РЕФЕРАТ

на тему:

«Колообіг азоту»

ПЛАН

Вступ

1. Особливості кругообігу азоту

2. Вплив людської діяльності на кругообіг азоту

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Азот — одна з найпоширеніших речовин у біосфері, вузькій оболонці Землі,
де підтримується життя. Так, 79 % повітря, яким ми дихаємо, складається
з цього елемента. Основна частина атмосферного азоту знаходиться у
вільній формі, за якої два атоми азоту з’єднані разом, утворюючи
молекулу азоту (N2). Через те, що зв’язки між двома атомами дуже міцні,
живі організми не здатні безпосередньо використовувати молекулярний
азот — його спочатку необхідно перевести в «зв’язаний» стан. У процесі
зв’язування молекули азоту розщеплюються, даючи можливість окремим
атомам азоту брати участь у хімічних реакціях з іншими атомами,
наприклад з киснем, і таким чином заважаючи їм знову об’єднатися в
молекулу азоту. Зв’язок між атомами азоту й іншими атомами досить
слабкий, що дозволяє живим організмам засвоювати їх. Тому зв’язування
азоту — надзвичайно важлива частина життєвих процесів на нашій планеті.
Сполуки азоту також беруть участь у хімічних процесах в атмосфері і
впливають на клімат.

Азо?тний цикл (кругообіг азоту) — геобіохімічний цикл, що описує процес
замкнутих взаємопов’язаних шляхів, якими азот циркулює через екосистеми
та в земній біосфері.

Біосфера складається з двох сполучених «резервуарів» з азотом —
величезного (в ньому знаходиться азот, що міститься в атмосфері (4•1015
тон) і океанах (20•1012 тон)) і зовсім маленького (в ньому знаходиться
азот, що міститься в живих істотах). Між цими резервуарами є «вузький
прохід», в якому азот тим чи іншим способом зв’язується (близько 100 млн
тон щорічно). Азот у формі неорганічних сполук, таких як нітрати у
ґрунті, абсорбується рослинами і перетворюється на органічні сполуки у
тканинах рослин. Частина цього азоту, яким живляться травоїдні тварини,
потрапляє до хижаків, які харчуються травоїдними. У нормальних умовах
азот з навколишнього середовища потрапляє через цей прохід в біологічні
системи і повертається в навколишнє середовище після загибелі
біологічних систем до ґрунту у вигляді екскрементів чи мертвих
організмів. Там він під впливом бактерій, переходить у неорганічну
форму. Лише 4 млн тонн міститься в тканинах рослин і тварин — усе інше
накопичується в розкладаючих мікроорганізмах і врешті-решт повертається
в атмосферу. Деякі біктерії, азотфіксатори, здатні фіксувати атмосферний
азот.

1. Особливості кругообігу азоту

Загалом, кругообіг азоту складається з хімічних реакцій у повітрі
(окислення є домінуючим) із хімічних реакцій в біосфері: в рослинах та
мікроорганізмах в ґрунті (окислення або відновлення). Для росту рослинам
необхідні сполуки азоту. У природі азот може бути у формах, засвоюваних
рослинами (таких як нітрати або з’єднання амонію) або такими, що не
засвоюються (таких як молекулярний азот або оксид азоту (N2O)). Протягом
фіксації азоту або його денітрифікації відбувається обмін між обома
формами.

Фіксація азоту — процес засвоєння рослинами сполук азоту з повітря
(головним чином з молекулярного азоту, N2). Фіксація азоту можлива
багатьма бактеріями і ціанобактеріями. Вони живуть або в ґрунті, або в
симбіозі з рослинами, або з декількома різновидами тварин. Наприклад,
родина бобових рослин (Fabaceae) містить такі бактерії на своїх
коріннях. Продукти фіксації азоту — аміак (NH3), нітрити або нітрати.
Фіксація азоту є процесом, протилежним денітрифікації.

Нітрифікація — мікробіологічний процес окислення аміаку до азотистої
кислоти або її самої далі до азотної кислоти. Відбувається в аеробних
умовах в ґрунті та природних водах. Часто може викликати появу в них
нітратів в токсичній кількості, а оскільки нітрати — найбільш активно
мігруюча в розчині сполука азоту — їх винесення з ґрунту в розташовані
нижче по схилу водоймища, що спричиняє за собою евтрофікацію цих
водоймищ.

Нітрифікация проходить в дві стадії, які здійснюються різними
мікроорганізмами (хоча деякі виконують обидві стадії). Перша стадія —
окислення аміаку до азотистої кислоти (вірніше, її аніону), яке
здійснюють нітрифікуючі бактерії (роди Nitrosomonas, Nitrosococcus,
Nitrospiraceae, Nitrosolobus, Nitrosovibrio) за наступним механізмом:

NH3 + O2 + НАДН2 = NH2OH + H2OOH + НАД+

NH2OH = (HNO) + 2e + 2H+

(HNO) = N2O

NH2OH + O2 = NO-2 + H2O + H+

Друга стадія — окислення аніону азотистої кислоти до аніону азотної, що
здійснюється нітрифікуючими бактеріями (роди Nitrobacter,
Nitrospiraceae, Nitrococcus).

Обидві групи бактерій є облігатними аеробами, оптимальна для їх розвитку
температура 25—30 градусів за Цельсієм і pH 7,5—8,0. У кислому
середовищі процес не йде. Всі ці бактерії — грам-негативні автотрофи
(літотрофи), що використовують енергію окислення сполук азоту для
синтезу органічних речовин з вуглекислого газу. Морфологічно ці групи
різноманітні, в більшості своїй дрібні, рухомі, з полярним або
перитрихальним джгутикованням. Окислення вони проводять на
цитоплазматичній мембрані. Звільнені в ході реакцій електрони переходять
в дихальний ланцюжок на цитохроми.

Особливо виділяють гетеротрофну нітрифікацию, що відбувається в усіх
живих організмах і пов’язана з окисленням аміачної форми азоту без
використання отриманої енергії, попутно з окисленням орагнічеського
речовини і, імовірно, за допомогою кисню, що утворюється при розпаді
пероксида водню. З цим поцессом пов’язано походження чилійскої селітри а
також вся нітріфікация в ґрунтах і водоймищах з низькими значеннями pH.

Денітрифікація (дісиміляційна денітиріфікація) — клас мікробіологічних
процесів відновлення нітратів до нітрітів і далі до газоподібних оксидів
і молекулярного азоту. В результаті цих процесів азот повертається до
атмосфери і стає недоступним для більшості організмів.

Особливо виділяють асиміляційну денітиріфікацію, що приводить до синтезу
азотвмісних клітинних компонентів і властива всім рослинам і
мікроорганізмам, здатним рости на середовищах з нітратами.

Дисиміляційна дентіріфікация є процесом анаеробного (безкисневого)
дихання, тобто використання нітратів і продуктів їх часткового
відновлення замість кисню для окислення речовин (у різних
мікроорганізмів як органічних, так і мінеральних) в ході метаболізму з
виділенням енергії. Тому денітрифікація — процес анаеробний і
пригнічується молекулярним киснем. Енергетична ефективність процесу при
відновленні нітратів до молекулярного азоту становить близько 70 % від
дихання аероба з використанням кисню.

Ферменти, що використовуються для денітрифікації, називаються
нітратредуктазами.

Процес протікає постадійно:

(закис азоту, парниковий газ) в атмосферу.

Асиміляція

Засвоювані сполуки азоту можуть накопичуватися в ґрунті в неорганічної
формі (нітрат) або можуть бути включені в живий організм як органічний
азот. Асиміляція і мінералізація визначає поглинання сполук азоту з
ґрунту, об’єднання їх у біомолекули рослин й конверсію в неорганічний
азот після відмирання рослин, відповідно. Асиміляція — перехід
неорганічного азоту (типу нітрату) в органічну форму азоту як,
наприклад, амінокислоти. Нітрат переходить за допомогою ферментів
спочатку в нітрит (редуктаза нітрату), потім у аміак (редуктаза
нітриту). Аміак входить до складу амінокислот.

Мінералізація

Мінералізація (амоніфікація) це процес, протягом якого редуценти, такі
як земляні хробаки, терміти, слимаки, равлики, бактерії і гриби
перетворюють органічний азот відмерлих рослин в неорганічні форми.
Перший крок це формування аміаку (NH4+) і його солей (NH4+ X-).
Асиміляція і мінералізація є протилежними процесами.

Атмосферні окислення

У результаті природних процесів зв’язується від 100 до 150 млн тон азоту
на рік. Найважливіші шляхи природного виробництва оксидів азоту — це
окислювальні процеси при високих температурах, якими можуть бути:

V b ¬

®

°

Високі температури лісових пожеж.

Окислення молекулярного азоту (інертного в нормальних умовах) при
виверженнях вулканів.

Спалахи блискавок, які відбуваються близько ста разів на планеті кожну
секунду. Електричний розряд нагріває атмосферу навколо себе, азот
з’єднується з киснем (відбувається реакція горіння) з утворенням різних
оксидів азоту. Ця досить видовищна форма зв’язування охоплює лише 10 млн
тонн азоту на рік.

Головними продуктами таких процесів є оксид азоту (NO) і діоксид азоту
(NO2), а після подальших реакцій — азотна кислота (HNO3). Певні
концентрації оксидів азоту призводять до формування озону за допомогою
сонячного світла і емісії вуглеводнів.

Рис. 1. Кругообіг азоту в природі (За В.П.Кучерявим)

2. Вплив людської діяльності на кругообіг азоту

На додаток до природних джерел, люди відповідальні за емісію NO / NO2 в
результаті горіння при технічних процесах. Найпоширеніше — це згоряння
палива в автомобільних двигунах. При згоранні викопного палива
відбувається розігрів повітря, як і у випадку з розрядом блискавки.
Приблизно 20 млн тонн азоту на рік зв’язується при спалюванні природного
палива. За певних умов якщо середні концентрації оксидів азоту в повітрі
стають занадто високими, це може призвести до озонового смогу. Крім
того, оксиди азоту в атмосферних реакціях перетворюються на азотну
кислоту, що вносить свій внесок у кислотні дощі та призводить до їх
негативних наслідків.

Щоб поліпшувати умови вирощування зернових та інших
сільськогосподарських культур, в ґрунт вносяться азотовмісні добрива.
Недолік азоту часто стримує ріст рослин, і фермери для підвищення
врожайності купують штучно зв’язаний азот у вигляді мінеральних добрив.
Це можна назвати технічної фіксацією азоту, що базується, наприклад, на
синтезі аміаку в процесі Габера-Боша. Технологією зв’язування азоту в
промислових масштабах ми зобов’язані військовим. У Німеччині перед
Першою світовою війною був розроблений спосіб отримання аміаку для
потреб військової промисловості. Виробництво азотовмісних добрив дуже
збільшилося за останні десятиліття. Тепер для сільського господарства
кожен рік виробляється трохи більше 80 млн тонн зв’язаного азоту
(зауважимо, що він вживається не тільки для вирощування харчових
культур, а також для удобрення приміських галявини і садів). Подальше
збільшення фракції закису азоту (звеселяючий газ) в повітрі, перш за
все, наслідок вживання азотних добрив.

Головний постачальник зв’язаного азоту в природі — бактерії: завдяки їм
зв’язується приблизно від 90 до 140 млн тон азоту. Найвідоміші бактерії,
що зв’язують азот, знаходяться в бульбочках бобових рослин. На їх
використанні заснований традиційний метод підвищення родючості ґрунту:
на полі спочатку вирощують горох або інші бобові культури, потім їх
заорюють в землю (cидеральне удобрення), і накопичений в їх бульбочках
зв’язаний азот переходить в ґрунт. Потім поле засівають іншими
культурами, які цей азот вже можуть використовувати для свого зростання.
Таким чином відбувається зв’язування азоту і перенесення його в біосферу
до 40 млн тон щорічно.

Підсумувавши внесок людини в кругообіг азоту, одержуємо цифру близько
140 млн тонн на рік. Приблизно стільки ж азоту зв’язується в природі
природним чином. Таким чином, за порівняно короткий період часу людина
стала робити істотний вплив на кругообіг азоту в природі.

Кожна екосистема здатна засвоїти певну кількість азоту, і в наслідки
цього в цілому сприятливі — рослини стануть рости швидше. Якщо внесено
занадто багато добрив і надлишок не прийнятий рослинами, це викликає
подвійну негативну дію. При насиченні екосистеми аміак і нітрати
змиваються у водойми і прибережні зони. Тут вони викликають сильний ріст
рослин і морських водоростей (фітопланктону), в результаті чого життя у
воді може згаснути, так як вміст кисню у воді буде зменшуватися через
розкладання решток відмерлих продуцентів, на їх розкладання витрачається
майже весь розчинений у воді кисень. Евтрофікація озер — мабуть,
найнеприємніша екологічна проблема, пов’язана з азотом. Крім того,
денітрифікація збільшується і виробляється більше закису азоту. Це
збільшує парниковий ефект, а закис азоту, що досягає стратосфери,
перетворюється в інші оксиди азоту, що сприяють виснаженню озонового
шару.

