Биогеохимический цикл азота

Главным постановщиком азота в биосферу являются недра Земли, основным накопителем – атмосфера, точнее – тропосфера. Наряду с N₂ в атмосферу систематически поступают другие газообразные соединения азота: NН₃^-, N₂О, NО^-, NО₂^-. Наряду с оксидами азота в атмосфере присутствует восстановленное соединение азота – аммиак. В кислородсодержащей атмосфере он реагирует с оксидами серы и образует кислый сульфат аммония NH₄HSO₄. Это соединение, так же как нитраты и нитриты, легко вымываются атмосферными осадками.

Основная часть этого элемента, находящаяся в атмосфере в химически неактивной форме N₂ , недоступна для главных продуцентов - зеленых растений суши. Но химическая неактивность молекулярного азота не означает его геохимической стабильности. Существуют некоторые виды бактерий, способные активизировать молекулярный азот и связывать его в химические соединения. Этот процесс получил название Фиксации азота. Промышленная фиксация азота идет в присутствии катализаторов при t~500°С и давлении ~300 атм.

В организмах большая часть азота присутствует в форме соединений, в состав которых входит аминогруппа NН₂^-, или в виде аммония. В процессе биохимической фиксации расщепляется молекула N₂ и атомы аммиака. Этот процесс протекает с помощью фермента нитрогеназы. Аммиак и ион NH₄⁺, могут поглощаться корнями растений и как уже отмечено, входить в состав аминокислот. Фиксацию азота осуществляют отдельные специализированные бактерии семейства Azotobacteracea и в определенных условиях синезеленые водоросли. Наиболее продуктивны азотофиксирующие клубеньковые бактерии, образующие симбиозы с бобовыми растениями. Массам азота, фиксируемая из воздуха почвенными бактериями до начала хозяйственной деятельности человека, оценивается разными авторами от 30-40 до 200*106 т/год. В настоящее время к этому добавляется искусственная биологическая фиксация, получаемая при помощи бобовых сельскохозяйственных растений (около 20*109 т/год), а также промышленная фиксация азота из воздуха превысила 60-90*106 т/год.

Цикл – фиксация молекулярного азота – аммонификация мертвого органического вещества – нитрификация – денитрификация имеет наиболее важное значение для глобального массообмена азота, так как этот цикл обеспечивает основной поток азота из его главного резерва – атмосферы.

Часть азота выводится из биологического круговорота и аккумулируется в мертвом органическом веществе. Этот своеобразный запас азота в лесных подстилках, торфе и почвенном гумусе постоянно поддерживается в педосфере и свидетельствует о некоторой заторможенности биологического круговорота.

Промышленная фиксация атмосферного азота – наиболее сильное вмешательство человечества в систему природных глобальных циклов массообмена химических элементов в биосфере. Кроме того, значительное количество азота (около 40*106 т/год) в форме оксидов поступает в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, образующимися при сжигании минерального топлива, а также в гидросферу с бытовыми и промышленными стоками.

Схема биогеохимического цикла азота представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3 Схема биогеохимического цикла азота

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

• при сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NO^-). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образуется диоксид азота (NO₂^-),который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO₃). Эта кислота становится компонентом кислотных осадков.
• использование удобрений приводит к выделению в атмосферу «парникового газа» закиси азота (N₂O)
• увеличение количества нитратов и ионов аммония в водных экосистемах при смыве с удобрений с полей. Избыток питательных веществ приводит к быстрому росту водорослей, при разложении которых расходуется растворенный кислород, что приводит к массовым морам рыб.

Биогеохимический цикл углрода.

Циклические процессы массообмена углерода имеют особо важное значение для биосферы. Распределение масс этого элемента следующее. В атмосфере по уточненным данным (Г.В. Войткевич, 1986) находится 2450*109 т углерода. Ежегодная нетто-биопродукция экосферы по С составляет ~ 60 Гт. Такое же количество освобождается в процессах дыхания и деструкции. Период обновления углерода в биосфере 60 лет (для биомассы 10 лет). В океане углерод (помимо его содержания в живых организмах) присутствует в двух главных формах: в составе органического вещества (растворенного в воде и отчасти находящегося в виде взвешенных дисперстных частиц) и в составе взаимосвязанных ионов НСО-3, СО2-3 и СО2.

С углеродом тесно связан весь процесс возникновения и развития биосферы, т.к. именно углерод является основой белковой жизни на нашей планете, т.е. углерод является важнейшим химическим компонентом живого вещества. Именно этот химический элемент, благодаря своей способности образовывать прочные связи между своими атомами, является основой всех органических соединений.

Из атмосферы углерод усваивается автотрофными организмами-продуцентами (растениями, бактериями, цианобионтами) в процессе фотосинтеза, в результате которого, на основе взаимодействия с водой, формируются органические соединения – углеводы. Далее, в результате процессов метаболизма, с участием веществ, поступающих с водными растворами, в организмах синтезируются и более сложные органические вещества. Они не только используются для формирования растительных тканей, но также служат источником питания для организмов, занимающих очередные звенья трофической пирамиды – консументов. Таким образом, по трофическим цепям, углерод переходит в организмы различных животных.

Возвращение углерода в окружающую среду происходит двумя путями. Во-первых – в процессе дыхания. Суть процессов дыхания заключается в использовании организмами окислительных химических реакций, дающих энергию для физиологических процессов. Окисление органических соединений, для которого используется атмосферный или растворённый в воде кислород, имеет результатом разложение сложных органических соединений с образованием СО2 и Н2О. В итоге углерод в составе СО2 возвращается в атмосферу, и одна ветвь круговорота замыкается.

Второй путь возвращения углерода – разложение органического вещества. В условиях биосферы процесс этот в основном протекает в кислородной среде, и конечными продуктами разложения являются те же СО2 и Н2О. Но большая часть углекислого газа при этом не поступает прямо в атмосферу. Углерод, высвобождающийся при разложении органического вещества, в основном остаётся в растворённой форме в почвенных, грунтовых и поверхностных водах. Или в виде растворённого углекислого газа, или же в составе растворённых карбонатных соединений – в форме ионов НСО3- или СО32-. Он может после более или менее продолжительной миграции частично возвращаться в атмосферу, но большая или меньшая его доля всегда осаждается в виде карбонатных солей и связывается в составе литосферы.

Часть атмосферного углерода непосредственно поступает из атмосферы в гидросферу, растворяясь в воде. Главным образом, углекислый газ поглощается из атмосферы, растворяясь в водах Мирового Океана. Сюда же поступает и часть углерода, в тех или иных формах растворённого в водах суши. СО2, растворённый в морской воде, используется морскими организмами на создание карбонатного скелета (раковины, коралловые постройки, панцири иглокожих и т.д.). Он входит в состав пластов карбонатных пород биогенного происхождения, и на более или менее продолжительное время «выпадает» из биосферного круговорота.

В бескислородных средах разложение органического вещества также идёт с формированием в качестве конечного продукта углекислого газа. Здесь окисление протекает за счёт кислорода, заимствуемого из минеральных веществ бактериями-хемосинтетиками. Но процесс в этих условиях идёт медленнее, и разложение органического вещества обычно является неполным. В результате существенная часть углерода остаётся в составе не до конца разложившегося органического вещества и накапливается в толще земной коры в битуминозных илах, торфяниках, углях.

Хранители углерода – это живая биомасса, гумус, известняки и каустобиолиты. Естественными источниками углекислого газа, кроме вулканических эксгаляций, являются процессы разложения органичесекого вещества, дыхание животных и растений, окисление органических веществ в почве и других природных средах. Техногенная углекислота составляет 20х109 т, что пока намного меньше, чем естественное ее поступление в атмосферу. За миллиарды лет с момента появления жизни на Земле весь углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение всего 304 лет живые организмы усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, всего за 4 года может полностью обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за этот срок завершает свой цикл. Цикл углерода, входящего в состав гумуса почв оценивается в 300-400 лет.

Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, в результате быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:

· сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем, уменьшается общее количество растительности, способной поглощать углекислый газ.

· сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу, постепенное возрастание содержания которого, вызывает так называемый «парниковый эффект».