Orez. 100. Bacteriile nodulare de pe rădăcinile unei leguminoase

Când materia organică putrezește, o parte semnificativă din azotul conținut în acestea este transformată în amoniac, care, sub influența bacteriilor nitrificatoare care trăiesc în sol, este apoi oxidat în acid azotic. Acesta din urmă, reacționând cu sărurile acidului carbonic din sol, de exemplu CaCO 3, formează nitrat: 2HNO 3 + CaCO 3 = Ca(NO 3) 2 + CO 2 + H 2 O

O parte din azotul organic este întotdeauna eliberată când putrezesc liber în atmosferă. Azotul liber este eliberat și în timpul arderii substanțelor organice, la arderea lemnului, cărbunelui, turbei etc. În plus, există bacterii care, cu acces insuficient la oxigen, pot îndepărta sărurile de acid azotic, distrugându-le odată cu eliberarea de liber. azot. Activitatea acestor bacterii denitrificatoare duce la faptul că o parte din azotul legat dintr-o formă accesibilă plantelor verzi (nitrați) devine inaccesibil (liber).

Astfel, nu tot ceea ce făcea parte din plantele moarte se întoarce înapoi în sol; o parte din ea este eliberată în mod constant în formă liberă și, prin urmare, este pierdută de plante.Pierderea continuă a compușilor minerali cu azot ar fi trebuit să ducă cu mult timp în urmă la încetarea completă a vieții pe pământ dacă nu ar exista procese în natură care să compenseze pierderea. de azot. Astfel de procese includ, în primul rând, descărcări electrice care apar în atmosferă, în timpul cărora se formează întotdeauna o anumită cantitate de oxizi de azot; acestea din urmă produc acid azotic cu apă, care se transformă în nitrat în sol. O altă sursă de completare a compușilor de azot din sol este activitatea vitală a așa-numituluiazotobacterii capabile să asimileze azotul atmosferic. Unele dintre aceste bacterii se instalează pe rădăcinile plantelor din familia leguminoaselor, determinând formarea de umflături caracteristice - „noduli”, motiv pentru care sunt numite bacterii nodulare (Fig. 100). Asimilarea atmosfericăazotul, bacteriile nodulare îl procesează în compuși de azot, iar plantele, la rândul lor, îi transformă pe cei din urmă în proteine ​​și alți compuși complecși. Prin urmare, leguminoasele suntSthenia, spre deosebire de celelalte, se poate dezvolta bine pe soluri care aproape nu conțin compuși de azot.

Orez. 101. Schema ciclului azotului în natură

Activitatea bacteriilor care asimilează azotul atmosferic este principalul motiv pentru care cantitatea de azot fixat în sol rămâne mai mult sau mai puțin constantă, în ciuda pierderilor care apar în timpul descompunerii compușilor cu azot. Această descompunere este compensată de noua formare de compuși ai azotului și astfel are loc în natură un ciclu continuu de azot (Fig. 101).

Citiți un articol pe tema Ciclul azotului în natură

Ciclul substanțelor din natură

Activitatea organismelor vii este însoțită de extragerea unor cantități mari de minerale din natura neînsuflețită din jur.

După moartea organismelor, elementele lor chimice constitutive sunt returnate în mediu.

Așa ia naștere ciclul biogenic al substanțelor în natură, adică. circulația substanțelor între atmosferă, hidrosferă, litosferă și organismele vii.

Ciclul azotului în natură

Azotul circulă continuu în biosfera pământului printr-o rețea de căi închise interconectate. Fixarea artificială a azotului în producția de îngrășăminte minerale a fost adăugată proceselor naturale.

Azotul este una dintre cele mai abundente substanțe din biosferă, învelișul îngust al Pământului în care este susținută viața. Deci, aproape 80% din aerul pe care îl respirăm este format din acest element. Majoritatea azotului atmosferic este în formă liberă, în care doi atomi de azot sunt uniți pentru a forma o moleculă de azot, N2. Datorită faptului că legăturile dintre doi atomi sunt foarte puternice, organismele vii nu pot folosi în mod direct azotul molecular - acesta trebuie mai întâi transferat într-o stare „legată”. În timpul procesului de legare, moleculele de azot sunt împărțite, permițând atomilor de azot individuali să participe la reacții chimice cu alți atomi și, astfel, împiedicându-le să se recombine într-o moleculă de azot. Legătura dintre atomii de azot și alți atomi este suficient de slabă pentru a permite organismelor vii să utilizeze atomii de azot. Prin urmare, fixarea azotului este o parte extrem de importantă a proceselor de viață de pe planeta noastră.

Ciclul azotului este o serie de căi închise, interconectate, prin care azotul circulă în biosfera pământului. Să luăm în considerare mai întâi procesul de descompunere a materiei organice în sol.

Diverse microorganisme extrag azotul din materialele în descompunere și îl transformă în moleculele de care au nevoie pentru metabolism. În acest caz, azotul rămas este eliberat sub formă de amoniac (NH3) sau ioni de amoniu (NH4+). Alte microorganisme fixează apoi acest azot, transformându-l de obicei în formă de nitrați (NO3–). Intrând în plante, acest azot participă la formarea moleculelor biologice. După ce organismul moare, azotul este returnat în sol și ciclul începe din nou. În timpul acestui ciclu, sunt posibile atât pierderile de azot, cât și compensarea acestor pierderi din cauza erupțiilor vulcanice și a altor tipuri de activitate geologică.

Imaginați-vă că biosfera este formată din două rezervoare de azot conectate - unul imens (azot conținut în atmosferă și oceane) și unul foarte mic (azot conținut în viețuitoare). Între aceste rezervoare există un pasaj îngust în care azotul este legat într-un fel sau altul. În condiții normale, azotul din mediu intră în sistemele biologice prin acest pasaj și revine în mediu după moartea sistemelor biologice.

Să dăm câteva cifre. Atmosfera conține aproximativ 4 cvadrilioane (4 1015) tone de azot, iar oceanele conțin aproximativ 20 trilioane (20 1012) tone. O mică parte din această cantitate - aproximativ 100 de milioane de tone - este legată anual și inclusă în organismele vii. Din aceste 100 de milioane de tone de azot fix, doar 4 milioane de tone se găsesc în țesuturile vegetale și animale — restul se acumulează în microorganismele în descompunere și este returnat în atmosferă.

Principalul furnizor de azot fix în natură este bacteriile: datorită acestora, sunt fixate aproximativ 90 până la 140 de milioane de tone de azot. Cele mai cunoscute bacterii fixatoare de azot se găsesc în nodulii plantelor leguminoase. Metoda tradițională de creștere a fertilității solului se bazează pe utilizarea lor: mai întâi, mazărea sau alte leguminoase sunt cultivate pe câmp, apoi sunt arate în pământ, iar azotul legat acumulat în nodulii lor trece în sol. Apoi câmpul este semănat cu alte culturi, care deja pot folosi acest azot pentru creșterea lor.

O parte din azot este transformat într-o stare legată în timpul furtunilor. Veți fi surprins, dar fulgerele apar mult mai des decât credeți - aproximativ o sută de fulgere lovesc în fiecare secundă. În timp ce citiți acest paragraf, aproximativ 500 de fulgere au fulgerat în jurul lumii. Descărcarea electrică încălzește atmosfera din jurul ei, azotul se combină cu oxigenul (reacție de ardere) pentru a forma diferiți oxizi de azot. Și deși aceasta este o formă destul de spectaculoasă de sechestrare, ea acoperă doar 10 milioane de tone de azot pe an.

Astfel, ca urmare a proceselor naturale, de la 100 la 150 de milioane de tone de azot sunt legate pe an. În cursul activității umane, azotul este fixat și transferat în biosferă (de exemplu, semănatul cu leguminoase duce la formarea a 40 de milioane de tone de azot fix anual). Mai mult, atunci când combustibilii fosili sunt arse în generatoarele electrice și motoarele cu ardere internă, aerul se încălzește, așa cum este cazul unei descărcări de fulger. De fiecare dată când conduceți o mașină, cantități suplimentare de azot fix intră în biosferă. Aproximativ 20 de milioane de tone de azot pe an sunt legați la arderea combustibililor fosili.

Dar oamenii produc cel mai fixat azot sub formă de îngrășăminte minerale. Așa cum se întâmplă adesea cu realizările progresului tehnologic, tehnologia de fixare a azotului la scară industrială datorăm armatei. În Germania, înainte de Primul Război Mondial, a fost dezvoltată o metodă de producere a amoniacului (una dintre formele de azot fix) pentru nevoile industriei militare. Lipsa azotului inhibă adesea creșterea plantelor, iar fermierii cumpără azot fixat artificial sub formă de îngrășăminte minerale pentru a crește randamentul. În prezent, puțin peste 80 de milioane de tone de azot fix sunt produse în fiecare an pentru agricultură. Rezumând întreaga contribuție umană la ciclul azotului, obținem o cifră de aproximativ 140 de milioane de tone pe an. Aproximativ aceeași cantitate de azot este legată în mod natural în natură. Astfel, într-o perioadă relativ scurtă de timp, oamenii au început să aibă un impact semnificativ asupra ciclului azotului din natură. Care vor fi consecințele? Fiecare ecosistem este capabil să absoarbă o anumită cantitate de azot, iar consecințele acestuia sunt în general favorabile - plantele vor crește mai repede. Cu toate acestea, atunci când ecosistemul devine saturat, azotul va începe să se scurgă în râuri. Poluarea cu algele lacurilor este cea mai deranjantă problemă de mediu legată de azot. Azotul fertiliza algele lacului, iar acestea cresc, excluzând toate celelalte forme de viață.

Azotul circulă continuu în biosfera pământului sub influența diferitelor procese chimice și nechimice, iar recent azotul legat a intrat în atmosferă, în principal din cauza activității umane.

Azotul este una dintre cele mai comune substanțe în biosferă, învelișul îngust al Pământului care susține viața. Deci, aproape 80% din aerul pe care îl respirăm este format din acest element. Majoritatea azotului atmosferic este în formă liberă (vezi Legături chimice), în care doi atomi de azot sunt uniți pentru a forma o moleculă de azot - N 2 . Datorită faptului că legăturile dintre doi atomi sunt foarte puternice, organismele vii nu pot folosi în mod direct azotul molecular - acesta trebuie mai întâi transferat într-o stare „legată”. În curs legare Moleculele de azot sunt împărțite, permițând atomilor de azot individuali să participe la reacții chimice cu alți atomi, cum ar fi oxigenul, împiedicând astfel recombinarea lor într-o moleculă de azot. Legătura dintre atomii de azot și alți atomi este suficient de slabă pentru a permite organismelor vii să utilizeze atomii de azot. Prin urmare, fixarea azotului este o parte extrem de importantă a proceselor de viață de pe planeta noastră.

Ciclul azotului este o serie de căi închise, interconectate, prin care azotul circulă în biosfera pământului. Să luăm în considerare mai întâi procesul de descompunere a materiei organice în sol. Diverse microorganisme extrag azotul din materialele în descompunere și îl transformă în moleculele de care au nevoie pentru metabolism. În acest caz, azotul rămas este eliberat sub formă de amoniac (NH 3) sau ioni de amoniu (NH 4 +). Alte microorganisme leagă apoi acest azot, transformându-l de obicei în formă de nitrați (NO 3 -). Intrând în plante (și în cele din urmă pătrunzând în corpurile ființelor vii), acest azot este implicat în formarea moleculelor biologice. După ce organismul moare, azotul este returnat în sol și ciclul începe din nou. În timpul acestui ciclu sunt posibile atât pierderile de azot – când este inclus în sedimente sau eliberat în timpul vieții anumitor bacterii (așa-numitele bacterii denitrificatoare) – cât și compensarea acestor pierderi datorate erupțiilor vulcanice și a altor tipuri de activitate geologică.

Imaginați-vă că biosfera este formată din două rezervoare de azot conectate - unul imens (conține azotul conținut în atmosferă și oceane) și unul foarte mic (conține azotul conținut în viețuitoare). Între aceste rezervoare există un pasaj îngust în care azotul este legat într-un fel sau altul. În condiții normale, azotul din mediu intră în sistemele biologice prin acest pasaj și revine în mediu după moartea sistemelor biologice.

Să dăm câteva cifre. Atmosfera conține aproximativ 4 cvadrilioane (4 10 15) de tone de azot, iar oceanele conțin aproximativ 20 de trilioane (20 10 12) de tone. O mică parte din această cantitate - aproximativ 100 de milioane de tone - este legată anual și inclusă în organismele vii. Din aceste 100 de milioane de tone de azot fix, doar 4 milioane de tone se găsesc în țesuturile vegetale și animale — restul se acumulează în microorganismele în descompunere și, în cele din urmă, revine în atmosferă.

Principalul furnizor de azot fix în natură este bacteriile: datorită acestora, sunt fixate aproximativ 90 până la 140 de milioane de tone de azot (din păcate, nu există cifre exacte). Cele mai cunoscute bacterii fixatoare de azot se găsesc în nodulii plantelor leguminoase. Metoda tradițională de creștere a fertilității solului se bazează pe utilizarea lor: mai întâi, mazărea sau alte leguminoase sunt cultivate pe câmp, apoi sunt arate în pământ, iar azotul legat acumulat în nodulii lor trece în sol. Apoi câmpul este semănat cu alte culturi, care deja pot folosi acest azot pentru creșterea lor.

O parte din azot este transformat într-o stare legată în timpul furtunilor. Veți fi surprins, dar fulgerele apar mult mai des decât credeți - aproximativ o sută de fulgere lovesc în fiecare secundă. În timp ce citiți acest paragraf, aproximativ 500 de fulgere au fulgerat în jurul lumii. O descărcare electrică încălzește atmosfera din jurul ei, azotul se combină cu oxigenul (are loc o reacție de ardere) pentru a forma diferiți oxizi de azot. Și deși aceasta este o formă destul de spectaculoasă de sechestrare, ea acoperă doar 10 milioane de tone de azot pe an.

Astfel, ca urmare a proceselor naturale, de la 100 la 150 de milioane de tone de azot sunt legate pe an. În cursul activității umane, azotul este, de asemenea, legat și transferat în biosferă (de exemplu, aceeași semănare a câmpurilor cu leguminoase duce la formarea a 40 de milioane de tone de azot legat anual). Mai mult, atunci când combustibilii fosili sunt arse în generatoarele electrice și motoarele cu ardere internă, aerul se încălzește, așa cum este cazul unei descărcări de fulger. De fiecare dată când conduceți o mașină, cantități suplimentare de azot fix intră în biosferă. Aproximativ 20 de milioane de tone de azot pe an sunt legați la arderea combustibililor fosili.

Dar oamenii produc cel mai fixat azot sub formă de îngrășăminte minerale. Așa cum se întâmplă adesea cu realizările progresului tehnologic, tehnologia de fixare a azotului la scară industrială datorăm armatei. În Germania, înainte de Primul Război Mondial, a fost dezvoltată o metodă de producere a amoniacului (una dintre formele de azot fix) pentru nevoile industriei militare. Lipsa azotului inhibă adesea creșterea plantelor, iar fermierii cumpără azot fixat artificial sub formă de îngrășăminte minerale pentru a crește randamentul. În zilele noastre, puțin mai mult de 80 de milioane de tone de azot fix sunt produse în fiecare an pentru agricultură (rețineți că acesta este folosit nu numai pentru cultivarea culturilor alimentare - peluzele și grădinile suburbane sunt fertilizate cu acesta).

Rezumând întreaga contribuție umană la ciclul azotului, obținem o cifră de aproximativ 140 de milioane de tone pe an. Aproximativ aceeași cantitate de azot este legată în mod natural în natură. Astfel, într-o perioadă relativ scurtă de timp, oamenii au început să aibă un impact semnificativ asupra ciclului azotului din natură. Care vor fi consecințele? Fiecare ecosistem este capabil să absoarbă o anumită cantitate de azot, iar consecințele acestuia sunt în general favorabile - plantele vor crește mai repede. Cu toate acestea, atunci când ecosistemul devine saturat, azotul va începe să se scurgă în râuri. Eutrofizare(poluarea cu alge) a lacurilor este poate cea mai supărătoare problemă de mediu asociată cu azotul. Azotul fertiliza algele lacului, iar acestea cresc, inlocuind toate celelalte forme de viata din lac, deoarece atunci cand algele mor, aproape tot oxigenul dizolvat in apa este consumat prin descompunerea lor.

Cu toate acestea, trebuie să admitem că modificarea ciclului azotului este departe de cea mai gravă problemă cu care s-a confruntat umanitatea. În acest sens, Peter Witoshek, un ecologist la Universitatea Stanford care studiază plantele, spune: „Ne îndreptăm către o lume verde și plină de buruieni, dar acesta nu este un dezastru. Este foarte important să putem face distincția între dezastru și degradare.”

Azotul este unul dintre elementele al cărui comportament în condițiile globului este strâns legat de procesele biologice. Cea mai mare parte a rezervelor de azot ale Pământului este concentrată în atmosferă. Sute de milioane de tone de azot se găsesc în biomasa plantelor și animalelor. Conținutul de azot în cărbune și alți combustibili fosili, în humusul solului și în bazinele naturale de apă este destul de ridicat.

În timpul putrezirii părților moarte ale plantelor și a altor reziduuri organice, o parte din azotul compușilor bioorganici, ca urmare a proceselor hidrolitice cu participarea microorganismelor, este transformată în amoniac, care este transformat în ioni de acid azotic de către bacteriile pitrofice. Cationii din nitrații din sol pot fi K + , Na + , NH, Ca 2+ și alți cationi răspândiți. În timpul degradarii diferitelor reziduuri, o parte din azotul biologic se transformă în dinazot și este eliberat în atmosferă. În sol există și bacterii denitrificatoare care reduc nitrații, transformând o parte din azotul nitrat în materie simplă. Astfel, solul pierde continuu azotul disponibil plantelor, returnându-l în atmosferă.

Pierderea continuă a compușilor de azot din sol ar fi trebuit să ducă cu mult timp în urmă la o deficiență catastrofală de azot disponibil pentru organismele vii. Cu toate acestea, în natură există mecanisme de transformare a azotului atmosferic în compuși chimici. Astfel de procese includ descărcări de fulgere care apar în atmosferă, care produc o anumită cantitate de oxizi de azot. Odată cu participarea ulterioară a oxigenului și a apei, oxizii sunt transformați în acid azotic. Se dizolvă în apa atmosferică și merge cu ea în sol. Aici, acidul azotic reacţionează cu carbonaţii pentru a forma nitraţi. Din acest motiv, conținutul de nitrați din sol este completat.

O altă sursă de creștere a conținutului de azot din sol este activitatea vitală a nitrobacteriilor, care asimilează direct azotul atmosferic. Aceste bacterii conțin enzima nitrogenază, care catalizează reducerea azotului. Nitrogenaza a fost studiată în detaliu și s-a stabilit că această enzimă conține atomi de molibden, care joacă un rol cheie în reducerea azotului. Nitrobacteriile se găsesc în noduli de pe rădăcinile plantelor din familia leguminoaselor (Fig. 20.4). Pe rădăcinile de arin sunt prezente și bacterii nitrifiante. Compușii de azot sintetizați de bacterii sunt folosiți și de plantele înseși. Într-un an, nitrobacteriile pot acumula până la 48 kg de azot în compuși organici la 1 hectar de teren.

Orez. 20.4.

Contraprocesele de îndepărtare a azotului din sol în atmosferă și transferul lui de întoarcere în sol sub formă de compuși determină ciclul azotului, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 20.5.

Orez. 20.5.

În timpul activității agricole umane, solul se epuizează suplimentar de azot și alte elemente. Acest proces este în continuă creștere datorită creșterii rapide a populației. Pământul trebuie să producă cantități din ce în ce mai mari de hrană. Omul a fost forțat să dezvolte o a treia modalitate de a reumple azotul în sol. Constă în adăugarea în sol a îngrășămintelor minerale cu azot. Azotul pentru aceste îngrășăminte provine din amoniac, a cărui producție a atins dimensiuni enorme. Substanțele produse pentru a fi utilizate ca îngrășăminte cu azot includ nitrat de amoniu, sulfat de amoniu, azotat de sodiu și azotat de calciu. Producția mondială de îngrășăminte cu azot în ceea ce privește conținutul de azot ajunge la 100 de milioane de tone pe an.

12.2. Ciclul azotului, oxigenului, carbonului

Ciclul azotului (Figura 12.2) este unul dintre cele mai complexe cicluri din natură. Acoperă întreaga biosferă, precum și atmosfera, litosfera și hidrosfera. Microorganismele joacă un rol foarte important în ciclul azotului. Următoarele etape se disting în ciclul azotului:

Etapa 1 (fixarea azotului): a) bacteriile fixatoare de azot leagă (fixează) azotul gazos pentru a forma forma de amoniu (NH și săruri de amoniu) - aceasta este fixarea biologică; b) ca urmare a descărcărilor de fulgere și a oxidării fotochimice, se formează oxizi de azot; atunci când interacționează cu apa, formează acid azotic, care în sol se transformă în azot nitrat.

Etapa 2 – conversia în proteine ​​vegetale. Ambele forme (amoniu și nitrat) de azot fixat sunt absorbite de plante și transformate în compuși proteici complecși.

Etapa 3 – transformarea în proteină animală. Animalele mănâncă plante, iar în corpul lor proteinele vegetale sunt transformate în proteine ​​animale.

Etapa 4 – descompunerea proteinelor, putrezirea. Produsele metabolice ale plantelor și animalelor, precum și țesuturile organismelor moarte, sub influența microorganismelor, se descompun pentru a forma amoniu (proces de amonificare).

Etapa 5 – procesul de nitrificare. Azotul de amoniac este oxidat în nitriți și azot nitrat.

Etapa 6 – procesul de denitrificare. Sub influența bacteriilor denitrificatoare, azotul nitrat este redus la azot molecular, care intră în atmosferă. Cercul se închide.

Figura 12.2 – Diagrama structurală a ciclului azotului

(conform lui N.I. Nikolaikin, 2004)

Efectele antropice asupra ciclului azotului sunt după cum urmează:

1 Utilizarea industrială a azotului pentru a produce amoniac crește cantitatea totală de azot fixat în mod natural cu aproximativ 10%.

2 Utilizarea pe scară largă a îngrășămintelor cu azot, depășind nevoile plantelor, duce la poluarea mediului, în timp ce o parte din excesul de azot este spălat în corpurile de apă, provocând fenomenul periculos de „eutrofizare”. Determină poluarea secundară a corpurilor de apă, perturbarea ciclului substanțelor și modificări ale stării lor trofice.

Ciclul oxigenuluiînsoţită de afluxul şi ieşirea acestuia.

Sosirea oxigenului include: 1) secretie in timpul fotosintezei; 2) formarea în stratul de ozon sub influența radiațiilor UV (în cantități mici); 3) disocierea moleculelor de apă din straturile superioare ale atmosferei sub influența radiațiilor UV; 4) formarea ozonului - O 3.

Consum oxigen include: 1) consumul de către animale în timpul respiraţiei; 2) procese oxidative în scoarța terestră; 3) oxidarea monoxidului de carbon (CO) eliberat în timpul erupțiilor vulcanice.

Ciclul oxigenului este strâns legat de ciclul carbonului.

Ciclul carbonului(Figura 12.3). Masa de dioxid de carbon (CO 2) din atmosferă este estimată la 10 12 tone.

Sosirea dioxidului de carbon include: 1) respiraţia organismelor vii; 2) descompunerea organismelor moarte ale plantelor și animalelor de către microorganisme, procesul de fermentație; 3) emisii antropice de la arderea combustibilului; 4) defrișări.

Consumul de dioxid de carbon include: 1) fixarea dioxidului de carbon din atmosferă în timpul fotosintezei cu eliberare de oxigen; 2) consumul unei părți din carbon de către animalele care consumă alimente vegetale; 3) fixarea carbonului în litosferă (formarea de roci organice - cărbune, turbă, șisturi bituminoase, precum și componente ale solului precum humus); 4) fixarea carbonului în hidrosferă (formarea calcarelor, dolomitelor).

Creșterea treptată a conținutului de dioxid de carbon din atmosferă, în combinație cu alte motive, a dus la „efectul de seră”, care afectează echilibrul termic și clima planetei noastre.

Pe lângă elementele luate în considerare, fosforul, sulful și fierul joacă, de asemenea, un rol major în ciclul general al substanțelor din natură.

Figura 12.3 – Diagrama structurală a ciclului carbonului

(conform lui N.I. Nikolaikin, 2004)

Anterior