Влияние человека на круговорот азота кратко

Обновлено: 04.07.2024

Антропогенные нарушения в балансе в биогеохимическом круговороте азота на планете и особенно на суше весьма велики и локально уже вызывают отрицательные и даже смертельные для человека последствия (болезнь мета- моглобанемия).

Азот в жизни планеты играет столь же существенную роль, что и углерод, лишь несколько уступая последнему в биофильности (биофильность углерода 780, азота 160)(Перельман, 1972).

Общая главная направленность биогеохимического круговорота азота на планете - это аккумуляция его в молекулярной форме (N2) в атмосфере (около 75% всего азота). Но живое вещество и почвы противостоят этой общей тенденции. Биосфера, по подсчетам Г. Кука (Cooke, 1970), содержит более 150млрд.т.азота связанного в органических соединениях почвенного покрова (1,5*10^^ т), в биомассе растений (1,1*10^ т) и биомассе животных (6,Ы07 т).

Вследствие его высокой биофильности азот содержится в больших количествах в биогенных ископаемых (угле, нефти, битумах, торфах). Вместе с тем, вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония, азота в почвах мало и почти всегда недостаточно для питания растений. В составе гумуса почв азот занимает скромное место (3-5-10%), но его общее содержайие в почвах тем выше, чем они богаче запасами гумуса. Лишь в особых условиях крайне аридных пустынь (Перу, Чили, Центральная Азия) азот накапливается в больших количествах в форме залежей нитратов - селитры. Азотные удобрения сыграли главную роль в росте урожаев сельскохозяйственных культур в последние 30 лет. В мире ежегодно производится и вносится в почвы 30-35 млн.т азота в виде минеральных удобрений. В странах Западной Европы средние нормы вносимого с удобрениями азота достигли до 100-150 кг/г а, а иногда вносят до 200-250 кг/га. Азотные удобрения уже составляют до 30% общих поступлений азота на сушу и океан (табл. 13).

Установлены многочисленные факты того, что избыточные нормы удобрений и особенно их небрежное внесение на поля приводят к эвтрофикации среды и тяжелым заболеваниям людей и животных (00Jaag, 1972).

Нитратный азот не сорбируется почвами и легко вымывается почвенными водами, легко восстанавливается в газообразные формы и поэтому обычно в больших количествах (20-40%) теряется для питания растений (уходит в атмосферу в форме аммиака, окислов или молекулярного азота, вымывается водою). Потребность культурных растений в азотном питании по этим причинам всегда обострена. В прошлом источниками азота для растений были его запасы в гумусе почв, местные органические удобрения (навоз), чилийская селитра.

В последние 50-60 лет химический синтез азотных удобрений на основе связывания азота атмосферы стал главным источником азотного питания культурных растений и роста их урожаев. Таким образом, земледелие и промышленность химических удобрений существенно изменили природную направленность биогеохимического цикла азота не к атмосфере, а на сушу, в почвы и в биосферу.

Рост численности населения, рост потребностей в питании, и особенно белковом, потребовали развития животноводства и внедрения в земледельческую культуру растений, дающих ценную белковую продукцию (пшеница, соя). Все это было возможно только при условии очень быстрого увеличения урожаев на основе высоких норм минеральных азотных удобрений. На глазах поколения происходит обогащение нашего питания белками и обогащение нашей среды соединениями азота. Естественно, что это явление отозвалось на биогеохимическом цикле азота (см. табл. 13).

Считается (Stout, цитировано по документу ФАО Аа1:НЕ/72/2, 1971),

что по опыту США для производства продовольствия и фуража в достаточном количестве необходимо расходовать на одну душу населения 173 фунта азота в год в виде минеральных удобрений (включая потери и с учетом эффективности), Это составляет более 85 кг на душу населения. Если принять эти нормы для 4 млрд, населения планеты, по потребуется производить не 30 млн. т/год, а 340-350 млн.т азота ежегодно. По-видимому, эти нормы завышены, во всяком случае в ближайшие 50 лет такой скачок в производстве азотных удобрений исключается.

