Рис. 2- Схема обмена азота между
его соединениями в океане
Влияние человека на круговорот
азота достаточно велико. Он выращивает на
обширных площадях бобовые растения, а
также промышленным способом связывает
азот. Подсчитано, что сельское хозяйство
и промышленность дают почти на 60 % больше
фиксированного азота, чем естественные
наземные экосистемы. В этом случае люди
пытаются копировать природную стратегию
взаимовыгодного сотрудничества, способствующую
выживанию. Если бы специалистам по генной
инженерии удалось индуцировать образование
клубеньков у пшеницы, кукурузы, риса и
других пищевых культур, это помогло бы
сэкономить немало средств и энергии,
избавило бы от необходимости внесения
азотных удобрений. Хороших результатов
можно достигнуть и сейчас, если лучше
использовать бобовые в сельском хозяйстве.
Бобовые растения - природные фиксаторы
азота - работают активнее в среде с малым
количеством азота, поэтому внесение азотных
удобрений под бобовые не имеет смысла,
так как выключает биофиксацию атмосферного
N2. Из азота,
поступившего с удобрениями, очень небольшая
часть вовлекается в круговорот повторно.
Большая доля его теряется: выносится
с водой, с урожаем и в процессе денитрификации.
Кроме того, избыток нитратов в пище и
воде может быть опасен для людей. Напрасной
траты азота и энергии можно избежать,
если рационально чередовать зерновые
и бобовые культуры в севообороте.
Ежегодно в глобальном круговороте
биотическим сообществом усваивается
около 109 т азота.
При этом 80 % его поступает с суши и воды
и лишь около 20% добавляется «нового» азота
из атмосферы.
В масштабе биосферы, благодаря
механизмам обратной связи и большому
резервному фонду, круговорот азота относительно
совершенен. Хотя часть азота из густонаселенных
областей уходит в глубоководные океанические
отложения и выключается из круговорота,
возможно, на миллионы лет - эта потеря
в какой-то мере компенсируется поступлением
его в воздух с вулканическими газами.
Следовательно, извержения вулканов нельзя
считать только вредными. Если бы вдруг
удалось заблокировать все вулканы на
Земле, то можно предположить, что от голода
страдало бы не меньше людей, чем сейчас
страдает от их извержений.
2 Роль биоты в поддержании
глобальных циклов элементов
Биота - это совокупность организмов,
обитающих на какой-либо территории. Живые
организмы играют огромную, определяющую
роль в поддержании глобальных циклов
таких элементов, как кислород, азот, фосфор,
сера и т. д.
Фактически состав
атмосферы находится под контролем биоты.
Биомасса живых организмов
на Земле оценивается величиной 2-1012 т в расчете
на сухой вес, причем более 90% ее приходится
на долю фотосинтезирующих организмов,
из которых 82% сосредоточено в лесах. Второй
по величине резервуар живого вещества
составляют почвенные микроорганизмы
— бактерии, грибы, микроводоросли. Продукция
их ненамного уступает продукции высших
растений. Животное население планеты
гораздо более разнообразно, чем растительное.
Общая же биомасса животных составляет
около 2-109 т, т.е. всего
около 0,1% биомассы высших растений. Соответственно
вклад животных в биологический круговорот
веществ пренебрежительно мал по сравнению
с вкладом микроорганизмов и автотрофных
растений.
В основе процессов
жизнедеятельности лежит трансформация
энергии солнечного излучения в энергию
химических связей при фотосинтезе и в
случае аэробных организмов — медленное
"сжигание" органических веществ
при окислении их кислородом воздуха в
процессах дыхания. Цикл кислорода можно
представить простой схемой:
Катализ
В природе обнаружены
два основных типа фотосинтетических
организмов.
Первый — фотосинтезирующие
бактерии (пурпурные и зеленые), которые
восстанавливают СО2 до углеводородов,
но не способны окислять воду до О2- В качестве
доноров они используют не Н2О, а органические
и серные соединения (уксусная и пировиноградная
кислоты, Н2) тиосульфаты)
и запасают относительно мало энергии.
Многие фотосинтезирующие бактерии способны
к фотоассимиляции N2.
Второй — зеленые растения
и водоросли (красные, зеленые, сине-зеленые
и др.), которые наряду с восстановлением
СO2 окисляют
воду до O2. Ключевым
процессом запасания солнечной энергии
в виде химической является как раз окисление
воды до O2.
Заметим, что по абсолютной величине
суммарная энергия, затрачиваемая на фотосинтез,
значительна. Она на порядок превышает
количество энергии, потребляемой человеческим
обществом.
Наряду с синтезом органического вещества
в природе, происходит и его разложение,
или деструкция, то есть распад органических
структур на составные части, включая
питательные (биогенные) вещества, с выделением
энергии. И в этом процессе биота играет
определяющую роль. На глобальном уровне,
вследствие деятельности биоты, устанавливается
с очень высокой степенью точности баланс
между продукцией и деструкцией органического
вещества. Тем самым обеспечивается устойчивость
цикла углерода.
Биота осуществляет также весьма эффективное
управление потоками и концентрацией
биогенных элементов, определяя тем самым
устойчивость соответствующих глобальных
биогеохимических циклов.
Биота также играет важную роль в цикле
серы. В упрощенном виде цикл серы в окружающей
среде можно представить такой схемой:
Что касается глобального цикла
и участия в нем биоты, то следует отметить,
что фосфор в почве находится в усваиваемой
растениями форме – в виде фосфатов, поэтому
он легко усваивается продуцентами и проходит
по всей пищевой цепи. Образующееся мертвое
органическое вещество разлагается бактериями,
и фосфор возвращается в круговорот в
виде фосфатов. Фосфор, как и азот, значительно
активнее участвует в биологическом круговороте
в океане, чем на суше. В океане в биологический
круговорот фотосинтетиков ежегодно вовлекается
1210∙106 т фосфора,
а на суше, с учетом сельскохозяйственных
культур, – 345∙106 т. Причем,
несмотря на низкую растворимость, фосфор
долго задерживается в океане благодаря
деятельности живых организмов, стремящихся
не выпускать этот дефицитный элемент
из пищевых цепей.
Биота, функционирующая за счет
замкнутости круговорота веществ, требующего
затрат энергии и активности биоты, неизбежно
потеряет конкурентоспособность по сравнению
с биотой, существующей за счет внешних
потоков питательных веществ. Последняя
перешла бы на потребление этих веществ,
не заботясь о замкнутости их круговорота,
и могла бы существовать в форме одного
или нескольких видов, не образующих экологических
сообществ. Именно ограничения, накладываемые
на земную биоту замкнутостью круговорота
веществ, составляют сущность эколо'гии.
Биологический поток синтеза и разложения
биоты должен превосходить внешние потоки
питательных веществ настолько, чтобы
биота, функционирующая на основе сообществ
и замкнутого круговорота веществ, была
более конкурентоспособной, чем биота,
живущая за счет внешних потоков.
Выводы
1 Соединения азота в
тропосфере представлены в основном
оксидами азота, аммиаком и солями
аммония, а также азотной кислотой
и нитратами. Оксид и диоксид
азота в тропосфере подвергаются
взаимным превращениям.
2 Наряду с абиотическими
превращениями азота, ведущую роль
играют биохимические реакции
с участием живых организмов.
3 Естественный круговорот
азота характеризуется столь
малой скоростью, что он сильно подвержен
антропогенным воздействиям. В настоящее
время равновесие по азоту в биосфере
нарушено в результате человеческой деятельности,
в окружающей среде происходит накопление
нитратов и промежуточных продуктов нитрификации.
4 Биота играет важную роль в
поддержании глобальных циклов кислорода,
азота, фосфора, серы, т. к. осуществляет весьма
эффективное управление потоками и концентрацией
биогенных элементов, определяя тем самым
устойчивость соответствующих глобальных
биогеохимических циклов.
5 Благодаря деятельности
биоты атмосфера Земли имеет значительное
содержание кислорода. Одним из фундаментальных
последствий формирования кислородной
атмосферы было образование озонового
слоя, отсекающего наиболее жесткую, губительную
для живых организмов часть ультрафиолетовой
солнечной радиации, что позволило биоте
в процессе ее эволюции выйти из океана
на сушу.
6 Извлекаемые из почвы растениями
сульфаты претерпевают сложные
химические превращения, в результате
которых образуются серосодержащие белковые
вещества. Последние часто усваиваются
животными, а после отмирания животных
и растений разлагаются микроорганизмами,
при этом сера в виде сероводорода возвращается
в круговорот.
Список использованных источников
1 Голубев Г. Н. Геоэкология /
Голубев Г. Н. – М.: Изд-во ГЕОС, 1999. – 338
с.
2 Гусакова Н.В. Химия
окружающей среды / Н.В. Гусакова. – Ростов
н/Д: Феникс, 2008. – 192 с.
3 Карманов А.П. Химия
окружающей среды: конспект лекций / А.П.
Карманов, Л.С. Кочева. – Сыктывкар: Издательство
СЛИ, 2009. – 126 с.
4 Скурлатов Ю.И. Введение
в экологическую химию / Ю.И. Скурлатов,
Г.Г. Дука, А. Мизити. – Москва: Высшая школа,
1994. – 400с.
5 Хохлова О.Н. Введение
в химическую экологию: учебное пособие.
Часть 1 / О.Н. Хохлова. – Воронеж: Издательско
– полиграфический центр ВГУ, 2008. – 68 с.