Глобальный цикл азота

Азотный цикл

Глобальный цикл азота

Азотный цикл (круговорот азота) — геобиохимичний цикл, описывает процесс замкнутых взаимосвязанных путей, которыми азот циркулирует через экосистемы и в земной биосфере.

Биосфера состоит из двух соединенных «резервуаров» с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере (410 15 тонн) и океанах (2010 12 тонн)) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах) . Между этими резервуарами является «узкий проход», в котором азот тем или иным способом связывается (около 100 млн тонн ежегодно).

Азот в форме неорганических соединений, таких как нитраты в почве, абсорбируется растениями и превращается в органические соединения в тканях растений. Часть этого азота, которым питаются травоядные животные, попадает в хищников, которые питаются травоядными.

В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем к почве в виде экскрементов или мертвых организмов. Там он под влиянием бактерий, переходит в неорганическую форму.

Только 4 млн тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу. Некоторые биктерии, азотфиксаторы, способные фиксировать атмосферный азот.

Азот

Азот — один из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, 79% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме, при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота (N 2).

Так что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны непосредственно использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связан» 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 снова объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слаб, что позволяет живым организмам усваивать их.

Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете. Соединения азота также участвуют в химических процессах в атмосфере и влияют на климат.

Биохимический цикл

В общем, круговорот азота состоит из химических реакций в воздухе (окисление является доминирующим) с химических реакций в биосфере: в растениях и микроорганизмах в почве (окисление или восстановление). Для роста растениям необходимы соединения азота.

В природе азот может быть в формах, усвояемых растениями (таких как нитраты или соединения аммония) или такими, которые не усваиваются (таких как молекулярный азот или оксид азота (N 2 O)).

В течение фиксации азота или его денитрификации происходит обмен между обеими формами.

Фиксация азота

Фиксация азота — процесс усвоения растениями соединений азота из воздуха (главным образом из молекулярного азота, N 2). Фиксация азота возможна многими бактериями и цианобактериями.

Они живут или в почве, или в симбиозе с растениями, или с несколькими разновидностями животных. Например, семья бобовых растений (Fabaceae) содержит такие бактерии на своих корнях. Продукты фиксации азота — аммиак (NH 3), нитриты или нитраты.

Фиксация азота является процессом, противоположным денитрификации.

Нитрификация

Нитрификация является вторым шагом фиксации азота. Если аммиак — первичный продукт фиксации азота, то переход аммиака в нитриты и нитраты (нитрифицирующих бактериями) — нитрификация.

Денитрификация

Денитрификация является процессом разложения нитрата с получением азота.

Это звено преобразований азота в биоценозе выполняется денитрофицирующими микроорганизмами (палочковидная бактерия (Pasterellaceae), псевдомонас (Pseudomonas) и другие), которые при усвоении переходят от кислорода до нитрата, особенно в недостаточно проветриваемых почвах.

Процесс денитрификации может привести к нескольким промежуточных продуктов. Важнейший — закись азота (N 2 O), долгоживущий парниковый газ. Газы возвращают азот в атмосферу.

Ассимиляция

Усваиваемые соединения азота могут накапливаться в почве в неорганической форме (нитрат) или могут быть включены в живой организм как органический азот.

Ассимиляция и минерализация определяет поглощение соединений азота из почвы, объединение их в биомолекулы растений и конверсию в неорганический азот после отмирания растений, соответственно. Ассимиляция — переход неорганического азота (типа нитрата) в органическую форму азота как, например, аминокислоты.

Нитрат переходит с помощью ферментов сначала в нитрит (редуктаза нитрата), затем в аммиак (редуктаза нитрита). Аммиак входит в состав аминокислот.

Минерализация

Минерализация (аммонификации) это процесс, в течение которого редуценты, такие как земляные черви, термиты, слизняки, улитки, бактерии и грибы превращают органический азот отмерших растений в неорганические формы. Первый шаг это формирование аммиака (NH 4 +) и его солей (NH 4 + X -). Ассимиляция и минерализация являются противоположными процессами.

Атмосферные окисления

В результате природных процессов связывается от 100 до 150 млн тонн азота в год. Важнейшие пути естественного производства оксидов азота — это окислительные процессы при высоких температурах, которыми могут быть:

  • Высокие температуры лесных пожаров.
  • Окисления молекулярного азота (инертного в нормальных условиях) при извержениях вулканов.
  • Вспышки молний, ​​которые происходят около ста раз на планете каждую секунду. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. Эта довольно зрелищная форма связывания охватывает только 10 млн тонн азота в год.

Главными продуктами таких процессов является оксид азота (NO) и диоксид азота (NO 2), а после дальнейших реакций — азотная кислота (HNO 3). Определенные концентрации оксидов азота приводят к формированию озона при помощи солнечного света и эмиссии углеводородов.

Оксиды азота и озоновый смог

В дополнение к естественным источникам, люди ответственны за эмиссию NO / NO 2 в результате горения при технических процессах. Самое распространенное — это сгорание топлива в автомобильных двигателях. При сгорании ископаемого топлива происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии.

Примерно 20 млн тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива. При определенных условиях если средние концентрации оксидов азота в воздухе становятся слишком высокими, это может привести к озонового смога.

Кроме того, оксиды азота в атмосферных реакциях превращаются в азотную кислоту, что вносит свой вклад в кислотные дожди и приводит к их негативных последствий.

Внесение удобрений

Чтобы улучшать условия выращивания зерновых и других сельскохозяйственных культур, в почву вносятся азотосодержащие удобрения. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений.

Это можно назвать технической фиксацией азота, основанный, например, на синтезе аммиака в процессе Габера-Боша. Технологии связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака для нужд военной промышленности.

[attention type=yellow]

Производство азотсодержащих удобрений очень увеличилось за последние десятилетия. Теперь для сельского хозяйства каждый год производится не более 80 млн тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур, а также для удобрения пригородных поляны и садов).

[/attention]

Дальнейшее увеличение фракции закиси азота (веселящий газ) в воздухе, прежде всего, следствие употребления азотных удобрений.

Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается примерно от 90 до 140 млн тонн азота. 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, затем их запахивают в землю (сидеральное удобрение), и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву.

Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста. Таким образом происходит связывание азота и перенос его в биосферу в 40 млн тонн ежегодно.

Подытожив вклад человека в круговорот азота, получаем цифру около 140 млн 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. 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, который изучает растения:

« Мы движемся к зеленому и заросшего сорняками мира, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации. »

Эвтрофикация

Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятные — растения станут расти быстрее. Если внесены слишком много удобрений и избыток не принят растениями, это вызывает двойную негативное воздействие.

При насыщении экосистемы аммиак и нитраты смываются в водоемы и прибрежные зоны.

Здесь они вызывают сильный рост растений и морских водорослей (фитопланктона), в результате чего жизнь в воде может погаснуть, так как содержание кислорода в воде будет уменьшаться из-за разложения остатков отмерших продуцентов, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

Эвтрофикация озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Кроме того, денитрификация увеличивается и производится больше закиси азота. Это увеличивает парниковый эффект, а закись азота, достигает стратосферы, превращается в оксиды азота, способствуют истощению озонового слоя.

Источник: https://info-farm.ru/alphabet_index/a/azotnyjj-cikl.html

Круговорот азота в природе – описание, этапы и значение процесса

Глобальный цикл азота

Для того чтобы дать описание и схему круговорота азота в природе, нужно помнить, что этот элемент — важная часть белков и ДНК. Без него жизни, какой её знает человечество, могло и не быть.

Но биологические существа способны усвоить его только в определённом виде. В результате различных геологических процессов этот элемент принимает ту форму, которой могут воспользоваться организмы.

Обмен элементами между живыми существами, воздухом, водой и земной корой получил название биогеохимических циклов.

Таким образом, микроэлементы, являющиеся частью биологического организма, возвращаются в природу. В этом процессе частицы постоянно перемещаются между воздухом, водой и живыми организмами, в противном случае жизнь давно бы истратила свои ресурсы.

N2 входит в состав всего живого. Это один из самых популярных в природе элементов. Атмосфера земли на 78% состоит из N2. Он также содержится в воде и почве и входит в состав белков.

Этот элемент включается в синтез важнейших органических молекул, белков и нуклеиновых кислот. Азот в виде газа, содержащийся в атмосфере, довольно инертен и немногие организмы способны получать его из воздуха. Растения могут поглощать лишь связанный микроэлемент, то есть в составе химических соединений.

Молекулярный азот — очень стойкое соединение. Для его разрушения необходимо большое количество энергии.

Связывание или фиксация происходит тремя способами:

  1. За счёт электрических разрядов молний. Они расщепляют молекулы, позволяя вступать в соединения с кислородом. Образованный таким способом оксид азота растворяется в дождевой воде и поступает в почву, откуда его поглощают растения. Именно вспышки молний играют важную роль в развитии жизни на нашей планете.
  2. Человек — ещё один источник. Человеческая деятельность значительно увеличила его количество в природе. Сегодня треть этого связанного азота попадает в биосферу, благодаря широкому применению искусственных удобрений, содержащих нитраты. В промышленности связывание этого элемента с водородом происходит при температуре от 400 до 600 градусов по Цельсию и давлении до 1 тысячи атмосфер.
  3. В природе основными азотфиксаторами являются бактерии, особенно те из них, которые образуют симбиоз с корнями бобовых растений. Горох, фасоль, соя, клевер — все они относятся к данному типу. Благодаря симбиозу, они могут жить на очень бедных почвах, обогащая их. У этих растений есть механизм, который позволяет им совместно с клубеньковыми бактериями усваивать вещество из воздуха.

Для того чтобы понять, какие организмы принимают участие в круговороте азота, надо вспомнить класс биологии. Существуют важнейшие азотфиксаторы цианобактерии. Они играют важную роль в водных экосистемах.

N2 также свободно фиксируется свободноживущими почвенными бактериями. При помощи специального фермента бактерии фиксируют атмосферный азот, синтезируя аммиак и нитраты. Получается взаимовыгодное существование.

Микроорганизмы обеспечивают растения азотом, а растения питают бактерии сахарами.

Большинство видов растений получает нитраты из почвы. Растительные белки становятся частью травоядных животных, а затем хищников.

[attention type=red]

В круговороте бактерии играют важнейшую роль, разлагая сложные азотсодержащие соединения, чтобы их усвоили растения.

[/attention]

В условиях недостатка кислорода некоторые бактерии разлагают органические вещества до получения газообразного азота. Он возвращается в атмосферу и весь цикл повторяется вновь.

Этапы круговорота атмосферного азота

Для того чтобы кратко описать и понять этот процесс, нужно представить биосферу, как два соединяющихся сосуда разных размеров. В большом находится вещество из воздуха и воды, в маленьком — элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. В трубке, которая их соединяет — переходящий в разные состояния азот. Так в живой природе происходит его поступление в организм.

Процесс круговорота очень медленный. Он имеет определённую последовательность:

  • Поглощение вещества бактериями биосферы.
  • Переход из свободного состояния в связанный.
  • Усвоение растениями его соединений.
  • Поглощение элемента животными.
  • Восстановление концентрации микроорганизмами.

Азот в живой природе

Роль азота в природе ещё не изучена до конца. Любая экологическая система усваивает небольшое количество вещества. Поэтому при производстве удобрений нарушается баланс между газом из органических соединений, вернувшимся в атмосферу, и элементами из воздушной среды.

Было отмечено, что его состояние может переходить из техногенного потока в природный. Лишнее количество газа накапливается в природе и вызывает отрицательные последствия. Выявлена закономерная связь между сельским хозяйством, например, применением различных добавок, и загрязнением окружающей среды.

Приблизительно 36% азота, который проникает в землю с удобрениями, просачивается в сточные воды. В них оказывается большое количество нитратов азота, которые, попадая в реки и озёра, вызывают усиленное размножение растений.

Этот процесс получил название эвтрофикация, то есть загрязнение водных ресурсов водорослями. Это одно из самых важных экологических последствий в применении этого вещества.

Молекулы служат питательной средой для водяных растений. Путём накапливания они разрастаются очень быстро, затемняют водоём и не дают развиваться другим растениям. Со временем водоросли отмирают.

Для их разложения необходимо очень большое количество воздуха.

Водный фонд становится бедным на наличие кислорода. Из неё уходят все возможные живые организмы, такие как ракообразные и рыба. Вода заболачиваются, превращаясь со временем в болото, и пересыхает.

Ещё одной причиной загрязнения являются фермы. Есть три фактора:

  1. Навоз оставляют на замёрзшей земле.
  2. Избыточное количество химических веществ.
  3. Не заделывают удобрения в почву.

При этом в воздух попадает аммиак. На расстоянии двух километров от ферм наблюдается его распространение и загрязнение воздуха. В результате близлежащие водоёмы оказываются загрязнены. Для предотвращения этого ниже по склону устраиваются пруды. А площадки откорма скота обязательно проектируются с учётом отметки грунтовых вод.

Последствием нарушения баланса азота в атмосфере является увеличение количества нитратов в продуктах питания. В культурах, которые выращивают в сельском хозяйстве, могут содержаться большие дозы нитратного азота.

Его образование возможно при неправильной транспортировке, а также при помощи бактерий. При попадании в организм и взаимодействии с гемоглобином они нарушают проникновение кислорода в кровь.

Это серьёзно отражается на здоровье человека.

[attention type=green]

Окислы также входят в состав азотного соединения. Соединения образуются и оказываются в атмосфере путём сжигания газа, выделяются при использовании автомобиля или турбинных самолётов. Они не причиняют вреда только в том случае, если не окисляются озоном до двуокиси азота. Нахождение большой концентрации в организме приводит к тяжёлым заболеваниям.

[/attention]

Для предотвращения чудовищных последствий этой проблемы необходимо тщательно изучать круговорот азота. Нужно найти способы соблюдения баланса между экосистемой и человеком. Можно заметить, что в современном мире при описании круговорота элементов возникают определённые затруднения, так как не все его процессы до конца изучены.

Влияние человека на круговорот

Деятельность людей имеет непосредственное отношение к этому. Промышленность является самым интенсивным вмешательством в этот процесс.

Главным источником распространения лишнего объёма газа в атмосфере считается сельское хозяйство. Выращиваемые культуры поглощают множество питательных веществ, тем самым обедняя её.

Картофель, свёкла, зерновые, каждый год потребляют до 200 кг вещества с одного гектара земли.

Если применение органических удобрений недостаточно или полностью отсутствуют бобовые растения, то при исчерпании резервных сил и вымывании полезных элементов из почвы ухудшается ее состояние и плодородие. И наоборот. Чрезмерное накопление удобрений приводит к увеличению количества вещества для наземных растений и уменьшению свободного азота, попадающего в атмосферу.

Источник: https://nauka.club/estestvoznanie/krugovorot-azota.html

Будь здоров
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: