восстановления оксидов азота до молекулярного газа N2; 2) с вулканическими газами и 3) с дымом, выхлопными газами. Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в процессе азотфиксации благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и многих водорослей (прежде всего синезеленых), 2) в результате естественных физических процессов фиксации азота в атмосфере (электрические разряды при грозе и др.) и 3) в процессе промышленного синтеза NH3.

Минеральные соединения азота (NH4+, NО2-, NО3-) потребляются растениями при фотосинтезе. Животные, поедая растения, используют азот для построения белков протоплазмы, превращая его в органические формы.

Азотфиксация (связывание молекулярного азота) - процесс, обратный денитрификации. Оба процесса требуют энергии, которую микроорганизмы получают либо в виде солнечного света, либо в виде органического вещества.

Долгое время считалось, что фиксировать N2 атмосферы могут немногие, но широко распространенные в природе микроорганизмы, а именно: бактерии Azotobacfer и Clostndwm, клубеньковые бактерии бобовых растений - Rhizobium, сине-зеленые водоросли Anabaena, Nostoc и др. Затем было обнаружено, что многие водные и почвенные бактерии также обладают этой способностью. Кроме того, оказалось, что примитивные грибы (актиномицеты) в клубеньках ольхи и других деревьев (около 160 видов) фиксируют N2 не менее эффективно. В отличие от бобовых, эти фиксаторы приспособлены к бедным песчаным или болотистым почвам, где доступного для растений азота мало. Поэтому ольха, например, может увеличивать продукцию деловой древесины, если ее сажать вместе с ценными породами деревьев. Биологическая фиксация азота идет в автотрофном и гетеротрофном ярусах экосистем, в аэробных и анаэробных зонах.

Но большинство наземных растений и высших водорослей, несмотря на огромное количество азота в атмосфере, способны усваивать его лишь в виде ионов, т. е. в виде NH4+, NО2-, NО3-.

2 N2 + 4 H+ + 3 [CH2O] + 3 H2O → 4NH4+ + 3 CO2

Итак, только примитивные микроорганизмы могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, усвояемые растениями. Они образуют взаимовыгодные ассоциации с высшими растениями, усиливающие фиксацию азота. Растения предоставляют бактериям «квартиры» (корневые клубеньки), защищают от избытка кислорода и поставляют необходимую энергию (органические вещества). За это растения получают азот в доступной для них форме. Для расщепления N2 бактериям необходимо много энергии на разрыв тройной связи (N=N). Бактерии в клубеньках бобовых расходуют на фиксацию 1 г атмосферного азота около 10 г глюкозы (примерно 167,5 кДж), синтезируемой растением на свету. При промышленной фиксации N2 (получение NH3) также расходуется много энергии горючих ископаемых, поэтому азотные удобрения стоят дороже любых других.

В атмосфере азот представлен разнообразными оксидами: N2O, NO, NO2, N2O3, N2O5, NO3∙

N2O3 → NO + NO2

N2O5 → N2O3 + O2

N2O5 + H2O → HNO3

2 NO2 ↔ N2O4

NO3∙ → NO + O2

N2O – наиболее устойчивый оксид в атмосфере и вступает в реакции только в стратосфере:

N2O → N2 + O (´D)

N2O → NO + N

N2O + O(´D) → 2NO

N2O + O(´D) → N2 + O2

NO образуется при горении топлива, азотфиксации. Высоко реакционноспособный газ:

NO + O3 → NO2 + O2

NO + ROO∙ → NO2 + RO∙

NO + HOO∙ → NO2 + HO∙

NO2 + O3 → NO3∙ + O2

NO2 → NO + O(3p)

Образование азотной кислоты в атмосфере происходит по следующему механизму:

NO2 + HO∙ → HNO3

N2O5 + H2O → 2 HNO3

В ночное время протекает реакция:

NO3∙ + NO2 → N2O5 → HNO3

NO3 + RCOH → HNO3 + RCO∙

Таким образом, центральное место в биотической циркуляции азота занимает NH3 (рис. 1).

Рис. 1- Схема превращений азота в биотическом круговороте

В водоемы соединения азота поступают: с поверхностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий; с подземными водами; с городскими и промышленными стоками; со сточными водами сельскохозяйственных производств.

В океан азот попадает в виде различных соединений с материковым стоком и атмосферными осадками. Ориентировочное содержание «связанного» азота (органический, нитратный и аммиачный) составляет для различного стока 0,6 мг/л, а в атмосферных осадках - 0,3 мг/л. Азот атмосферных осадков и азот материкового стока в сумме своей компенсируют процесс денитрификации (процесс перевода соединений азота в свободный азот) в океане, а количество азота, попадающего в донные осадки, мало. Процессом азотфиксации, поскольку он имеет ограниченное развитие, можно пренебречь. В таком случае денитрификация приводит к ежегодной потере около 0,3 г азота на 1 м2 поверхности Мирового океана (рис. 2).

