Автор: Кудеяров В.Н.Статей: 2Азот биогенныйАЗОТ БИОГЕННЫЙАвторы: В.Н. КудеяровАЗОТ БИОГЕННЫЙ, входит в состав всех живых организмов и необходим для их жизнедеятельности. В живых клетках на его долю приходится в ср. 8-10% всех др. элементов. Он содержится в белках, нуклеиновых кислотах, во мн. низкомолекулярных природных соединениях. Гл. источник А. б. - атмосфера. Однако этот азот может быть использован только прокариотными организмами - азотфиксирующими бактериями и археями. В процессе азотфиксации они переводят N 2 из инертного состояния в реакционноспособное, восстанавливая его в аммиак NH 3. Последний легко усваивается растениями, которые используют его для биосинтеза органич. соединений (т. е. переводят в связанную форму). В осн. через растения А. б. становится доступным животным и грибам. Почвенные бактерии-аммонификаторы минерализуют органич. остатки организмов до аммониевых солей (см. Аммонификация), а нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак и аммониевые соли до нитратов и нитритов, используемых растениями и др. микроорганизмами. Часть нитратного А. б. теряется при участии бактерий-денитрификаторов, превращаясь в газообразные соединения, обычно в форме N 2, иногда в виде гемооксида (редко - оксида) азота. В ходе денитрификации А. б. удаляется из почвы и воды и вновь попадает в атмосферу. И хотя процесс денитрификации сопровождается потерей доступного растениям азота, но постоянно протекающий процесс азотфиксации компенсирует эти потери. Т. о., совокупность азотфиксации, нитрификации и денитрификации обеспечивает круговорот азота на планете, сохраняя динамич. равновесие между содержанием N 2 в атмосфере и содержанием связанного азота в почве, растениях и животных. В почвах азот присутствует в форме разл. минеральных (гл. обр. аммониевые соли, нитраты) и органических (в осн. продукты микробиологич. разложения растит. и животных остатков) соединений. Он сосредоточен преим. в гумусовых горизонтах, где его концентрация колеблется от менее 0,05% (лёгкие песчаные и пустынные почвы) до 2% и более (торфяники). Биогеохимические циклы Рис. И.В. Коротковой СХЕМА БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЦИКЛИЧНОСТИ В БИОСФЕРЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫАвторы: В.Н. КудеяровБИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ (биогеохимический круговорот веществ), обмен веществом и энергией между разл. компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклич. характер. Впервые понятие о «Б. ц.» было введено в нач. 20 в. В.И. Вернадским, разработавшим теоретич. основы биогеохимич. цикличности. Б. ц. в общепланетарном понимании рассматриваются как постоянное перемещение химич. элементов под воздействием солнечной энергии с участием живых организмов. При этом разл. химич. элементы постоянно переходят из одних соединений в другие, происходит обмен веществом и энергией между живым и неживым. В Б. ц. исключительная роль принадлежит фотосинтезу, благодаря которому солнечная энергия аккумулируется в виде энергии химич. связей органич. соединений и служит движущей силой всех биогеохимич. процессов. В биогеохимич. круговороты вовлекаются прежде всего необходимые для жизнедеятельности организмов биогенные элементы, в т. ч. C, H, N, O, Ca, P, S, Fe, Zn, Mn, Cu. Таким образом, благодаря фотосинтезу и непрерывно действующим взаимосвязанным круговоротам элементов создаётся устойчивая организованность биосферы. Первоначально на планете сложились абиогенные циклы, включающие весь комплекс геологич., геохимич., гидрологич. и атмосферных процессов. Определяющую роль играли гл. обр. водная и воздушная миграции и аккумуляция веществ. Однако по мере совершенствования разл. форм жизни круговорот веществ в природе стал направляться совместным действием биологич., геохимич. и геофизич. факторов. Организмы, находясь в состоянии постоянного обмена с окружающей их средой, воспринимают и отдают разнообразные минер. и органич. соединения в виде газов, растворов, твёрдых тел. Экосистемы суши и Мирового океана связаны между собой через гидрологич. сток и воздушную миграцию путём образования, переноса и выпадения атмосферных осадков, аэросуспензий и аэрозолей, а также путём обмена суши и водной среды массами живого и мёртвого вещества. В разных компонентах биосферы в соответствии с местными климатич. и геологич. особенностями общепланетарный круговорот проходит по-разному, с неодинаковыми интенсивностью, направленностью, скоростью, качественным разнообразием вовлечённых в круговорот веществ. Т. е. в разных участках биосферы создаются свои устойчивые Б. ц., которые характеризуют столь же устойчивый биогеохимич. фон местности. Выделяют также отд. ветви круговорота, различающиеся по скорости обменных процессов. Самый быстрый обмен элементами происходит среди микроорганизмов (от нескольких минут до суток), в системе почва-растение он длится от недель до десятков и даже сотен лет, а в экосистемах и ландшафтах - десятки, сотни и даже тысячи лет. Общепланетарный цикл вещества, охватывающий все природные тела биосферы (включая глубокие горизонты донных отложений и земную кору), протекает медленно и исчисляется, по-видимому, сотнями тысяч и миллионами лет. Нормальные (ненарушенные) Б. ц. не являются замкнутыми; степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95-98%. Этим поддерживается относит. постоянство и «равновесие» состава, количества и концентрации компонентов, вовлечённых в круговорот, гармония в отношениях организмов и окружающей среды. Однако в масштабах геологич. времени неполная замкнутость Б. ц. приводит к миграции и дифференциации элементов, их концентрированию или рассеянию. Часть элементов изымается из Б. ц., оставаясь в т. н. запасном фонде. Углерод, напр., способен задерживаться в древостое лесов неск. сотен лет, в гумусе почв - тысячи лет, в залежах торфа десятки тысяч лет, в каменном угле - миллионы лет. За всю историю биосферы (3,5-3,8 млрд. лет) следствием этих процессов стало биогенное накопление в атмосфере O 2 и N 2, появление озонового экрана; произошло биогенное концентрирование углерода (600 млн. лет назад сформировались запасы ископаемого топлива - горючие сланцы, нефть, уголь, битумы, а также известняков, доломитов), кремнезёма (диатомиты, трепелы), фосфора, железа, меди и др. соединений. Биогеохимич. процессы концентрирования и рассеяния элементов контрастно выявили химич. неоднородность биосферы, мозаичность её геохимич. облика. В масштабах биосферы количество перемещаемых элементов в процессе жизнедеятельности живых организмов огромно. Так, высшие наземные растения в ходе фотосинтеза ежегодно усваивают 60-70 млрд. т углерода и диоксида углерода, что эквивалентно 8-10% общего его количества в атмосфере Земли. Примерно столько же CO 2 выделяется в процессе дыхания почвенными микроорганизмами. Полная оборачиваемость CO 2 атмосферы Земли происходит каждые восемь лет. Круговороты мн. элементов (в т. ч. Ca, Mg, Al, Mn, Fe, Zn, Cu, P, S, F, Br, I) относятся к осадочному типу, т. е. в обменных процессах участвует очень малое их количество, а осн. часть в виде плохо растворимых солей выводится из циклов. Это приводит к неравномерному распределению элементов в земной коре и образованию т. н. биогеохимич. провинций с природной повышенной или пониженной концентрацией того или иного элемента относительно «нормального» геохимич. фона. Недостаток или избыток в почвах таких элементов, как F, Br, B, Cu, Co и некоторых других служит причиной возникновения эндемич. заболеваний человека и животных. Существенная особенность Б. ц. - концентрирование биотой в средах её обитания тех или иных биогенных элементов в количествах, во много раз превышающих их содержание во внешней среде. Это относится прежде всего к почве, которая является вместилищем всех необходимых для растений элементов. Благодаря корневой системе растений, глубоко проникающей по почвенному профилю, многие химич. элементы из материнских пород поступают в верхние горизонты почвы и накапливаются в ней. По В.И. Вернадскому, почва в Б. ц. является областью наивысшей геохимич. энергии живого вещества, важнейшая (по своим геохимич. последствиям) «лаборатория» идущих в ней химич. и биохимич. процессов. В совр. биосфере Б. ц. подвергаются сильным воздействиям со стороны хозяйств. деятельности человека, причём масштабы антропогенного влияния сравнимы с природными биогеохимич. процессами. На поверхность из недр Земли ежегодно извлекается более 160 млрд. т разл. горных пород; за год сжигается столько горючих ископаемых, сколько создавала их природа в течение миллионов лет; в процессе пром. произ-ва, при работе тепловых электростанций и транспорта в атмосферу выбрасываются огромные количества небезопасных для живых организмов и часто токсичных газов (см. Загрязнение окружающей среды). Нарушен ранее существовавший баланс между усвоением CO 2 в ходе фотосинтеза и его поступлением в атмосферу. Ежегодная фотосинтетич. продукция составляет (1,2-1,9) · 10 11 т, а расходуется на разл. виды антропогенной деятельности (сжигание топлива, металлургия, химич. пром-сть и др.) (8-9) · 10 9 т, т. е. ежегодно дополнительно расходуется ок. 5% количества O 2, вырабатываемого в природе. Ежегодный прирост в атмосфере содержания CO 2 составляет 3 млрд. т (в пересчёте на углерод), в осн. за счёт сжигания ископаемого топлива и бесконтрольной вырубки лесов. Это влечёт за собой нарастание парникового эффекта. Круговорот азота всегда осуществлялся благодаря постоянно протекающим процессам азотфиксации, аммонификации, нитрификации и денитрификации (см. Азот биогенный). Совр. пром-сть по произ-ву удобрений фиксирует азот атмосферы и возвращает его в почвы в размерах, превышающих биологич. фиксацию. Происходит постоянное увеличение содержания нитратов в водоёмах и оксидов азота в атмосфере, что сопровождается соответственно эвтрофикацией водоёмов и подкислением атмосферных осадков; накопление гемиоксида азота (NO 2) в атмосфере способствует созданию парникового эффекта и разрушению озонового слоя. Формируются техногенные (антропогенные) геохимич. аномалии в зонах, прилегающих к крупным пром. предприятиям; происходит накопление в почвах и живых организмах тяжёлых металлов (в районах действия некоторых вредных производств и вдоль автострад). Нередко в крупных индустриальных центрах локальные аномалии переходят в региональные и общепланетарные (повышение содержания CO 2 в атмосфере). Меры борьбы с нарушением Б. ц. связаны с природоохранной деятельностью, созданием малоотходных технологий, широкой реутилизацией продуктов промышленного и сельскохозяйственного произ-ва, с поисками путей оптимизации осн. характеристик Б. ц. и возможностью разумного управления ими. См. также ст. Биосфера и лит. при ней. Литература Лит.: Биогеохимические циклы в биосфере. М., 1976; Круговорот углерода на территории России. М., 1999. |
 |