Agencia Federal para la Educación

Institución educativa estatal de educación profesional superior.

Federación Rusa

Instituto Estatal de Minería de San Petersburgo que lleva el nombre. G.V. Plejánov

(Universidad Tecnica)

Departamento de Geoecología

Ensayo

Por disciplina: Ecología de megaciudades y promagglomeraciones.

Sujeto: "Ciclo del nitrógeno"

Completado por: estudiante gr. IZ-07-1 /Muravyova A.A./

Revisado por: Profesor asociado /Isakov A.E./

San Petersburgo

Introducción

1. ciclo del nitrógeno

2. Impacto de la actividad económica humana en el ciclo del nitrógeno

Bibliografía

Introducción

El nitrógeno es un gas cuya molécula está formada por dos átomos. Se encuentra en la atmósfera y representa 4/5 de todo el aire. En su forma pura, el nitrógeno se combina con muy pocas sustancias y no es necesario para la mayoría de los organismos vivos. Nosotros mismos, por ejemplo, con cada inspiración inhalamos una cantidad considerable de este elemento químico, que luego exhalamos. Una parte se disuelve en la sangre, pero allí tampoco le sucede nada.

Pero si se fuerza al nitrógeno a combinarse con otros átomos, se forman compuestos necesarios para todos los seres vivos. Las plantas y los animales no pueden contribuir a la formación de estos compuestos. Algunas bacterias que viven en el suelo están dotadas de esta propiedad y se denominan fijadoras de nitrógeno. Sólo su presencia en el suelo hace posible la existencia de todas las demás formas de vida.

Fijación de nitrogeno– el proceso de unión bioquímica del nitrógeno atmosférico libre con la ayuda de bacterias. La capacidad de fijar nitrógeno la poseen las bacterias Rhizobium, que penetran en las raíces de las plantas (especialmente las legumbres), Azotobakter, Clostribium, Azotomonos de vida libre, así como ciertos géneros de algas verdiazules. Estos organismos se llaman fijadores de nitrógeno. La fijación bioquímica de nitrógeno juega un papel importante en el equilibrio de nitrógeno de los suelos y en la agricultura.

1. ciclo del nitrógeno

El ciclo del elemento más importante de la materia viva, el nitrógeno, cubre todos los componentes de la geosfera y es uno de los principales ciclos biogeoquímicos que aseguran el mantenimiento de la vida en nuestro planeta.

El nitrógeno es uno de los elementos más comunes en la Tierra. Sus reservas en la atmósfera de nuestro planeta son 4 * 10 15 toneladas (78,09% en volumen; 65,6% en masa).

El nitrógeno ingresa a la superficie terrestre junto con otros gases durante las erupciones (unas 30 toneladas, de las cuales 8 toneladas en tierra, 22 toneladas debido al vulcanismo submarino) y durante los procesos de ionización atmosférica. Los compuestos de nitrógeno sintetizados durante la ionización de la atmósfera caen a la Tierra con precipitaciones de 22 millones de toneladas de nitrógeno (sobre la tierra) y 82 toneladas (sobre el océano) por año.

El gas nitrógeno resulta de la oxidación del amoníaco producido durante las erupciones volcánicas y la descomposición de desechos biológicos:

4NH3 + 3O2 => 2N2 + 6H2O

La fuente más importante de suministro de nitrógeno a la superficie terrestre es su fijación biológica: la unión del nitrógeno molecular atmosférico en compuestos nitrogenados por varios microorganismos, incluidas las bacterias nódulos que viven en simbiosis con leguminosas.

Algunas cantidades de nitrógeno fijado en los suelos pueden ser producidas por algas microscópicas de color verde azulado. ( Cyaúfico ), que son microorganismos fotosintéticos. Sin embargo, es poco probable que el suministro de nitrógeno al suelo como resultado de sus actividades en la agricultura de secano supere varios kilogramos por hectárea al año.

El nitrógeno acumulado en el suelo participa en el ciclo biológico. Cada año, 2,3 * 10 9 toneladas de nitrógeno participan en el ciclo biológico terrestre (en términos de cubierta vegetal real). Forma parte de la materia viva y es la base de la masa vegetal y, en última instancia, animal. La mayor parte del nitrógeno de las plantas está representado por proteínas.

El nitrógeno es un componente de sustancias vitales como los ácidos nucleicos, la clorofila, algunas sustancias de crecimiento (heteroauxina) y las vitaminas B.

La cantidad de nitrógeno involucrada en la producción de materia viva en condiciones naturales se equilibra con la cantidad que regresa al suelo cuando muere y se descompone.

El nitrógeno biológico sufre transformaciones cíclicas en los suelos (de nitratos y nitritos a amoníaco y aminoácidos y viceversa), durante las cuales cambia su valencia.

Como resultado del proceso de transformación microbiológica de las sales de amonio en nitratos (nitrificación), el nitrógeno se acumula en una forma completamente accesible para las plantas. La intensidad del proceso de nitrificación depende en gran medida de las condiciones climáticas y del suelo, temperatura, humedad, propiedades químicas y físicas del suelo (grado de aireación, acidez, etc.). La cantidad de nitrógeno total que participa en el ciclo biológico es mayor en las zonas ecuatoriales y tropicales. El alto potencial oxidativo del medio ambiente favorece la rápida nitrificación de sustancias que contienen nitrógeno.

Nitrificación– el proceso de transformación microbiológica de las sales de amonio en nitratos, la principal forma de nutrición nitrogenada de las plantas. Fluye en el suelo y el agua de los embalses. Se desarrolla en dos etapas:

1) primero, las bacterias oxidan el ion amonio a ion nitrito

NH 3 + O 2 + CO 2 = HNO 2 + - materia orgánica.

2) nitrito - ion se oxida a nitrato - ion

HNO 2 + O 2 + CO 2 = HNO 3 + - materia orgánica.

Los procesos de descomposición de residuos orgánicos también son extremadamente intensos y, junto con el predominio del régimen de lixiviación del suelo, conducen a una rápida pérdida de sustancias orgánicas y minerales.

En latitudes más altas, la tasa de descomposición de los residuos orgánicos se ralentiza y la estacionalidad del clima proporciona interrupciones en el momento de la ingesta de basura. Esto contribuye a una mejor acumulación de nutrientes en el suelo, incluido el nitrógeno. Anualmente se devuelven 260 kg/ha de nitrógeno con la hojarasca en los bosques tropicales húmedos, en los bosques subtropicales - 226, en los bosques templados - 45-90 (a veces menos), en las estepas - 90-161, en los desiertos - 14-18 kg/ha .

Las tasas de descomposición y nitrificación de la materia orgánica del suelo están influenciadas por las condiciones térmicas y redox. Al aumentar la temperatura, la tasa de nitrificación aumenta sistemáticamente, alcanzando un máximo de 34,5

. Este proceso no se detiene a bajas temperaturas, sino que avanza muy lentamente, ya que las bacterias nitrificantes son sensibles a las bajas temperaturas.

A temperaturas inferiores a 8-10

, junto con algunas reducciones en el suministro de nitrato y nitrógeno amoniacal a las raíces, se debilita el uso de nitrógeno para la formación de compuestos nitrogenados orgánicos y el movimiento de nitrógeno desde las raíces a los órganos aéreos. A temperaturas aún más bajas (5-6 y menos), la absorción de nitrógeno por las raíces disminuye drásticamente.

Como resultado de la mayor actividad de las bacterias nitrificantes, se acumula una gran cantidad de nitrógeno en el vapor (en el vapor puro, la cantidad de nitrógeno nitrato es 2-2,5 veces mayor que en el vapor ocupado).

Los pesticidas también tienen un cierto efecto sobre la actividad de la microflora del suelo y, por tanto, afectan el nivel de suministro de nitrógeno a las plantas. Así, los compuestos organoclorados (hexaclorano, heptacloro, etc.), cuando se utilizan en dosis elevadas, pueden inhibir los procesos de nitrificación. Los compuestos organofosforados, cuando se añaden en dosis mayores, también son capaces de suprimir un poco los procesos de nitrificación en determinadas condiciones. Medicamentos como simazina, atrazina, etc. y derivados de los ácidos clorofenoxiacético y clorofenoxibutírico, que incluyen herbicidas muy extendidos, por regla general, no tienen un efecto depresor sobre la microflora del suelo, aunque en algunos casos hay una inhibición notable de la nitrificación y un efecto estimulante. efecto sobre la amonificación. Al mismo tiempo, los derivados de los ácidos cloroacético y cloropropiónico resultan ser inhibidores bastante fuertes de la nitrificación.

