70. Круговорот n2
Азот - один из самых распространенных элементов на Земле, важнейшая составляющая живого вещества. Круговорот азота также охватывает все области биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после его соединения с водородом или кислородом. Важнейшую роль при этом играют азотфиксирующие бактерии. Азот вовлекается в биогенный круговорот двумя путями: 1) путем растворения разных оксидов азота в дождевой воде и поступления его таким образом в почвы, воду и океан; 2) путем биологической фиксации азота клубеньковыми бактериями, свободными азотфиксирующими микроорганизмами. Азот в живых организмах занимает очень важное место, он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Молекулярный азот атмосферы могут усваивать лишь некоторые микроорганизмы и сине-зеленые водоросли, переводя его в азотистые соединения. Азотфиксация является важнейшим биологическим процессом, играющим важную роль в круговороте азота в природе и обогащающим почву и водоемы связанным азотом.
Остатки организмов на поверхности Земли и погребенные в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический азот подвергается многочисленным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий вновь образуется элементарный азот, возвращающийся непосредственно в атмосферу.
При разложении белков образуются также аммиак и его производные, попадающие также в воздух и воду океана. В биосфере в результате нитрификации — окисления аммиака и других азотсодержащих органических соединений при участии бактерий — образуются различные оксиды азота, которые являются основой образования азотной кислоты. Азотная кислота, соединяясь с металлами, дает соли. В результате деятельности денитрофицирующих бактерий соли азотной кислоты восстанавливаются до азотистой кислоты и далее до свободного азота.
Поясним всё сказанное с помощью схемы и химических реакций.
На рис. представлена схема круговорота азота с учетом физико-химических превращений. Направление 1, характеризующее переход от N2 к HNO3, является важнейшим природным процессом.
Электрические разряды (грозы) в теплой и влажной атмосфере отдаленных геологических эпох обусловливали частичную диссоциацию N2 (г) и Н2О (пар) на атомы элементов, связывание атомов N в NO, а затем в NО2 и HNO3. Вместе с дождями HNO3 попадала на Землю и нейтрализовалась солями более слабых кислот, в частности, угольной. Азот может быть использован биологической системой непосредственно за счет его фиксации. Переход 1 в природе протекает за счет биологической фиксации азота клубеньковыми бактериями. В гидросфере фиксацию осуществляют сине-зеленые водоросли (направление 2): N2 -сине-зеленыеводоросли ->2N(фиксация). (4.2) 2 N + 3Н2 -> 2NH3.
Линия 3 показывает, что с развитием органической жизни нитраты послужили материалом для выработки белковых веществ. При гниении (линия 4) связанный азот переходит в аммиак и соли аммония: NH2-(CH2)X-COOH - аммонификация-> 6NH3 + CO2 + H2O.
Конечные продукты гниения частично вновь усваиваются растениями 5, а частично перерабатываются в почве в нитраты, т. е. подвергаются нитрификации (6): 2NH3 + 3O2 -нитробактерии-> 2 HNO2 + 2H2O + 720 кДж ; 2 HNO2 + O2 -нитробактерии-> 2 HNO2 + 92 кДж
Азотная кислота, реагируя с находящимися в почве карбонатами, например, кальция, образует нитриты.
На этом основной цикл превращений связанного азота (1-6) замыкается. В нем есть источники потерь, в частности, по реакции (линия 7) 5 С + 4 KN03 -денитрофицирующие бак.-> 2K2C03+3C02+2N2+1334 кДж .
Кроме того, при нитрификации 8 и гниении 9 всегда выделяется определенное количество свободного азота.
Наряду с источниками потерь связанного азота, в природе есть также источники его пополнения. За счет электроразрядов 7 в почву ежегодно вносится до 15 кг связанного азота на гектар; за счет азобактерий - до 50 кг на гектар по реакции: 2 N2 + 6 Н2О + 3 С + 346 кДж = 4 NH3 + 3 СО2.
Деятельность человека сказывается и на утечке, и на поступлении связанного азота в биосферу. Утечки 7,9 вызываются сгоранием топлива, например фурана, в жидкостном реактивном двигателе: C4H4O + 3,6HNO3 = 4CO2 + 3,8H2O+1,8N2, широким применением взрывчатых веществ.
Люди научились создавать искусственные экосистемы, выращивая урожаи кукурузы, пшеницы и других зерновых культур без участия бобовых. При этом азот воздуха фиксируется на химических заводах. Искусственно полученные аммоний и нитрат представляют собой основные ингредиенты минеральных удобрений. Однако их высокая цена вынуждает специалистов реконструировать естественные условия, чередуя в севообороте бобовые и остальные культуры.