Роль азота в природе сообщение

Обновлено: 02.07.2024

Азот – это химический элемент с атомным номером 7. Является газом без запаха, вкуса и цвета.

Таким образом, человек не ощущает присутствия азота в земной атмосфере, между тем как она состоит из этого вещества на 78 процентов. Азот относится к самым распространенным веществам на нашей планете. Часто можно слышать, что без азота не было бы жизни на Земле, и это правда. Ведь белковые соединения, из которых состоит все живое, обязательно содержат в себе азот.

Азот в природе

Азот находится в атмосфере в виде молекул, состоящих из двух атомов. Помимо атмосферы, азот есть в мантии Земли и в гумусном слое почвы. Основной источник азота для промышленного производства – это полезные ископаемые.

Однако в последние десятилетия, когда запасы минералов стали истощаться, возникла острая необходимость выделения азота из воздуха в промышленных масштабах. В настоящее время эта проблема решена, и огромные объемы азота для нужд промышленности добываются из атмосферы.

Роль азота в биологии, круговорот азота

На Земле азот претерпевает ряд трансформаций, в которых участвуют и биотические (связанные с жизнью) и абиотические факторы. Из атмосферы и почвы азот поступает в растения, причем не напрямую, а через микроорганизмы. Азотфиксирующие бактерии удерживают и перерабатывают азот, превращая его в форму, легко усваиваемую растениями. В организме растений азот переходит в состав сложных соединений, в частности – белков.

По пищевой цепи эти вещества попадают в организмы травоядных, а затем – хищников. После гибели всего живого азот вновь попадает в почву, где подвергается разложению (аммонификации и денитрификации). Азот фиксируется в грунте, минералах, воде, попадает в атмосферу, и круг повторяется.

Применение азота

– в медицине. Жидкий азот является хладагентом при процедурах криотерапии, то есть лечения холодом. Мгновенная заморозка применяется для удаления различных новообразований. В жидком азоте хранят образцы тканей и живые клетки (в частности – сперматозоиды и яйцеклетки). Низкая температура позволяет сохранить биоматериал в течение длительного времени, а затем разморозить и использовать.

Возможность хранить в жидком азоте целые живые организмы, а при необходимости размораживать их без всякого вреда высказана писателями-фантастами. Однако в реальности освоить эту технологию пока не удалось;

– в пищевой промышленности жидкий азот используется при розливе жидкостей для создания инертной среды в таре.

Вообще азот применяется в тех областях, где необходима газообразная среда без кислорода, например,

– в пожаротушении. Азот вытесняет кислород, без которого процессы горения не поддерживаются и огонь затухает.

Газообразный азот нашел применение в таких отраслях:

– производство продуктов питания. Азот используется как инертная газовая среда для сохранения свежести продуктов в упаковке;

– в нефтедобывающей промышленности и горном деле. Азотом продувают трубопроводы и резервуары, его нагнетают в шахты для формирования взрывобезопасной газовой среды;

– в самолетостроении азотом накачивают шины шасси.

Все вышесказанное относится к применению чистого азота, но не стоит забывать, что этот элемент является исходным сырьем для производства массы всевозможных соединений:

– аммиак. Чрезвычайно востребованное вещество с содержанием азота. Аммиак идет на производство удобрений, полимеров, соды, азотной кислоты. Сам по себе применяется в медицине, изготовлении холодильной техники;

– красители и т.д.

Азот – не только один из наиболее распространенных химических элементов, но и очень нужный компонент, применяемый во многих отраслях человеческой деятельности.

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.

26.11.2020

Азот – один из самых распространенных элементов на земле. Поскольку воздух на 78% состоит из этого газа, его часто называют главным элементом жизни.

Значение азота в природе

Азот встречается не только в газообразной форме. Это строительный материал, из которого состоят клетки растений. Он входит в состав протеинов, хлорофилла, ДНК, аминокислот. Без азота невозможен процесс фотосинтеза и обмена веществ. Поэтому он является ключевым элементом для нормального развития растений.

Азот в растении не находится статично в каком-то одном месте. Он перемещается в те его части, где необходим больше всего. При отмирании старых листьев, азот переходит в более молодые.

Недостаток этого элемента приводит к пожелтению и опаданию листвы. Сильное азотное голодание может привести к гибели растения. Хотя диагностировать эту проблему не сложно, важно сделать это как можно быстрее. Ведь нехватка азота способна значительно замедлить вегетативное развитие растения, нарушить формирование соцветий или плодов, а впоследствии заметно снизить урожай. По оценкам специалистов, азотное голодание может сократить урожайность примерно на 30%.

Как растения могут испытывать нехватку азота, если он находится в воздухе вокруг них? Дело в том, что растения не могут усваивать азот непосредственно из атмосферы (кроме бобовых культур). Поэтому, чтобы восполнить его нехватку, приходится вносить специальные удобрения. При этом необходимо рассчитать, сколько азота понадобится растению во время каждой фазы роста, учесть тип и кислотность грунта, оптимальный способ и период внесения питательных веществ. Если ошибиться в этих расчетах, можно потратить азотные удобрения впустую, так как растение не сможет их усвоить должным образом.

Самые распространенные формы азота

Главную роль в процессе усвоения азота играет корневая система растения. Самые доступные для нее формы – аммоний (NH₄), нитраты (NO₃) и нитриты (NO₂).

Наличие разных форм азота удобно для управления азотным питанием растений. Так, для внесения срочной подкормки используется нитратный азот, а для подкормки, которая подействует позже, – аммонийный азот. Он начинает превращаться в нитраты примерно через месяц-полтора после внесения.

К примеру, озимую пшеницу подкармливают ранней весной с помощью нитратных форм азота. А вот под кукурузу предварительно вносят аммиачную форму азота. Ей важно получить азот во время фазы 3-4 листа. Чтобы азот не вымылся из почвы раньше времени, удобрения вносят вместе с ингибиторами уреазы, которые дополнительно замедляют процесс усвоения аммония.

Потери азота в почве

Кроме удобрений, азот попадает в почву с навозом и отмирающими растениями. Это медленно разлагающийся азот, который частично улетучивается, превращаясь в газообразную форму (аммиак).

Еще один источник аммония (NH₄) – это карбамид, также называемый мочевиной. Он быстро вступает в реакцию с водой, превращаясь в NH₄. При внесении карбамида важно, чтобы аммоний удержался частичками почвы. Для этого после его внесения производится обработка грунта. Если этого не сделать, аммоний в скором времени преобразуется в аммиак и улетучится в атмосферу.

Внесение удобрений возможно не только весной, но и осенью. При снижении температуры до +5°C, микроорганизмы останавливают активную деятельность, в результате чего аммоний остается в неизменной форме до весны, избегая потерь.

Другой процесс, приводящий к потерям азота, называется выщелачиванием. Во время выщелачивания нитраты растворяются в воде и уходят вместе с ней в более глубокие слои почвы. Чем лучше почва поглощает воду, тем быстрее происходит выщелачивание. Поэтому на песчаных почвах потери нитратов больше, чем на глинистых.

Чтобы решить эту проблему, на почвах, которые легко пропускают воду, внесение азотных удобрений необходимо осуществлять перед самым посевом или в период активного роста растений, отдавая предпочтение внекорневой подкормке. Иначе выпадение обильных осадков на таких почвах может свести на нет все усилия по внесению своевременной подкормки, вымывая внесенные удобрения.

Кроме того, азот потребляется бактериями и микроорганизмами. Так, аэробные бактерии в процессе своей жизнедеятельности утилизируют кислород из нитрата NO₃, преобразовывая азот в газообразную форму, которая быстро улетучивается в атмосферу. Этот процесс называется денитрификацией.

Особенности потребления азота растениями

Азот поглощается растением не только через корни, но и через листья. При этом основная часть питательных элементов все же усваивается через корневую систему, а внекорневая подкормка является скорее вспомогательным способом внесения азота.

Корни растений поглощают азот в виде аммония (NH₄) и нитрата (NO₃). То, в какой форме азот дойдет до растения, зависит от почвы: ее кислотности, способности пропускать воду, живущих в ней микроорганизмов. К примеру, при большом количестве аэробных бактерий, растения будут поглощать больше аммония. А деятельность нитрифицирующих бактерий, наоборот, приводит к большему содержанию нитратов. При низкой температуре азот может быть поглощен растениями даже в виде мочевины.

Разные культуры отдают предпочтение разным формам азота. К примеру, рис больше потребляет аммоний (NH₄). Рапс и соя более требовательны к наличию серы, которая является синергистом азота. Поэтому, чтобы азот лучше усваивался этими культурами, необходимо больше внимания уделять содержанию в почве серы и при необходимости вносить ее дополнительно (например, в виде листовых подкормок сульфатом магния). А вот зерновые с одинаковым удовольствием поглощают все формы азота.

Зависимость растения от азота проявляется не сразу, а в период активного роста. К примеру, первичная корневая система пшеницы развивается за счет питательных веществ самого зерна. А вот через месяц, когда появляется вторичная корневая система, значение азота возрастает.

Если этот период сопровождается низкими температурами или засухой, растение испытывает сильный стресс, скорость его роста замедляется. Даже при достаточном количестве азота в почве, он не усваивается должным образом через корневую систему. Например, это явление заметно в период ночных похолоданий. В таком случае может понадобиться применение внекорневой (листовой) подкормки.

Азот, внесенный этим способом, впитывается листьями намного быстрее, чем при корневой подкормке. Но количество питательных элементов, которые растение может усвоить таким образом, ограниченно.

Чаще всего листовая подкормка проводится с помощью раствора карбамида. Мочевина не вызывает у растений стресса. При умеренном внесении она не вредит листьям, но при повышенных дозах могут быть ожоги, поэтому с карбамидом в таких случаях необходимо вносить сульфат магния. Также азот повышает качество семян, увеличивая в них содержание белков и клейковины.

Внесение карбамида часто сочетают с обработкой пестицидами, с подкормкой другими полезными элементами, например, серой и магнием. По сути, любая обработка растений может сочетаться с подкормкой мочевиной – достаточно добавить карбамид в рабочий раствор. Это снизит стресс, получаемый растением от химикатов, и увеличит пропускные свойства листьев, усиливая эффективность вносимых компонентов баковой смеси.

Именно дробное внесение азота является приоритетным и окажет наиболее ощутимый положительный эффект. Небольшие дозы азота, внесенные в ключевые фазы роста растения, обеспечат высокий урожай и минимизируют потери азота. На следующей схеме показано правильное распределение внесение азота для озимой пшеницы:

Для получения оптимального количества урожая важно правильно подобрать форму внесения удобрения. К примеру, вместо разбрасывания карбамида ранней весной, для озимой пшеницы более эффективной является внекорневая подкормка с помощью селитры или КАС.

Кроме формы внесения, важную роль играет правильно подобранный период времени. Основная цель – уловить время, когда растение возобновит весеннюю вегетацию и еще не начнет испытывать азотное голодание. Следование этому совету сведет к минимуму потери питательных веществ.

Если говорить о пшенице, внесение азота обязательно должно проводиться в фазе кущения.

Альтернативные источники азота

Внесение азотных удобрений – важная, но не дешевая процедура. Поэтому многие фермеры ищут альтернативные источники азота. Самый известный из таких способов – использование в севообороте бобовых культур.

В клубеньках, образующихся на корнях бобовых растений, обитают симбиотические азотфиксирующие бактерии. Эти микроорганизмы обладают уникальной способностью связывать молекулы азота из воздуха, используя их для образования аммиака и нитритов. Таким образом, они на 70-80% обеспечивают бобовые культуры необходимым азотом. После сбора урожая весь азот, который содержался в клубеньках, остается в почве, обогащая ее. Например, горох и соя оставляют после себя 50-90 кг азота на один гектар, и таким образом можно получить азотные удобрения буквально из воздуха.

В качестве удобрений можно и нужно использовать растительные остатки выращиваемых культур и отходы животного происхождения, если такие имеются в хозяйстве. Чем больше разнообразие используемых органических удобрений, тем лучше. Минерализуясь, они высвобождают питательные элементы, а также увеличивают содержание полезной микрофлоры в почве.

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.

Читайте также: