Значение азота в составе биосреды.

Азот, из которого на 79% состоит воздух, играет важнейшую роль в жизни живых организмов. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, необходим для повышения плодородия почв. Азот находится в атмосфере в неактивной молекулярной форме (N₂). Однако все живые организмы зависят от связанного, т.е. фиксированного, азота, а вернее, включенного в химические соединения (например, нитраты, аммонийный и амидный азот). Связанный азот в экосистемы поступает следующими путями: 1) в виде оксидов азота и аммиака, синтезированных в атмосфере за счет энергии электрических разрядов (молния), при которых протекают реакции взаимодействия между кислородом, азотом и водородом; поступает в почвы с дождевой водой – до 10 кг/га в год; 2) в результате биологической фиксации свободного азота (до 70 кг/га в год) микроорганизмами, водорослями и лишайниками. Азотфиксаторы вступают в симбиоз с некоторыми высшими растениями, наиболее широко – с бобовыми, образуя на их корнях клубеньки; 3) в результате производства и применения минеральных удобрений (аммиак, аммиачная селитра, карбамид и др.). Фиксированный минеральный азот усваивается из почвы растениями, а затем в виде органических соединений поступает в пищевые цепи. После отмирания растений и животных их ткани разлагаются и минерализуются при участии микроорганизмов; т.е. происходят процессы аммонификации и нитрификации с последовательным образованием солей аммония, нитритов и нитратов. Часть образовавшихся нитритов и нитратов поступает в растения или закрепляется в гумусе. Остальной азот вымывается, так как соли азотной кислоты и аммония легкорастворимы, попадают в гидросферу и остаются в донных отложениях. Если бы в биосфере не протекал процесс денитрификации (восстановления) связанного азота до оксида азота и свободного азота, вновь поступающих его в атмосферу, то запасы атмосферного азота значительно уменьшились бы. Процесс денитрификации выполняют в анаэробных условиях бактерии-денитрификаторы, которые используют нитритный ион как акцептор электронов (рис. 2).

Годовой приход азота в результате биологической фиксации составляет 54·10⁶ т, а за счет индустриальной фиксации — 30·10⁶ т. Общий приход его равен 91,8·10⁶ т, а расход – 83,2·10⁶ т (главным образом вследствие денитрификации). Потери азота с глубоководными отложениями компенсируются поступлением с вулканическими газами в количестве до 3 млн т в год.

В условиях научно-технического прогресса увеличились выбросы в атмосферу аммиака, оксидов азота как продуктов сгорания каменного угля, нефти, газа, бензина, сланцев, торфа (200…350) 10⁶ т аэрозолей в год. С осадками они поступают в почвы и воды.

 

Рис. 2. Круговорот азота в биосфере

 

В природных водах концентрация нитратов часто превышает предельно допустимые нормы в десятки раз, достигая в отдельных случаях токсических величин (более 1000 мг/л). Считают, что баланс азота в биосфере нарушен, избыток его вызывает загрязнение окружающей среды, отравления, тяжелые заболевания человека.

 

Значение фосфора.

Фосфор – один из важнейших биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани, дентина, участвует в переносе энергии. Незначительна также миграционная способность фосфора. Его круговорот, как и круговорот других биогенных элементов, совершается по большому и малому циклам; связан с жизнедеятельностью организмов, антропогенными факторами. Круговорот фосфора относится к осадочному циклу, ибо его резервный фонд находится в литосфере, где он представлен изверженными горными породами (апатитом, фторапатитом) или осадочными отложениями (фосфоритом, вивианитом вавеллитом). Общие запасы фосфора на Земле составляют 26 млрд т, а расход – 2 млн т в год. Крупные месторождения существуют на Кольском полуострове, в районе хребта Каратау на юге Казахстана, а также в США, Марокко, Алжире, Тунисе.

В результате усилившегося с формированием биосферы выветривания горных пород, содержащих фосфор, произошло перераспределение этого элемента. Значительная часть фосфора со стоком попадает в моря и океаны, где остается в осадках мелководий или в глубоководных отложениях, обогащает воды, питая фитопланктон. С ежегодным стоком в моря и океаны выносятся (3…4)·10⁶ т фосфатов, где они практически надолго выпадают из круговорота. Из морей фосфор возвращается за счет вылова рыбы и использования гуано в виде фосфатов кальция (60 тыс. т фосфора в год). В наземных экосистемах фосфор проходит через пищевые цепи в составе органических соединений, а затем после отмирания организмов возвращается в почвы, минерализуется или вновь усваивается корнями растений либо со стоком поступает в гидросферу. Таким образом, круговорот фосфора в основном включает следующие процессы: растения ассимилируют фосфор в виде ионов Н₂Р0₄^- и НРО^2-₄ из почвенного раствора, воды; у животных избыточный органический фосфор, содержащийся в пище, выводится в виде; фосфатов; некоторые группы бактерий превращают органический фосфор, содержащийся в детрите, в фосфаты. Фосфор наиболее доступен при рН 6...7. Избыток растворимого кислорода способствует переводу фосфора в нерастворимые соединения.

В промышленно развитых странах проявляется фосфатизация суши за счет производства фосфорных удобрений, различных фосфорсодержащих препаратов, вылова продуктов моря, богатых фосфором. Выделяются и районы, в которых наблюдается дефосфатизация территории. Запасы же фосфора в почвах низкие – в среднем 0,1…0,2%, причем 20...40% этого фосфора недоступно для растений.

В атмосферу фосфор поступает лишь в виде пыли или выносится ветром из моря с брызгами.

В среднем живое вещество планеты содержит 7∙10^-2 % фосфора, в литосфере его 9·10^-2 %. Живое вещество извлекло из литосферы 2,1·10¹¹т фосфора.

 

Значение кислорода.

Кислород – составная часть всех живых и растительных организмов, а также минеральных соединений. В живом веществе на долю кислорода приходится 65…70%, в литосфере – 49%.Тело человека почти на 65% состоит из этого элемента. Кислород – сильный окислитель, активно вступающий в химические реакции с образованием оксидов, гидроксидов, кислот и других кислородсодержащих соединений. Он поглощается организмами в газообразном состоянии, в виде Н ₂О, СО ₂, оксидов и других образований.

Кислород молекулярный появился в атмосфере благодаря зеленым растениям, выделяющим его в процессе фотосинтеза. Все остальные существа – потребители кислорода. При дыхании растения потребляют кислород. Потребление и выделение растениями кислорода обеспечивает круговорот этого элемента и поддерживает концентрацию его в атмосфере на уровне 21% (см. рис.1). При этом выделившийся при фотосинтезе кислород проходит в итоге через живое вещество биосферы примерно за 2000 лет, т.е. такова скорость его круговорота в атмосфере. Небольшая часть уходит из обращения, участвуя в создании различных осадочных пород, расходуется на окисление органических соединений с выделением энергии и образованием конечных продуктов окисления – СО₂ и Н ₂ О.

Циклы кислорода в большом геологическом и малом биологическом круговоротах между всеми компонентами биосферы выражаются следующим образом:

	СО2   О2		СО2   О2

 

почва живое вещество; живое вещество атмосфера;

 

	СО2 ;О2   СО2 ;О2   О2
		СО2   О2   О2

 

атмосфера гидросфера; почва атмосфера.

 

 

Долгое время баланс О₂ в атмосфере был положительным, в современных условиях он нарушен техногенными миграциями. Резко возрастает потребление кислорода промышленностью, транспортом. Так, реактивный самолет сжигает более 35 т О₂ за время перелета через Атлантический океан. Этого количества О₂ было бы достаточно для дыхания 30 человек на целый год. Сжигание горючих ископаемых ведет к накоплению СО₂, а следовательно, значительно ухудшает кислородный обмен, снижая содержание О₂ в атмосфере. Вырубка лесов, отчуждение земель, загрязнение почв, опустынивание территорий также способствуют сокращению запасов кислорода. Промышленные, бытовые, сельскохозяйственные отходы, сброшенные в озера, реки, моря, океаны, загрязняют природные воды, связывая растворенный кислород, что нарушает круговорот его между атмосферой и гидросферой. Вследствие загрязнения морей сокращается поступление О₂ от зеленых водорослей. Для поддержания установившегося баланса кислорода важно сохранить главнейшую геохимическую силу – живое вещество, способное высвобождать О₂, даже из кристаллических решеток минералов.