- •Введение
- •1. Химические основы экологических взаимодействий
- •1.1. Экологические факторы среды
- •Значения рН для пресноводных рыб Европы (по р.Дажо, 1975)
- •1.2. Химические экорегуляторы
- •I. Вещества, участвующие в межвидовых (аллелохимических) взаимодействиях
- •II. Вещества, участвующие во внутривидовых взаимодействиях
- •2. Химический этап эволюции биосферы
- •Химические гипотезы возникновения жизни
- •Химический состав межзвездного пространства (Raymand, Talbot, 1980)
- •Обнаруженные межзвездные молекулы (Raymand, Talbot, 1980)
- •3. Структура биосферы. Понятие экосистемы
- •Классификация экосистем
- •4. Химические элементы в биосфере
- •4.1. Круговорот углерода
- •4.2. Круговорот азота
- •4.3. Круговорот фосфора
- •4.4. Круговорот биогенных элементов
- •Ежегодный вынос из почвы веществ (кг/га) при средних урожаях
- •Вынос веществ (кг/га) при вырубке лесов 100-летнего возраста
- •4.5. Антропогенный круговорот вещества. Ресурсный цикл
- •5. Токсиканты окружающей среды
- •5.1. Неорганические токсиканты
- •Примеры соединений ртути
- •5.2. Диоксины и родственные им соединения
- •6. Стандарты качества окружающей среды
- •6.1. Нормирование атмосферных загрязнений
- •6.2. Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах
- •6.3. Нормирование содержания вредных веществ в почве
- •7. Экологическая химия атмосферы
- •7.1. Состав атмосферы
- •Состав воздуха в приземном слое
- •7.2. Фотодиссоциация
- •Реакции, происходящие в верхних слоях атмосферы
- •7.3. Реакции атмосферных ионов
- •7.4. Источники загрязнения атмосферы
- •Масса загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу (тонн/год, по данным юнеско, 1996)
- •Выбросы в атмосферу главных загрязнителей в мире (1990 г.) и в России (1991 г.)
- •8. Экологическая химия гидросферы
- •Запасы воды в гидросфере Земли
- •Источники загрязнения нефтью мировых водоемов на начало восьмидесятых годов. Общее количество 2 - 5 млн. Тонн в год (по данным Ревелль н., Ревелль ч., 1995)
- •9. Экологическая химия литосферы
- •Химический состав земной коры на глубинах 10 - 20 км
- •Классификация природных вод (почвенных растворов) в зависимости от их минерализованности
- •Биологическое усиление ддт (по п. Ревелль, ч. Ревелль, 1995)
- •10. Экологический мониторинг
- •Система наземного мониторинга окружающей среды (по и.П. Герасимову, 1975)
- •Заключение
- •Примерный перечень вопросов для самостоятельной работы по курсу «Экологическая химия»
- •236041, Г. Калининград, ул. А. Невского, 14
4.2. Круговорот азота
Несмотря на величайшую сложность, этот круговорот осуществляется быстро и беспрепятственно. Воздух, содержащий 78% азота, одновременно служит и огромным вместилищем и предохранительным клапаном системы. Он беспрерывно и в разных формах питает круговорот азота.
Цикл азота состоит в следующем. Его главная роль заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структур организма - аминокислот белка, а также нуклеиновых кислот. В живых организмах содержится примерно 3% всего активного фонда азота. Растения потребляют примерно 1% азота; время его круговорота составляет 100 лет.
От растений-продуцентов азотосодержащие соединения переходят к консументам, от которых после отщепления аминов от органических соединений азот выделяется в виде аммиака или мочевины, а мочевина затем также превращается в аммиак (вследствие гидролиза).
Рис. 4.1. Трансформация и использование СО2 в природе
В дальнейшем в процессах окисления азота аммиака (нитрификации) образуются нитраты, способные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Все эти химические превращения возможны в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Эти удивительные бактерии - фиксаторы азота - способны использовать энергию своего дыхания для прямого усвоения атмосферного азота и синтезирования протеидов. Таким путем в почву ежегодно вносится около 25 кг азота на 1 га.
Но самые эффективные бактерии живут в симбиозе с бобовыми растениями в клубеньках, развивающихся на корнях растений. В присутствии молибдена, который служит катализатором, и особой формы гемоглобина (уникальный случай у растений) эти бактерии (Rhizobium) ассимилируют громадные количества азота. Образующийся (связанный) азот постоянно диффундирует в ризосфере (часть почвы), когда клубеньки распадаются. Но еще азот поступает в наземную часть растений. Благодаря этому бобовые исключительно богаты протеинами и очень питательны для травоядных. Годовой запас, таким образом накапливаемый в культурах клевера и люцерны, составляет 150-140 кг/га.
Помимо бобовых такие бактерии живут на листьях растений (в тропиках) из семейства Rublaceae, а также актиномицеты - на корнях ольхи, фиксирующие азот. В водной среде - это синие водоросли.
Итак, азот из разнообразных источников поступает к корням в виде нитратов, абсорбируется корнями и трансформируется в листья для синтеза протеинов. Протеины служат основой азотного питания животных, а также пищей некоторых бактерий (паразитов). Организмы, разлагающие органическое вещество после смерти, переводят азот из органических соединений в минеральные. Каждая группа биоредуцентов специализируется на каком-либо одном звене этого процесса. Цепь заканчивается деятельностью аминообразующих организмов, образующих аммиак (NН3), который далее входит в цикл нитрификации: Nitrosomonas окисляет его до нитритов, а Nitrobarter окисляет нитриты в нитраты.
С другой стороны, бактерии-денитрификаторы разлагают нитраты, освобождают N2, который улетучивается в атмосферу. Но этот процесс не очень опасен, так как разлагает примерно 20% общего азота, и то лишь на почвах, очень удобренных навозом (примерно 50-60 кг азота 1 га).
Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека. С одной стороны, массовое производство азотных удобрений и их использование приводит к избыточному накоплению нитратов. Азот, поступающий на поля в виде удобрений, теряется из-за отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации.
С другой стороны, при снижении скорости превращения аммиака в нитраты аммонийные удобрения накапливаются в почве. Возможно подавление деятельности микроорганизмов в результате загрязнения почвы отходами промышленности. Однако эти процессы носят локальный характер. Гораздо большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на ТЭЦ, транспорте, заводах («лисий хвост»). В промышленных районах их концентрация в воздухе становится очень опасной. Под воздействием излучения происходят реакции органики (углеводородов) с оксидами азота с образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений.