И воздействие на них человека
Биогеохимические циклы биогенных элементов
Биогенными элементами, то есть элементами, играющими важную роль в жизнедеятельности практически всех живых организмов, являются азот, кислород, углерод, фосфор, сера и некоторые другие.
Круговороты азота, кислорода и углерода имеют резервные фонды в атмосфере (круговороты газообразных веществ). Круговороты фосфора и серы относятся к осадочным циклам.
Азот является основным газом атмосферы, где его объемная доля составляет 78%. Биосферный круговорот азота хорошо отрегулирован и носит замедленный характер.
Большинство живых организмов может использовать азот только в виде сложных соединений с другими элементами. Азот входит в состав белков и других важных органических соединений, составляющих живые клетки.
Перевод азота из одних неорганических соединений (оксидов азота, аммиака, нитратов, нитритов, солей аммония) в другие происходит при помощи особых бактерий: азотфиксирующих, денитрифицирующих, нитратных, нитритных и др.
На рис. представлена схема круговорота азота в атмосфере.
Газообразный азот атмосферы поглощается азотфиксирующими бактериями (и некоторыми видами водорослей), в процессе жизнедеятельности которых образуются растворимые соединения азота. Определенная разновидность бактерий образуют соединения азота, непосредственно поглощающиеся растениями. Примером такого вида бактерий являются «клубеньковые», живущие на корнях растений из семейства бобовых и обуславливающие образование характерных вздутий − «клубеньков».
Рис.3 Биогеохимический цикл азота
Сравнительно небольшое количество атмосферного азота реагирует с кислородом в результате воздействия газовых разрядов. Образующиеся кислые соединения азота с дождями попадают в почву.
Растения (продуценты) потребляют образованные бактериями соединения азота и синтезируют на их основе сложные органические соединения. Образованные растениями вещества могут передаваться животным (консументам) в процессе питания.
Соединения азота, образующиеся в процессе жизнедеятельности продуцентов и консументов, со временем попадают в почву. При распаде органических соединений азота образуются неорганические вещества. Важную роль в этом процессе играют аммонифицирующие бактерии, которые получают необходимую им энергию в процессе восстановления органических азотсодержащих веществ до аммиака и солей аммония.
Обитающие в почве нитратные и нитритные бактерии осуществляют сложный процесс нитрификации, включающий ряд последовательных реакций преобразования ионов аммония (NH 4 +) до нитрат-ионов (NO 3 −), которые могут опять использоваться растениями-продуцентами. Таким образом, почвенные бактерии, продуценты и консументы образуют малый (биологический) круговорот азота − важную часть его биогеохимического цикла.
В почве также происходит процесс денитрификации: под действием денитрифицирующих бактерий из растворимых соединений азота образуются газообразные вещества − происходит возвращение азота в атмосферу.
Определенное количество азота на сотни тысяч лет выключается из круговорота, переходя в глубинные отложения литосферы. Эти потери отчасти компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами при извержении вулканов. Газообразные соединения азота выделяются также при сжигании каменного угля, торфа, при горении различных органических веществ.
Человек оказывает существенное влияние на перемещение азота в биосфере. В результате деятельности человека в растворимые соединения азота (нитраты, нитриты, соли аммония) переводится азота на 60 % больше, чем в процессе жизнедеятельности всех других организмов. Но, благодаря большому резервному фонду в атмосфере, недостаток азота быстро восполняется за счет перемещения газообразных веществ. Поэтому круговорот азота в настоящее время сохраняет цикличность и относится к числу наиболее отлаженных природных круговоротов.
Каждый химический элемент, совершая круговорот в экосистеме, следует по своему особому пути, но все круговороты приводятся в движение энергией, и участвующие в них элементы попеременно переходят из органической формы в неорганическую и обратно. Рассмотрим круговороты некоторых химических элементов с учетом особенностей поступления их из обменного фонда в резервный и возврата в обменный фонд.
Цикл азота. Безусловно, это один из самых сложных и одновременно самых уязвимых круговоротов (рис. 11.5).
Несмотря на большое число участвующих в нем организмов, круговорот обеспечивает быструю циркуляцию азота в различных экосистемах. Как правило, в количественном отношении азот следует за углеродом, вместе с которым он участвует в образовании белковых соединений. Азот, входящий в состав белков и других азотсодержащих соединений, переводится из органической формы в неорганическую в результате деятельности ряда хемотрофных бактерий. Каждый вид бактерий выполняет свою часть работы, окисляя аммоний до нитритов и далее до нитратов. Однако нитраты, доступные для растений, «ускользают» от них в результате деятельности денитрифицирующих бактерий , которые восстанавливают нитраты до молекулярного азота.
Цикла азота характеризуется обширным резервным фондом в атмосфере. Воздух по объему почти на 80% состоит из молекулярного
Рис. 11.5.
азота (N 2) и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента. В то же время недостаточное содержание азота в почве часто лимитирует продуктивность отдельных видов растений и всей экосистемы в целом. Все живые организмы нуждаются в азоте, который используют в различных формах для образования белка и нуклеиновых кислот. Но лишь немногие микроорганизмы могут использовать газообразный азот из атмосферы. К счастью, фиксирующие азот микроорганизмы преобразуют молекулярный азот в доступные растениям ионы аммония. Кроме того, в атмосфере постоянно происходит образование нитратов неорганическим путем, но это явление играет лишь вспомогательную роль по сравнению с деятельностью нитрифицирующих организмов.
Цикл фосфора. Фосфор - один из наиболее важных биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, ферментов, костной ткани, дентина и т.п. По сравнению с азотом он встречается в относительно немногих химических формах.
В обменный фонд фосфор поступает двумя путями (рис. 11.6). Во- первых, за счет первичной экскреции консументов и, во-вторых, в процессе разрушения мертвого органического вещества фосфатреду- цируюшими бактериями, которые переводят фосфор из органической формы в растворимые фосфаты: РО^ - , НРО^ - и HjPO^". Таким образом, редуценты переводят фосфор из органической формы в неорганическую, не окисляя его.
Рис. 11.6. Биогеохимический цикл фосфора: I - обменный фонд; II - резервный фонд
Особенность биогеохимического цикла фосфора заключается в том, что в отличие от азота и углерода его резервным фондом является не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. В связи с этим циркуляция фосфора легко нарушается, так как основная масса вещества сосредоточена в малоактивном и малоподвижном резервном фонде, захороненном в земной коре. Несовершенство биогеохимического цикла фосфора состоит в том, что доступность этого элемента ограничена из-за утечек в глубокие осадки.
