хемоавтотрофы играют важную роль в биосфере так как повышают плодородие почвы

Круговорот азота в природе — описание, этапы и значение процесса

Азот — вещество, непрерывно циркулирующее в земной биосфере. В переводе с латинского означает «безжизненный». Представляет собой газообразный элемент, не имеющий запаха, цвета и вкуса. Он чаще других встречается в природе. Это первичный и важный элемент любого живого существа. Круговорот азота — биохимический процесс, обусловленный жизнедеятельностью различных организмов и человека.

Значение круговорота N2 для биосферы

Для того чтобы дать описание и схему круговорота азота в природе, нужно помнить, что этот элемент — важная часть белков и ДНК. Без него жизни, какой её знает человечество, могло и не быть. Но биологические существа способны усвоить его только в определённом виде. В результате различных геологических процессов этот элемент принимает ту форму, которой могут воспользоваться организмы. Обмен элементами между живыми существами, воздухом, водой и земной корой получил название биогеохимических циклов.

Таким образом, микроэлементы, являющиеся частью биологического организма, возвращаются в природу. В этом процессе частицы постоянно перемещаются между воздухом, водой и живыми организмами, в противном случае жизнь давно бы истратила свои ресурсы.

N2 входит в состав всего живого. Это один из самых популярных в природе элементов. Атмосфера земли на 78% состоит из N2. Он также содержится в воде и почве и входит в состав белков.

Этот элемент включается в синтез важнейших органических молекул, белков и нуклеиновых кислот. Азот в виде газа, содержащийся в атмосфере, довольно инертен и немногие организмы способны получать его из воздуха. Растения могут поглощать лишь связанный микроэлемент, то есть в составе химических соединений.

Молекулярный азот — очень стойкое соединение. Для его разрушения необходимо большое количество энергии.

Связывание или фиксация происходит тремя способами:

Для того чтобы понять, какие организмы принимают участие в круговороте азота, надо вспомнить класс биологии. Существуют важнейшие азотфиксаторы цианобактерии. Они играют важную роль в водных экосистемах. N2 также свободно фиксируется свободноживущими почвенными бактериями. При помощи специального фермента бактерии фиксируют атмосферный азот, синтезируя аммиак и нитраты. Получается взаимовыгодное существование. Микроорганизмы обеспечивают растения азотом, а растения питают бактерии сахарами.

Большинство видов растений получает нитраты из почвы. Растительные белки становятся частью травоядных животных, а затем хищников. В круговороте бактерии играют важнейшую роль, разлагая сложные азотсодержащие соединения, чтобы их усвоили растения. В условиях недостатка кислорода некоторые бактерии разлагают органические вещества до получения газообразного азота. Он возвращается в атмосферу и весь цикл повторяется вновь.

Этапы круговорота атмосферного азота

Для того чтобы кратко описать и понять этот процесс, нужно представить биосферу, как два соединяющихся сосуда разных размеров. В большом находится вещество из воздуха и воды, в маленьком — элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. В трубке, которая их соединяет — переходящий в разные состояния азот. Так в живой природе происходит его поступление в организм.

Процесс круговорота очень медленный. Он имеет определённую последовательность:

Азот в живой природе

Роль азота в природе ещё не изучена до конца. Любая экологическая система усваивает небольшое количество вещества. Поэтому при производстве удобрений нарушается баланс между газом из органических соединений, вернувшимся в атмосферу, и элементами из воздушной среды.

Было отмечено, что его состояние может переходить из техногенного потока в природный. Лишнее количество газа накапливается в природе и вызывает отрицательные последствия. Выявлена закономерная связь между сельским хозяйством, например, применением различных добавок, и загрязнением окружающей среды.

Приблизительно 36% азота, который проникает в землю с удобрениями, просачивается в сточные воды. В них оказывается большое количество нитратов азота, которые, попадая в реки и озёра, вызывают усиленное размножение растений.

Этот процесс получил название эвтрофикация, то есть загрязнение водных ресурсов водорослями. Это одно из самых важных экологических последствий в применении этого вещества. Молекулы служат питательной средой для водяных растений. Путём накапливания они разрастаются очень быстро, затемняют водоём и не дают развиваться другим растениям. Со временем водоросли отмирают. Для их разложения необходимо очень большое количество воздуха.

Водный фонд становится бедным на наличие кислорода. Из неё уходят все возможные живые организмы, такие как ракообразные и рыба. Вода заболачиваются, превращаясь со временем в болото, и пересыхает.