Рис. 2- Схема обмена азота между его соединениями в океане

Влияние человека на круговорот азота достаточно велико. Он выращивает на обширных площадях бобовые растения, а также промышленным способом связывает азот. Подсчитано, что сельское хозяйство и промышленность дают почти на 60 % больше фиксированного азота, чем естественные наземные экосистемы. В этом случае люди пытаются копировать природную стратегию взаимовыгодного сотрудничества, способствующую выживанию. Если бы специалистам по генной инженерии удалось индуцировать образование клубеньков у пшеницы, кукурузы, риса и других пищевых культур, это помогло бы сэкономить немало средств и энергии, избавило бы от необходимости внесения азотных удобрений. Хороших результатов можно достигнуть и сейчас, если лучше использовать бобовые в сельском хозяйстве. Бобовые растения - природные фиксаторы азота - работают активнее в среде с малым количеством азота, поэтому внесение азотных удобрений под бобовые не имеет смысла, так как выключает биофиксацию атмосферного N2. Из азота, поступившего с удобрениями, очень небольшая часть вовлекается в круговорот повторно. Большая доля его теряется: выносится с водой, с урожаем и в процессе денитрификации. Кроме того, избыток нитратов в пище и воде может быть опасен для людей. Напрасной траты азота и энергии можно избежать, если рационально чередовать зерновые и бобовые культуры в севообороте.

Ежегодно в глобальном круговороте биотическим сообществом усваивается около 109 т азота. При этом 80 % его поступает с суши и воды и лишь около 20% добавляется «нового» азота из атмосферы.

В масштабе биосферы, благодаря механизмам обратной связи и большому резервному фонду, круговорот азота относительно совершенен. Хотя часть азота из густонаселенных областей уходит в глубоководные океанические отложения и выключается из круговорота, возможно, на миллионы лет - эта потеря в какой-то мере компенсируется поступлением его в воздух с вулканическими газами. Следовательно, извержения вулканов нельзя считать только вредными. Если бы вдруг удалось заблокировать все вулканы на Земле, то можно предположить, что от голода страдало бы не меньше людей, чем сейчас страдает от их извержений.

2 Роль биоты в поддержании глобальных циклов элементов

Биота - это совокупность организмов, обитающих на какой-либо территории. Живые организмы играют огромную, определяющую роль в поддержании глобальных циклов таких элементов, как кислород, азот, фосфор, сера и т. д.

Фактически состав атмосферы находится под контролем биоты.

Биомасса живых организмов на Земле оценивается величиной 2-1012 т в расчете на сухой вес, причем более 90% ее приходится на долю фотосинтезирующих организмов, из которых 82% сосредоточено в лесах. Второй по величине резервуар живого вещества составляют почвенные микроорганизмы — бактерии, грибы, микроводоросли. Продукция их ненамного уступает продукции высших растений. Животное население планеты гораздо более разнообразно, чем растительное. Общая же биомасса животных составляет около 2-109 т, т.е. всего около 0,1% биомассы высших растений. Соответственно вклад животных в биологический круговорот веществ пренебрежительно мал по сравнению с вкладом микроорганизмов и автотрофных растений.

В основе процессов жизнедеятельности лежит трансформация энергии солнечного излучения в энергию химических связей при фотосинтезе и в случае аэробных организмов — медленное "сжигание" органических веществ при окислении их кислородом воздуха в процессах дыхания. Цикл кислорода можно представить простой схемой:

Катализ

В природе обнаружены два основных типа фотосинтетических организмов.

Первый — фотосинтезирующие бактерии (пурпурные и зеленые), которые восстанавливают СО2 до углеводородов, но не способны окислять воду до О2- В качестве доноров они используют не Н2О, а органические и серные соединения (уксусная и пировиноградная кислоты, Н2) тиосульфаты) и запасают относительно мало энергии. Многие фотосинтезирующие бактерии способны к фотоассимиляции N2.

Второй — зеленые растения и водоросли (красные, зеленые, сине-зеленые и др.), которые наряду с восстановлением СO2 окисляют воду до O2. Ключевым процессом запасания солнечной энергии в виде химической является как раз окисление воды до O2.

Заметим, что по абсолютной величине суммарная энергия, затрачиваемая на фотосинтез, значительна. Она на порядок превышает количество энергии, потребляемой человеческим обществом.

Наряду с синтезом органического вещества в природе, происходит и его разложение, или деструкция, то есть распад органических структур на составные части, включая питательные (биогенные) вещества, с выделением энергии. И в этом процессе биота играет определяющую роль. На глобальном уровне, вследствие деятельности биоты, устанавливается с очень высокой степенью точности баланс между продукцией и деструкцией органического вещества. Тем самым обеспечивается устойчивость цикла углерода.

Биота осуществляет также весьма эффективное управление потоками и концентрацией биогенных элементов, определяя тем самым устойчивость соответствующих глобальных биогеохимических циклов.

Биота также играет важную роль в цикле серы. В упрощенном виде цикл серы в окружающей среде можно представить такой схемой:

Что касается глобального цикла и участия в нем биоты, то следует отметить, что фосфор в почве находится в усваиваемой растениями форме – в виде фосфатов, поэтому он легко усваивается продуцентами и проходит по всей пищевой цепи. Образующееся мертвое органическое вещество разлагается бактериями, и фосфор возвращается в круговорот в виде фосфатов. Фосфор, как и азот, значительно активнее участвует в биологическом круговороте в океане, чем на суше. В океане в биологический круговорот фотосинтетиков ежегодно вовлекается 1210∙106 т фосфора, а на суше, с учетом сельскохозяйственных культур, – 345∙106 т. Причем, несмотря на низкую растворимость, фосфор долго задерживается в океане благодаря деятельности живых организмов, стремящихся не выпускать этот дефицитный элемент из пищевых цепей.

Биота, функционирующая за счет замкнутости круговорота веществ, требующего затрат энергии и активности биоты, неизбежно потеряет конкурентоспособность по сравнению с биотой, существующей за счет внешних потоков питательных веществ. Последняя перешла бы на потребление этих веществ, не заботясь о замкнутости их круговорота, и могла бы существовать в форме одного или нескольких видов, не образующих экологических сообществ. Именно ограничения, накладываемые на земную биоту замкнутостью круговорота веществ, составляют сущность эколо'гии. Биологический поток синтеза и разложения биоты должен превосходить внешние потоки питательных веществ настолько, чтобы биота, функционирующая на основе сообществ и замкнутого круговорота веществ, была более конкурентоспособной, чем биота, живущая за счет внешних потоков.

Выводы

1 Соединения азота в  тропосфере представлены в основном  оксидами азота, аммиаком и солями  аммония, а также азотной кислотой  и нитратами. Оксид и диоксид  азота в тропосфере подвергаются  взаимным превращениям.

2 Наряду с абиотическими  превращениями азота, ведущую роль  играют биохимические реакции  с участием живых организмов.

3 Естественный круговорот  азота характеризуется столь  малой скоростью, что он сильно подвержен антропогенным воздействиям. В настоящее время равновесие по азоту в биосфере нарушено в результате человеческой деятельности, в окружающей среде происходит накопление нитратов и промежуточных продуктов нитрификации.

4 Биота играет важную роль в поддержании глобальных циклов кислорода, азота, фосфора, серы, т. к. осуществляет весьма эффективное управление потоками и концентрацией биогенных элементов, определяя тем самым устойчивость соответствующих глобальных биогеохимических циклов.

5 Благодаря деятельности биоты атмосфера Земли имеет значительное содержание кислорода. Одним из фундаментальных последствий формирования кислородной атмосферы было образование озонового слоя, отсекающего наиболее жесткую, губительную для живых организмов часть ультрафиолетовой солнечной радиации, что позволило биоте в процессе ее эволюции выйти из океана на сушу.

6 Извлекаемые из почвы растениями сульфаты претерпевают сложные

химические превращения, в результате которых образуются серосодержащие белковые вещества. Последние часто усваиваются животными, а после отмирания животных и растений разлагаются микроорганизмами, при этом сера в виде сероводорода возвращается в круговорот.

Список использованных источников

1 Голубев Г. Н. Геоэкология / Голубев Г. Н. – М.: Изд-во ГЕОС, 1999. – 338 с.

2 Гусакова Н.В. Химия окружающей среды / Н.В. Гусакова. – Ростов н/Д: Феникс, 2008. – 192 с.

3 Карманов А.П. Химия окружающей среды: конспект лекций / А.П. Карманов, Л.С. Кочева. – Сыктывкар: Издательство СЛИ, 2009. – 126 с.

4 Скурлатов Ю.И. Введение в экологическую химию / Ю.И. Скурлатов, Г.Г. Дука, А. Мизити. – Москва: Высшая школа, 1994. – 400с.

5 Хохлова О.Н. Введение в химическую экологию: учебное пособие. Часть 1 / О.Н. Хохлова. – Воронеж: Издательско – полиграфический центр ВГУ, 2008. – 68 с.