Цикл серы. Для серы характерен обширный резервный фонд в земной коре и меньший - в атмосфере и гидросфере (рис. 11.7). В результате такой слаженности обменного и резервного фондов сера не является лимитирующим фактором. Основной источник серы, доступный организмам, - это всевозможные сульфаты. Хорошая растворимость в воде многих сульфатов облегчает доступ неорганической серы в экосистемы. Поглощая сульфаты, растения их восстанавливают и вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин). Известно, что эти аминокислоты играют важную роль при формировании третичной структуры белков, образуя дисульфидные мостики между различными участками полипептидной цепи.
Рис. 11.7.
I - обменный фонд; II, III - резервные фонды
Аналогично нитратам и фосфатам, сульфаты, основная доступная растениям форма серы, восстанавливаются автотрофами и включаются в белки. Органические остатки животных и растений минерализуются, и входящая в их состав восстановленная сера при аэробном разложении окисляется ферментативным путем различными группами хемотрофных микроорганизмов. Подобные процессы осуществляются и в водоемах.
Из сульфопротеинов, содержащихся в почве, гетеротрофные бактерии вырабатывают сероводород. С другой стороны, существуют различные группы хемотрофных бактерий, способных опять окислять сероводород до сульфатов, что вновь увеличивает запас серы, доступной продуцентам. Подобные бактерии не нуждаются в свете. Например, хемотрофные бактерии Thiobacillius синтезируют органические вещества благодаря энергии, получаемой во время окисления сероводорода до сульфатов в среде, где царит вечная тьма.
Последняя фаза круговорота серы полностью осадочная. Она заключается в выпадении в осадок этого элемента в анаэробных условиях в присутствии железа. Различные этапы этого процесса, особенно обратимые, в дальнейшем позволяют использовать запасы осадочных пород. Таким образом, процесс заканчивается медленным и постепенным накоплением серы в глубоко лежащих осадочных породах.
Цикл углерода. Углерод - основной строительный материал молекул важных для жизни органических соединений (углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.). Этот биоэлемент участвует в цикле с небольшим, но подвижным резервным фондом в атмосфере (рис. 11.8), откуда растения его получают в форме диоксида углерода. Именно диоксид углерода, атмосферный и растворенный в воде, - единственный источник неорганического углерода, из которого в процессе фотосинтеза вырабатываются все органические соединения, составляющие живую клетку. Движение углерода по цепям питания экосистемы тесно связано с переносом энергии - недаром конечными продуктами жизнедеятельности служат диоксид углерода и вода.
В почве очень часто цикл углерода замедляется. Органические вещества минерализуются не полностью, а трансформируются в сложный комплекс производных органических кислот, образующих массу темного цвета, так называемый гумус. При любых условиях органический комплекс не может быть полностью минерализован аэробным путем и поэтому накапливается в различных осадочных породах. Тогда наблюдается стагнация или блокирование круговорота углерода - примером тому служит накопление угля, нефти и других углеводородных ископаемых.
Рис. 11.8.
I - обменный фонд; II - резервный фонд
Твердые формы углерода продуценты усваивать не могут, поэтому единственным его источником для растений служит атмосферный воздух. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде С0 2 относительно невелики. Благодаря буферной системе карбонатного цикла моря круговорот углерода приобретает устойчивость, но он все-таки уязвим из-за небольшого объема резервного фонда.
В круговоротах участвуют не только биогенные элементы, но и многие загрязняющие вещества. Некоторые из них циркулируют в окружающей среде и имеют тенденцию накапливаться в организмах. В таких случаях концентрация какого-либо загрязняющего вещества, обнаруженного в организмах, нарастает по мере прохождения его вверх по пищевой цепи, так как организмы быстрее поглощают загрязняющие вещества, чем выделяют их. Ртуть, например, может содержаться в воде и придонном иле в относительно безвредных концентрациях, тогда как ее содержание в организме водных животных, имеющих раковину или панцирь, может достигать летального для них уровня. Действие пестицидов, таких как ДДТ, основывается на сходном принципе: содержание их в воде может быть столь незначительным, что выявить их практически не удается, однако чем выше трофический уровень, на котором находится данный организм, тем больше концентрация пестицида в его тканях. Это явление известно под названием биологического усиления, или биологического накопления.
Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из цитоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму. Важнейшее свойство потоков в экосистемах - их цикличность. Вещества в экосистемах совершают практически полный круговорот, попадая сначала в организмы, затем в абиотическую среду и вновь возвращаясь к организмам.
Критическими моментами биогеохимических циклов являются захват (уровень продуцентов) и возврат (уровень редуцентов) веществ из физической среды. Эти моменты связаны с реакциями восстановления и окисления. Восстановление химических веществ осуществляется в конечном итоге за счет энергии солнечного излучения. На каждом этапе переноса энергии происходит ее рассеивание, заканчивающееся на уровне редуцентов, которые окисляют элементы до состояния, в котором они уже могут быть захвачены продуцентами. В целом на уровне обменного фонда биогеохимический круговорот может быть представлен системой ступенек, в пределах каждой из которых осуществляется своя часть процесса окисления (рис. 11.9).
Рис. 11.9.
На пути от консументов к продуцентам действуют редуценты, представленные различными группами хемотрофных бактерий, которые окисляют соединения биогенных элементов до форм, доступных продуцентам. В цикле азота и серы на этом этапе включаются гетеротрофные бактерии, восстанавливающие соединения и делающие их таким образом недоступными для растений. В цикле серы деятельность гетеротрофных бактерий уравновешивается активностью сразу нескольких групп аэробных и анаэробных хемотрофов. В цикле азота энергетический барьер нивелируется благодаря активности азотфик- сирующих микроорганизмов.
- Денитрифицирующие бактерии используют нитраты в качестве источника кислорода.
^ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ВАЖНЕЙШИХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Биогеохимический циклы некоторых элементов: углерода, кислорода, азота, серы, фосфора, кремнезема,железа, алюминия, кальция, калия, натрия, магния
Биогеохимические циклы тяжелых металлов
^ ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ БИОГЕОХИМИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА ВЕЩЕСТВ
Океан и почвы представляют собой геохимически сопряженные планетарные суперландшафты. В современную эпоху суша в целом является элювиальной системой, океан - аккумулятивной системой. Земная кора, кора выветривания, почвы, организмы отдают в океан коллоидные и истинные растворы, механические осадки, органическое вещество. В этом процессе участвуют наземные, подпочвенные, подземные и сверхглубокие воды. За счет этого океан получает ежегодно огромное количество механических осадков. По расчетам В. А. Ковды (1973), это целая гора с основанием 1 км 2 высотой 10-16 км, содержащая растворимые соли (3-5%), карбонаты кальция (7-8%), органическое вещество (1-3%). Часть этих компонентов океан различными путями возвращает на сушу (инфильтрация, трансгрессия, приливы, цунами, горообразование, эоловый перенос и т.д.).
