Кругообіг речовин в природі
Діяльність живих організмів супроводжується витягом з навколишнього їх неживої природи великих кількостей мінеральних речовин.
Після смерті організмів складові їх хімічні елементи повертаються в навколишнє середовище.
Так виникає біогенний круговорот речовин в природі, тобто циркуляція речовин між атмосферою, гідросферою, літосферою і живими організмами.
Азот безперервно циркулює в земній біосфері по мережі замкнутих взаємопов'язаних шляхів. До природним процесам додалося штучне зв'язування азоту при виробництві мінеральних добрив.
Азот - одне з найпоширеніших речовин у біосфері, вузької оболонці Землі, де підтримується життя. Так, майже 80% повітря, яким ми дихаємо, складається з цього елемента. Основна частина атмосферного азоту знаходиться у вільній формі, при якій два атоми азоту пов'язані один з одним, 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 «пов'язане» стан. В процесі зв'язування молекули азоту розщеплюються, даючи змогу окремим атомам азоту брати участь в хімічних реакціях з іншими атомами, і таким чином заважаючи їм знову об'єднатися в молекулу азоту. Зв'язок між атомами азоту і іншими атомами досить слабка, що дозволяє живим організмам засвоювати атоми азоту. Тому зв'язування азоту - надзвичайно важлива частина життєвих процесів на нашій планеті.
Кругообіг азоту являє собою ряд замкнутих взаємопов'язаних шляхів, за якими азот циркулює в земній біосфері. Розглянемо спочатку процес розкладання органічних речовин в грунті.
Різні мікроорганізми беруть азот з розкладаються матеріалів і переводять його в молекули, необхідні їм для обміну речовин. При цьому залишився азот вивільняється у вигляді аміаку (NH3) або іонів амонію (NH4 +). Потім інші мікроорганізми пов'язують цей азот, переводячи його зазвичай в форму нітратів (NO3-). Поступаючи в рослини, цей азот бере участь в утворенні біологічних молекул. Після загибелі організму азот повертається в грунт, і цикл починається знову. Під час цього циклу можливі як втрати азоту, так і компенсація цих втрат за рахунок виверження вулканів та інших видів геологічної активності.
Уявіть собі, що біосфера складається з двох сполучених резервуарів з азотом - величезного (азот, що міститься в атмосфері і океанах) і зовсім маленького (азот, що міститься в живих істотах). Між цими резервуарами є вузький прохід, в якому азот тим чи іншим способом зв'язується. У нормальних умовах азот з навколишнього середовища потрапляє через цей прохід в біологічні системи і повертається в навколишнє середовище після загибелі біологічних систем.
Наведемо кілька цифр. В атмосфері азоту міститься приблизно 4 квадрильйона (4 · 1015) тонн, а в океанах - близько 20 трильйонів (20 · 1012) тонн. Незначна частина цієї кількості - близько 100 мільйонів тонн - щорічно зв'язується і включається до складу живих організмів. З цих 100 мільйонів тонн зв'язаного азоту тільки 4 мільйони тонн міститься в тканинах рослин і тварин - все інше накопичується в розкладають мікроорганізмах і повертається в атмосферу.
Головний постачальник пов'язаного азоту в природі - бактерії: завдяки ним зв'язується приблизно від 90 до 140 мільйонів тонн азоту. Найвідоміші бактерії, що зв'язують азот, знаходяться в бульбах бобових рослин. На їх використанні грунтується традиційний метод підвищення родючості грунту: на поле спочатку вирощують горох або інші бобові культури, потім їх заорюють в землю, і накопичений в їх клубеньках пов'язаний азот переходить в грунт. Потім поле засівають іншими культурами, які цей азот вже можуть використовувати для свого зростання.
Деяка кількість азоту перекладається в зв'язаний стан під час грози. Ви здивуєтеся, але спалахи блискавок відбуваються набагато частіше, ніж ви думаєте, - близько ста блискавок кожну секунду. Поки ви Новомосковсклі цей абзац, у всьому світі блиснуло приблизно 500 блискавок. Електричний розряд нагріває атмосферу навколо себе, азот з'єднується з киснем (реакція горіння) з утворенням різних оксидів азоту. І хоча це досить видовищна форма зв'язування, вона охоплює лише 10 мільйонів тонн азоту в рік.
Таким чином, в результаті природних процесів зв'язується від 100 до 150 мільйонів тонн азоту рік. В ході людської діяльності теж відбувається зв'язування азоту і перенесення його в біосферу (наприклад, засівання полів бобовими культурами призводить щорічно до утворення 40 мільйонів тонн зв'язаного азоту). Більш того, при згорянні викопного палива в електрогенераторах і в двигунах внутрішнього згоряння відбувається розігрів повітря, як і в випадку з розрядом блискавки. Всякий раз, коли ви здійснюєте поїздку на автомобілі, в біосферу надходить додаткова кількість пов'язаного азоту. Приблизно 20 мільйонів тонн азоту в рік зв'язується при спалюванні природного палива.
Але найбільше пов'язаного азоту людина виробляє в вигляді мінеральних добрив. Як це часто буває з досягненнями технічного прогресу, технологією зв'язування азоту в промислових масштабах ми зобов'язані військовим. У Німеччині перед Першою світовою війною був розроблений спосіб отримання аміаку (одна з форм пов'язаного азоту) для потреб військової промисловості. Недолік азоту часто стримує ріст рослин, і фермери для підвищення врожайності купують штучно зв'язаний азот у вигляді мінеральних добрив. Зараз для сільського господарства щороку проводиться трохи більше 80 мільйонів тонн зв'язаного азоту. Підсумувавши весь вклад людини в кругообіг азоту, отримуємо цифру близько 140 мільйонів 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. Які будуть наслідки? Кожна екосистема здатна засвоїти певну кількість азоту, і в наслідку цього в цілому сприятливі - рослини стануть рости швидше. Однак при насиченні екосистеми азот почне вимиватися в річки. Забруднення озер водоростями - найнеприємніша екологічна проблема, пов'язана з азотом. Азот удобрює озерні водорості, і вони розростаються, витісняючи всі інші форми життя.