Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра геоэкологии

Реферат

По дисциплине: Экология мегаполисов и промагломераций

Тема: «Круговорот азота»

Выполнила: студентка гр. ИЗ-07-1 /Муравьева А.А./

Проверил: доцент /Исаков А.Е./

Санкт-Петербург

Введение

1. Круговорот азота

2. Влияние хозяйственной деятельности человека на круговорот азота

Список литературы

Введение

Азот – газ, молекула которого состоит из двух атомов. Он содержится в атмосфере – на его долю приходится 4/5 всего воздуха. В чистом виде азот соединяется лишь с очень немногими веществами и большинству живых организмов не нужен. Мы сами, например, с каждым вдохом вбираем немалое количество этого химического элемента, который потом выдыхается обратно. Часть его растворяется в крови, но и там с ним ничего не происходит.

Но если заставить азот соединиться с другими атомами, то образуются соединения, необходимые для всего живого. Растения и животные не могут способствовать образованию этих соединений. Таким свойством наделены некоторые бактерии, живущие в почве, - их называют азотфиксирующими. Только их присутствие в почве делает возможным существование всех других форм жизни.

Азотофиксация – процесс связывания свободного азота атмосферы биохимическим путем с помощью бактерий. Способностью к азотофиксации обладают бактерии Rhizobium, проникающие в корни растений (особенно в бобовые), свободноживущие Azotobakter, Clostribium, Azotomonos, а также отдельные роды сине – зеленых водорослей. Эти организмы называют азотофиксаторами. Биохимическая фиксация азота играет большую роль в азотном балансе почв и в земледелии.

1. Круговорот азота

Круговорот важнейшего элемента живого вещества - азота - охватывает все составные части геосферы и является одним из основных биогеохимических циклов, обеспечивающих поддержание жизни на нашей планете.

Азот - один из наиболее распространенных элементов на Земле. Его запасы в атмосфере нашей планеты составляют 4*10 15 т. (78,09% - по объему; 65,6% - по массе).

Азот поступает на земную поверхность вместе с другими газами при извержениях (около 30 т., из них 8 т. на суше, 22 т. за счет подводного вулканизма), при процессах ионизации атмосферы. Соединения азота, синтезированные при ионизации атмосферы, попадают на Землю с осадками в количестве 22 млн. т. азота (над сушей) и 82 т. (над океаном) в год.

Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

4NH 3 + 3O 2 => 2N 2 + 6H 2 O

Важнейшим источником поступления азота на земную поверхность является его биологическая фиксация - связывание молекулярного азота атмосферы в азотистые соединения различными микроорганизмами, в том числе клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с бобовыми растениями.

Некоторые количества связанного азота в почвах могут дать микроскопические сине-зеленые водоросли ( Cyauphyccal ), которые являются фотосинтезирующими микроорганизмами. Однако вряд ли поступление азота в почву в результате их деятельности в условиях неорошаемого земледелия превышает несколько килограммов на 1 га в год.

Азот, накопившийся в почве, принимает участие в биологическом круговороте. Ежегодно в биологическом круговороте на суше участвуют 2,3*10 9 т. азота (в пересчете на реальный растительный покров). Он входит в состав живого вещества и является основой растительной и в конечном итоге животной массы. Большая часть азота растений представлена белковыми веществами.

Азот является составной частью таких жизненно важных веществ, как нуклеиновые кислоты, хлорофилл, некоторых ростовых веществ (гетероауксин) и витаминов группы В.

Количество азота, вовлекаемого в продукцию живого вещества, в естественных условиях уравновешивается тем количеством, которое возвращается в почву при его отмирании и разложении.

Биологический азот претерпевает в почвах циклические превращения (из нитратов и нитритов - в аммиак и аминокислоты и обратно), в процессе которых он меняет свои валентности.

В результате процесса микробиологического превращения аммонийных солей в нитраты (нитрификация) азот накапливается в той форме, которая вполне доступна растениям. Интенсивность процесса нитрификации в значительной мере зависит от климатических и почвенных условий, температурного режима, увлажнения, химических и физических свойств почвы (степень аэрации, кислотность и др.). Количество общего азота, участвующего в биологическом круговороте, в экваториальном и тропическом поясах наиболее велико. Высокий окислительный потенциал среды способствует быстрой нитрификации азотсодержащих веществ.

Нитрификация – процесс микробиологического превращения аммонийных солей в нитраты – основную форму азотного питания растений. Протекает в почве и воде водоемов. Проходит в две стадии:

1) сначала ион аммония окисляется бактериями в нитрит – ион

NH 3 + O 2 + CO 2 = HNO 2 + - органическое вещество.

2) нитрит – ион окисляется в нитрат – ион

HNO 2 + O 2 + CO 2 = HNO 3 + - органическое вещество.

Процессы разложения органических остатков протекают также исключительно интенсивно и, наряду с господством промывного режима почв, приводят к быстрой потере органических и минеральных веществ.

В более высоких широтах темпы разложения органических остатков замедляются, сезонность климата обеспечивает перерывы во времени поступления опада. Это способствует лучшей аккумуляции питательных элементов в почвах, в том числе азота. Ежегодно с опадом во влажнотропических лесах возвращается 260 кг/га азота, в субтропических лесах - 226, лесах умеренного пояса-45-90 (иногда и менее), в степях - 90-161, пустынях - 14-18 кг/га.

На темпы разложения органического вещества почвы и нитрификации оказывают влияние термические и окислительно-восстановительные условия. С повышением температуры темпы нитрификации систематически возрастают, достигая максимума при 34,5

. Этот процесс не приостанавливается и при низких температурах, но идет крайне медленно, так как нитрифицирующие бактерии чувствительны к пониженной температуре.

При температуре ниже 8-10

, наряду с некоторыми снижениями поступлений в корни нитратного и аммиачного азота, ослабляется использование азота на образование органических азотных соединений и передвижение азота из корней в надземные органы. При еще более низких температурах (5-6 и ниже) поглощение азота корнями резко снижается.

В результате усиленной деятельности нитрифицирующих бактерий большое количество азота накапливается в парах (вчистом пару количество нитратного азота в 2- 2,5 раза выше, чем в занятом).

Ядохимикаты также оказывают определенное воздействие на деятельность почвенной микрофлоры и, таким образом, влияют на уровень обеспеченности растений азотом. Так, хлорорганические соединения (гексахлоран, гептахлор и др.) в случае применения в высоких дозах могут тормозить процессы нитрификации. Фосфорорганические соединения при внесении в повышенных дозах также способны в определенных условиях несколько депрессировать нитрификационные процессы. Такие препараты, как симазин, атразин и др. и производные хлорфеноксиуксусной и хлорфеноксимасляной кислот, к числу которых принадлежат широко распространенные гербициды, как правило, не оказывают депрессирующего влияния на почвенную микрофлору, хотя в отдельных случаях отмечается заметное угнетение нитрификации и стимулирующее влияние на аммонификацию. В то же время производные хлоруксусных и хлорпропионовых кислот проявляют себя довольно сильными ингибиторами нитрификации.

В результате разложения органических веществ, содержащих азот (аммонификация ), в почве накапливаются соли аммония и др. В присутствии кислорода разложение происходит быстрее с образованием продуктов глубокого распада. Без кислорода белок обычно расщепляется до полипептидов и аминокислот, т. е. сравнительно неглубоко. Конечными продуктами аммонификации являются аммиак, углекислота, метан, водород, вода.

Круговорот азота, обусловленный деятельностью живых организмов, не полностью замкнут, так как часть азота при участии бактерий превращается в элементарный азот и возвращается в атмосферу (денитрификация ).

Бактерии-денитрификаторы постоянно отдают азот в атмосферу: они разлагают нитраты в азот, который улетучивается. Эти бактерии активны главным образом в почвах, которые очень богаты азотом и углеродом (особенно в удобренных навозом). Количество азота, образующегося ежегодно в процессе денитрификации, составляет около 147*10 6 т. Результатом денитрификации являются, например, подземные газовые струи из чистого азота. На биогенный характер струй указывает отсутствие в них аргона, обычного в атмосфере.

Часть азота может выйти из круговорота за счет захоронения органического вещества в закрытых водоемах. Если принять суммарную мощность годового прироста торфообразователей для всей площади болот 11,3*10 14 г, то количество азота, ежегодно захороняющегося на суше (0,8-2,9% от веса торфообразователей), составляет около 20*10 6 т. Наибольшие количества азота могут выйти из круговорота в результате накапливания на поверхности Земли селитры (калийных солей азотной кислоты).

Рис. 100. Клубеньковые бактерии на корнях бобового растения

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве солями угольной кислоты, например с СаСО 3 , образует селитру: 2HNО 3 +CaCО 3 = Ca(NО 3) 2 + CО 2 +H 2 О

Некоторая же часть органического азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа и т. д. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе кислорода могут отнимать от солей азотной кислоты, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть связанного азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный ).

Таким образом, далеко не весь , входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постоянно выделяется в свободном виде и, следовательно, теряется для растений, Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на земле, если бы не существовали в природе процессы, возмещающие потери азота. К числу таких процессов относятся прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество окислов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в селитры. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий - «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий (рис. 100). Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения в свою очередь превращают последние в белки и другие сложные . Поэтому бобовые ра стения в отличие от остальных могут прекрасно развиваться на почвах, почти не содержащих азотных соединений.

Рис. 101. Схема круговорота азота в природе

Деятельность бактерий, усваивающих атмосферный азот, является главной причиной того, что количество связанного азота в почве остается более или менее постоянным, несмотря на потери, происходящие при разложении азотных соединений. Это разложение возмещается новым образованием азотных соединений, и таким образом в природе совершается непрерывный круговорот азота (рис. 101).

Вы читаете, статья на тему Круговорот азота в природе

Химический элемент с атомным номером семь обозначается символом N (Nitrogenium). Его название - «зот» - с древнегреческого переводится как «безжизненный». Это термин, по одной из теорий его возникновения, был предложен Антуаном Лавуазье в 1787 году, вместо предшествующих «флогистированный», «испорченный» и «мефитический» воздух. Именно тогда группа французских учёных, в работе которой Лавуазье принимал активное участие, занималась разработкой принципов химической номенклатуры. Уже тогда было подмечено свойство азота не поддерживать ни горение, ни дыхание.

По другой версии слово «азот» придумал не Лавуазье с коллегами. Оно встречалась ещё в алхимической литературе на заре средневековья для обозначения так называемой «первичной материи металлов», а ей приписывалось, ни много ни мало, а свойство «альфа и омеги» всего сущего.

В природе азот может содержаться, как простое вещество с формулой N2, он представляет собой достаточно без вкуса, цвета и запаха. Три четверти земной атмосферы состоят из азота. Этот элемент играет очень важную роль в существовании растений и животных. В составе белков его процентное содержание составляет 16—18 % по массе. Также он входит в структуру нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, аминокислот, хлорофилла, гемоглобина. В живых клетках по количеству атомов азот занимает около 2 %, а по массовой доле этот показатель возрастает до 2,5 %. Элемент N занимает четвёртое место по значимости после основных элементов органической химии - водорода, углерода и кислорода.

В основном круговорот азота в природе основывается на химических реакциях в воздухе. Среди них доминирует окисление. Также существенную долю среди взаимодействий азота занимают химические реакции в биосфере. Основное место N2 в природе - это атмосфера. А растения играют важную роль, по сути, они начинают круговорот азота в природе. Растительный мир нашей планеты выполняет функцию синтеза белков. В качестве материалов используются нитраты, что находятся в почве. Источником природных нитратов служит азот атмосферный и Сам механизм преобразования простого вещества в форму, доступную для усвоения растениями, получил название связывание азота.

Существуют два механизма протекания связывания азота. В первом варианте в ходе грозовых разрядов образуется некоторое количество Разбавляясь в воде, они провоцируют появление азотной кислоты, которая и дает толчок для появления в почве нитратов. Во втором варианте происходит образование аммиака. Его перерабатывают бактерии в нитраты, обычно они располагаются в узелках корней клубневых растений. Ещё этот механизм называют нитрификацией.

Смерть растения приводит к образованию соединений аммония. Над ними работают бактерии, превращая их в нитраты и азот, возвращающийся в атмосферу. Фиксация, нитрификация и денитрификация азота - составные части сложного механизма, осуществляющего круговорот азота в природе. Схема этого процесса заключается в том, что происходит обмен между фиксацией азота и его денитрификацией.

Фиксация азота происходит, когда растения усваивают из воздуха, в этом процессе участвуют многие бактерии и цианобактерии. Продуктами фиксации азота является аммиак, нитраты или нитриты.

Круговорот азота в природе с переходом к нитрификации осуществляет следующий шаг от фиксации. Теперь аммиак переходит в нитраты и нитриты. В ходе денитрификации завершается круговорот азота в природе, при этом нитраты разлагаются до азота. Активное участие в процессе принимают псевдомонас, палочковидная бактерия и другие микроорганизмы.

В ходе денитрификации может появиться несколько промежуточных продуктов. Наиболее важный из них - закись стойкий парниковый газ.

Раскрывая тему, стоит уяснить значение понятий ассимиляция и минерализация. Ассимиляция представляет собой процесс перехода неорганического азота в его органическую форму. Под минерализацией подразумевается преобразование органического азота в соединение неорганические. Антагонисты ассимиляция и минерализация являются важной формой преобразования веществ, в ходе которых происходит круговорот азота в природе.

Презентация доклада по этой теме наиболее удачно осуществляется при использовании таблиц и схем.

Азот (или нитроген «N ») – это один из важнейших элементов, который содержится в биосфере, и совершат круговорот. Около 80% воздуха содержит этот элемент, в котором два атома соединены в молекулу N 2. Связь этих атомов весьма прочная. Азот, который находится в «связанном» состоянии, используется всеми живыми существами. Когда молекулы нитрогена расщепляются, атомы N принимают участие в различных реакциях, соединяясь с атомами иных элементов. Довольно часто N соединяется с оксигеном. Поскольку в таких веществах связь нитрогена с другими атомами весьма слабая, то он хорошо усваивается живыми организмами.

Как протекает круговорот нитрогена

Нитроген циркулирует в окружающей среде по путям замкнутым и взаимосвязанным. В первую очередь, N выделяется при распаде веществ в грунте. Когда растения попадают в почву, живые организмы извлекают из них азот, благодаря чему он превращается в молекулы, используемые для процессов обмена веществ. Оставшиеся атомы соединяются с атомами иных элементов, после чего освобождаются в виде ионов аммония либо аммиака. Затем азот связывается другими веществами, после чего образуются нитраты, которые поступают в растения. В результате N участвует в появлении молекул. Когда травы, кустарники, деревья и другая флора отмирает, попадает в землю, нитроген снова возвращается в грунт, после чего круговорот наступает снова. Азот теряется, если входит в состав осадочных веществ, преобразуется в минералы и породы, либо при деятельности денитрифицирующих бактерий.

Нитроген в природе

В воздухе содержится не около 4 квадриллионов тонн N , а в Мировом океане – примерно 20 трлн. тонн. Та часть нитрогена, имеющаяся в организмах живых существ, составляет примерно 100 млн. тонн. Из них 4 миллиона тонн находится во флоре и фауне, а остальные 96 миллионов тонн – в микроорганизмах. Таким образом, значительная часть нитрогена присутствует в бактериях, благодаря которым N связывается. Ежегодно во время различных процессов связывается 100-150 тонн нитрогена. Наибольшее количество этого элемента есть в минеральных удобрениях, которые производят люди.

Таким образом, цикл круговорота N – это неотъемлемая часть природных процессов. Благодаря этому вытекают различные изменения. В результате антропогенной деятельности происходит изменение круговорота азота в среде, но пока что это не представляет большой опасности для окружающей среды.

Азот - основа биоорганических соединений (входит в состав белков и ), поэтому знания о его круговороте в природе и влиянии деятельности человека на процессы, реализующие круговорот азота, очень важны для предотвращения экологического кризиса и катастроф, с ним связанных.

Содержание азота в относительно постоянно и составляет 78% по объему. Молекулярный азот является весьма инертным веществом, которое практически не реагирует ни с какими веществами при обычных условиях. И только при грозовых разрядах из азота и молекулярного кислорода образуются оксиды азота (сначала оксид азота(II), а потом оксид азота(IV)), которые, реагируя с и кислородом, образуют азотную кислоту, а она, попадая в почву с дождями, образует нитраты, используемые растениями для синтеза органических азотсодержащих веществ.

Это один из путей естественного включения молекулярного азота в круговорот. Часть молекулярного азота связывается азотфиксирующими бактериями. Определенные количества оксидов азота образуются при извержениях . Неорганические соединения азота, в частности аммиак, получаются при разложении продуктов жизнедеятельности животных (разложение мочевины), а также при воздействии гнилостных бактерий на останки животных, растительных и других организмов. При сгорании органических веществ образуется молекулярный азот, пополняющий азот атмосферы. Часть органических веществ, содержащих азот, уходит в состав горных пород и на длительное время выбывает из процессов . Взаимосвязь процессов, обеспечивающих переход азота от одного звена к другому реализуется через процессы гниения и образования неорганических соединений (аммиака, солей аммония и органического вещества - мочевины), которые способны усваиваться растениями для синтеза сложных биоорганических соединений. Перенос соединений азота с одной территории на другую осуществляется за счет перемещений животных, ветров, водных , рек и т. д.

На естественные процессы, протекающие в реализации круговорота азота в природе, огромное влияние оказывает деятельность человека. Человек получает сельскохозяйственную продукцию в больших объемах и за счет этого значительно обедняет почву соединениями азота. Для повышения плодородия почв необходимо внесение удобрений, содержащих азот, для чего применяются как органические, так и неорганические удобрения, а также органоминеральные смеси. Известно, что все соединения азота (кроме сложных органических) растворимы и не могут закрепляться в почве - если они не усваиваются растениями, то вымываются и переносятся водами по разным территориям, попадая в грунтовые воды. Как было показано выше, соединения азота оказывают вредное воздействие на теплокровных животных и человека, загрязняют природные воды, делая их непригодными для использования. Кроме этого, растения, накапливая в своем организме неорганические соединения азота в виде нитратов, становятся малопригодными для употребления в пищу как человеку, так и животным.

Для получения удобрений разработана технология связывания молекулярного азота (его сначала превращают в аммиак, из которого в конечном счете можно получить нитрат аммония или другие нитраты, применяемые в качестве удобрений).

Большое количество азотсодержащих веществ получается в качестве отходов животноводства. Неорганические соединения азота (азот и его оксиды) образуются при сжигании топлива, при производстве и в других производствах. Это нарушает естественные процессы круговорота веществ и наносит ущерб экологическому состоянию планеты.