- •М. Ю. Андрианова Физико-химические основы природных и антропогенных процессов в техносфере Сокращенная версия
- •1. Оболочки Земли
- •1.1. Земная кора
- •1.2. Мантия Земли
- •1.3. Ядро Земли
- •1.4. Магнитное поле и магнитосфера Земли
- •1.5. Атмосфера
- •1.6. Гидросфера
- •1.7. Биосфера и педосфера
- •3. Миграция элементов
- •4. Атмосфера. Солнечная радиация и вертикальная структура
- •4.1. Изменение давления с высотой
- •4.2. Изменение температуры с высотой
- •4.3. Радиационный баланс Земли
- •4.4. Особенности циркуляции атмосферы
- •5. Биогеохимические циклы элементов
- •5.1. Цикл кислорода
- •5.1.1. Геохимический субцикл цикла кислорода
- •5.1.2. Биотический и физико-химический субциклы цикла кислорода
- •5.1.3. Озон в стратосфере
- •5.1.4. Озон в тропосфере
- •5.1.5. Фотохимический смог
- •5.2. Гидрологический цикл и цикл водорода
- •5.2.1. Гидрологический цикл
- •5.2.2. Цикл водорода
- •5.2.3. Увеличение кислотности океанской воды
- •5.3. Цикл азота
- •5.3.1. Природная фиксация азота
- •5.3.2. Промышленная фиксация азота
- •5.3.3. Аммонификация
- •5.3.4. Нитрификация и другие процессы
- •5.3.5. Денитрификация и другие процессы
- •5.3.6. Оксиды азота
- •5.3.7. Физический перенос азота
- •5.4. Цикл серы
- •5.4.1. Поступление серы в атмосферу
- •5.4.2. Серная кислота и сульфатные аэрозоли
- •5.4.3. Атмосферный аэрозоль
- •5.4.4. Смог лондонского типа
- •5.4.5. Кислотные дожди
- •5.4.6. Ассимиляция сульфата
- •5.4.7. Восстановление сульфата и другие процессы
- •5.4.8. Окисление сероводорода и другие процессы
- •5.4.9. Окислительный бактериальный фильтр
- •5.5. Циклы фосфора и кремния
- •5.5.1. Цикл кремния
- •5.5.2. Цикл фосфора
- •5.6. Циклы тяжелых металлов
- •5.6.1. Природные источники тяжелых металлов
- •5.6.2. Техногенные источники тяжелых металлов
- •5.6.3. Трансформация антропогенных выбросов тяжелых металлов в почве
- •5.6.4. Токсичность металлов в гидросфере
- •5.7. Цикл углерода
- •5.7.1. Основные процессы цикла углерода
- •5.7.2. Глобальное потепление климата и парниковые газы
- •5.7.4. Токсичные соединения углерода
- •5.8. Циклы натрия и хлора
- •5.8.1. Цикл натрия
- •5.8.2. Засоление почв
- •5.8.3. Цикл хлора
- •5.8.4. Галогенорганические соединения
- •5.8.5. Стойкие органические загрязнители и другие приоритетные поллютанты
5.3.1. Природная фиксация азота
Азот является элементом, необходимым для жизни, он входит в состав молекул белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул. Однако молекула атмосферного N2 химически инертна и усвоение из нее N невозможно для зеленых растений суши (основных продуцентов) без процессов фиксации азота – перевода его в биологически усвояемые ионные формы.
В атмосфере во время грозовых электрических разрядов образуются оксиды азота N2О, NО, NO2. Впоследствии они взаимодействуют с водяными парами и другими компонентами атмосферы:
N2O → N2 + O∙ ,
∙ОН + NO2 → HNO3 ,
NO2 + О3 → NO3 ∙ + О2 ,
NO2 + NO3∙ → N2O5 ,
N2O5 + H2O → 2HNO3 .
Так происходит абиотическая фиксация азота. Биологически усвояемые формы азота (NО3– и содержащийся в атмосфере NH4+) выпадают на сушу с дождями и снегом в количестве около 10∙106 т N в год (3…30 кгN/га в год, что немаловажно для некоторых организмов, таких как лишайники на скалах, мхи верховых болот). Предполагается, что абиотическая фиксация азота возможна и на поверхности песчинок в пустыне, что может объяснить быстрое развитие растительности весной (в течение короткого влажного периода).
Однако гораздо большее количество азота – на суше (44…200)∙106 тN/год, в океане (1…120)∙106 тN/год – поступает из атмосферы в результате его фиксации микроорганизмами. Реакцию осуществляют почвенные бактерии родов Azotobacter, Clostridium, Frankia и других. Среди них встречаются свободноживущие и симбиотические формы. Хорошо известны бактерии рода Rhizobium, образующие клубеньки на корнях бобовых растений; благодаря этому около 95% фиксированного атмосферного азота (в форме иона аммония) переходит в цитоплазму растения-хозяина. Деревья и кустарники (облепиха, ольха, восковик) живут в симбиозе с азотфиксирующими грибами-актиномицетами. Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы дают 5…15 кгN/га, симбиотические клубеньковые бактерии 70…300 кгN/га в год.
Фиксировать азот могут также сине-зеленые водоросли, что играет важную роль в обогащения азотом рисовых полей. Эти цианобактерии живут изолированно или в симбиозе с грибами (образуя лишайники) или с папоротниками.
Энергетически реакция фиксации молекулярного азота невыгодна, поэтому она происходит за счет использования энергии расщепления углеводов (приведено суммарное уравнение реакции):
3[СН2О] + ЗН2О + 2N2 + 4Н+ → ЗСО 2 + 4NH4+ .
В цитоплазме клетки ион NH4+ реагирует с кетокислотами, образуя аминокислоты, используемые впоследствии для построения белков и других биомолекул (происходит ассимиляция аммония).
В процессе жизнедеятельности организма происходит постоянное образование и разрушение (деградация) азотсодержащих органических веществ. Продукты распада этих веществ различны у разных организмов – аммоний (рыбы), мочевина (млекопитающие, земноводные), мочевая кислота (насекомые, птицы). Однако наибольший вклад в возращение минеральных компонентов азота в окружающую среду вносят микроорганизмы, разлагающие органические вещества.