Круговорот азота в природе – схема и описание

Характеристики азота

Азот является бесцветным неядовитым газом, который большей частью находится в природе в свободном (несвязанном) состоянии. Это основная часть атмосферы – почти 80% ее занимает молекулярное вещество. В молекулярном виде азот бесполезен для живой природы — молекулы его при нормальных условиях химически реагируют только с литием. Зато значение азота в природе биосферы трудно переоценить. Это вещество является неотъемлемой частью любой, даже самой простой молекулы белка. А ведь именно белок является необходимым элементом всех живых организмов.

Нахождение азота в природе

Большая часть азота в природе находится в свободном состоянии. Он является главной составной частью воздуха (объемная доля – 78,9%, массовая доля – 75,6%). Содержание азота в земной коре – 10*-2% масс.

Из соединений азота большое значение имеет натриевая (чилийская) селитра NaNO3, образующая большие пласты на побережье Тихого океана в Чили. Калиевая (индийская) селитра KNO3 обнаружена в ряде районов Индии. Нитрат кальция Ca(NO3)2*nH2O (n=0-4), также встречающийся в природе, называют «норвежской» селитрой.

Незначительные количества азота преимущественно в виде солей азотной кислоты содержит почва. Азот также входит в состав белковых веществ и многих естественных органических соединений.

Нахождение азота в природе во многом связано с жизнедеятельностью бактерий и водорослей, так как многие микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся отходов

Роль азота в биологии

На Земле азот претерпевает ряд трансформаций, в которых участвуют и биотические (связанные с жизнью) и абиотические факторы. Из атмосферы и почвы азот поступает в растения, причем не напрямую, а через микроорганизмы. Азотфиксирующие бактерии удерживают и перерабатывают азот, превращая его в форму, легко усваиваемую растениями. В организме растений азот переходит в состав сложных соединений, в частности – белков.

По пищевой цепи эти вещества попадают в организмы травоядных, а затем – хищников. После гибели всего живого азот вновь попадает в почву, где подвергается разложению (аммонификации и денитрификации). Азот фиксируется в грунте, минералах, воде, попадает в атмосферу, и круг повторяется.

Как происходит круговорот азота в природе

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием нитрифицирующих бактерий окисляется в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, образует нитраты. Однако некоторая часть азота при гниении выделяется в атмосферу в свободном виде. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Денитрифицирующие бактерии при недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, при этом образуется свободный азот. источником пополнения минеральных азотных соединений являются происходящие в атмосфере электрические разряды, образующие оксиды азота (последние при взаимодействии с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты), и жизнедеятельность азотобактерий, усваивающих атмосферный азот и перерабатывающих его в азотные соединения.

Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая характерные вздутия – «клубеньки», поэтому они и получили названия клубеньковых бактерий

При уборке урожая с полей выносится значительная часть азота. Эту убыль восполняют внесением удобрений, содержащих азот.

Этапы круговорота в природе

Вы окружены азотом! Фактически, 78% воздуха, которым вы дышите — это азот, но как он из воздуха попадает в ваш бутерброд? Хороший вопрос! Вот последовательность этапов, которые атом азота совершает в своем путешествии по азотному циклу:

1. Начнем с воздуха, которым вы дышите. Когда азот находится в воздухе, он называется атмосферным азотом и поступает в виде N2 (молекула азота из двух атомов). Растения мало что могут сделать с атмосферным азотом. Но в почве есть микроорганизмы-азотфиксаторы, которые могут преобразовывать азот в пригодную для использования растениями форму с помощью процесса, называемого азотфиксацией. Давайте рассмотрим, как происходит фиксация азота:

  • Атмосферный азот проникает в почву, где азотфиксирующие бактерии на корнях некоторых растений превращают его в аммоний (азот, присоединенный к атомам водорода, NH4+). Есть некоторые свободноживущие бактерии (не на корнях растений), которые также являются фиксаторами азота.
  • Молния может превращать атмосферный азот в оксиды азота, другой тип азота, связанный с атомами кислорода. Это составляет лишь небольшой процент азотфиксации.

2. Бактерии и археи в почве превращают аммоний в нитриты (NO2-), а затем в нитраты (NO3-) посредством нитрификации, которая, по сути, заключается в том, что бактерии превращают аммоний в нитраты. Нитраты — это азот, присоединенный к атомам кислорода.

3. Теперь, когда атмосферный азот был заменен на нитраты, давайте посмотрим, что будет дальше. Ассимиляция — это когда растения используют азот для самых разных целей, таких как строительство листьев или создание ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Животные и другие организмы поедают растения, и азот также попадает в их тела.

4. В конце концов растения, животные и другие организмы умирают и разлагаются, высвобождая азот обратно в почву. Бактерии и грибы помогают расщеплять мертвые организмы, а в результате аммонификации азот снова превращается в аммоний. Аммоний опять превращается в нитриты и нитраты бактериями (мы снова возвращаетесь к шагу 2).

Читайте также:  Химическое равновесие

5. Специальные бактерии могут превращать нитраты обратно в атмосферный азот посредством процесса, называемого денитрификацией, когда азот из почвы снова попадает в атмосферу. И вы снова на шаге 1!

Так как же атомы азота попали в ваш бутерброд с индейкой? Азот из воздуха был превращен в азот, который могли использовать растения, например салат и помидоры на вашем бутерброде. Однажды индейка съела несколько растений, и азот попал в ее тело. Но до того, как все это произошло, тот же самый атом азота был съеден коровой и возвращен в почву виде фекалий, где его использовали растения, которые съела индейка!

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.

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:

Круговорот азота в природе схема и описание

  1. За счёт электрических разрядов молний. Они расщепляют молекулы, позволяя вступать в соединения с кислородом. Образованный таким способом оксид азота растворяется в дождевой воде и поступает в почву, откуда его поглощают растения. Именно вспышки молний играют важную роль в развитии жизни на нашей планете.
  2. Человек — ещё один источник. Человеческая деятельность значительно увеличила его количество в природе. Сегодня треть этого связанного азота попадает в биосферу, благодаря широкому применению искусственных удобрений, содержащих нитраты. В промышленности связывание этого элемента с водородом происходит при температуре от 400 до 600 градусов по Цельсию и давлении до 1 тысячи атмосфер.
  3. В природе основными азотфиксаторами являются бактерии, особенно те из них, которые образуют симбиоз с корнями бобовых растений. Горох, фасоль, соя, клевер — все они относятся к данному типу. Благодаря симбиозу, они могут жить на очень бедных почвах, обогащая их. У этих растений есть механизм, который позволяет им совместно с клубеньковыми бактериями усваивать вещество из воздуха.

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.

Описание процесса Круговорот азота в биосфере кратко

Оборот N2 представляет собой цепочку связанных между собой замкнутых каналов, через которые осуществляется циркуляция элемента в биологической оболочке планеты.

Находящийся в атмосфере инертный газ нитроген является стойким молекулярным соединением.

Последовательность этапов круговорота атмосферного азота происходит в результате различных процессов, способствующих связыванию его молекул.

Фиксация N2 осуществляется под воздействием трёх факторов:

  • Микроорганизмы — основной поставщик азота. Их жизнедеятельность превращает нитроген в связанное состояние, в котором он используется живой природой.
  • Электрические разряды, производимые молниями. Во время грозы происходит расщепление молекул и соединение их с кислородом. Полученный оксид вместе с дождевой водой попадает в грунт и поглощается корнями растений.
  • Хозяйственная деятельность человека. Создание и применение удобрений, содержащих нитраты, способствуют образованию и попаданию нитрогена в биосферу.
Читайте также:  Понятие об активности

Связывание элемента начинается в водных и почвенных экологических системах с помощью различных бактерий. Они выделяют специальный фермент, фиксирующий атмосферный N2, в результате чего происходит его превращение в нитрат и аммоний. Образовавшиеся соединения питают растительность, а она обеспечивает микроорганизмы углеводами.

Растительность в виде белков попадает в организм травоядных животных, а от них к хищникам. После гибели организма элемент вновь проникает в почву, повторяя цикл азота в биосфере. При этом часть N2 высвобождается под воздействием бактерий, а другая остаётся в составе неорганических веществ. Этот процесс занимает длительный отрезок времени и выглядит следующим образом:последовательность этапов круговорота атмосферного азота

  • поглощение и переработка микроорганизмами;
  • переход в связанное состояние;
  • усвоение растительностью:
  • попадание в организм травоядных животных;
  • денитрификация элемента бактериями.

Движение нитрогена в природе можно представить в виде постоянного перехода через 2 резервуара, имеющих разный объём и соединённых узким каналом. В большой ёмкости находится атмосферный N2, а в малой — связанный различными процессами элемент.

Таким образом, круговорот азота в биосфере кратко характеризуется его непрерывным перемещением из неживой природы в живую. Пройдя все этапы, элемент возвращается в атмосферу.

Факторы, влияющие на круговорот азота в антропогенных биоценозах

В отсутствие деятельности человека процессы связывания азота и нитрификации практически полностью уравновешены противоположными реакциями денитрификации. Часть азота поступает в атмосферу из мантии с извержениями вулканов, часть прочно фиксируется в почвах и глинистых минералах, кроме того, постоянно идёт утечка азота из верхних слоёв атмосферы в межпланетное пространство. Но в настоящее время на круговорот азота влияют много факторов, вызванных человеком.

Во-первых, это кислотные дожди — явление, при котором наблюдается понижение дождевых осадков и снега из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (например, оксидами азота). Химизм этого явления состоит в следующем. Для сжигания органического топлива в двигатели внутреннего сгорания и котлы подается воздух или смесь топлива с воздухом. Почти на 4/5 воздух состоит из газа азота и на 1/5 — из кислорода. При высоких температурах, создаваемых внутри установок, неизбежно происходит реакция азота с кислородом и образуется оксид азота:

N2+ O2 = 2NO — Q

Эта реакция эндотермическая и в естественных условиях происходит при грозовых разрядах, а также сопутствует другим подобным магнитным явлениях в атмосфере. В наши дни человек в результате своей деятельности сильно увеличивает накопление оксида азота (II) на планете.

Оксид азота (II) легко окисляется до оксида азота (IV) уже при нормальных условиях:

2NO + O2 = 2NO2

Далее оксид азота реагирует с атмосферной водой с образованием кислот:

2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2

образуются азотная и азотистая кислоты. В капельках атмосферной воды эти кислоты диссоциируют с образованием, соответственно нитрат- и нитрит-ионов, а ионы попадают с кислотными дождями в почву.

Вторая группа антропогенных факторов, влияющих на азотистый обмен почв, — это технологические выбросы. Оксиды азота — одни из самых распространенных загрязнителей воздуха. А неуклонный рост производства аммиака, серной и азотной кислоты напрямую связан с увеличением объёма отходящих газов, а следовательно, с увеличением количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота. Третья группа факторов — переудобрение почв нитритами, нитратами (селитрой) и органическими удобрениями.

И наконец, на азотистый обмен почв отрицательно влияет повышенный уровень биологического загрязнения. Возможные его причины: сброс сточных вод, несоблюдение санитарных норм (выгул собак, неконтролируемые свалки органических отходов, плохое функционирование канализационных систем и др.). Как следствие почва загрязняется аммиаком, солями аммония, мочевиной, индолом, меркаптанами и другими продуктами разложения органики. В почве образуется дополнительное количество аммиака, который затем перерабатывается бактериями в нитраты.

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.

Применение азота

После открытия азота (это произошло в 18-м столетии), были хорошо изучены свойства самого вещества, его соединений, возможности использования в хозяйстве. Поскольку запасы азота на нашей планете огромны, данный элемент стал использоваться крайне активно.
Что такое азот и для чего используется?
Чистый азот применяется в жидком или газообразном виде. Жидкий азот имеет температуру минус 196 градусов по Цельсию и применяется в следующих областях:

– в медицине. Жидкий азот является хладагентом при процедурах криотерапии, то есть лечения холодом. Мгновенная заморозка применяется для удаления различных новообразований. В жидком азоте хранят образцы тканей и живые клетки (в частности – сперматозоиды и яйцеклетки). Низкая температура позволяет сохранить биоматериал в течение длительного времени, а затем разморозить и использовать.

Читайте также:  Крахмал, структурная формула, химические свойства

Возможность хранить в жидком азоте целые живые организмы, а при необходимости размораживать их без всякого вреда высказана писателями-фантастами. Однако в реальности освоить эту технологию пока не удалось;

– в пищевой промышленности жидкий азот используется при розливе жидкостей для создания инертной среды в таре.

Вообще азот применяется в тех областях, где необходима газообразная среда без кислорода, например,

– в пожаротушении. Азот вытесняет кислород, без которого процессы горения не поддерживаются и огонь затухает.

Газообразный азот нашел применение в таких отраслях:

– производство продуктов питания. Азот используется как инертная газовая среда для сохранения свежести продуктов в упаковке;

– в нефтедобывающей промышленности и горном деле. Азотом продувают трубопроводы и резервуары, его нагнетают в шахты для формирования взрывобезопасной газовой среды;

– в самолетостроении азотом накачивают шины шасси.

Все вышесказанное относится к применению чистого азота, но не стоит забывать, что этот элемент является исходным сырьем для производства массы всевозможных соединений:

– аммиак. Чрезвычайно востребованное вещество с содержанием азота. Аммиак идет на производство удобрений, полимеров, соды, азотной кислоты. Сам по себе применяется в медицине, изготовлении холодильной техники;

– азотные удобрения;

– взрывчатые вещества;

– красители и т.д.

Что такое азот и для чего используется?
Азот – не только один из наиболее распространенных химических элементов, но и очень нужный компонент, применяемый во многих отраслях человеческой деятельности.

В сельском хозяйстве

Удобряя землю азотистыми соединениями из расчета — килограмм удобрений на гектар земли, можно повысить урожайность зерновых культур на несколько процентов.
В сельском хозяйстве в виде урожая азот выносится в количестве 1 млн. тонн, при этом азотистых удобрений используется в два раза меньше. Несмотря на высокую рентабельность использования минеральных удобрений, потребности растений в этом веществе покрываются искусственным путем всего на 20-25%. Остальное его количество извлекается из грунта за счет биологической фиксации (естественные удобрения). Дальнейшее повышение урожайности будет зависеть лишь от рационального применения навоза, наращивания производства минеральных удобрений и эффективного использования «биологического» (произведенного микроорганизмами) связанного азота.

значение азота в природе

В промышленности

Применяется азот и в промышленности. Большая часть синтезированного вещества приходится на производство аммиака, взрывчатых систем, различных красителей. Применяется он и в обрабатывающей промышленности – например, при обработке кокса. Свойства азота широко известны и учитываются при производстве различных пищевых добавок. Жидкий азот – отличный хладагент и широко применяется для заморозки продуктов питания. Но все равно основным способом применения его является производство минеральных удобрений.

Самые известные бактерии, преобразующие азот, содержатся в клубнях растений семейства бобовых.

роль азота в природе
Полезные свойства азота помогают повышать плодородие грунта: в поле сначала сеют чечевицу, горох или фасоль, потом растения запахивают в землю. Затем на этом месте выращивают другие культуры, которые могут использовать азот в качестве естественного удобрения.

Опасность слишком большого количества азота

Хотя важность азота для жизни растений и животных может свидетельствовать о том, что такой вещи не бывает слишком много, на самом деле существуют некоторые опасности, которые могут возникнуть из-за попадания в почву слишком большого количества нитратов.

Как и все остальное, соединения азота могут быть токсичными в высоких концентрациях. Точно так же, как слишком много кислорода токсично для дыхательных аппаратов, Растения могут страдать от передозировки азота.

В людях

Нитраты также могут быть непосредственно токсичными для человека – при употреблении в больших количествах в пищу или воду, нитраты могут увеличивать риск рака и мешать кровь химияоставляя кровь неспособной правильно переносить кислород.

«Синдром голубого малыша» – это один из побочных эффектов, наблюдаемый у людей, которые потребляют большое количество нитратов в пище или воде.

В экосистемах

Еще одно острое беспокойство – это опасность нарушения баланса экосистем. Некоторые организмы могут использовать соединения азота, чтобы расти быстрее, чем другие, и это означает, что когда вокруг много азота, эти организмы могут расти так быстро, что наносят вред другим организмам.

Одна проблема, которая была поднята относительно использования искусственного нитратного удобрения, состоит в том, что, когда оно попадает в реки, озера и даже океан, оно может вызвать безудержный рост жизни растений там,

Большая жизнь растений может звучать как хорошая вещь – но не тогда, когда водные растения включают водоросли которые могут блокировать попадание солнца и кислорода в другие водные организмы и даже производить токсины, которые делают людей и других животных больными!

Нитратные удобрения в водоснабжении обвиняют в некоторых расцветах «красных приливов», «коричневых приливов» и бактерий Pfiesteria, которые вырабатывают токсины, которые могут вызывать отравление или убивать людей и других животных.

Вопрос о том, как сохранить плодородные земли без нитратных удобрений, все еще исследуется учеными. Есть надежда, что когда-нибудь устойчивые методы с использованием естественных или генно-инженерных азотфиксирующих растений могут позволить фермерам получать высокие урожаи без добавления высоких концентраций искусственных нитратов в почву.

Источники
  • https://www.syl.ru/article/174750/new_krugovorot-azota-v-prirode-svoystva-azota-rol-azota-v-prirode
  • https://kupuk.net/uroki/himiya/krygovorot-azota-v-prirode-i-biosfere-shema-s-posledovatelnostu/
  • https://www.vseznaika.org/chemiks/chto-takoe-azot-i-dlya-chego-ispolzuetsya/
  • https://centez.ru/utilizaciya/opishite-krugovorot-azota-v-prirode.html
  • https://ECOportal.info/krugovorot-azota-v-prirode/
  • https://rosobrnauka.ru/nauki-o-prirode/krugovorot-azota-v-prirode-skhema-opisanie-posledovatelnost-znachenie.html
  • https://Sprint-Olympic.ru/uroki/estestvoznanie/85762-krygovorot-azota-v-prirode-opisanie-etapy-i-znachenie-processa.html
  • https://fissi.ru/nitrogen-cycle/

Ваша оценка?

Петр Иваныч
Петр Иваныч
Возможно этот человек ответит на ваши вопросы
Задать вопрос
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Всё о химии
Adblock
detector