Como resultado de la descomposición de sustancias orgánicas que contienen nitrógeno ( amonificación), se acumulan en el suelo sales de amonio, etc.. En presencia de oxígeno, la descomposición se produce más rápidamente con la formación de productos de descomposición profunda. Sin oxígeno, las proteínas normalmente se descomponen en polipéptidos y aminoácidos, es decir, de forma relativamente superficial. Los productos finales de la amonificación son amoníaco, dióxido de carbono, metano, hidrógeno y agua.

El ciclo del nitrógeno, provocado por la actividad de los organismos vivos, no está completamente cerrado, ya que parte del nitrógeno, con la participación de las bacterias, se convierte en nitrógeno elemental y se devuelve a la atmósfera ( desnitrificación).

Las bacterias desnitrificantes liberan constantemente nitrógeno a la atmósfera: descomponen los nitratos en nitrógeno, que se evapora. Estas bacterias están activas principalmente en suelos muy ricos en nitrógeno y carbono (especialmente los fertilizados con estiércol). La cantidad de nitrógeno generada anualmente durante el proceso de desnitrificación es de aproximadamente 147 * 10 6 toneladas. El resultado de la desnitrificación son, por ejemplo, chorros subterráneos de gas de nitrógeno puro. La naturaleza biogénica de los chorros está indicada por la ausencia de argón en ellos, que es común en la atmósfera.

Parte del nitrógeno puede abandonar el ciclo debido al entierro de materia orgánica en depósitos cerrados. Si tomamos la tasa de crecimiento anual total de los formadores de turba para toda el área pantanosa como 11,3*10 14 g, entonces la cantidad de nitrógeno enterrado anualmente en la tierra (0,8-2,9% del peso de los formadores de turba) es de aproximadamente 20*10 6 toneladas La mayor cantidad de nitrógeno puede abandonar el ciclo como resultado de la acumulación de nitrato (sales potásicas del ácido nítrico) en la superficie de la Tierra.

Arroz. 100. Bacterias nódulos en las raíces de una leguminosa.

Cuando la materia orgánica se pudre, una parte importante del nitrógeno que contiene se convierte en amoníaco que, bajo la influencia de las bacterias nitrificantes que viven en el suelo, se oxida en ácido nítrico. Este último, al reaccionar con las sales de ácido carbónico del suelo, por ejemplo CaCO 3, forma nitrato: 2HNO 3 + CaCO 3 = Ca(NO 3) 2 + CO 2 + H 2 O

Siempre se libera una parte del nitrógeno orgánico. al pudrirse libremente en la atmósfera. El nitrógeno libre también se libera durante la combustión de sustancias orgánicas, al quemar madera, carbón, turba, etc. Además, existen bacterias que, con un acceso insuficiente al oxígeno, pueden eliminar las sales de ácido nítrico, destruyéndolas con la liberación de libre. nitrógeno. La actividad de estas bacterias desnitrificantes conduce al hecho de que parte del nitrógeno unido en una forma accesible a las plantas verdes (nitratos) se vuelve inaccesible (libre).

Así, no todo lo que formaba parte de las plantas muertas regresa al suelo; parte de él se libera constantemente en forma libre y, por lo tanto, se pierde en las plantas. La pérdida continua de compuestos minerales de nitrógeno debería haber llevado hace mucho tiempo al cese completo de la vida en la Tierra si no existieran en la naturaleza procesos que compensen la pérdida. de nitrógeno. Estos procesos incluyen, en primer lugar, las descargas eléctricas que se producen en la atmósfera, durante las cuales siempre se forma una cierta cantidad de óxidos de nitrógeno; estos últimos producen ácido nítrico con agua, que se convierte en nitrato en el suelo. Otra fuente de reposición de compuestos nitrogenados del suelo es la actividad vital de los llamadosAzotobacterias capaces de asimilar el nitrógeno atmosférico. Algunas de estas bacterias se depositan en las raíces de las plantas de la familia de las leguminosas, provocando la formación de hinchazones características: "nódulos", por lo que se denominan bacterias nódulos (Fig. 100). Asimilar atmosfériconitrógeno, las bacterias de los nódulos lo procesan en compuestos de nitrógeno y las plantas, a su vez, convierten estos últimos en proteínas y otros compuestos complejos. Por tanto, las legumbres sonSthenia, a diferencia de las demás, puede desarrollarse bien en suelos que casi no contienen compuestos nitrogenados.