Однако потребление азотных удобрений в земледелии и лесоводстве в будущем будет расти параллельно росту численности и потребностей населения планеты. Об этом неизбежном процессе можно судить по тому, что в расчете на одного жителя планеты минимально необходимо в рационе питания около 5 кг азота в год (табл. 14). Конечно, появятся новые формы и техника применения азотных удобрений, обеспечивающие большую эффективность и меньшие потери на вымывание. Все же поступления азота удобрений в круговорот веществ на суше будут неизбежно удваиваться и утраиваться в ближайшие 15-20 лет, как это произошло за минувшие 10 лет. Уже теперь нитраты и аммиак удобрений локально загряэ-

(ориентировочные подсчеты В.Н.

няют воды рек, родников, озер, подземных бассейнов. Делается очевидной необходимость всемерного овладения механизмом увеличения биологической фиксации азота на суше и уменьшения потерь азота на вымывание и денитрификацию.

Столь же очевидна необходимость использования всех органических отходом хозяйства, содержащих азот, в качестве местных удобрений (реутилизация отходов).

Естественным путем фиксации азота и образования его соединений на суше и в океане были и остаются процессы связывания азота симбиотическими и свободноживущими микроорганизмами, водорослями, лишайниками, микоризой; за этим следовали процессы минерализации белков, аммонификация, нитрификация, денитрификация, повторный захват нитратов и аммония растениями (рис. 15).

Этот процесс, как и процесс фотосинтеза, сопровождается накоплением потенциальной энергии, что еще мало изучено и оценено. Все формы биогенной фиксации дают в среднем около 200-300 кг/га связанного азота в год (К.Дельвич, 1972). К этому добавляется нормальный приток окислов азота и соединений аммиака с атмосферными осадками (продукт электрических и фотохимических реакций). Эти поступления в среднем оцениваются в 10- 15 кг/га. Мы не знаем, как изменились процессы биогенной фиксации азота

Рис. 15. Схема цикла азота в сухопутных экосистемах (по Ellenberg,1971; заимствовано у Duvigneaud, 1973).

1. Микроорганизмы-фиксаторы N. 2. Зеленые растения. 3. Животные.

4. Мертвый белок (микориза). 5. Другие микроорганизмы. 6. Мертвый белок. 7. Гумус. 8. Жидкие выделения. 9. Выпадение с атмосферными осадками. 10. Грунтовые воды.

в нашу эпоху. Уничтожение лесов (и микоризы), замена бобовых злаками и, наоборот, разрушение гумусовых горизонтов почв, богатых микрофлорой, и создание мощных гумусовых горизонтов в почвах продуктивного земледелия, сокращение свободной поверхности под покровом городов, дорог, сооружений - все это вызвало несомненно противоречивые изменения в биогеохимии азота. Известно, что эти изменения, часто противоположного характера, совершенно не изучены и не оценены количественно. По-видимому, все же преобладает тенденция уменьшения роли биогенной фиксации азота в общем круговороте его на планете. Именно на этом фоне нарушений нормального круговорота азота в природе минеральные удобрения почв внесли отмеченные выше коренные изменения в приходные статьи баланса азота и в географию его распределения, а также подняли общий уровень концентрации нитратов и аммонийных солей в почвах и водах.

Но еще более могуществанным фактором нарушения баланса, уровня концентрации и форм соединения азота в атмосфере и особенно в гидросфере и почвах оказалось современное топливно-энергетичес- ское-транспортное хозяйство человека.

Ориентировочные и недостаточно проверенные данные все же убедительно свидетельствуют о том, что эмиссия аммиака и различных окислов азота при сжигании угля, нефти, мазута, бензина, торфа, сланцев и т.д. вместе составляют ежегодно около 200-350 млн.т в виде газов и аэрозолей.

Окисление аммиака и окислов азота приводит к образованию, главным образом, азотной кислоты и отчасти аммонийных солей, выпадающих на сушу и на поверхность океана. Если эти цифры преувеличены даже в два раза, все же приходится признать, что эмиссия соединений азота в атмосферу уже стала определяющим компонентом в приходных статьях азотного цикла на нашей планете. Возможно, что именно эти поступления соединений азота являются главными виновниками известных случаев опасного загрязнения окружающей среды нитратами и аммиаком. В свете этих фактов необходимо глубже понять будущие нужды земледелия в азотных удобрениях, пути глобальной, воздушной и водной миграции соединений азота на планете и выяснить области, где же преимущественно происходят выпады азотнокислых и аммонийных соединений. Это тем более необходимо, что выбросы окислов азота в атмосферу будут продолжаться и даже увеличиваться. Уже установлены факты выпадения подкисленных атмосферных вод в Канаде и Скандинавии, что сопровождается снижением pH почв и местных вод (обычно под влиянием совместных выпадов с разбавленными растворами серной кислоты). Подкисление среды будет усиливать выветривание минералов, вынос из почв кальция, магния и других элементов питания растений.

Следует указать еще на один важный фактор нарушения нормального уровня концентрации и круговорота азота в природе. Это отходы индустриального крупного животноводства и птицеводства, а также отбросы и стоки нечистот современных крупных городов с их огромным населением. Отходы и стоки этого происхождения очень велики. В мире насчитывается более 3 млрд, голов скота, производящих огромные количества отходов. Современные птицефабрики, предприятия индустриального животноводства, города создают многочисленные очаги аномально высокого содержания азота и фосфора в виде органических и минеральных с ^единений, которые пересыщают локально почвы, ручьи, реки, озера, устья рек и эстуарии. Иногда в таких почвах содержание N—NO.3 достигает 400 части/млн., a N—NH* До 2200 части/млн (ФАО, 1971). 3

По общепризнанному мнению ученых, городские стоки, отходы животноводства и эрозия почв играют не меньшую, а локально несомненно большую роль в загрязнении почв и вод соединениями азота до токсического уровня (Cooke, Williams, 1970). Существенным и тревожным нарушением нормального цик-

Рис. 16. Загрязнение стратосферы окислами азота от взрывов атомных бомб (единицы измерений N0 10 молекул в см~^) ( Jonhnston, 1974).

ла азота на планете является проникновение окислов азота в стратосферу.

Общее содержание озона

Сумма NO, NO2, HNOg

Двухгодичный выброс N0 1000 сверхзвуковых самолетов

Окисление таких масс окислов азота до азотной кислоты и может являться фактором быстрого разрушения озонового экрана. Эта проблема изучается несколькими группами различных ученых и эти исследования должны быть усилены для быстрейшего согласования общих выводов, прогнозов и рекомендаций. Пока считается, что сверхзвуковые самолеты типа 'Ъоинг* в несколько раз сильнее загрязняют стратосферу окислами азота, чем самолеты типа ^Конкорд* или ^Туполев*. Удаление азотной кислоты, образовавшейся в стратосфере, происходит крайне медленно в сравнении с удалением ее из тропосферы (роль непрерывного образования атмосферных осадков). Конечным приемником разбавленных растворов азотной кислоты из тропосферы и стратосферы являются океан и суша в особенности в зонах к северу от 50 широты.

Повышение концентрации соединений азота в природных водах и почвах является установленным фактом. В речных водах лесных областей умеренного климата содержание нитратов достигает 0,3-0,5 мг/л, а аридного климата до 1,2-1,7 мг/л. В дренажных водах оросительных систем концент^ рация NOg обычно около 5-6 мг/л, но бывает и 10-15 мг/л. В почвенных растворах засоленных орошаемых почв наблюдались концентрации N0^ до 100-300 мг/л. Речные воды густо заселенных районов содержат иногда до 20-30 мг/л NO3. В грунтовых водах иногда наблюдалась концентрация нитратов порядка 10-15 мг/л и даже 50-100 мг/л.

Это иллюстрируется . данными таблицы 15, из которых видно, что за минувшие 25 лет (1945-1970) регулярных наблюдений в штате Иллинойс содержание нитратного азота в водах поверхностного стока по средним и максимальным данным увеличилось в два-три и даже четыре раза.

Для условий США подсчитан суммарный баланс азота для территории всей страны (Accumulation of Nitrate, 1972). Общие поступления азота в почвы США выражаются величиной 21,0 млн.т N в год (в том числе с атмосферными осадками 5,6 млн.т, минеральными удобрениями 7,5 млн.т и биогенная фиксация 4,8 млн.т). Из этого количества около 17 млн.т идет на производство продуктов питания и текстильное сырье, а 4 млн.т не используется (табл. 16).

Все виды денитрификации (включая в водной среде более 10 млн.т) составляют около 18,5 млн.т и около 1,5 млн.т ежегодно остается в почвах и водах (табл.16). Данные по денитрификации здесь явно преувеличены. Остаток азота в водах и почвах по крайней мере в два—три раза выше. Имен-

"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. "

Азот и его соединения играют в жизни биосферы такую же важную и незаменимую роль, как и углерод. Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода. Индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам составляет для азота 1000 и 10000 соответственно (Ковда, 1985).

Основным резервуаром азота в биосфере также является воздушная оболочка. Около 80% всех запасов азота сосредоточено в атмосфере планеты, что связано с направлением биогеохимических потоков соединений азота, образующихся при денитрификации. Основной формой, в которой содержится азот в атмосфере, является молекулярная – N₂. В качестве несущественной примеси в атмосфере содержатся различные оксидные соединения азота NO_x, а также аммиак NH₃. Последний в условиях земной атмосферы наиболее неустойчив и легко окисляется. В то же время, величина окислительно-восстановительного потенциала в атмосфере недостаточна и для устойчивого существования оксидных форм азота, потому его свободная молекулярная форма и является основной.

Первичный азот в атмосфере, вероятно, появился в результате процессов дегазации верхней мантии и из вулканических выделений. Фотохимические реакции в высоких слоях атмосферы приводят к образованию соединений азота и заметному поступлению их на сушу и в океан с атмосферными осадками (3-8 кг/га аммонийного азота в год и 1,5-6 кг/га нитратного). Этот азот также включается в общий биогеохимический поток растворенных соединений, мигрирующих с водными массами, участвует в почвообразовательных процессах и в формировании биомассы растений.

В отличие от углерода, атмосферный азот не может напрямую использоваться высшими растениями. Поэтому ключевую роль в биологическом круговороте азота играют организмы-фиксаторы. Это микроорганизмы нескольких различных групп, обладающие способностью путём прямой фиксации непосредственно извлекать азот из атмосферы и, в конечном счёте, связывать его в почве. К ним относятся:

· некоторые свободноживущие почвенные бактерии;

· симбионтные клубеньковые бактерии (существующие в симбиозе с бобовыми);

· цианобионты, которые также бывают симбионтами грибов, мхов, папоротников, а иногда и высших растений.

В результате деятельности организмов – фиксаторов азота он связывается в почвах в нитритной форме (соединения на основе NH₃).

Нитритные соединения азота способны мигрировать в водных растворах. При этом они окисляются и преобразуются в нитратные – соли азотной кислоты HNO₃. В этой форме азотные соединения способны эффективно усваиваться высшими растениями и использоваться для синтеза белковых молекул на основе пептидных связей C-N. Далее, по трофическим цепям, азот попадает в организмы животных. В окружающую среду (в водные растворы и в почву) он возвращается в процессах выделительной деятельности животных или разложения органического вещества.

Возврат свободного азота в атмосферу, как и его извлечение, осуществляется в результате микробиологических процессов. Это звено круговорота функционирует благодаря деятельности почвенных бактерий-денитрификаторов, вновь переводящих азот в молекулярную форму.

В литосфере, в составе осадочных отложений, связывается весьма небольшая часть азота. Причина этого в том, что минеральные соединения азота, в отличие от карбонатов, очень хорошо растворимы. Выпадение некоторой доли азота из биологического круговорота также компенсируется вулканическими процессами. Благодаря вулканической деятельности в атмосферу поступают различные газообразные соединения азота, который в условиях географической оболочки Земли неизбежно переходит в свободную молекулярную форму.

Таким образом, основными специфическими чертами круговорота азота в биосфере можно считать следующие:

· преимущественную концентрацию в атмосфере, играющей исключительную роль резервуара, из которой живые организмы черпают запасы необходимого им азота;

· ведущую роль в круговороте азота почв и, в особенности, почвенных микроорганизмов, деятельность которых обеспечивает переход азота в биосфере из одних форм в другие

· Поэтому огромное количество азота в связанном виде содержит биосфера: в органическом веществе почвенного покрова (1,5х10 11 т), в биомассе растений (1,1х10 9 т), в биомассе животных (6,1х10 7 т). В больших количествах азот содержится и в некоторых биогенных ископаемых (селитры).

· В то же время наблюдается парадокс – при огромном содержании азота в атмосфере вследствие чрезвычайно высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония, азота в почве мало и почти всегда недостаточно для питания растений. Поэтому потребность культурных растений в азотных удобрениях всегда высока. Поэтому ежегодно в почву вносится по разным оценкам от 30 до 35 млн. тонн азота в виде минеральных удобрений. Таким образом, поступление за счет азотных удобрений составляет 30% от общих поступлений азота на сушу и в океан. Это часто приводит к существенному загрязнению окружающей среды и тяжелым заболеваниям человека и животных. Особенно велики потери нитратных форм азота, так как он не сорбируется почвой, легко вымывается природными водами, восстанавливается в газообразные формы и до 20-40% его теряется для питания растений. Существенным нарушением цикла азота является и все возрастающее количество отходов животноводства, промышленных отходов и стоков больших городов, поступление в атмосферу аммония и оксидов азота при сжигании угля, нефти, мазута и т.д. Опасно проникновение оксидов азота в стратосферу (выхлопы сверхзвуковых самолетов, ракет, ядерные взрывы), так как это может быть причиной разрушения озонового слоя. Все это, естественно, сказывается на биогеохимическом цикле азота.

Азот – один из элементов, отделившихся в газовой фазе уже на этапе формирования Земли. В дальнейшем выделение газообразных соединений азота из недр Земли продолжалось при извержении вулканов, выносе гидротерм и газовых струй. Газообразный молекулярный азот благодаря химической инертности является наиболее устойчивой формой нахождения этого элемента. По этой причине N2 изначально аккумулировался в атмосфере, а не концентрировался в форме растворенных соединений в воде океана, как хлор, или в форме нерастворимых соединений в осадках океана, как углерод в составе карбонатных толщ.

Основная масса азота в форме N2 сосредоточена в атмосфере, где содержится 3866·1012 т этого элемента. Часть газа N2 растворена в воде Мирового океана При равновесии газов атмосферы с водой океана в последнем может быть растворено от 115·1012 до 200·1012 т N2.

В океане азот присутствует также в виде растворенных ионов, в составе растворенного и дисперсно-взвешенного органического вещества. Масса азота, находящегося в форме растворенных ионов [NH4]+, [NО2]– и [NO3]–, составляет 685·109 т.

Среднее содержание азота в живом веществе Мировой суши, массу которого в основном образуют зеленые растения, определяют от 0,6% до 3% сухой биомассы. Значительную часть биомассы растений суши представляют стволы деревьев, состоящие преимущественно из целлюлозы и лигнина. Среднее содержание азота в сухой биомассе растений равно 1%. В то же время в годовом приросте растительности суши, состоящем из вегетирующих органов растений, значительно больше белков, чем в фитомассе в целом. Поэтому среднее содержание азота в годовом приросте – 2%. С учетом изложенного можно считать, что в биомассе растений Мировой суши до ее нарушения хозяйственной деятельностью человека содержалось порядка 25·109 т азота. В органическом веществе педосферы среднее содержание азота близко к 3%, а общая масса элемента около 200·109 т. Значительно меньше в педосфере солевого, главным образом, нитратного азота.

Концентрация азота в фотосинтезирующих организмах океана оценивается в среднем 6% сухого органического вещества, а количество азота равно 0,20·109 т. В организмах-консументах при средней концентрации азота 7% его масса составляет 0,32·109 т. Общее количество азота в организмах океана равно 0,52·109 т. В растворенном органическом веществе океана при концентрации в нем азота 6% сухой массы содержится 252·109 т азота, во взвешенном органическом веществе – примерно в 10 раз меньше. Общее количество азота в мертвом органическом веществе океана составляет около 0,3·1012 т.

В гранитном слое земной коры концентрация азота составляет 0,002%, общая масса 165·1012 т. В осадочной оболочке азот фиксирован в органическом веществе. Содержание последнего около 30·1015 т, что соответствует 15·1015 т углерода. Концентрация азота в рассеянном органическом вещества близка к 2%. Масса азота в осадочной оболочке составляет примерно 600·1012 т. В осадочной оболочке азота больше в 3, а в атмосфере в 23 раза по сравнению с гранитным слоем литосферы. Следовательно, суммарное количество азота, содержащееся в биосфере, нельзя объяснить извлечением элемента из разрушавшегося гранитного слоя. Очевидно, масса азота в биосфере обусловлена его поступлением путем дегазации. Количество азота, поступающего в газовой форме в атмосферу из недр Земли, в настоящее время близко к 1·106 т/год. В геологическом прошлом это количество, возможно, было больше.

Главным поставщиком азота в биосферу являются недра Земли, основным накопителем – атмосфера, точнее – тропосфера. Но атмосферу не следует рассматривать как закрытый резервуар, куда на протяжении 4 млрд лет поступают и хранятся газообразные соединения азота. Состав атмосферного газа непрерывно обновляется благодаря циклическим процессам массообмена, связывающим атмосферу с Мировой сушей, педосферой, океаном и его осадками.

Современная структура глобального цикла массообмена азота весьма сложная и состоит из нескольких взаимосвязанных круговоротов. Генеральная направленность цикла заключается в миграции масс азота между главным накопителем – атмосферой и другими, значительно меньшими резервуарами – педосферой, живым веществом и океаном. Один из круговоротов обусловлен фотохимическими реакциями в тропосфере. Наряду с N2 в атмосферу систематически поступают другие газообразные соединения азота: NН3, N2O, NO, NO2. Их накопления не происходит благодаря фотохимическим реакциям. Фотохимическая диссоциация паров воды с последующей диссипацией водорода способствует присутствию сильного окислителя (ОН)–. Радикал (ОН)– соединяется с NО и NО2 образуя азотистую и азотную кислоты, а в дальнейшем их соли – нитриты и нитраты. 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 нитриты и нитраты, легко вымывается атмосферными осадками.

Первичный миграционный цикл азота, вероятно, сводился к фотохимической трансформации всех газообразных соединений азота (кроме N2) в окисленные растворимые формы с их последующим удалением из атмосферы. На заре геологической истории Земли в этот цикл включилась деятельность самой древней группы живых организмов – бактерий, которая постепенно глубоко изменила всю структуру глобального массообмена азота. В настоящее время фотохимические реакции продолжают участвовать в выведении азота из атмосферы, хотя приоритетное значение в этом процессе получила биогеохимическая деятельность бактерий. Замечательное свойство азота – его сильно выраженная поливалентность. Это обстоятельство имеет весьма важное значение для биогеохимических процессов. Переводя азот из одной формы в другую, меняя в разных условиях его валентность, организмы получают энергию для своей жизнедеятельности.

В организмах большая часть азота присутствует в форме соединений, в состав которых входит аминогруппа NН2, или в виде аммония. В процессе биохимической фиксации молекула N2 расщепляется и атомы азота соединяются с атомами водорода с образованием аммиака. Этот процесс протекает с помощью фермента нитрогеназы. Аммиак и ион [NH4]+ могут поглощаться корнями растений и входить в состав аминокислот.

Фиксацию азота осуществляют отдельные специализированные бактерии семейства Azotobacteracea и в определенных условиях – сине-зеленые водоросли. Наиболее продуктивны азотфиксирующие клубеньковые бактерии, образующие симбиозы с бобовыми растениями. Масса азота, фиксируемая из воздуха почвенными бактериями до начала хозяйственной деятельности человека, оценивается от (30 – 40)·106 т/год. В настоящее время к этому добавляется искусственная биологическая фиксация, получаемая при помощи бобовых сельскохозяйственных растений (около 20·106 т/год), а также промышленная фиксация азота из воздуха, которая превысила 60·106 т/год.

До вмешательства человека в глобальный цикл азота количество фиксируемого азота бактериями уравновешивалось его освобождением из отмершего органического вещества и выделением в виде газообразных соединений в атмосферу. Это обеспечивается взаимосвязанными бактериальными процессами, происходящими в почве. Первым из них является аммонификация – микробиологическая трансформация азота органических соединений (главным образом аминокислот) в ион аммония или аммиак. Процесс разложения органического вещества протекает в аэробных условиях и сопровождается активным образованием СО2. Аммоний подвергается следующему процессу трансформации. В аэробных условиях происходит нитрификация – преобразование аммиака в нитритный ион одними бактериями, а затем в нитратный другими. В анаэробных условиях развиваются процессы денитрификации, в результате которых нитраты и нитриты восстанавливаются до закиси азота (N2О2 - веселящий газ) или до газообразного молекулярного азота. В итоге молекулярный азот после разнообразных биохимических превращений вновь возвращается в атмосферу. Количественная оценка годовой продукции азота процессами бактериальной денитрификации сильно расходится: от (40 – 50)·106 до (350 – 400)·109 т/год.

Масса азота, фиксируемого почвенными бактериями, оценивается в (44– 200)·106 т/год. Продукция процессов денитрификации, которая была до вмешательства человека сбалансирована с продукцией бактериальной фиксации, в настоящее время, вероятно, несколько превышает последнюю.

Рассмотренный 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 резервуара - атмосферы. Кроме того, из атмосферы выводится определенное количество N2, окисляемого в результате электрических разрядов и затем вымываемого в виде иона [NO3]–, но это количество значительно меньше массы биологически фиксируемого азота и составляет (10 – 40)·106 т/год.

Круговорот азота, обусловленный его бактериальной фиксацией и дальнейшей трансформацией, тесно связан с другим мощным круговоротом этого элемента. Крупные массы нитратного и аммонийного азота захватываются из педосферы в биологический круговорот, происходящий благодаря деятельности фотосинтезирующих растений и микроорганизмов, разрушающих растительные остатки. Принимая среднюю концентрацию азота в годовом приросте растительности суши равной 2%, можно полагать, что в биологический круговорот между почвой и растительностью до вмешательства человека вовлекалось 3,5·109 т/год азота. Большая часть этой массы возвращается в почву в составе растительных остатков и включается в микробиологические процессы, в результате которых органическое вещество разрушается, азот переходит в аммоний и нитриты, доступные для растений, и вновь захватывается растениями. Некоторую часть азота, связанного в растениях, захватывают животные, которые снова возвращают ее в почву.

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 на суше. Существенный вклад в поступление оксидов азота в атмосферу вносят лесные пожары, благодаря которым в атмосферу попадает до 200·106 т/год азота.

В океане происходят те же процессы трансформации и миграции соединений азота, что и на суше, но соотношение этих процессов иное. Жизненные циклы фогосинтезирующих организмов океана протекают значительно быстрее, чем на суше. По этой причине через фотосинтезируюшие организмы океана на протяжении года проходят значительно большие количества азота. Кроме того, концентрация азота в морских организмах выше, чем в наземных, а именно 6–8 % сухой биомассы. Продукция фотосинтетиков океана близка к 100·109 т/год сухой биомассы, следовательно, через систему биологического круговорота фотосинтезирующих организмов проходит 6·109 т/год азота. В то же время биологическая фиксация азота в океане в 2 раза, а денитрификация почти на порядок меньше, чем на суше.