История геохимических «отношений» между океаном и сушей отражена в химическом составе почв и океанических вод. Элементы, являющиеся основой жизни, - Si, Al, Fe, Mn, С, Р, N, Са, К - аккумулируются в почве. «Аквафилы» - Н, О, Na, Cl, S, Mg - составляют химическую основу океана (табл. 30).
Таблица 30 - Химический состав почв и океанических вод, %
| Элемент | Почва | Океан | Элемент | Почва | Океан |
| О | 49 | 85,8 | Мg | 6 х 10 -1 | 1,4 x 10 -1 |
| Н | 1 | 10,7 | К | 1,36 | 3,8 x 10 -2 |
| S | 33 | 5 х 10 -5 | С | 2,00 | 2 х 10 -5 |
| Al | 7,3 | n х 10 -6 | Р | 8 x 10 -2 | 5 x 10 -6 |
| Na | 0,6 | 1 | N | 1 х 10 -1 | 6,7 x 10 -5 |
| Fe | 3,8 | 5 x 10 -6 | S | 8,5 x 10 -2 | 8,8 х 10 -2 |
| Mn | 8,5 x 10 -2 | 4 x 10 -7 | Cl | 1 х 10 -2 | 1,89 |
| Са | 1,37 | 4 x 10 -2 | |||
Таким образом, круговорот веществ в системе континенты - океан - верхняя мантия - континенты обогащает океан химическими элементами.
На суше в процессах выветривания и почвообразования образуются вторичные соединения, которые различаются по геохимической подвижности. Они включаются в новые циклы геологического, почвенного и биологического круговоротов веществ, образуя единый биогеохимический круговорот веществ на планете.
Вынос и перераспределение продуктов выветривания и почвообразования в ландшафтах происходят в горизонтальном направлении по уклону местности, а также в вертикальном - как в восходящем, так и нисходящем направлениях. В результате постоянно текущих циклических процессов образуются почвы и их горизонты, почвенный покров как совокупность, осадочные породы. Сложившиеся и на первый взгляд неизменные типы почв и коры выветривания на самом деле являются не только продуктами движения и перераспределения веществ в биогеохимическом круговороте, но и длительной, устойчивой формой существования и проявления этих педогеохимических процессов.
Подвижность химических элементов зависит от формы их нахождения в природе и той роли, которую они выполняют в живых организмах. В самом общем виде миграционная способность продуктов выветривания и почвообразования определяется степенью дисперсности материала и его растворимостью:
Обломочный материал - осыпи, оползни, волочение по дну реки;
Песок, пыль, глина - водные и воздушные суспензии;
Почвенный гумус - ионные и коллоидные растворы, тонкие суспензии;
Fe, Al, Mn, Ni, Co - комплексные соединения с органическими кислотами, бикарбонаты, коллоидные растворы, тонкие суспензии гидрооксидов;
SiO 2 (подвижный) - ионные, молекулярные, коллоидные растворы, тонкие суспензии аморфного кремнезема;
Соли - водные растворы, тонкие суспензии кристаллов, эоловые взвеси.
Суша и океан находятся в состоянии непрерывного циклического обмена и с нижними слоями атмосферы – тропосферой. Они поставляют аэрозольные частицы в воздух и получают их обратно с осадками и в форме сухих выпадений. Частицы континентального происхождения сравнительно крупные. Их средний размер 0,02-0,03 мм. Над океаном преобладают более мелкие частицы - размером около 0,002 мм. Как показал А. П. Лисицын (1978), частицы размером 0,1-0,01 мм могут переноситься в нижних слоях тропосферы на расстояния в сотни и тысячи километров. Дальность переноса более мелких частиц достигает 10 тыс. км. С поверхности континентов таким образом выносятся пылеватые и илистые частицы почвы, горных пород, вулканического пепла. Среди аэрозольных частиц морского происхождения преобладают растворимые в воде соли.
^ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ УГЛЕРОДА
Содержание углерода в атмосфере Земли составляет 0,046% в форме двуокиси углерода и 0,00012% в форме метана. В земной коре его содержится 0,35%, а в живом веществе около 18% (Виноградов, 1964). С углеродом связан процесс возникновения и развития биосферы, именно углерод обусловливает огромное разнообразие и сложность строения веществ, так как этот элемент способен соединяться с большинством из элементов самыми разнообразными способами. Роль углерода в биосфере лучше всего иллюстрируется схемой его круговорота (см. рис. 9). Схема составлена В. А. Ковдой по данным Ничипоровича и Дювиньо. Из этой схемы следует, что в биосфере растения, используя механизм фотосинтеза, выполняют функцию продуцента кислорода и основного потребителя углекислого газа.
Хранители углерода - живая биомасса, гумус, известковые осадочные породы и каустобиолиты. В этой схеме учтено, что естественными источниками СО 2 в природе, кроме вулканических эксгаляций, являются процессы разложения органического вещества, дыхание, окисление ОВ в почве и других природных средах. Т.е. жизнь в почвах и разложение ОВ - главный источник углекислоты, поступающей в атмосферу. Техногенная углекислота, составляет 20 х 10 9 т, что намного меньше, чем природные поступления, и ее роль незначительна в этом круговороте.
За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение 3-4 лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, за четыре года может обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за этот срок завершает свой цикл (Гришина, 1976). Цикл оборота углерода гумосферы охватывает 300-400 лет. Однако цикл биологического круговорота углерода не замкнут: этот элемент часто выходит из круговорота на длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапропелей, углей, гумуса. С другой стороны, нарушение цикла происходит и благодаря поступлению в атмосферу глубинного углекислого газа и окиси углерода.
Для прогнозирования поведения углерода в биосфере необходимы массовые сведения по содержанию углекислоты в атмосфере разных регионов и на разных уровнях, сведения о влиянии изменения концентрации ее в атмосфере на первичную продуктивность. В пределах одного и того же региона накопление, трансформация и миграция углерода различны в элювиальном, транзитном и аккумулятивном ландшафтах, в естественных биоценозах и в агроценозах (табл. 31). Л. А. Гришина отмечает, что ельник-кисличник из сравниваемых биогеоценозов находится в наиболее благоприятных условиях, приуроченный к дерново-подзолистым легкосуглинистым почвам на смешанной морене, он характеризуется наиболее высокой продуктивностью и самым мощным потоком углерода. За ним по убывающей следуют сосняк-зеленомошник, развивающийся на слабоподзолистых почвах озов, и на последнем месте сосняк сфагновый на торфяном болоте. Агроценоз по продуктивности занимает промежуточное место между ельником и сосняком, но имеет, естественно, другое качество продукции и иной ритм потока углерода.
Рис. 9. Модель цикла углерода, млрд. тонн (составлена В. А. Ковдой по данным Ничипоровича и Дювиньо): I - масса углерода в форме СО 2 в атмосфере и океане; II -количество СО 2 , поступающего в атмосферу в процессах окисления; III - количество окисленного органического вещества (дыхание, горение); IV - биомасса сухопутных живых организмов; V- масса, использованная для питания этими организмами
Таблица 31 - Поток углерода в различных экосистемах Валдая, т/га (Гришина, 1976)
| Фитоценоз | Тип ландшафта, биоценоз |
|||
| Элювиальный, Зеленомошник | Транзитный, Кисличник | Аккумулятивный Супераквальный, Сосняк сфагновый | Элювиальный, Агроценоз |
|
| Запасы фигомассы | 108 | 182 | 36 | - |
| Чистая первичная продукция | 4,2 | 8,3 | 1,1 | 5 |
| Годовой опад | 1.0 | 3,2 | 0,5 | 5 |
| Подстилка | 18 | 9,4 | 22 | - |
| Гумус в почве | 19 | 48,5 | 100 (торф) | 49 |
| Углерод в прир. водах, мг/л | 27 | 45 | - | - |
Хозяйственная деятельность человека интенсифицирует биологический круговорот углерода и может способствовать повышению первичной и, следовательно, вторичной продуктивности. Но дальнейшая интенсивность этой деятельности может сопровождаться повышением концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Повышение концентрации углекислоты до 0,07% резко ухудшает условия дыхания человека и животных. Расчеты показывают, что при условии сохранения современного уровня добычи и использования горючих ископаемых потребуется чуть более 200 лет для достижения такой концентрации в атмосфере Земли. Локально в отдельных крупных городах эта угроза вполне реальна уже в настоящее время.
^ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ КИСЛОРОДА
Кислород - самый распространенный элемент земной коры: его кларк равен 47. Еще выше концентрация кислорода в мировом океане - 85,7% и в живом веществе -70%. Благодаря исключительно высокой химической активности, кислород играет особо важную роль в земной коре. Он определяет окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия растворов и расплавов, формирование геохимических объектов. Для него характерна как ионная, так и не ионная форма миграции в растворах.
Эволюция процессов на Земном шаре сопровождается увеличением содержания кислорода. Наличие органического вещества установлено в древних осадочных отложениях, возраст которых исчисляется в 3,8 млрд. лет. Следовательно, выделение кислорода в процессе фотосинтеза продолжается миллиарды лет. В настоящее время количество кислорода в атмосфере равно 1,185 х 10 15 тонн. Масштабы продуцирования кислорода таковы, что указанное количество при сохранении скорости могло бы быть удвоено примерно за 4 000 лет. Но этого не происходит, так как в течение года различными путями разлагается примерно такое же количество органического вещества, какое образуется в ходе фотосинтеза, и при этом поглощается почти весь выделившийся кислород. Тем не менее, благодаря сохранению части органического вещества, свободный кислород постепенно накапливается в атмосфере.
В биосфере в результате непрерывно протекающих процессов биологического круговорота наблюдается резкая дифференциация его содержания в различных природных оболочках. Если в живом веществе кларк концентрации кислорода составляет 1,5%, в гидросфере - 1,8, то в изверженных породах земной коры только 0,8-1,03, а в антраците всего 0,02%.
Реакции образования кислорода в земной коре весьма разнообразны, но главная «фабрика» по его производству - зеленые растения. Именно в процессе фотосинтеза высвобождается основная масса свободного кислорода, обладающего чрезвычайно высокой химической активностью.
Второй миграционный цикл свободного кислорода связан с массообменом в системе природные воды -тропосфера. В воде океана находится от 3 х 10 9 до 10 х 10 9 кубических метров растворенного кислорода. Холодная вода высоких широт поглощает кислород, поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она выделяет кислород. Поглощение и выделение кислорода происходят и при смене сезонов года, сопровождающихся изменением температуры воды. По расчетам А. П. Виноградова (1967), в годовой оборот между тропосферой и океаном вовлекается примерно 5900 х 10 9 тонн кислорода.
Кислород расходуется в громадном количестве окислительных реакций, большинство из которых имеет биохимическую природу. В этих реакциях высвобождается энергия, поглощенная в ходе фотосинтеза. В почвах, ил ах, водоносных горизонтах развиваются микроорганизмы, использующие кислород для окисления органических соединений. Запасы кислорода на планете огромны. Он входит в состав кристаллических решеток минералов и высвобождается из них живым веществом.
Таким образом, общая схема круговорота кислорода в биосфере складывается из двух основных ветвей:
Образование свободного кислорода при фотосинтезе;
Поглощение кислорода в окислительных реакциях.
Согласно расчетам Дж. Уолкера (1980), основные составляющие глобального цикла кислорода следующие:
Выделение растительностью мировой суши - 150 х 10 15 тонн в год;
Выделение фотосинтезирующими организмами океана - 120 х 10 15 тонн в год;
Поглощение процессами аэробного дыхания - 210 х 10 15 тонн в год;
Биологическая нитрификации и др. процессы - 70 х 10 15 тонн в год.
В биогеохимическом круговороте можно выделить потоки кислорода, четко выраженные между отдельными компонентами биосферы (рис. 10).^ Рис. 10 Круговорот кислорода в природе.
В современных условиях установившиеся в биосфере потоки кислорода и кислородсодержащих соединений нарушаются техногенными миграциями. Химические соединения, сброшенные предприятиями в природные воды, связывают растворенный в воде кислород, нарушая природные потоки этого элемента. В атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа, различных аэрозолей, что также ухудшает кислородный обмен. Загрязнение почв, вырубка лесов, опустынивание земель на огромных территориях уменьшают обмен кислородом и углекислым газом между атмосферой и сушей. Огромное количество атмосферного кислорода расходуется при сжигании топлива. В некоторых промышленно развитых странах кислорода сжигают больше, чем его образуется за счет фотосинтеза.
^ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ВОДОРОДА
В земной коре свободный водород неустойчив. Он быстро соединяется с кислородом, образуя воду, участвует и в других реакциях. Кроме того, он, благодаря своей легчайшей массе, способен диссипировать, т.е. улетучиваться в космос. Однако значительное количество газообразного водорода поступает на поверхность Земли при вулканических извержениях. Постоянно образуется газообразный водород и в результате некоторых химических реакций, а также деятельности бактерий, разлагающих органическое вещество в анаэробных условиях. Тем не менее, наблюдается постепенное накопление кислорода в атмосфере планеты, что связано и с диссипацией водорода.
Организмы закрепляют водород в биосфере планеты, связывая его не только в органическом веществе, но и участвуя в фиксации водорода минеральным веществом почвы. Это становится возможным в результате диссоциации кислотных продуктов метаболизма с высвобождением иона Н + . Последний, как правило, с молекулой воды образует посредством водородных связей ион гидроксония (Н 3 О +). При поглощении иона гидроксония гипогенными силикатами происходит трансформация их кристаллохимических структур в глинистые минералы. Таким образом, как подчеркивает В. В. Добровольский (1998), интенсивность продуцирования кислотных продуктов метаболизма является важным фактором гипергенного преобразования кристаллических горных пород и образования коры выветривания.
Из циклических процессов в поверхностных оболочках Земли один из наиболее мощных - круговорот воды: ежегодно через атмосферу проходит более 520 тыс. м 3 влаги. Для создания массы растительности Мировой суши, существовавшей до вмешательства человека, было расщеплено примерно 1,8 х 10 12 тонн воды и соответственно связано 0,3 х 10 12 тонн водорода (цит. по Добровольскому, 1998). В настоящее время в процессе фотосинтеза природной растительностью на суше и фотосинтетиками в океане в течение года расщепляется около 200 х 10 9 тонн воды и в органическом веществе связывается примерно (30-35)хЮ 9 тонн водорода.
В процессе круговорота воды в биосфере происходит фракционирование изотопов кислорода и водорода. Пары воды при испарении обогащаются легкими изотопами, поэтому атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды содержат больше легких изотопов. Океанические воды характеризуются устойчивым изотопным составом. Материковые льды Арктики и Антарктиды содержат наиболее легкую воду, так как активность разделения изотопов кислорода усиливается при понижении температуры.
^ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ АЗОТА
Д. Н. Прянишников (1945) показал исключительное значение азота и его соединений для растений. Азот и его соединения играют в жизни биосферы и всей планеты, в формировании почвенного покрова и плодородия экосистем такую же важную и незаменимую роль, как и углерод. Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода: индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам составляет для углерода 100 и 1000 соответственно, а для азота - 1000 и 10000 соответственно (Ковда, 1985). Из других биофильных элементов только фосфор характеризуется таким же высоким индексом концентрации в биомассе (1000-10000; Speidel, Agnew, 1982).
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 (3-8 кг/га аммонийного азота в год и 1,5-6,0 кг/га нитратного - Goldschmidt, 1954). Этот азот включается в общий биогеохимический поток растворенных соединений, мигрирующих с водными массами, участвует в почвообразовательных процессах и в формировании биомассы растений.
^ Рис. 11. Схема цикла азота в сухопутных системах (составлена Ellenberg, 1971, цит. по Ковде, 1985)
Общая направленность биогеохимического круговорота азота на планете - аккумуляция в молекулярной форме в атмосфере (рис. 11). Огромное количество азота содержит биосфера в связанном виде: в органическом веществе почвенного покрова (1,5x10 11 т), в биомассе растений (1,1x10 9 т), в биомассе животных (6,1x10 7 т).
В больших количествах азот содержится в биогенных ископаемых.
Вместе с тем, вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония, азота в почве мало и почти всегда недостаточно для питания растений. Поэтому потребность культурных растений в азоте всегда велика.
В связи с этим велика и роль азотных удобрений: 30-35 млн. тонн азота ежегодно 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 и тревожным нарушением цикла азота является сильное увеличение отходов животноводства, отходов и стоков больших городов, поступление в атмосферу NH 3 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.
Газообразный азот (N2) в атмосфере крайне инертен, иными словами, необходимо очень большое количество энергии, чтобы связи в молекуле азота (N 2) разорвались и образовались другие соединения, например оксиды. Однако азот является важнейшим компонентом биологических молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и т. д. Переводить атмосферный азот в доступную для организмов форму (нитриты и нитраты) способны лишь некоторые бактерии. Этот процесс называется азотфиксацией и представляет собой основной путь поступления азота в биотический компонент экосистемы.
Азотфиксация
Азотфиксация - энергоемкий процесс, поскольку требует разрушения очень прочной связи между двумя атомами азота в его молекуле. Бактерии используют для этого фермент нитрогеназу и энергию, заключенную в АТФ. Неферментативная азотфиксация требует гораздо больше энергии, получаемой в промышленности за счет сгорания ископаемого топлива, а в атмосфере в результате действия ионизирующих факторов, например молний и космического излучения.
Азот так важен для плодородия почвы, и потребность в нем сельского хозяйства так велика, что ежегодно на химических заводах производятся колоссальные количества аммиака, который применяется в составе азотных удобрений, таких как нитрат аммония (NH4NO3) или мочевина .
Сейчас масштабы промышленной азотфиксации сравнимы с природными, но мы до сих пор плохо представляем возможные последствия постепенного накопления в биосфере доступных организмам соединений азота. Компенсационных механизмов, возвращающих связываемый нами азот в атмосферный пул, не существует.
Круговорот азота. Азот составляет 79% объема атмосферы - главного резервуара этого элемента.
Относительно небольшое количество фиксированного азота (5-10%) дает ионизация в атмосфере. Образующиеся оксиды азота, взаимодействуя с дождевой водой, дают соответствующие кислоты, которые, попав в почву, в конечном итоге превращаются в нитраты.
Вероятно, главный природный источник фиксированного азота - представители семейства бобовых, например клевер, соя, люцерна, горох. На корнях бобовых имеются характерные утолщения, называемые клубеньками, в которых внутриклеточно живут азотфиксирующие бактерии рода Rhizobium. Этот симбиоз мутуалистичен, поскольку растение получает от бактерий фиксированный азот в форме аммиака, а взамен снабжает их энергией и некоторыми органическими веществами, например углеводами. В пересчете на единицу площади клубеньковые бактерии могут дать в 100 раз больше фиксированного азота, чем свободноживущие. Неудивительно, что бобовые растения часто высевают для обогащения почвы этим элементом, получая заодно и урожай высококачественных кормовых трав.
Все азотфиксаторы связывают азот в форме аммиака, но он сразу же используется для синтеза органических соединений, в первую очередь белков.
Разложение и денитрификация
Большинство растений в качестве источника азота используют нитратионы. Животные в свою очередь прямо или косвенно получают усвояемый азот из растений. На рис. 10.11 показано, как образуются нитраты после разложения белка мертвых тканей сапротрофными бактериями и грибами. Этот процесс включает окислительные реакции с участием кислорода и аэробных бактерий. Белки сначала расщепляются до аминокислот, а затем аминокислоты дают аммиак. Этот же продукт образуется при разложении экскретов и фекалий животных. Хемосинтезирующие бактерии Nitrosomonas и Nitrobacter осуществляют так называемую нитрификацию - поэтапно окисляют аммиак до нитратов.
Денитрификация
В некотором смысле процессом, обратным нитрификации , является денитрификация, также осуществляемая бактериями, которые в результате понижают плодородие почвы. Денитрификация происходит в анаэробных условиях, когда нитраты используются при дыхании вместо кислорода в качестве окислителя органических соединений (акцептора электронов). Сами нитраты при этом восстанавливаются, обычно до азота. Следовательно, денитрифицирующие бактерии относятся к факультативным аэробам.
Фиксация атмосферного азота в природе происходит по двум основным направлениям - абиогенному и биогенному. Первый путь включает главным образом реакции азота с кислородом. Так как азот химически весьма инертен, для окисления требуются большие количества энергии (высокие температуры). Эти условия достигаются при разрядах молний, когда температура достигает 25000 °C и более. При этом происходит образование различных оксидов азота. Существует также вероятность, что абиотическая фиксация происходит в результате фотокаталитических реакций на поверхности полупроводников или широкополосных диэлектриков (песок пустынь).
Однако основная часть молекулярного азота (около 1,4×10 8 т/год) фиксируется биотическим путём. Долгое время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов (хотя и широко распространённых на поверхности Земли): бактерии Azotobacter и Clostridium , клубеньковые бактерии бобовых растений Rhizobium , цианобактерииAnabaena , Nostoc и др. Сейчас известно, что этой способностью обладают многие другие организмы в воде и почве, например, актиномицеты в клубнях ольхи и других деревьев (всего 160 видов). Все они превращают молекулярный азот в соединения аммония (NH 4 +). Этот процесс требует значительных затрат энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г глюкозы). Таким образом, видна взаимная польза от симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий - первые предоставляют вторым «место для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза «топливом» - глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям азот в усваиваемой ими форме.
Азот в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов (этот процесс носит название нитрификации). Последние, не связанные тканями растений (и далее по пищевой цепи травоядными и хищниками), недолго остаются в почве. Большинство нитратов и нитритов хорошо растворимы, поэтому они смываются водой и в конце концов попадают в мировой океан (этот поток оценивается в 2,5-8×10 7 т/год).
Азот, включённый в ткани растений и животных, после их гибели подвергается аммонификации (разложению содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония) и денитрификации то есть выделению атомарного азота, а также его оксидов. Эти процессы целиком происходят благодаря деятельности микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях.
В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство.
ХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
Азот вслед за водородом, гелием и кислородом является четвертым по распространенности элементом Солнечной системы. Азот обнаружен в спектрах звезд, в том числе в фотосфере Солнца, в метеоритах, кометах, солнечном ветре и в межзвездных облаках газа. Молекулярный азот наблюдается в атмосферах Венеры и Марса, а аммиак характерен для Юпитера и Сатурна. Во всех космических объектах азот встречается только в восстановленном состоянии.
В земной коре по распространенности азот занимает 20-е место. Подавляющая его часть сосредоточена в следующих основных резервуарах: атмосфере (3,86-Ю15 т), литосфере (1,7 1015 т), гидросфере (2,2 -1013 т) и биосфере (~ 10"" т). В атмосфере свободный азот в виде молекулярного Na составляет 78,09% по объему (или 75,6% по массе), не считая незначительных примесей его в виде аммиака и окислов.
В литосфере среднее содержание азота составляет 6-10~3 вес.%. Основная масса азота в силикатах находится в химически связанном состоянии в виде NHJ, изоморфно замещающего ион калия в силикатной решетке. Кроме того, в природе встречаются и азотные минералы: нашатырь (NH4C1), выделяющийся из вулканов в довольно больших количествах, баддингтовят (NH4AlSi308- 0,5 Н2О) - единственный найденный аммониевый алюмосиликат с пеолитной водой. В самых приповерхностных областях литосферы обнаружен ряд минералов, состоящих в основном из нитратных солей. Среди них широкоизвестная селитра (NaN03), крупные скопления которой характерны для сухого пустынного климата (Чили, Средняя Азия). Долгое время селитра была главным источником связанного азота. (Сейчас основное значение имеет промышленный синтез аммиака из азота воздуха и водорода.) В природе обнаружены и нитриды: сильвестрин (Fe6N2) в лавах Везувия и осборнит (TiN), синоит (Si2N20), карлсбергит (CrN) в метеоритах.
По сравнению с силикатными минералами ископаемое органическое вещество существенно обогащено азотом. Нефть содержит от 0,01 до 2% азота, а каменный уголь - от 0,2 до 3%. Как правило, повышенное содержание азота имеют алмазы (до 0,2%).
В гидросфере среднее содержание азота составляет 1,6- Ю-3 вес.%. Основную часть этого азота составляет молекулярный азот, растворенный в воде; химически связанный азот, которого примерно в 25 раз меньше, представлен нитратной и органической формами. В меньших количествах в воде содержится аммиачный и нитритный азот. Концентрация связанного азота в океане примерно в 10* раз меньше, чем в почвах, пригодных для сельскохозяйственного производства. Это ставит под сомнение оптимистические высказывания по поводу безграничных резервов Мирового океана.
Хотя название азота означает «не поддерживающий жизни», на самом деле это необходимый для жизнедеятельности элемент. В растительных организмах его содержится в среднем 3%, в живых организмах до 10% от сухого веса. Азот накапливается в почвах (в среднем 0,2 вес.%). В белке животных и человека среднее содержание азота составляет 16%. Человек и животные не могут синтезировать 8 незаменимых аминокислот (валин, изолейцин, лейцин, фенилаланин, триптофан, метионин, треонин, лизин), и поэтому для них основным источником этих аминокислот являются белки растений и микроорганизмов.
История развития биогеохимических циклов азота на планете сложна и противоречива. Азот вошел в состав земной планеты в результате конденсации межзвездного космического протопланетарного вещества, которое включало азот и его различные соединения (NO, NH 3 , HC 3 N и др.).
Радиоактивные разогревы планеты, образование расплавленной мантии сопровождались выделением газообразных соединений азота и накоплением его в первичной атмосфере, в составе которой N 2 доминирует (n ·10 15 т) и в настоящее время. Остывающая лава, газовые фумаролы вулканов продолжают поставлять в биосферу азот, его окислы, хлористый и углекислый аммоний.
Электрохимические разряды, фотохимические реакции, сверхвысокие температуры и давление способствовали возникновению на планете неклеточных молекулярных форм органических азотистых соединений.
Появление свободно живущих азотфиксирующих бактерий и бактерий гетеротрофов, вероятно, положило начало биогенному обогащению первичной биосферы соединениями азота, образованию аминокислот, белков, минеральных соединений азота (аммонийных, азотнокислых солей). Не исключено, что биогенная фиксация азота предшествовала возникновению фотосинтеза, протекала в бескислородной анаэробной обстановке далекого прошлого и осуществлялась микроорганизмами типа клостридиум. Бактерии этого рода и поныне являются важнейшими агентами фиксации азота в анаэробных условиях.
Биологическая фиксация азота микроорганизмами распространена в природе значительно шире, чем это представлялось 20-30 лет назад. Кроме бактерий группы Rhizobium, фиксирующих азот в клубеньковых образованиях на корнях бобовых растений, широко развита несимбиотическая (ассоциативная) фиксация азота многочисленными гетеротрофными бактериями и грибами (Умаров, 1983). Этот тип фиксации азота осуществляется сотнями видов разнообразных микроорганизмов, проживающих в ризосфере растений, в почве и на поверхности стеблей и листьев (филлосфера).
В среднем ассоциативная (несимбиотическая) фиксация азота в экосистемах составляет в год 40-50 кг/га; но в мировой литературе есть указания на то, что несимбиотическая фиксация азота в условиях тропиков достигает 200-600 кг/га в год (Умаров, 1983). При этом большая часть (> 90%) масса азота фиксируется в ризосфере с использованием энергии корневых выделений и отмирающих мелких корешков. Поэтому при наличии покрова растительности почвы всегда фиксируют в несколько раз больше азота, чем почвы чистых паров.
Как установлено исследованиями Умарова (1983), ассоциативная фиксация азота характерна для большинства видов травянистых и многих древесных растений, включая и культурные их формы. Высокой потенциальной способностью фиксации азота в ризосфере отличаются луговые, черноземные и каштановые почвы (90-330 кг/га), а также горно-лесные почвы Кавказа (до 180 кг/га). Только за вегетационный период на полях этот вид фиксации может дать почвам 30-40 кг/га дополнительного азота. Это и не удивительно, так как азотфиксирующие микроорганизмы могут составлять от 20 до 80% их общей численности.
Существует явная положительная связь между процессами фиксации азота микроорганизмами и фотосинтезом растений в экосистемах. Чем выше продуктивность фотосинтеза растений, тем больше азота фиксируется в почвах. Это важнейший механизм биогеохимии азота в биосфере и в земледелии.
Велика в биогеохимии азота роль синезеленых водорослей, многочисленные виды которых также обладают способностью фиксировать азот одновременно с процессом фотосинтеза. Синезеленые водоросли (Cyanophyta) обогащают азотом почвы, особенно орошаемые рисовники, речные, озерные и болотные воды и наносы. Но они живут и на поверхности голых скал или пустынных почв.
Развитие растительного покрова и связанных с растениями микроорганизмов значительно усилило вовлечение азота атмосферы в состав биомассы. Усложнение форм жизни на планете вызвало удлинение пищевых цепей, накопление живой и мертвой органики на суше и в океане. Это создало возможность длительного существования органических соединений азота в биосфере и литосфере. Особенно велика в этом роль травянистых растений. Наземная и подземная части травянистой растительности ежегодно потребляют от 20-25 до 600-700 кг/га азота (обычно корни содержат в 2-6 раз больше азота, чем наземная часть). При этом суммарная биомасса, как правило, содержит углерода в 10-50 раз больше, чем азота. Все это подтверждает огромную общую роль углерода и азота в создании фитомассы (Титлянова, 1979). Но соединения азота легко выщелачиваются из тканей растений влагой дождей. Поступая в почвы, они повторно потребляются растениями.
Насколько сложны и мало еще изучены биогенные циклы азота, свидетельствуют установленные факты передачи соединений азота от растения к растению (одного и различных видов) через корневые выделения в почву, а возможно, прямым контактом корешков. Этот удивительный механизм показывает, как «экономны» растения в азотном питании. Вероятно, это явление существует и в биогеохимии других элементов.
Как известно, белковость зерна пшеницы и содержание в них азота возрастает с уменьшением атмосферных осадков в степях Русской равнины. Это уже установлено и для содержания общего азота в биомассе травянистых растений. В степных условиях содержание азота в сухой биомассе трав достигает 2-2,6%; при увеличении влажности оно снижается до 1-1,5%.
Все эти факты свидетельствуют о громадной роли растительного покрова (особенно трав) и микроорганизмов в биогеохимии азота на суше. Развитие растительного покрова, возникновение почвообразовательного процесса (300-400 млн. лет назад), формирование гумусовой оболочки и почвенного мелкозема, его снос и накопление в виде толщ осадочных пород расширили процесс перевода азота атмосферы в биосферу, подняв его содержание в последней до уровня n · 10 15 т.
В то же время необходимо подчеркнуть, что возврат азота в атмосферу через денитрификацию - столь же универсальный процесс, как фиксация и нитрификация. Этим процессом обеспечивается глобальный круговорот азота на планете.
Окислительно-восстановительные условия внутри почв весьма гетерогенны. Даже в аэрированных почвах есть участки с дефицитом кислорода, где может происходить денитрификация. Обилие свежей подвижной органики и пересыщение почв влагой всегда резко усиливают процессы денитрификации после дождей, при заболачивании, при орошении. Еще более выражена денитрификация в водных ландшафтах (болота, озера, эстуарии и т. д.).
Этот направленный общепланетарный биогеохимический процесс имеет полициклический характер. Преобладающая часть фиксированного в природе азота через микроциклические повторные превращения, нитрификацию и денитрификацию в конечном счете возвращается в виде молекулярного газообразного азота (N 2) в атмосферу. Но по мере становления биосферы нарастали продолжительность существования и размеры массы органических и минеральных биогенных соединений азота на планете. Увеличилось количество погребенных органических осадков. Продолжительность отдельных микроциклов общеземного биогеохимического круговорота азота колеблется в настоящую эпоху от малой (дни, недели, месяцы) в тканях микроорганизмов до значительной (годы) в экосистемах травянистой растительности и до большой (десятилетия, столетия, тысячелетия) в древесных экосистемах и в почвенном гумусе. Полные земные циклы азота, оказавшегося в осадках рек, озер, морей, в горючих ископаемых земной коры, охватывают время порядка десятков тысячелетий, сотен тысяч и миллионов лет.
Естественные биогеохимические циклы азота (как и углерода) в биосфере были «почти замкнутыми», но имели характер направленного расширенного воспроизводства запасов в биосфере. Биосфера не только не отдавала полностью захваченные массы азота и углерода, но прогрессивно увеличивала их суммарные запасы в фиксированной форме (в гумусе, торфе, в массе ископаемых углей, нефти, сланцах, битумах и т. д.).
Антропогенная эпоха внесла заметные изменения в сложившиеся природные циклы азота. Главное, что произошло и происходит, это (кроме земледелия) появление в биосфере нового антропогенного промышленного механизма фиксации масс азота в виде десятков миллионов тонн азотных удобрений, а также поступление в окружающую среду окислов азота от больших масс сжигаемых ископаемых топлив (теплоцентрали, транспорт, авиация, ракеты). Техногенные источники соединений азота в биосфере быстро растут, удваиваясь каждые 6-7 лет. Уже в 70-80-х годах XX в. ежегодно в мире производится (в расчете на азот) 50-60 млн. т/год азотных удобрений. В начале XXI в. эта величина может достигнуть 100-150 млн. т/год. Вероятно, к этому времени техногенный приток азота в биосферу может сравняться со всеми биогенными формами его поступления или превысить их.
В антропогенную эпоху, особенно в современный период, процесс обогащения окружающей среды соединениями азота заметно усилился. Как нами отмечалось ранее, происходит процесс техногенной азотизации окружающей среды, сопровождаемый сложным комплексом положительных (рост урожаев, увеличение доли белков в питании) и отрицательных (канцер, метогемоглобинемия, увеличение кислотности почв и атмосферных осадков) последствий. Уничтожение лесов, степей (и микоризы), замена бобовых злаками, разрушение гумусовых горизонтов почв, богатых микрофлорой, сокращение поверхности почв также вызвали дополнительные изменения в биогеохимии азота в биосфере. Все эти изменения, часто противоположного характера, не изучены и не оценены количественно. По-видимому, все же намечается тенденция уменьшения роли биогенной фиксации азота в общем круговороте его на планете.
Именно на этом фоне нарушений нормального круговорота азота в природе минеральные удобрения почв внесли отмеченные выше изменения в приходные статьи баланса азота и в географию его распределения, а также подняли общий уровень концентрации нитратов и аммонийных солей в почвах и водах. Но еще более серьезным фактором нарушения баланса, уровня концентрации и форм соединения азота в атмосфере и особенно в гидросфере и почвах оказалось современное топливно-энергетическое и транспортное хозяйство.
По ориентировочным данным, эмиссия аммиака и различных окислов азота при сжигании угля, нефти, мазута, бензина, торфа, сланцев и т. д. вместе составляет ежегодно около 200-350 млн. т в виде газов и аэрозолей. Окисление аммиака и окислов азота приводит к образованию главным образом азотной кислоты и отчасти аммонийных солей, выпадающих на сушу и поверхность океана. Если эти цифры преувеличены даже в два раза, все же приходится признать, что эмиссия соединений азота в атмосферу уже стала заметным компонентом в приходных статьях азотного цикла на нашей планете.
В свете этих фактов необходимо глубже понять будущие нужды земледелия в азотных удобрениях, пути глобальной, воздушной и водной миграции соединений азота на планете и выяснить области, где преимущественно происходит накопление азотнокислых и аммонийных соединений. Это тем более необходимо, что выбросы окислов азота в атмосферу будут продолжаться и даже увеличиваться. Уже установлены факты выпадения подкисленных атмосферных вод в Канаде, Скандинавии, США, что сопровождается снижением pH почв и местных вод (обычно под влиянием совместных выпадов с разбавленными растворами серной кислоты). Подкисление среды будет усиливать выветривание минералов, вынос из почв кальция, магния и других элементов питания растений, что увеличит потребность в известковании полей.
Следует указать еще на один фактор нарушения нормального уровня концентрации и круговорота азота в природе. Это отходы индустриального животноводства и птицеводства, а также отбросы и стоки нечистот современных крупных городов. Отходы и стоки этого происхождения очень велики. В мире насчитывается более 3 млрд. голов скота, производящих огромные количества отходов. Современные птицефабрики, предприятия индустриального животноводства, города создают многочисленные очаги аномально высокого содержания азота и фосфора в виде органических и минеральных соединений, которые локально пресыщают почвы, ручьи, реки, озера, устья рек и эстуарии. Иногда в таких почвах содержание N-NO 3 достигает 400 частей на миллион (ppm), a N-NH 4 - до 2200 ppm. По мнению ученых, городские стоки, отходы животноводства и эрозия почв играют не меньшую, а иногда и большую роль в загрязнении почв и вод соединениями азота до токсичного уровня (Cooke, Williams, 1970).
Повышение концентрации соединений азота в природных водах является тревожным фактом. В речных водах лесных областей умеренного климата содержание нитратов достигает 0,3-0,5 мг/л, а аридного климата - 1,2-1,7 мг/л. В дренажных водах оросительных систем концентрация NO 3 обычно около 5-6 мг/л, но бывает и 10-15 мг/л. В почвенных растворах засоленных орошаемых почв наблюдались концентрации NO 3 до 100-300 мг/л. В грунтовых водах иногда бывает концентрация нитратов порядка 10-15 и даже 50-100 мг/л. За 25 лет (1945-1970 гг.) регулярных наблюдений в штате Иллинойс содержание нитратного азота в водах поверхностного стока, по средним и максимальным данным, увеличилось в два-три и даже четыре раза.
Обогащаются избыточными концентрациями нитратов не только поверхностные воды, но и воды подземные - главный источник снабжения населения питьевой водой. Нитраты проникают в подземные воды на глубины 10-15 м и даже больше, вызывая повышение их концентрации до 10-15 мг/л N, что уже явно опасно для людей (в пересчете на NO 3 это составляет 45-60 мг/л).
Подсчитан суммарный баланс азота для территории США (Accumulation of Nitrate, 1972). Общие поступления азота в почвы США выражаются величиной 21,0 млн. т N в год (в том числе с атмосферными осадками 5,6 млн. т, с минеральными удобрениями 7,5 млн. т и биогенная фиксация 4,8 млн. т). Из этого количества около 17 млн. т идет на производство продуктов питания и текстильное сырье, а 4 млн. т не используется.
Все виды денитрификации (в том числе в водной среде более 10 млн. т) составляют около 18,5 млн. т, и около 1,5 млн. т ежегодно остается в почвах и водах. Данные по денитрификации здесь явно преувеличены. Остаток азота в водах и почвах по крайней мере в два-три раза выше. В итоге рассмотрения элементов современного биогеохимического цикла азота на суше намечаются следующие главные формы поступления его соединений:
- биогенная фиксация азота в почвах микроорганизмами симбиотического и несимбиотического типа;
- поступление в растворы с метаболитами пищевых цепей, с отмершим органическим веществом, с продуктами минерализации органического вещества почв;
- поступление окислов азота из продуктов сжигания горючих ископаемых;
- внесение соединений азота в почвы в виде органических и минеральных удобрений;
- перенос и накопление нитратов при испарении грунтовых вод.
Расходные статьи баланса азота на суше слагаются из следующих главных форм:
- поглощение соединений минерального азота высшими и низшими растениями и уход их в пищевые цепи экосистем;
- переход соединений азота в органические формы с образованием гумуса;
- денитрификация и возвращение в конечном счете в атмосферу большей части азота в газообразной молекулярной форме N 2 и частично в форме окислов и аммиака;
- смыв, вынос и отчуждение соединений азота из биологических циклов в геологические; захоронение на геологически длительное время в осадочных породах, в горючих ископаемых или соляных месторождениях.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