Arroz. 101. Esquema del ciclo del nitrógeno en la naturaleza.

La actividad de las bacterias que asimilan el nitrógeno atmosférico es la principal razón por la que la cantidad de nitrógeno fijado en el suelo se mantiene más o menos constante, a pesar de las pérdidas que se producen durante la descomposición de los compuestos nitrogenados. Esta descomposición se compensa con la nueva formación de compuestos nitrogenados y, por tanto, en la naturaleza se produce un ciclo continuo del nitrógeno (Fig. 101).

Estás leyendo un artículo sobre el tema El ciclo del nitrógeno en la naturaleza.

El elemento químico con número atómico siete se designa con el símbolo N (nitrogenio). Su nombre, "zot", se traduce del griego antiguo como "sin vida". Este término, según una de las teorías sobre su origen, fue propuesto por Antoine Lavoisier en 1787, en lugar del anterior aire “flogistizado”, “estropeado” y “mefítico”. Fue entonces cuando un grupo de científicos franceses, en cuyo trabajo participó activamente Lavoisier, estaba desarrollando los principios de la nomenclatura química. Incluso entonces, se observó que la propiedad del nitrógeno no favorecía ni la combustión ni la respiración.

Según otra versión, la palabra "nitrógeno" no fue inventada por Lavoisier y sus colegas. Se encontraba en la literatura alquímica en los albores de la Edad Media para designar la llamada “materia primaria de los metales”, y se le atribuía, ni más ni menos, sino la propiedad de “alfa y omega” de todas las cosas. .

En la naturaleza, el nitrógeno se puede encontrar como una sustancia simple con la fórmula N2; es bastante insípido, incoloro e inodoro. Tres cuartas partes de la atmósfera terrestre están compuestas de nitrógeno. Este elemento juega un papel muy importante en la existencia de plantas y animales. En proteínas su porcentaje es del 16-18% en peso. También está incluido en la estructura de ácidos nucleicos, nucleoproteínas, aminoácidos, clorofila y hemoglobina. En las células vivas, en términos de número de átomos, el nitrógeno ocupa aproximadamente el 2% y, en términos de fracción de masa, esta cifra aumenta al 2,5%. El elemento N ocupa el cuarto lugar en importancia después de los elementos básicos de la química orgánica: hidrógeno, carbono y oxígeno.

Básicamente, el ciclo del nitrógeno en la naturaleza se basa en reacciones químicas en el aire. Entre ellos domina la oxidación. Además, una parte importante de las interacciones del nitrógeno la ocupan reacciones químicas en la biosfera. El lugar principal del N2 en la naturaleza es la atmósfera. Y las plantas juegan un papel importante; de ​​hecho, inician el ciclo del nitrógeno en la naturaleza. El mundo vegetal de nuestro planeta realiza la función de síntesis de proteínas. Como materiales se utilizan los nitratos que se encuentran en el suelo. La fuente de nitratos naturales es el nitrógeno atmosférico, y el mecanismo en sí para convertir una sustancia simple en una forma disponible para la asimilación de las plantas se llama fijación de nitrógeno.

Hay dos mecanismos para la fijación de nitrógeno. En la primera opción, durante las descargas de rayos se forma una cierta cantidad que, diluidos en agua, provocan la aparición de ácido nítrico, lo que impulsa la aparición de nitratos en el suelo. En la segunda opción se forma amoníaco. Las bacterias lo transforman en nitratos, generalmente ubicados en los nódulos de las raíces de las plantas tuberosas. Este mecanismo también se llama nitrificación.

La muerte de las plantas da como resultado la formación de compuestos de amonio. Las bacterias actúan sobre ellos, convirtiéndolos en nitratos y nitrógeno, que regresan a la atmósfera. La fijación, nitrificación y desnitrificación del nitrógeno son componentes de un complejo mecanismo que lleva a cabo el ciclo del nitrógeno en la naturaleza. El patrón de este proceso es que hay un intercambio entre la fijación de nitrógeno y la desnitrificación.

La fijación de nitrógeno ocurre cuando las plantas absorben nitrógeno del aire, un proceso que involucra a muchas bacterias y cianobacterias. Los productos de la fijación de nitrógeno son amoníaco, nitratos o nitritos.

El ciclo del nitrógeno en la naturaleza con la transición a la nitrificación da el siguiente paso desde la fijación. Ahora el amoníaco se convierte en nitratos y nitritos. Durante la desnitrificación, se completa el ciclo del nitrógeno en la naturaleza y los nitratos se descomponen en nitrógeno. En el proceso participan activamente pseudomonas, bacterias con forma de bastón y otros microorganismos.

Durante la desnitrificación pueden aparecer varios productos intermedios. El más importante de ellos es el óxido nitroso, un gas de efecto invernadero persistente.

Ampliando el tema, conviene comprender el significado de los conceptos de asimilación y mineralización. La asimilación es el proceso de convertir el nitrógeno inorgánico en su forma orgánica. La mineralización se refiere a la conversión de nitrógeno orgánico en un compuesto inorgánico. Los antagonistas, la asimilación y la mineralización son una forma importante de transformación de sustancias, durante la cual ocurre el ciclo del nitrógeno en la naturaleza.

La presentación de un informe sobre este tema se realiza con mayor éxito mediante tablas y diagramas.

El nitrógeno (o nitrógeno “N”) es uno de los elementos más importantes que se encuentran en la biosfera y los ciclos. Aproximadamente el 80% del aire contiene este elemento, en el que dos átomos están conectados para formar una molécula de N 2. El enlace de estos átomos es muy fuerte. El nitrógeno, que se encuentra en estado "ligado", es utilizado por todos los seres vivos. Cuando las moléculas de nitrógeno se descomponen, los átomos de N participan en diversas reacciones, combinándose con átomos de otros elementos. Muy a menudo el N se combina con el oxígeno. Dado que en tales sustancias el enlace del nitrógeno con otros átomos es muy débil, los organismos vivos lo absorben bien.

¿Cómo funciona el ciclo del nitrógeno?

El nitrógeno circula en el medio ambiente por caminos cerrados e interconectados. En primer lugar, el N se libera durante la descomposición de sustancias en el suelo. Cuando las plantas ingresan al suelo, los organismos vivos extraen nitrógeno de ellas y lo convierten en moléculas utilizadas para los procesos metabólicos. Los átomos restantes se combinan con átomos de otros elementos, tras lo cual se liberan en forma de iones de amonio o amoníaco. Luego, el nitrógeno se une a otras sustancias, tras lo cual se forman nitratos, que ingresan a las plantas. Como resultado, el N participa en la aparición de moléculas. Cuando la hierba, los arbustos, los árboles y otra flora mueren y caen al suelo, el nitrógeno regresa al suelo, tras lo cual el ciclo comienza de nuevo. El nitrógeno se pierde si forma parte de sedimentos, se convierte en minerales y rocas, o mediante la actividad de bacterias desnitrificantes.

Nitrógeno en la naturaleza

El aire no contiene alrededor de 4 billones de toneladas de N, pero el océano mundial contiene alrededor de 20 billones. montones La parte de nitrógeno disponible en los organismos de los seres vivos es de aproximadamente 100 millones de toneladas. De ellos, 4 millones de toneladas se encuentran en flora y fauna, y los 96 millones de toneladas restantes en microorganismos. Así, una parte importante del nitrógeno está presente en las bacterias, gracias a lo cual se fija el N. Cada año se unen entre 100 y 150 toneladas de nitrógeno durante diversos procesos. La mayor cantidad de este elemento se encuentra en los fertilizantes minerales producidos por el hombre.

Por tanto, el ciclo del N es una parte integral de los procesos naturales. Gracias a esto se producen varios cambios. Como resultado de la actividad antropogénica, el ciclo del nitrógeno en el medio ambiente está cambiando, pero hasta ahora esto no supone un gran peligro para el medio ambiente.

El nitrógeno es la base de los compuestos bioorgánicos (parte de las proteínas y), por lo tanto, el conocimiento sobre su ciclo en la naturaleza y el impacto de las actividades humanas en los procesos que implementan el ciclo del nitrógeno es muy importante para prevenir las crisis ambientales y los desastres asociados con él.

El contenido de nitrógeno es relativamente constante y asciende al 78% en volumen. El nitrógeno molecular es una sustancia muy inerte que prácticamente no reacciona con ninguna sustancia en condiciones normales. Y solo durante las descargas de rayos, se forman óxidos de nitrógeno a partir de nitrógeno y oxígeno molecular (primero óxido de nitrógeno (II) y luego óxido de nitrógeno (IV)), que, al reaccionar con el oxígeno, forman ácido nítrico y éste, al caer al suelo con La lluvia forma nitratos que las plantas utilizan para la síntesis de sustancias orgánicas que contienen nitrógeno.

Esta es una de las formas de incluir naturalmente nitrógeno molecular en el ciclo. Parte del nitrógeno molecular es fijado por bacterias fijadoras de nitrógeno. Durante las erupciones se producen ciertas cantidades de óxidos de nitrógeno. Los compuestos nitrogenados inorgánicos, en particular el amoníaco, se obtienen de la descomposición de productos de desecho de animales (descomposición de urea), así como de la acción de bacterias putrefactas sobre restos de animales, plantas y otros organismos. Cuando las sustancias orgánicas se queman, se forma nitrógeno molecular, que repone el nitrógeno atmosférico. Parte de las sustancias orgánicas que contienen nitrógeno pasan a formar parte de las rocas y permanecen eliminadas de los procesos durante mucho tiempo. La interconexión de procesos que aseguran la transición de nitrógeno de una unidad a otra se realiza mediante procesos de descomposición y formación de compuestos inorgánicos (amoníaco, sales de amonio y materia orgánica - urea), que pueden ser absorbidos por las plantas para la síntesis de compuestos bioorgánicos complejos. El traslado de compuestos nitrogenados de un territorio a otro se realiza debido a los movimientos de animales, vientos, agua, ríos, etc.

Los procesos naturales que ocurren en la implementación del ciclo del nitrógeno en la naturaleza están muy influenciados por la actividad humana. Los humanos reciben productos agrícolas en grandes cantidades y, como resultado, agotan significativamente los compuestos nitrogenados del suelo. Para aumentar la fertilidad del suelo es necesario aplicar fertilizantes que contengan nitrógeno, para lo cual se utilizan fertilizantes tanto orgánicos como inorgánicos, así como mezclas organominerales. Se sabe que todos los compuestos de nitrógeno (excepto los orgánicos complejos) son solubles y no pueden fijarse en el suelo; si no son absorbidos por las plantas, son lavados y transportados por el agua a diferentes áreas y terminan en las aguas subterráneas. Como se muestra arriba, los compuestos de nitrógeno tienen un efecto nocivo sobre los animales de sangre caliente y los humanos y contaminan las aguas naturales, haciéndolas inadecuadas para su uso. Además, las plantas, que acumulan compuestos nitrogenados inorgánicos en forma de nitratos en sus cuerpos, se vuelven inadecuadas para el consumo tanto de humanos como de animales.

Para la obtención de fertilizantes se ha desarrollado una tecnología de fijación del nitrógeno molecular (primero se convierte en amoníaco, del que finalmente se puede obtener nitrato de amonio u otros nitratos utilizados como fertilizantes).

Una gran cantidad de sustancias que contienen nitrógeno se obtienen como excrementos animales. Los compuestos de nitrógeno inorgánico (nitrógeno y sus óxidos) se forman durante la combustión de combustible, durante la producción y en otras industrias. Esto altera los procesos naturales del ciclo de las sustancias y daña el estado ecológico del planeta.