Круговорот азота в природе

Азот — одно из самых  распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым  мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме (см. Химические связи), при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N2. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных  путей, по которым азот циркулирует  в земной биосфере. Рассмотрим сначала  процесс разложения органических веществ  в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся  материалов и переводят его в  молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH3) или ионов аммония (NH4+). Затем другие микроорганизмы связывают  этот азот, переводя его обычно в  форму нитратов (NO3–). Поступая в  растения (и в конечном счете попадая  в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании  биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров  с азотом — огромного (в нем  находится азот, содержащийся в атмосфере  и океанах) и совсем маленького (в  нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими  резервуарами есть узкий проход, в  котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические  системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических  систем.

Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·1015) тонн, а  в океанах — около 20 триллионов (20·1012) тонн. Незначительная часть этого  количества — около 100 миллионов  тонн — ежегодно связывается и  включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных —  все остальное накапливается  в разлагающих микроорганизмах  и в конце концов возвращается в атмосферу.

Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные  бактерии, связывающие азот, находятся  в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох  или другие бобовые культуры, потом  их запахивают в землю, и накопленный  в их клубеньках связанный азот переходит  в почву. Затем поле засевают другими  культурами, которые этот азот уже  могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота  переводится в связанное состояние  во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки  молний происходят гораздо чаще, чем  вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает  атмосферу вокруг себя, азот соединяется  с кислородом (происходит реакция  горения) с образованием различных  оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она  охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных процессов  связывается от 100 до 150 миллионов  тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей  бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и  в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку  на автомобиле, в биосферу поступает  дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота  в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это  часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах  мы обязаны военным. В Германии перед  Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной  промышленности. Недостаток азота часто  сдерживает рост растений, и фермеры  для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для  сельского хозяйства каждый год  производится чуть больше 80 миллионов  тонн связанного азота (заметим, что  он употребляется не только для выращивания  пищевых культур — пригородные  лужайки и сады удобряют им же).

Суммировав весь вклад  человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота  связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек  стал оказывать существенное влияние  на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого  в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при  насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота  азота — еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось  человечество. В связи с этим можно  привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации».