Круговорот азота в биосфере доклад

Обновлено: 30.06.2024

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.

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 (NH₃) или ионов аммония (NH₄ + ). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO₃ – ). 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.

Значение круговорота N2 для биосферы

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:

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

Навоз оставляют на замёрзшей земле.
Избыточное количество химических веществ.
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.

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.

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.

Азот – один из жизненно важных элементов. Азот не фиксируется в организме в свободном виде. Поэтому в круговороте азота в природе помогают бактерии.

Общее описание

Азот – седьмой элемент периодической таблицы Менделеева. Проявляет две валентности – III и V. В природе это двухатомный газ (N₂), плохо растворимый в воде. За счёт прочной тройной связи между атомами азот является малоактивным веществом, вступающим в реакции только при нагревании или под действием катализатора.

Элемент присутствует в почве, воде, живых организмах в составе сложных веществ. Свободный азот относительно стабилен в атмосфере, его содержание – 78 % от общего объёма газов. Азот может принимать жидкую и твёрдую формы.

Элемент входит в состав аминокислот и белков, нуклеиновых кислот. Без азота невозможно построение ДНК.

Круговорот

Схему круговорота азота в природе условно можно разделить на две части – грунтовую и атмосферную. Круговорот азота через почву осуществляется следующим образом:

в результате гниения органических веществ (растений, животных) азот превращается в аммиак (NH₃);
под действием бактерий аммиак окисляется до азотной кислоты (HNO₃);
азотная кислота вступает в реакцию с элементами почвы, образуя кислые соли (нитраты) – СаСО₃, Ca(NO₃)₂;
нитраты поглощают растения.

В атмосферу азот также попадает в результате гниения или при горении органических веществ, например, дров или торфа. Под действием разрядов молнии азот соединяется с кислородом, образуя оксид азота (II) – NO, а затем оксид азота (IV) – NO₂.

Оксиды реагируют с водой, образуя азотную кислоту. Она попадает в почву вместе с дождями, где образуются нитраты.

Кроме того, свободный азот способны усваивать азотфиксирующие бактерии и некоторые виды сине-зеленых водорослей. Азотфиксирующие бактерии (азотфиксаторы) находятся в симбиозе с растениями. Например, клубеньковые бактерии живут на корнях бобовых растений. Азотфиксаторы могут усваивать азот в присутствии или в отсутствии кислорода, т.е. могут являться аэробами или анаэробами. Они также синтезируют нитраты.

Растения могут усваивать азот только в составе солей азотной кислоты. Вместе с листьями азот попадает сначала в организм травоядных животных (консументов первого порядка), а затем – хищных животных (консументов второго порядка). Обратно азот возвращается при гниении и в составе мочевины (CH₄N₂O).

Часть нитратов окисляется специальными денитрифицирующими бактериями до свободного азота, который возвращается в атмосферу. Процесс восстановления свободного азота из сложных соединений называется денитрификацией.

Что мы узнали?

Рассмотрели описание круговорота азота в природе. Азот – важный элемент, необходимый живым организмам для постройки тканей и синтеза ДНК. Свободный азот плохо вступает в реакции за счёт прочных тройных связей. Поэтому в усвоении азота помогают бактерии, синтезируя аммиак, азотную кислоту, нитраты. В составе солей азот попадает в растения и далее по пищевой цепочке в организмы травоядных и хищных животных. Новый цикл начинается при отмирании и разложении живых организмов.

В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1 : 30, а в морских водорослях I : 6. Биологический цикл азота поэтому также тесно связан с углеродным.

Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям, которые могут усваивать этот элемент только в виде ионов аммония, нитратов или из почвенных или водных растворов. Поэтому недостаток азота часто является фактором, лимитирующим первичную продукцию — работу организмов, связанную с созданием органических веществ из неорганических. Тем не менее атмосферный азот широко вовлекается в биологический круговорот благодаря деятельности особых бактерий (азотфиксаторов).

В круговороте азота большое участие также принимают аммонифицирующие микроорганизмы. Они разлагают белки и другие содержащие азот органические вещества до аммиака. В аммонийной форме азот частью вновь поглощается корнями растений, а частью перехватывается нитрифицирующими микроорганизмами, что противоположно функциям группы микроорганизмов — денитрификаторов.

Рис. 8. Круговорот азота

В анаэробных условиях в почвах или водах они используют кислород нитратов для окисления органических веществ, получая энергию для своей жизнедеятельности. Азот при этом восстанавливается до молекулярного. Азотфиксация и денитрификация в природе приблизительно уравновешены. Цикл азота, таким образом, зависит преимущественно от деятельности бактерий, тогда как растения встраиваются в него, используя промежуточные продукты этого цикла и намного увеличивая масштабы циркуляции азота в биосфере за счет продуцирования биомассы.

Роль бактерий в круговороте азота настолько велика, что если уничтожить только 20 их видов, жизнь на нашей планете прекратится.

Небиологическая фиксация азота и поступление в почвы его окислов и аммиака происходит также с дождевыми осадками при ионизации атмосферы и грозовых разрядах. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в размерах, превышающих природную фиксацию азота, в целях увеличения продукции сельскохозяйственных растений.

В настоящее время деятельность человека все сильнее влияет на круговорот азота, в основном в сторону превышения перевода его в связанные формы над процессами возврата в молекулярное состояние.

Рис. 8. Круговорот азота

Читайте также: