Азотный цикл

Схематическое представление прохождения азота через биосферу. Ключевым элементом цикла являются различные виды бактерий (англ.) Азотный цикл – геобиохимични цикл, описывающий 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 (4 • 10 15 тонн) и океанах (20 • 10 12 тонн)) 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 (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, которой 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. Лишь 4 млн тонн содержится в тканях растений и животных – все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу. Некоторые биктерии, азотфиксаторив, способные фиксировать атмосферный азот. Азот – одна 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 крепкие, живые организмы не способны непосредственно использовать молекулярный азот – его сначала необходимо перевести в «связанный» 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 воздействуют на климат. Азотный цикл в биоценозе аквариума: 1 – внесение азота с пищей и подкормка для водорослей, 2 – продуцирование аммония с мочой рыб, 3 – нитрификация аммония до нитритов Nitrosomonas bacteria, 4 – превращение нитритов в нитраты Nitrospira bacteria, 5 – испарения; 6 – свет, 7 – кислородный цикл, 8 – продуцирование кислорода водорослями; 9 – продуцирование углекислого газа рыбами. В общем, круговорот азота состоит из химических реакций в воздухе (окисление является доминирующим) и из 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)). Течение фиксации азота или его денитрификации происходит обмен между обеими формами. Фиксация азота Подробнее смотрите в статье: 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 Подробнее смотрите в статье: Нитрификация Нитрификация является вторым шагом фиксации азота. Если аммиак – первичный продукт фиксации азота, то переход аммиака в нитриты и нитраты (нитрифицирующих бактериями) – нитрификация. Денитрификация Подробнее смотрите в статье: Денитрификация Денитрификация является процессом разложения нитрата с получением азота. Это звено преобразований азота в биоценозе выполняется Денитрифицирующие микроорганизмами (палочковидная бактерия (Pasterellaceae), псевдомонас (Pseudomonas) и другие), при усвоении переходят от кислорода до нитрата, особенно в недостаточно проветриваемых почвах. Процесс денитрификации может привести к нескольким промежуточных продуктов. Наиболее важный – закись азота (N 2 O), долгоживущий парниковый газ. Газы возвращают азот в атмосферу. Ассимиляция Подробнее смотрите в статье: 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 Подробнее смотрите в статье: аммонификация Минерализация (аммонификация) это процесс, в течение которого редуценты, такие как земляные черви, термиты, слизняки, улитки, бактерии и грибы преобразовывают 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. В результате естественных 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: Главными продуктами таких процессов являются оксид азота (NO) и диоксид азота (NO 2), а после дальнейших реакций – азотная кислота (HNO 3). Определенные концентрации оксидов азота приводят к формированию озона с помощью солнечного света и эмиссии углеводородов. Окислы азота и озоновый смог В дополнение к природным 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 Производство аммиака в мире по регионам, по состоянию на 2004 год. Данные предоставлены Международной ассоциацией производителей минеральных удобрений (IFA). 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, базирующейся, 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. 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). 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 приблизительно от 90 до 140 млн тонн азота. Самые 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 (cидеральне удобрения), 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 до 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 этой связи можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, который изучает растения: Эвтрофикация Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствиях этого в целом благоприятны – растения станут расти быстрее. Если внесено 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 угаснуть, так как содержание кислорода в воде будет уменьшаться 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, достигающая стратосферы, превращается в оксиды азота, способствующие истощению озонового слоя.