Массы, мигрирующие под влиянием биологических процессов, занимают главное место в глобальном массообмене азота. Тем не менее определенное количество рассматриваемого элемента мигрирует другими путями.

Концентрация неорганического (нитратного и аммонийного) азота в дождевых водах на территориях Северного полушария, свободных от влияния промышленного или сельскохозяйственного производства, близка к 0,5 мг/л. Следовательно, на поверхность Мировой суши до начала активной хозяйственной деятельности человечества поступало с атмосферными осадками примерно 50·106 т/год азота в виде водорастворимых неорганических соединений. В настоящее время количество водорастворимых соединений азота, поступающих на сушу из атмосферы, значительно (около 1,5 раз) возросло за счет эмиссии азота индустрией и развеиванием вносимых в почву азотных удобрений.

Масса азота, ежегодно вымываемая атмосферными осадками, восполняется образованием в тропосфере растворимых соединений азота за счет трансформации его газообразных соединений почвенно-микробиологического происхождения и частично соединений, поступающих в результате дегазации Земли.

Значительная масса азота захватывается поверхностными водами из пе-досферы и выносится с речным стоком в океан. Вынос в незагрязненных речных водах неорганического азота в составе ионов [NO3]– с суши равен 9,2·106 т/год. Азот мигрирует в речных водах также в составе растворенного и взвешенного органического вещества. Средняя концентрация азота в органическом веществе речной воды 3%, следовательно, годовой вынос азота в составе растворенного органического вещества равен 8,6·106 т, в составе взвешенного – 6,1·106 т. Суммарный вынос азота реками с Мировой суши оценивается в 24·106 т/год.

Природная концентрация растворимых неорганических соединений азота в атмосферных осадках над акваторией Мира, по-видимому, равна 0,2 мг/л азота. Соответственно на поверхность океана выпадает около 82·106 т азота в год.

Азот не образует нерастворимых соединений, которые могли бы выпадать в осадки Мирового океана. Зоогенные накопления нитратов натрия (гуано) невелики. Основная часть поступающего в осадочную оболочку азота связана с органическим веществом. Ежегодно в осадки удаляется около 10·106 т сухого органического углерода, что соответствует примерно 20·106 т органического вещества. Если принять в этом веществе концентрацию азота как среднее между содержанием азота в растениях суши и океана, т.е. равное 3%, то можно ориентировочно подсчитать, что до начала активной производственной деятельности человечества в осадки уходило около (1 – 2)·106 т/год азота. Это количество, по-видимому, не отличается сильно от массы азота, дегазируемого из недр Земли.

Значительные массы молекулярного азота, как и других газов тропосферы, участвуют в физическом газовом обмене с Мировым океаном. В зависимости от физико-географических условий в морской воде может быть растворено от 8,4 до 14,5 мг/л N2. Во всем Мировом океане – 18·106 км3, т.е. почти 1,5% объема океана. Это огромное количество азота находится в состоянии динамического равновесия с азотом атмосферы. В воде океана растворены и другие газообразные соединения азота, в первую очередь NH3, но его содержание и миграция пока не поддаются оценке.

Цикл азота претерпел сильную деформацию от хозяйственной деятельности людей. Наиболее значительное изменение в структуре глобального массообмена азота связано с индустриальной фиксацией молекулярного азота из атмосферы, производством на этой основе азотных удобрений и внесением их в обрабатываемые почвы. Масса ежегодно фиксируемого промышленностью азота превышает 60·106 т. Не менее существенно искусственное усиление биологической фиксации азота путем широкого использования в сельском хозяйстве бобовых культур, находящихся в симбиозе с азотфиксирующими бактериями. В 1970 г. этим путем дополнительно связывалось около 15·106 т азота; в настоящее время это количество возросло.

Промышленная фиксация атмосферного азота – наиболее сильное вмешательство человека 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. Общие черты циклов и распределения масс дегазированных элементов.

Читайте также: