- •Ответы на вопросы,
- •Распространенность атомов в ос
- •3. Круговорот кислорода в окружающей среде
- •4. Круговорот азота в окружающей среде
- •5. Круговорот углерода в окружающей среде
- •6. Солнечная радиация и ее преобразование. Энергетический баланс Земли. Распределение составляющих энергетического баланса.
- •7. Основные компоненты современной атмосферы. Температурный профиль атмосферы.
- •8. Неорганические, органические компоненты атмосферы. Аэроионы.
- •Аэроионы
- •9. Химические превращения соединений в атмосфере. Реакционноспособные частицы атмосферы. Озон. Молекулярный и атомарный кислород
- •10. Химические превращения соединений в атмосфере. Гидроксильный и гидропероксидный радикалы.
- •11. Химические превращения соединений в атмосфере. Оксиды азота. Диоксиды серы.
- •12. Фотохимическое окисление метана (схема превращений). Реакции гомологов метана. Атмосферная химия углеводородов. Алкены.
- •13. Химические превращения соединений в атмосфере. Бензол и его гомологи.
- •14. Фотохимия производных углеводородов. Альдегиды и кетоны.
- •15. Фотохимия производных углеводородов. Карбоновые кислоты и спирты. Амины и серосодержащие соединения.
- •16. Фотохимия загрязненной атмосферы городов. Фотохимическое образование смога.
- •17. Атмосферная химия галогенсодержащих соединений. Влияние окислов азота и галогенсодержащих органических соединений на слой озона.
- •18. Химия загрязненной атмосферы городов. Разрушение металлов, облицовки зданий, стекол. Проблема гибели лесов.
- •19. Основные виды природных вод. Классификация вод.
- •20. Группы, типы, классы, семейства, роды вод. Общая минерализация вод.
- •21. Ведущие и редкие ионы природных вод. Классификация природных вод по составу ионов.
- •22. Энергетическая характеристика ионов. Кислотно-основное равновесие в природных водоемах.
- •23. Окислительно-восстановительные условия природных вод.
- •24. Диаграмма стабильности воды ( ре-рН ).
- •26. Общая щелочность вод. Процессы закисления поверхностных водоемов.
- •27. Основные свойства воды. Газы природных вод
- •Газы природных вод
- •30. Загрязнения грунтовых, речных и морских вод органическими остатками.
- •31. Загрязнения грунтовых, речных и морских вод неорганическими остатками.
- •2 Кислотные выбросы.
- •32. Загрязнения грунтовых, речных и морских вод тяжелыми металлами.
- •33. Коррозия металлов в водной среде. Факторы, влияющие на интенсивность процесса коррозии.
- •34. Разрушение бетона и железобетона под действием воды.
- •35. Образование почвенного слоя. Классификация почвенных частиц по крупности и механическому составу.
- •Классификация почвенных частиц по их крупности
- •35. Элементный и фазовый состав почв.
- •37. Влагоемкость, водопроницаемость почв. Различные формы воды в почве.
- •38. Почвенные растворы.
- •39. Катионно-обменная способность почв. Поглотительная способность почвы. Селективность катионного обмена.
- •40. Формы соединений алюминия в почвах. Виды почвенной кислотности.
- •41. Соединения кремния и алюмосиликаты в почвах.
- •42. Минеральные и органические соединения углерода в почве. Значение гумуса. Диоксид углерода, угольная кислота и карбонаты
- •Органические вещества и их значение
- •43. Подразделение гумусовых веществ почвы.
- •44. Гумус. Специфические гумусовые соединения.
- •Фульвокислоты
- •45. Неспецифические гумусовые соединения. Негидролизуемый остаток.
- •46. Гумусовые кислоты почв.
- •47. Антропогенное загрязнение почв. Кислотное загрязнение.
- •48. Антропогенное загрязнение почв. Влияние тяжелых металлов на состояние почв и развитие растений.
- •49. Антропогенное загрязнение почв. Пестициды в почве.
- •50. Антропогенное загрязнение почв. Влияние водно-солевого режима на состояние почвы.
4. Круговорот азота в окружающей среде
Круговорот азота. Особое место среди биогенных элементов занимает азот - важный строительный материал для белков, нуклеиновых кислот и других соединений. Азот распространен в биосфере крайне неравномерно. В больших количествах он содержится в биогенных ископаемых (уголь, нефть, битум, торф). Вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония содержащегося в почвах азота, как правило, недостаточно для нормального питания растений. В почве его содержится всего от 0,02 до 0,5%, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов некоторых растений и разложению органических веществ. В то же самое время миллионы тонн азота в атмосфере давят на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образно говоря, «висит» до 80 тыс. т этого элемента. Недаром азот называют инертным газом (от греч. - «безжизненный»). Почему же так получается? Дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном состоянии, т.е. в бездействии. Элементом жизни он становится только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного (хотя бы в простые оксиды) азота в воздухе нет.
Исключением является техногенное поступление азота в атмосферу. Это происходит в результате выбросов автомобильного транспорта, тепловых электростанций, котельных, промышленных предприятий. При сжигании ископаемого топлива (нефть, уголь, газ) происходит выброс в атмосферу оксидов азота (N2O, NO2), которые являются загрязнителями окружающей среды.
Несмотря на то что в атмосфере присутствует довольно большое количество азота, большинство организмов не может ассимилировать его. Буквально купаясь в азоте, растения не в состоянии извлечь его из воздуха. Азот практически не участвует в геохимических процессах и лишь накапливается в атмосфере.
Рис.
2.5.
Круговорот азота в биосфере
Пути фиксации азота в биосфере могут быть разными. Прежде всего, это поступление его вместе с дождевыми водами из атмосферы, главным образом во время гроз. Небольшая часть азота попадает в биосферу при вулканических извержениях и значительное количество - в результате выбросов промышленных предприятий. Но основным источником азота является биологическая фиксация - связывание атмосферного азота свободноживущими азотфиксирующими бактериями - азотобактером, цианобактериями и другими, а также азотфик- саторами, живущими в симбиозе (совместное сожительство) с высшими растениями, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, таких, как арахис, соя, чечевица, фасоль, люцерна, клевер, люпин и др. Фиксируя атмосферный азот, они снабжают растение-хозяина доступными для него соединениями азота в виде нитратов и нитритов.
Корни бобовых растений вступают в симбиоз с живущими в почве клубеньковыми бактериями рода Rhizobium. Эти бактерии обладают удивительной способностью улавливать азот из воздуха и перерабатывать в нитрат аммония. В обмен на сахар и безопасный приют в корневых клубеньках бобовых бактерии обильно снабжают их готовыми растворимыми соединениями азота.
В таких симбиотических системах азот становится доступен растениям в виде иона аммония (NH4). После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота. Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемая животными и грибами, расщепляются гнилостными бактериями до аммиака. Такой процесс получил название аммонификации.
Нитрификация заключается в том, что часть аммиака может поглощаться в виде иона аммония NH4 непосредственно растениями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак окисляется специализированными нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, которые вновь используются растениями.
Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми бактериями до оксидов и молекулярного азота, Этот процесс называется денитрификацией.
На каждом из этапов выделяется кислород, который необходим денитрифицирующим бактериям (например, из рода Pseudomonas), для дыхания при отсутствии в почве свободного кислорода.
Почвенные азотфиксирующие организмы оставались малоизученными вплоть до конца XIX в. Ученые даже опасались, что денитрифицирующие бактерии, как раз в то время открытые, постепенно исчерпают запас фиксированного азота в почве и снизят плодородие. В своей речи перед Королевским обществом в Лондоне У. Крукс набросал мрачную картину голода, который ожидает человечество в недалеком будущем, если не появятся искусственные способы фиксации азота. В то время главным источником селитры и для производства удобрений, и для выработки взрывчатых веществ были залежи в Чили. Именно потребность во взрывчатых веществах стала главным стимулом для химиков. В 1914 г. немецкие химики Ф. Габер и К. Бош предложили каталитический метод промышленной фиксации азота.
После того как круговорот азота был в общих чертах изучен, стала понятна роль бактерий-денитрификаторов. Без таких бактерий, возвращающих азот в атмосферу, большая часть атмосферного азота находилась бы сейчас в связанной форме в океане и в осадочных породах. В настоящее время в атмосфере, разумеется, недостаточно кислорода для перевода всего свободного азота в нитраты. Но вполне вероятно, что односторонний процесс в отсутствие денитрификаторов привел бы к подкислению воды в океане нитратами. Началось бы выделение диоксида углерода из карбонатных горных пород. Растения постоянно извлекали бы диоксид углерода из воздуха, углерод с течением времени откладывался бы в форме каменного угля или других углеводородов, а свободный кислород насыщал бы атмосферу и соединялся с азотом. Из-за многообразия и сложности всех этих процессов трудно сказать, как выглядел бы мир без реакции денитрификации, но наверняка это был бы непривычный для нас мир.
Таким образом, в ходе денитрификации связанный азот удаляется из почвы и воды, и в виде газообразного азота возвращается в атмосферу. Денитрификация замыкает цикл азота и препятствует накоплению его оксидов, которые в высоких концентрациях токсичны.
В прежние времена, когда не существовало массового производства искусственных удобрений и не выращивались на больших площадях азотфиксирующие бобовые культуры, количество азота, удаляемого из атмосферы в процессе естественной фиксации, видимо, вполне уравновешивалось его возвратом в атмосферу в результате деятельности организмов, превращающих органические нитраты в газообразный азот. Сейчас мы не уверены в том, что процессы денитрификации поспевают за процессами фиксации. Неизвестно, какие последствия повлечет за собой длительный перевес фиксации над денитрификацией. Мы знаем, что чрезмерный вынос азотистых соединений в реки может вызвать «цветение» водорослей и в результате усиления их биологической активности вода может лишиться кислорода, что вызовет гибель рыбы и других нуждающихся в кислороде организмов.