§ 53. Круговорот веществ в биосфере
*Круговорот азота
Запасы азота в атмосфере практически неисчерпаемы (около 78 % по объему). Однако большинство живых организмов не могут использовать его непосредственно. Поэтому важным звеном в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота.
Биологическая (почвенная) фиксация осуществляется микроорганизмами. Азотфиксирующие бактерии могут превращать биологически недоступный молекулярный азот атмосферы в соединения, доступные для зеленых растений.
Азотфиксирующие микроорганизмы делятся на две группы: живущие самостоятельно и симбионты высших растений. Свободноживущие азотфиксаторы — цианобактерии. Самые известные азотфиксаторы-симбионты, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. Клубеньковые бактерии являются основными поставщиками фиксированного азота на суше. На использовании клубеньковых бактерий основан традиционный метод повышения плодородия почвы. На поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые могут использовать азот для построения аминокислот, белков и своего роста.
Азот в составе растений попадает в организм травоядных животных, а затем — хищных. После отмирания живых организмов (растений, животных) детрит разлагается редуцентами с выделением аммиака NH3. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов, которые усваиваются растениями, а денитрифицирующие бактерии при разложении детрита возвращают молекулярный азот обратно в атмосферу.
Часть фиксированного азота почвы выносится в реки, а из них в моря и океаны, вызывая их загрязнение.
Если нитратов и нитритов в почвенных растворах много, их много и в растительных продуктах питания. Нередко их концентрация в десятки раз превышает предел, установленный Всемирной организацией здравоохранения (45 мг/л). Зарегистрированы случаи заболевания людей и животных, связанные с высоким содержанием нитратов в растительных пищевых продуктах, кормах и воде. Существуют рекомендации, позволяющие снизить содержание нитратов в пищевых продуктах.
Атмосферная фиксация. В атмосфере связанный азот образуется при разрядах молний, вызывающих взаимодействие азота с кислородом с образованием оксида азота, а затем диоксида азота. Диоксид азота растворяется в водяных парах, образуя азотную кислоту (HNO3), которая вместе с осадками попадает в почву. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.
Промышленная фиксация. Цивилизация существенно усилила поступление связанного азота в биосферу. При высокотемпературных процессах сгорания топлива на электростанциях и в транспортных двигателях азот воздуха окисляется и в виде оксидов попадает в атмосферу. Большое количество азота ежегодно связывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобрений. Азот из таких удобрений усваивается растениями в аммонийной и нитратной формах.
В результате антропогенные потоки связанного азота стали примерно равны природным. Уже сейчас это приводит к серьезным локальным и региональным последствиям.
Повторим главное. Главными условиями устойчивого существования биосферы являются постоянно протекающий круговорот веществ и поток энергии. С использованием солнечной энергии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический. В круговоротах кислорода, углерода и азота основная роль принадлежит живым организмам. Основу же глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы.