Круговорот кислорода

Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по весу или 20,93% по объему, а в земной коре 47,2% по весу. Такая концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В этом процессе зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород.

Главная масса кислорода находится в связанном состоянии; количество молекулярного кислорода в атмосфере составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре. В жизни природы кислород имеет исключительное значение. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы. В человеческом организме, например, содержится около 65% кислорода.

Большинство организмов получают энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления тех или иных веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные выработки на поверхности уменьшают общую долю фотосинтеза и снижают круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником

получения кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха (рис.3).

Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды. Круговорот воды (H2O) заключается в испарении воды с поверхности суши и моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров с последующим выпадением осадков в виде дождя, снега, града, тумана.

Рис. 3. Круговорот кислорода

Круговорот азота

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, гемов и др. В связи с этим значительное количество связанного азота содержится в живых организмах, «мёртвой органике» и дисперсном веществе морей и океанов.

Несмотря на величайшую сложность, круговорот азота осуществляется быстро и беспрепятственно. Воздух, содержащий 78%азота, одновременно служит и огромным вместилищем и предохранительным клапаном системы. Он беспрерывно и в разных формах питает круговоротазота.

Цикл азотасостоит в следующем. Его главная роль заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структурорганизма-аминокислотбелка, а такженуклеиновых кислот. В живыхорганизмахсодержится примерно 3% всего активного фондаазота. Растения потребляют примерно 1%азота; время его круговорота составляет 100 лет.

От растений-продуцентов азотосодержащие соединения переходят к консументам, от которых после отщепления аминовоторганических соединенийазотвыделяется в видеаммиакаилимочевины, амочевиназатем также превращается ваммиак(вследствиегидролиза).

В дальнейшем в процессах окисленияазотааммиака(нитрификации) образуютсянитраты, способные ассимилироваться корнями растений.

Часть нитритовинитратовв процессе денитрификации восстанавливается до молекулярногоазота, поступающего ватмосферу. Все эти химические превращения возможны в результате жизнедеятельности почвенныхмикроорганизмов. Эти удивительные бактерии - фиксаторыазота- способны использовать энергию своегодыханиядля прямого усвоения атмосферногоазотаи синтезирования протеинов. Таким путем в почву ежегодно вносится около 25 кгазотана 1 га.

Но самые эффективные бактерии живут в симбиозес бобовыми растениями в клубеньках, развивающихся на корнях растений. В присутствиимолибдена, который служиткатализатором, и особой формыгемоглобина(уникальный случай у растений) эти бактерии (Rhizobium) ассимилируют громадные количестваазота. Образующийся (связанный)азотпостоянно диффундирует в ризосфере (часть почвы), когда клубеньки распадаются. Но ещеазотпоступает в наземную часть растений. Благодаря этому бобовые исключительно богатыпротеинамии очень питательны для травоядных. Годовой запас, таким образом накапливаемый в культурах клевера илюцерны, составляет 150-140 кг/га.

Помимо бобовых такие бактерии живут на листьях растений (в тропиках) из семейства Rublaceae, а также актиномицеты - на корнях ольхи, фиксирующиеазот. В водной среде - это синие водоросли.

Итак, азотиз разнообразных источников поступает к корням в виденитратов, абсорбируется корнями и трансформируется в листья для синтезапротеинов.Протеиныслужат основой азотного питания животных, а также пищей некоторых бактерий (паразитов).Организмы, разлагающие органическоевеществопосле смерти, переводятазотизорганических соединенийв минеральные. Каждая группа биоредуцентов специализируется на каком-либо одном звене этого процесса. Цепь заканчивается деятельностью аминообразующихорганизмов, образующихаммиак(NН₃), который далее входит в цикл нитрификации: Nitrosomonas окисляет его до нитритов, а Nitrobarter окисляетнитритывнитраты.

С другой стороны, бактерии - денитрификаторы разлагают нитраты, освобождают N₂, который улетучивается в атмосферу. Но этот процесс не очень опасен, так как разлагает примерно 20% общегоазота, и то лишь в почвах, очень удобренных навозом (примерно 50-60 кгазота1 га). Общая схема круговорота азота представлена на рисунке 4.

Рис.4. Схема круговорота азота.

Очень важно изучать и контролировать круговорот азота, особенно в антропогенных биоценозах, потому что небольшой сбой в какой-либо части цикла может привести к серьёзным последствиям: сильным химическим загрязнениям почв, зарастанию водоемов и загрязнению их продуктами разложения отмершей органики (аммиак, амины и др.), высокому содержанию растворимых соединений азота в питьевой воде.

Круговорот азотав настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека.

Во-первых, поступление оксидов азотаватмосферуприсжигании топливана ТЭЦ, транспорте, заводах («лисий хвост»). В промышленных районах ихконцентрацияввоздухестановится очень опасной. Под воздействием излучения происходятреакцииорганики (углеводородов) соксидами азотас образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений. А также возникаюткислотные дожди — явление, при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков и снега из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (например, оксидами азота). Химизм этого явления состоит в следующем. Для сжигания органического топлива в двигатели внутреннего сгорания и котлы подается воздух или смесь топлива с воздухом. Почти на 4/5 воздух состоит из газа азота и на 1/5 — из кислорода. При высоких температурах, создаваемых внутри установок, неизбежно происходит реакция азота с кислородом и образуется оксид азота:

N₂+ O₂ = 2NO — Q

Эта реакция эндотермическая и в естественных условиях происходит при грозовых разрядах, а также сопутствует другим подобным магнитным явлениях в атмосфере. В наши дни человек в результате своей деятельности сильно увеличивает накопление оксида азота (II) на планете. Оксид азота (II) легко окисляется до оксида азота (IV) уже при нормальных условиях:

2NO + O₂ = 2NO₂

Далее оксид азота реагирует с атмосферной водой с образованием кислот:

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂

образуются азотная и азотистая кислоты. В капельках атмосферной воды эти кислоты диссоциируют с образованием, соответственно нитрат- и нитрит-ионов, а ионы попадают с кислотными дождями в почву.

Во-вторых, массовое производство азотных удобрений(селитра) и их использование приводит к избыточному накоплению нитратов.Азот, поступающий на поля в видеудобрений, теряется из-завыщелачиванияи денитрификации.

И наконец, сброс сточных вод, несоблюдение санитарных норм (выгул собак, неконтролируемые свалки органических отходов, плохое функционирование канализационных систем и др.) приводят к повышению уровня биологического загрязнения. Как следствие почва загрязняется аммиаком, солями аммония, мочевиной, индолом, меркаптанами и другими продуктами разложения органики. В почве образуется дополнительное количество аммиака, который затем перерабатывается бактериями в нитраты.