Ещё одной причиной загрязнения являются фермы. Есть три фактора:

При этом в воздух попадает аммиак. На расстоянии двух километров от ферм наблюдается его распространение и загрязнение воздуха. В результате близлежащие водоёмы оказываются загрязнены. Для предотвращения этого ниже по склону устраиваются пруды. А площадки откорма скота обязательно проектируются с учётом отметки грунтовых вод.

Последствием нарушения баланса азота в атмосфере является увеличение количества нитратов в продуктах питания. В культурах, которые выращивают в сельском хозяйстве, могут содержаться большие дозы нитратного азота. Его образование возможно при неправильной транспортировке, а также при помощи бактерий. При попадании в организм и взаимодействии с гемоглобином они нарушают проникновение кислорода в кровь. Это серьёзно отражается на здоровье человека.

Окислы также входят в состав азотного соединения. Соединения образуются и оказываются в атмосфере путём сжигания газа, выделяются при использовании автомобиля или турбинных самолётов. Они не причиняют вреда только в том случае, если не окисляются озоном до двуокиси азота. Нахождение большой концентрации в организме приводит к тяжёлым заболеваниям.

Для предотвращения чудовищных последствий этой проблемы необходимо тщательно изучать круговорот азота. Нужно найти способы соблюдения баланса между экосистемой и человеком. Можно заметить, что в современном мире при описании круговорота элементов возникают определённые затруднения, так как не все его процессы до конца изучены.

Влияние человека на круговорот

Деятельность людей имеет непосредственное отношение к этому. Промышленность является самым интенсивным вмешательством в этот процесс. Главным источником распространения лишнего объёма газа в атмосфере считается сельское хозяйство. Выращиваемые культуры поглощают множество питательных веществ, тем самым обедняя её. Картофель, свёкла, зерновые, каждый год потребляют до 200 кг вещества с одного гектара земли.

Если применение органических удобрений недостаточно или полностью отсутствуют бобовые растения, то при исчерпании резервных сил и вымывании полезных элементов из почвы ухудшается ее состояние и плодородие. И наоборот. Чрезмерное накопление удобрений приводит к увеличению количества вещества для наземных растений и уменьшению свободного азота, попадающего в атмосферу.

Источник

Круговорот азота в природе

Азот непрерывно циркулирует в земной биосфере под влиянием различных химических и нехимических процессов, причем в последнее время связанный азот попадает в атмосферу в основном благодаря деятельности человека.

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме (см. Химические связи), при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N₂. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH₃) или ионов аммония (NH₄ + ). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO₃ – ). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10 15 ) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·10 12 ) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании 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 этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).

Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота азота — еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось человечество. В связи с этим можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации».

Источник

Хемоавтотрофы играют важную роль в биосфере так как повышают плодородие почвы

Азот — необходимый компонент важнейших органических соединений: белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др. Основные его запасы сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступного для растений, так как они способны использовать его только в виде неорганических соединений.

К прямой фиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь некоторые прокариотические организмы: бактерии и цианобактерии. Наиболее активными азотфиксаторами являются клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клетках корней бобовых растений. Они переводят молекулярный азот в соединения, усваиваемые растениями. После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота. Значительную роль в обогащении водной среды азотистыми соединениями играют цианобактерии.

Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными (аммонифицирующими) бактериями до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым газом и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты.

Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Его результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом.

Процессы нитрификации и денитрификации были полностью сбалансированы вплоть до периода интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений.

Таким образом, роль бактерий в круговороте азота является основной.

Установите последовательность процессов, происходящих при круговороте азота, начиная с поступления атмосферного азота в организмы. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.

1) попадание мочевины в почву

2) поступление соединений азота в растения

3) поедание пищи животными

4) азотфиксация клубеньковыми бактериями

5) денитрификация почвенными бактериями

Последовательность процессов, происходящих при круговороте азота, начиная с поступления атмосферного азота в организмы:

4) азотфиксация клубеньковыми бактериями → 2) поступление соединений азота в растения → 3) поедание пищи животными → 1) попадание мочевины в почву → 5) денитрификация почвенными бактериями

Установите последовательность процессов, происходящих при круговороте азота, начиная с процесса гниения опавшей листвы. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.

1) обогащение почвы аммиаком и солями аммония

2) синтез аминокислот и азотистых оснований в растительных клетках

3) минерализация органических остатков редуцентами

5) всасывание нитратов корнями растений

Последовательность процессов, происходящих при круговороте азота:

3) минерализация органических остатков редуцентами → 1) обогащение почвы аммиаком и солями аммония → 4) нитрификация → 5) всасывание нитратов корнями растений → 2) синтез аминокислот и азотистых оснований в растительных клетках.

В круговороте азота участвует(-ют)

В круговороте веществ участвуют все живые организмы, т к у всех идет синтез белков и обмен белков.

Установите соответствие между особенностями круговорота химического элемента и элементом: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.

А) основной резервуар — атмосфера

Б) поглощается из атмосферы в основном бактериями

В) около 50% возвращают в атмосферу растения

Г) значительные количества накапливаются в составе осадочных пород и ископаемых

Д) поглощается растениями из почвы в виде минеральных солей

Е) не усваивается животными и растениями в молекулярном виде

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Круговорот углерода: около 50% возвращают в атмосферу растения; значительные количества накапливаются в составе осадочных пород и ископаемых. Круговорот азота: основной резервуар — атмосфера; поглощается из атмосферы в основном бактериями; поглощается растениями из почвы в виде минеральных солей; не усваивается животными и растениями в молекулярном виде.

Азот – один из наиболее широко распространенных элементов в природе. Основными его формами на Земле являются связанный азот литосферы и газообразный молекулярный азот (N₂) атмосферы, составляющий 75,6 % воздуха по массе.

Благодаря биологической фиксации азот переходит в формы, которые могут использовать все растительные, а через них и животные организмы.

Установите соответствие между процессами и функциями вещества биосферы: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.

А) переход двухвалентного железа в трёхвалентное под действием железобактерий

Б) преобразование сероводорода в серу серобактериями

В) выделение кислорода в атмосферу при фотосинтезе

Г) накопление кальция в костях человека

Д) выделение молекулярного азота в атмосферу при денитрификации

Е) накопление кремния в стеблях хвощей

3) окислительно-восстановительная

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

1) газовая: В) выделение кислорода в атмосферу при фотосинтезе; Д) выделение молекулярного азота в атмосферу при денитрификации

2) концентрационная: Г) накопление кальция в костях человека; Е) накопление кремния в стеблях хвощей

3) окислительно-восстановительная: А) переход двухвалентного железа в трёхвалентное под действием железобактерий; Б) преобразование сероводорода в серу серобактериями;

Функции живого вещества.

По Вернадскому — девять: газовая, кислородная, окислительная, кальциевая, восстановительная, концентрационная, функция разрушения органических соединений, функция восстановительного разложения, функция метаболизма и дыхания организмов. В настоящее время с учетом новых исследований различают следующие функции.

Биогеохимическая функция человечества — создание и превращение веществ человечеством.

Энергетическая функция. Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии при разложении энергонасыщенных веществ, передача энергии по пищевым цепям (используется гетеротрофами). Поглощенная энергия распределяется внутри экосистемы между живыми организмами в виде пищи. Частично энергия рассеивается в виде тепла, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других горючих полезных ископаемых.

Концентрационная функция. Так называется избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов веществ для построения тела организма или удаляемых из него при метаболизме. В результате концентрационной функции живые организмы извлекают и накапливают биогенные элементы окружающей среды. В составе живого вещества преобладают атомы легких элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, кремния, серы, хлора, калия, кальция, железа, алюминия. Углерод: известняки, мел, уголь, нефть, битум, торф, горючие сланцы (сапропель+гумус), сапропель (многовековые донные отложения пресноводных водоемов — ил). Отдельные виды являются специфическими концентраторами некоторых элементов: морская капуста (ламинария) — йода, лютики — лития, ряска — радия, диатомовые водоросли и злаки — кремния, моллюски и ракообразные — меди, позвоночные — железа, бактерии — марганца и т. д.

Наряду с концентрационной функцией живого организма вещества выделяется противоположная ей по результатам — рассеивающая. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, через кровососущих насекомых.

Средообразующая функция. Преобразование физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в результате процессов жизнедеятельности в условиях, благоприятных для существования организмов.

Эта функция является совместным результатом рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для живых организмов элементов. Очень важно отметить, что в результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров.

Рассмотренные четыре функции живого вещества являются главными, определяющими функциями. Можно выделить еще некоторые функции живого вещества, например:

Газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращения, обеспечивает газовый состав биосферы.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца, азота и др.). При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Транспортная функция — перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении. Еще со времен Ньютона известно, что перемещение потоков вещества на нашей планете определяется силой земного тяготения. Неживое вещество само по себе перемещается по наклонной плоскости исключительно сверху вниз. Только в этом направлении движутся реки, ледники, лавины, осыпи. Живое вещество — единственный фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества — снизу вверх, из океана — на континенты.

За счет активного передвижения живые организмы могут перемещать различные вещества или атомы в горизонтальном направлении, например за счет различных видов миграций. Перемещение, или миграцию, химических веществ живым веществом Вернадский назвал биогенной миграцией атомов или вещества.

Источник