Круговорот азота

К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот азота? Объясните, почему?

Как происходит круговорот азота в природе?

* Круговорот азота - это пример саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере. Воздух, на 78% состоящий из азота, представляет собой крупнейший "резервуар" и одновременно, вследствие своей малой химической активности, - "предохранительный клапан" системы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий и постоянно извлекается из атмосферы в результате деятельности азотфиксирующих бактерий и некоторых водорослей (биохимическая фиксация азота), а также действия электрических разрядов при грозе.

**Круговорот азота складывается из следующих процессов: фиксация, ассимиляция, нитрификация, денитрификация, разложение, выщелачивание, вынос, выпадение с осадками и т. д.

Круговорот азота (по П. Дювиньо и М. Тангу)

Круговорот азота в биосфере носит весьма своеобразный и замедленный характер. Фиксация азота в живом веществе осуществляется ограниченным количеством живых существ. Отдельные микроорганизмы, содержащиеся в почве и верхних слоях Мирового океана, способны расщеплять молекулярный азот (N2) и использовать его атомы для построения аминогрупп белков (-NH2) и других органических соединений. Атмосферный азот поглощается азотфиксирующими бактериями, некоторыми видами сине-зеленых водорослей. Они синтезируют нитраты, которые становятся доступными для использования другими растениями биосферы. Биофиксация азота осуществляется некоторыми бактериями в симбиозе с высшими растениями в почвах (например, клубеньковыми бактериями, живущими на корнях бобовых растений). После своей гибели растения и животные возвращают азот в почву, откуда он поступает в состав новых поколений растений и животных.

Определенная часть азота в виде молекул возвращается в атмосферу. В почвах происходит процесс нитрификации, который состоит из цепи реакций, когда при участии микроорганизмов происходит окисление иона аммония (NH4+) до нитрита (NO2-) или нитрита до нитрата (NO3-). Восстановление нитритов и нитратов до газообразного соединения молекулярного азота (N2) или оксидов азота (NxOy) составляют сущность процесса денитрификации.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра геоэкологии

Реферат

По дисциплине: Экология мегаполисов и промагломераций

Тема: «Круговорот азота»

Выполнила: студентка гр. ИЗ-07-1 /Муравьева А.А./

Проверил: доцент /Исаков А.Е./

Санкт-Петербург

Введение

1. Круговорот азота

2. Влияние хозяйственной деятельности человека на круговорот азота

Список литературы

Введение

Азот – газ, молекула которого состоит из двух атомов. Он содержится в атмосфере – на его долю приходится 4/5 всего воздуха. В чистом виде азот соединяется лишь с очень немногими веществами и большинству живых организмов не нужен. Мы сами, например, с каждым вдохом вбираем немалое количество этого химического элемента, который потом выдыхается обратно. Часть его растворяется в крови, но и там с ним ничего не происходит.

Но если заставить азот соединиться с другими атомами, то образуются соединения, необходимые для всего живого. Растения и животные не могут способствовать образованию этих соединений. Таким свойством наделены некоторые бактерии, живущие в почве, - их называют азотфиксирующими. Только их присутствие в почве делает возможным существование всех других форм жизни.

Азотофиксация – процесс связывания свободного азота атмосферы биохимическим путем с помощью бактерий. Способностью к азотофиксации обладают бактерии Rhizobium, проникающие в корни растений (особенно в бобовые), свободноживущие Azotobakter, Clostribium, Azotomonos, а также отдельные роды сине – зеленых водорослей. Эти организмы называют азотофиксаторами. Биохимическая фиксация азота играет большую роль в азотном балансе почв и в земледелии.

1. Круговорот азота

Круговорот важнейшего элемента живого вещества - азота - охватывает все составные части геосферы и является одним из основных биогеохимических циклов, обеспечивающих поддержание жизни на нашей планете.

Азот - один из наиболее распространенных элементов на Земле. Его запасы в атмосфере нашей планеты составляют 4*10 15 т. (78,09% - по объему; 65,6% - по массе).

Азот поступает на земную поверхность вместе с другими газами при извержениях (около 30 т., из них 8 т. на суше, 22 т. за счет подводного вулканизма), при процессах ионизации атмосферы. Соединения азота, синтезированные при ионизации атмосферы, попадают на Землю с осадками в количестве 22 млн. т. азота (над сушей) и 82 т. (над океаном) в год.

Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

4NH 3 + 3O 2 => 2N 2 + 6H 2 O

Важнейшим источником поступления азота на земную поверхность является его биологическая фиксация - связывание молекулярного азота атмосферы в азотистые соединения различными микроорганизмами, в том числе клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с бобовыми растениями.

Некоторые количества связанного азота в почвах могут дать микроскопические сине-зеленые водоросли ( Cyauphyccal ), которые являются фотосинтезирующими микроорганизмами. Однако вряд ли поступление азота в почву в результате их деятельности в условиях неорошаемого земледелия превышает несколько килограммов на 1 га в год.

Азот, накопившийся в почве, принимает участие в биологическом круговороте. Ежегодно в биологическом круговороте на суше участвуют 2,3*10 9 т. азота (в пересчете на реальный растительный покров). Он входит в состав живого вещества и является основой растительной и в конечном итоге животной массы. Большая часть азота растений представлена белковыми веществами.

Азот является составной частью таких жизненно важных веществ, как нуклеиновые кислоты, хлорофилл, некоторых ростовых веществ (гетероауксин) и витаминов группы В.

Количество азота, вовлекаемого в продукцию живого вещества, в естественных условиях уравновешивается тем количеством, которое возвращается в почву при его отмирании и разложении.

Биологический азот претерпевает в почвах циклические превращения (из нитратов и нитритов - в аммиак и аминокислоты и обратно), в процессе которых он меняет свои валентности.

В результате процесса микробиологического превращения аммонийных солей в нитраты (нитрификация) азот накапливается в той форме, которая вполне доступна растениям. Интенсивность процесса нитрификации в значительной мере зависит от климатических и почвенных условий, температурного режима, увлажнения, химических и физических свойств почвы (степень аэрации, кислотность и др.). Количество общего азота, участвующего в биологическом круговороте, в экваториальном и тропическом поясах наиболее велико. Высокий окислительный потенциал среды способствует быстрой нитрификации азотсодержащих веществ.

Нитрификация – процесс микробиологического превращения аммонийных солей в нитраты – основную форму азотного питания растений. Протекает в почве и воде водоемов. Проходит в две стадии:

1) сначала ион аммония окисляется бактериями в нитрит – ион

NH 3 + O 2 + CO 2 = HNO 2 + - органическое вещество.

2) нитрит – ион окисляется в нитрат – ион

HNO 2 + O 2 + CO 2 = HNO 3 + - органическое вещество.

Процессы разложения органических остатков протекают также исключительно интенсивно и, наряду с господством промывного режима почв, приводят к быстрой потере органических и минеральных веществ.

В более высоких широтах темпы разложения органических остатков замедляются, сезонность климата обеспечивает перерывы во времени поступления опада. Это способствует лучшей аккумуляции питательных элементов в почвах, в том числе азота. Ежегодно с опадом во влажнотропических лесах возвращается 260 кг/га азота, в субтропических лесах - 226, лесах умеренного пояса-45-90 (иногда и менее), в степях - 90-161, пустынях - 14-18 кг/га.

На темпы разложения органического вещества почвы и нитрификации оказывают влияние термические и окислительно-восстановительные условия. С повышением температуры темпы нитрификации систематически возрастают, достигая максимума при 34,5

. Этот процесс не приостанавливается и при низких температурах, но идет крайне медленно, так как нитрифицирующие бактерии чувствительны к пониженной температуре.

При температуре ниже 8-10

, наряду с некоторыми снижениями поступлений в корни нитратного и аммиачного азота, ослабляется использование азота на образование органических азотных соединений и передвижение азота из корней в надземные органы. При еще более низких температурах (5-6 и ниже) поглощение азота корнями резко снижается.

В результате усиленной деятельности нитрифицирующих бактерий большое количество азота накапливается в парах (вчистом пару количество нитратного азота в 2- 2,5 раза выше, чем в занятом).

Ядохимикаты также оказывают определенное воздействие на деятельность почвенной микрофлоры и, таким образом, влияют на уровень обеспеченности растений азотом. Так, хлорорганические соединения (гексахлоран, гептахлор и др.) в случае применения в высоких дозах могут тормозить процессы нитрификации. Фосфорорганические соединения при внесении в повышенных дозах также способны в определенных условиях несколько депрессировать нитрификационные процессы. Такие препараты, как симазин, атразин и др. и производные хлорфеноксиуксусной и хлорфеноксимасляной кислот, к числу которых принадлежат широко распространенные гербициды, как правило, не оказывают депрессирующего влияния на почвенную микрофлору, хотя в отдельных случаях отмечается заметное угнетение нитрификации и стимулирующее влияние на аммонификацию. В то же время производные хлоруксусных и хлорпропионовых кислот проявляют себя довольно сильными ингибиторами нитрификации.

В результате разложения органических веществ, содержащих азот (аммонификация ), в почве накапливаются соли аммония и др. В присутствии кислорода разложение происходит быстрее с образованием продуктов глубокого распада. Без кислорода белок обычно расщепляется до полипептидов и аминокислот, т. е. сравнительно неглубоко. Конечными продуктами аммонификации являются аммиак, углекислота, метан, водород, вода.

Круговорот азота, обусловленный деятельностью живых организмов, не полностью замкнут, так как часть азота при участии бактерий превращается в элементарный азот и возвращается в атмосферу (денитрификация ).

Бактерии-денитрификаторы постоянно отдают азот в атмосферу: они разлагают нитраты в азот, который улетучивается. Эти бактерии активны главным образом в почвах, которые очень богаты азотом и углеродом (особенно в удобренных навозом). Количество азота, образующегося ежегодно в процессе денитрификации, составляет около 147*10 6 т. Результатом денитрификации являются, например, подземные газовые струи из чистого азота. На биогенный характер струй указывает отсутствие в них аргона, обычного в атмосфере.

Часть азота может выйти из круговорота за счет захоронения органического вещества в закрытых водоемах. Если принять суммарную мощность годового прироста торфообразователей для всей площади болот 11,3*10 14 г, то количество азота, ежегодно захороняющегося на суше (0,8-2,9% от веса торфообразователей), составляет около 20*10 6 т. Наибольшие количества азота могут выйти из круговорота в результате накапливания на поверхности Земли селитры (калийных солей азотной кислоты).

Азот (или нитроген «N ») – это один из важнейших элементов, который содержится в биосфере, и совершат круговорот. Около 80% воздуха содержит этот элемент, в котором два атома соединены в молекулу N 2. Связь этих атомов весьма прочная. Азот, который находится в «связанном» состоянии, используется всеми живыми существами. Когда молекулы нитрогена расщепляются, атомы N принимают участие в различных реакциях, соединяясь с атомами иных элементов. Довольно часто N соединяется с оксигеном. Поскольку в таких веществах связь нитрогена с другими атомами весьма слабая, то он хорошо усваивается живыми организмами.

Как протекает круговорот нитрогена

Нитроген циркулирует в окружающей среде по путям замкнутым и взаимосвязанным. В первую очередь, N выделяется при распаде веществ в грунте. Когда растения попадают в почву, живые организмы извлекают из них азот, благодаря чему он превращается в молекулы, используемые для процессов обмена веществ. Оставшиеся атомы соединяются с атомами иных элементов, после чего освобождаются в виде ионов аммония либо аммиака. Затем азот связывается другими веществами, после чего образуются нитраты, которые поступают в растения. В результате N участвует в появлении молекул. Когда травы, кустарники, деревья и другая флора отмирает, попадает в землю, нитроген снова возвращается в грунт, после чего круговорот наступает снова. Азот теряется, если входит в состав осадочных веществ, преобразуется в минералы и породы, либо при деятельности денитрифицирующих бактерий.

Нитроген в природе

В воздухе содержится не около 4 квадриллионов тонн N , а в Мировом океане – примерно 20 трлн. тонн. Та часть нитрогена, имеющаяся в организмах живых существ, составляет примерно 100 млн. тонн. Из них 4 миллиона тонн находится во флоре и фауне, а остальные 96 миллионов тонн – в микроорганизмах. Таким образом, значительная часть нитрогена присутствует в бактериях, благодаря которым N связывается. Ежегодно во время различных процессов связывается 100-150 тонн нитрогена. Наибольшее количество этого элемента есть в минеральных удобрениях, которые производят люди.

Таким образом, цикл круговорота N – это неотъемлемая часть природных процессов. Благодаря этому вытекают различные изменения. В результате антропогенной деятельности происходит изменение круговорота азота в среде, но пока что это не представляет большой опасности для окружающей среды.

Биосфера – это оболочка Земли, заселенная живыми организмами. Биосфера нашей планеты является сложной системой, в которой постоянно осуществляются круговороты различных веществ, тесно взаимосвязанных между собой. Азот – один из обязательных элементов важнейших органических соединений, из которых состоят ткани всех живых организмов (белков, АТФ, нуклеиновых кислот, т.д.).

Основные запасы данного химического элемента находятся в атмосфере в виде молекулярного азота, который не доступен для усвоения растениями в такой форме. Процесс круговорота азота начинается с поступления в экосистему соединений азота при выпадении осадков. Азотистые соединения образуются в атмосфере при разрядах молний во время гроз. С дождем они попадают в почву и воду.

Малая доля азотистых соединений выбрасывается в окружающую среду при извержениях вулканов. Ученые считают, что источником всего азота при формировании нашей планеты был вулканогенный NH3, который затем подвергся окислению атмосферным кислородом.

Таким образом, есть два пути вовлечения молекулярного азота в биогенный круговорот. Первый способ заключается в электрическом и фотохимическом окислении азота атмосферного воздуха. Второй путь – биологическая фиксация данного элемента микроорганизмами-азотфиксаторами, в т.ч. клубеньковыми бактериями. Лишь некоторые прокариоты способны осуществлять связывание атмосферного азота. В результате их жизнедеятельности образуется в несколько раз больше оксида азота на кв.м. площади поверхности Земли в год, чем при окислении атмосферного азота кислородом.

Клубеньковые бактерии и другие азотфиксаторы переводят азот из молекулярного состояния в соединения, которые легко усваиваются растениями. Затем азот продвигается по пищевым цепочкам экосистем в биосфере до редуцентов, чаще в почвенном покрове. После гибели растений и животных их организмы разлагаются с участием многочисленных микробов. При этом органический азот участвует в различных химических реакциях. Так, в процессе денитрификации органических веществ образуется элементарный азот, который затем возвращается в атмосферу, где начинается новый виток его циркуляции по внешнему кругу. Но основные запасы азота экосистем размещены в почве. При разложении белков с участием гнилостных бактерий образуется аммиак его производные, которые окисляются нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов. Эти соединения поступают в воды Мирового океана и атмосферный воздух. Именно отсюда данный элемент попадает снова в организмы растений и далее «движется» по внутренним каналам круговорота. Таким образом, живые организмы выполняют ключевую роль в круговороте азота.

Хозяйственная деятельность человека крайне негативно сказывается на балансе азота в природе. До того, как человек стал интенсивно использовать азотные минеральные удобрения для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, процессы нитрификации и денитрификации в природе были полностью сбалансированы.

Рис. 100. Клубеньковые бактерии на корнях бобового растения

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве солями угольной кислоты, например с СаСО 3 , образует селитру: 2HNО 3 +CaCО 3 = Ca(NО 3) 2 + CО 2 +H 2 О

Некоторая же часть органического азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа и т. д. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе кислорода могут отнимать от солей азотной кислоты, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть связанного азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный ).

Таким образом, далеко не весь , входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постоянно выделяется в свободном виде и, следовательно, теряется для растений, Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на земле, если бы не существовали в природе процессы, возмещающие потери азота. К числу таких процессов относятся прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество окислов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в селитры. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий - «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий (рис. 100). Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения в свою очередь превращают последние в белки и другие сложные . Поэтому бобовые ра стения в отличие от остальных могут прекрасно развиваться на почвах, почти не содержащих азотных соединений.

Рис. 101. Схема круговорота азота в природе

Деятельность бактерий, усваивающих атмосферный азот, является главной причиной того, что количество связанного азота в почве остается более или менее постоянным, несмотря на потери, происходящие при разложении азотных соединений. Это разложение возмещается новым образованием азотных соединений, и таким образом в природе совершается непрерывный круговорот азота (рис. 101).

Вы читаете, статья на тему Круговорот азота в природе