Круговорот азота
Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16–18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле – около 2,5 (четвертое место после водорода, углерода и кислорода). В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мертвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов. Это количество оценивается примерно в 1,9×1011 т. В результате процессов гниения и разложения азотсодержащей органики, при условии благоприятных факторов окружающей среды, могут образоваться природные залежи полезных ископаемых, содержащие азот, например «чилийская селитра» (нитрат натрия с примесями других соединений), «норвежская», «индийская селитры».
Около 80 % запасов азота сосредоточено в атмосфере планеты, что связано с направлением биогеохимических потоков соединений азота, образующихся при денитрификации. Первично азот в атмосфере был, вероятно, результатом процессов дегазации верхней мантии, магмы и вулканических выделений. Электрические и фотохимические реакции в высоких слоях атмосферы приводят к заметному поступлению соединений азота на сушу и в океан с атмосферными осадками. Этот азот включается в общий биогеохимический поток растворенных соединений, мигрирующих с водными массами, участвует в почвообразовательных процессах и в формировании биомассы растений.
Общая направленность биогеохимического круговорота азота на планете – аккумуляция в молекулярной форме в атмосфере. Огромное количество азота содержит биосфера в связанном виде: в органическом веществе почвенного покрова (1,5×1011 т), в биомассе растений (1,1×109 т), в биомассе животных (6,1×107 т).
На заре жизни после того как атмосфера из восстановительной стала окислительной благодаря накоплению свободного кислорода, появились бактерии (азотобактер, цианобактерии и др.), способные усваивать молекулярный азот (N2) с помощью особых ферментов, переводящих его в аммиак (NH3). Этот процесс называется азотфиксацией.
Микроорганизмы и растения активно используют нитраты при синтезе своих белков. После отмирания организма белки разлагаются бактериями-редуцентами сначала до аминокислотных остатков, а затем другими бактериями до аммиака, что называется аммонификацией. В результате почти весь азот оказывается снова доступен для усвоения бактериями и растениями. В биосфере сформировалась такая система экологических отношений между группами видов, при которой значительная часть запаса азота оставалась внутри биоты, а потери в виде образования инертной формы молекулярного азота были сведены к минимуму.
С возникновением хищных эукариот цикл азота несколько усложнился. Автотрофами, т.е. фотосинтезирующими организмами, получающими все вещества и энергию только из окружающей неорганической природы, стали питаться животные (гетеротрофы), получающие и «строительный материал», и энергию только из органической пищи. В результате ассимиляции органической пищи вырабатывается в виде отхода мочевина (H2NCONH2), которая образуется в организме из конечных продуктов распада белков СО2 и NH3. Растения усваивают мочевину в качестве дополнительного источника азота.
После распространения жизни на сушу схема круговорота азота, по существу, не изменилась. Две среды обитания оказались мало связанными друг с другом по параллельно происходящим круговоротам, за исключением двух важных обстоятельств. С суши в Мировой океан стал поступать дополнительный поток неорганического азота, что значительно увеличило продуктивность прибрежных экосистем. В свою очередь экосистемы суши за счет азотфиксации использовали атмосферный азот, который пополнялся в значительной степени за счет деятельности сообществ Мирового океана.
В последние 100 лет в круговорот азота были внесены очень важные изменения, которые могут привести к далеко идущим последствиям для всей биосферы, что связано с производством почти в неограниченных количествах азотных удобрений для сельского хозяйства.
Ежегодно 30–35 млн. т азота вносится в почву в виде минеральных удобрений. Поступление за счет азотных удобрений составляет 30 % от общих поступлений азота на сушу и в океан. Это часто приводит к загрязнению среды и тяжелым заболеваниям человека и животных. Особенно велики потери нитратных форм азота, так как он не сорбируется почвой, легко вымывается водами, восстанавливается в газообразные формы и до 20–40 % его теряется для питания растений. Все это, естественно, сказывается на биогеохимическом цикле азота.
Существенным нарушением цикла азота является сильное увеличение отходов животноводства, отходов и стоков больших городов, поступление в атмосферу NH3 и оксидов азота при сжигании угля, нефти, мазута и т.д. Опасно проникновение оксидов азота в стратосферу (ядерные взрывы, выхлопы сверхзвуковых самолетов, ракет), так как это может быть причиной разрушения озонового слоя.
Таким образом, для удовлетворения нужд человечества потребность в азотных удобрениях должна быть компенсирована как можно быстрее. Но культура их применения должна быть более высокой.