Висновок

Отже, азот, який є уособленням білкового життя у біосфері, в основному
зосереджений в атмосфері, де його частина становить близько 78%. Тобто
на 1 га поверхні Землі припадає товща повітря з приблизно 80 тис. т
азоту. Проте в такому вигляді він недоступний рослинам. У кругообізі
сполук азоту надзвичайно велике значення відводиться мікроорганізмам і
азотофіксаторам, нітрофіксаторам і денітрофіксаторам. Тільки завдяки їм
елементарний азот з повітря надходить до ґрунту.

Найбільшу роль, як зазначалося, у цих процесах відіграють бульбашкові
бактерії, які тісно співпрацюють з бобовими рослинами. При високому
урожаї цих рослин можна збагатити ґрунт близько 400 кг азоту на 1 га.
Якщо навіть урожай цих рослин буде вивезений із поля, значна частина
азоту залишиться з корінням у ґрунті. Кількість азоту, зв’язаного
біологічним кругообігом, є неоднаковою в різних екосистемах.

Поява в атмосфері окислів азоту пов’язана із грозовими електричними
розрядами. Окисли азоту утворюють з водою азотну і азотисті кислоти.

Ці кислоти разом із атмосферними опадами потрапляють у ґрунт. Кількість
азоту, яку він одержує, є дуже різною і залежить передусім від
кліматичних умов, зокрема, кількості і частоти опадів, пори року,
температури тощо. У помірному кліматі ця кількість становить декілька
кілограмів на рік, а в тропічному, де спостерігаються часті бурі, його
значно більше, але в середньому не більше 10 кг.

В атмосферу азот в певних кількостях потрапляє з ґрунту. Це відбувається
з участю мікроорганізмів під час мінералізації органічної матерії, коли
в процесі амоніфікації виділяється аміак. Біологічна фіксація
молекулярного азоту мікроорганізмами, як тими, що вільно пересуваються,
так і симбіонтами (бульбашковими), відбувається в автотрофному і
гетеротрофному блоках біогеоценозів. Для кругообігу азоту необхідним є
молібден, який в окремих випадках виступає як лімітуючий фактор.
Незважаючи на величезні запаси цього елемента в атмосфері й осадовій
оболонці літосфери, у кругообігу бере участь лише фіксований
мікроорганізмами азот.

До цієї категорії азоту обмінного фонду входять: а) азот річної
продукції біомаси; б) азот біологічної фіксації бактеріями й іншими
організмами; в) ювенільний (вулканічний) азот; г) атмосферний
(фіксований у момент грозового розряду); д) техногенний.

У великий кругообіг весь час надходить частина азоту у вигляді різних
сполук, які ріки виносять у моря. Вміст сполук азоту найбільший у
районах, де в океан впадають великі ріки, найменший – в центральних
частинах океанів. Азотомісткі сполуки використовуються водоростями для
синтезу органічних речовин і надходять у кругообіг океану, частина
поступово осідає на дно. Отже, винесення азоту з суші не збільшує його
концентрації у морській воді.

Межа азоту, зв’язаного в біомасі суші, становить 14020 млн т, а в
зольних елементах – 34062 млн т азоту і 2762 млн т зольних елементів. У
біомасі Світового океану цих елементів в 1000 разів менше. Однак завдяки
багаторазовому відтворенню організмів планктону через них протягом року
проходить азоту і зольних елементів більше, ніж на суші: азоту – 2762
млн т, зольних елементів – 12274 млн т.

Якщо розглядати кругообіг азоту в масштабах біосфери, то завдяки
саморегулюючим механізмам і зворотному зв’язку він вважається досить
досконалим. Частина азоту, який «виробляється» в густозаселених районах,
у прісних водах і мілководних морях, виноситься у глибоководні океанічні
відклади і залишається там, виключаючись на мільйони років із
кругообігу. Ці втрати компенсуються надходженням азоту в повітря з
вулканічними газами.

Список використаної літератури

Кучерявий В.П. Екологія. – Львів: Світ, 2001 – 500 с.

Кондратюк Є.М., Харкота Г.І. Словник-довідник з екології. К., 1987.

PAGE

PAGE 8

Похожие записи