Л.И. Егоренков, Б.И. Кочуров
Геоэкология
Учебное пособие. – М.: Финансы и статистика, 2005. - 320 с.
Глава 2. Антропогенное преобразование ландшафтов (геосистем)
2.7. Миграция отдельных загрязнителей в биокосных системах
2.7.1. Соединения азота в окружающей среде
Азот незаменим для живых организмов, так как является
обязательным элементом белков. В белках содержится 16 -18% азота. Высшие
организмы не могут усваивать молекулярный азот из-за его прочной связи между
атомами. Однако в атмосфере происходят процессы, которые приводят к разрыву
этих связей у части молекул азота. В атмосфере сосредоточена основная масса
азота (около 75%).
В нижней атмосфере, тропосфере, при грозах воздух действием
электрических разрядов локально разогревается до температуры 2000°С, что
приводит к расщеплению части молекул азота и кислорода на ионизированные атомы,
которые реагируя друг с другом, образуют непрочную связь азота (NO), которая в
свою очередь окисляется кислородом до более стабильной двуокиси: 2NO + О2
-> 2NO2.
В присутствии паров воды NO2 образует азотную
кислоту:
3NO3 + Н2О -> 2HNO3 +
NO.
Диссоциируя в воде, азотная кислота подкисляет атмосферные
осадки: HNO3 -> Н+- + NO3, а нитратный ион
(NO3) из почвенных растворов и водоемов легко усваивается растениями
при любой реакции среды.
Однако этого источника азота, доступного растениям для
огромной биологической продукции, недостаточно. Ежегодно в биологическую
продукцию вовлекается около 5×109
т азота, тогда как поступление доступного азота, образующегося при
электрических разрядах в атмосфере, оценивается в 10 млн т/год (1×107 т/год).
Остальная часть азота усваивается растениями с помощью
микроорганизмов.
Дальнейшая судьба азота определяется пищевыми цепями
потребителей, условиями превращения органических веществ.
В геохимии азота исключительную роль играет живое вещество,
создающее интенсивный биогенный круговорот азота между живым веществом,
атмосферой и гидросферой (рис. 2.12).
Кларк азота в живом веществе Земли примерно равен 0,3%, а
общее содержание азота в живом веществе планеты - около 2×1010 т.
Кларк азота в океане - 0,5 мг/л (5×10-5 % /вес), в речной воде 0,67 мг/л, в
почвенном покрове (1×10-1
% /вес).
Биологическая фиксация молекулярного азота микроорганизмами
осуществляется главным образом в почве и водоемах.
Молекулярный азот растворяется в воде без химического
взаимодействия, причем растворяемость азота увеличивается с уменьшением
температуры воды.
Азотофиксирующие микроорганизмы из молекулярного азота и
водорода синтезируют аммиак (NFL), используя для этого энергию органических
соединений:
N2 -> 2NH -> 2NH2 -> 2NH3.
Аммиак, переходя в ион NН4 (аммоний), как и
нитритная форма азота, легко растворим и усваивается растениями (хуже в кислой
среде).
Дожди из атмосферы поставляют в океан нитритный азот,
образующийся при грозах и аммонийный азот, образующийся из аммиака
вулканических газов. Дожди ежегодно приносят на каждый метр океанической поверхности
28 мг нитритного и 59-290 мг аммонийного азота. Общая масса растворенных
минеральных форм азота в океане оценивается в 6,85×1011 т.
Рис. 2.12. Круговорот азота (по П. Дювиньо и М. Тангу)[11]
Как и в почве, молекулярный азот в океане привносится
азотофиксирующими микроорганизмами (главным образом сине-зелеными водорослями)
в аммиак. Аммиачные и нитритные формы растворенного в воде азота используются
фитопланктоном. Организмы фитопланктона живут в среднем один День. Часть их
поглощается зоопланктоном, а азот первичной продукции включается в биогенную
миграцию по пищевым цепям потребителей океана. Аммиак окисляется из нитратов
микроорганизмами, осуществляющими нитрификацию, вместе с нитратами, приносимыми
с суши, они снова поглощаются фитопланктоном.
Причем, поглощение азота фитопланктоном в океане происходит
только в тонком поверхностном слое.
Основная масса глубинного азота поступает в биосферу через
вулканизм, главным образом на дне Тихого океана и в «огненном кольце» его
побережья. На остальной территории суши глубинный азот поступает в основном в
результате освобождения его из изверженных порода при их выветривании.
На миграцию азота в биосфере оказывает влияние прежде всего
географическая зональность и рельеф Земли.
Наибольшее количество азота, аккумулированное в мертвом
органическом веществе, приходится на заболоченные ландшафты тундр, северной и
типичной тайги (торф, напочвенные подстилки, органическое вещество озер, поймы
рек).
Максимальное количество азота, содержащееся в живой
биомассе, приходится на леса жаркого пояса (более 3000 кг/га). Это связано с
большой фитомассой этих лесов. Минимальное количество органического азота,
удерживаемое живым веществом, отмечается в экосистемах с очень низкой общей биомассой
(лишайниковые пустыни - 11 кг/га, солончаковые пустыни - 31 кг/га, такыры - 165
кг/га).
Своеобразный круговорот азота возникает между автономными и
подчиненными экосистемами суши. В аэробных автономных условиях в результате
преобладания процессов нитрификации азот изымается из атмосферы, а в
гидроморфных анаэробных подчиненных условиях в результате преобладания
процессов денитрификации азот возвращается в атмосферу.
Человек активно вмешивается в миграцию азота.
Главным поставщиком техногенного азота в природные системы
являются горючие ископаемые (уголь, нефть, газ), а также удобрения, зерно и
древесина. По расчетам Н.Ф. Глазовского, главным источником техногенного азота
в Центральном районе России является сжигание газов, в Южном - удобрения.
В результате законсервированный в мертвом органическом
веществе осадочных пород азот переводится в газообразные окислы азота.
Интенсивность этого процесса в настоящее время составляет 3×107 т/год.
Кроме того, человек освобождает азот при сжигании более
молодых запасов органического вещества - торфа и древесины. Еще около 2×1010 т азота освобождается
в результате сельскохозяйственной деятельности в связи с сокращением содержания
гумуса в почвенном покрове.
Непосредственно из атмосферных запасов человек ежегодно извлекает
около 6,7×107 т/год
азота, используя его для получения аммиачных удобрений, производства азотной кислоты,
взрывчатых веществ и других видов химической продукции. Причем весь этот азот активно
включается в миграцию на поверхности Земли.
По расчетам В.Н.Кудеярова, годовая норма потребления азота
на одного человека равна 5 кг, а к 2000 г. суммарное потребление азота
человечеством составило 32,5×109
т. Удовлетворить эту потребность можно было путем увеличения урожайности
сельскохозяйственных культур, богатых белком (пшеница, соя и др.) и развития
животноводства. Разрешение этой проблемы потребует внесения в почву высоких доз
минеральных удобрений, особенно азотных.
В настоящее время в агроценозах широко применяется внесение
азотных удобрений, полученных индустриальной фиксацией азота из атмосферы, а
также внесение навозных стоков, содержащих азот. Часть азота, вносимого в почву
в качестве удобрения, не захватывается растениями, вымывается природными водами
и вовлекается в протяженную водную миграцию. Микроорганизмы - денитрификаторы -
не успевают разлагать эти соединения и освобождать азот, пополняя его
содержание в атмосфере.
В природных водах постепенно увеличивается содержание
Ценнейших продуктов питания - азотных и азотистых соединений. Это вызывает усиленный
рост некоторых водных растений, зарастание водоемов, перегрузку их мертвыми
растительными остатками и продуктами разложения.
Вымывание азота при внесении умеренных доз азотных
удобрений, как правило, не велико (около 3-4 кг/га), в то время как при нормах,
значительно превышающих биологические потребности культуры, может вымываться
30-60% внесенного азота.
У нас в стране повышенное содержание нитратов в грунтовых
водах отмечено в ряде районов интенсивного использования минеральных удобрений
(особенно в овощеводстве). По данным института агрохимии и почвоведения, в
грунтовых водах Окского бассейна содержание нитратного азота в ряде случаев
превышало допустимую норму - 10 мг/л.
Азот, поступающий из почвы (обычно в нитратной форме),
превращается в растениях в сложные органические соединения. При избытке азота
он не полностью расходуется на образование органических соединений, а его
остатки накапливаются в растениях.
Наибольшим уровнем содержания нитратов отличаются листовые
овощи и корнеплоды. В нашей стране на основе токсикологических исследований
установлено допустимое остаточное количество (ДОК) нитратного азота для
бахчевых культур, равное 10 мг/кг свежей продукции.
Применение повышенных норм азотных удобрений под кормовые
культуры и на пастбищах также может вызвать накопление нитратов в кормах в
количествах, токсичных для животных. В литературе встречаются разные точки
зрения на уровень опасного содержания нитратов в кормах. Токсикологический
порог, по опубликованным данным, колеблется от 0,2 до 0,5%.
В нашей стране токсико-химическую оценку и скармливание
растительных кормов проводят только с учетом норм нитритов и нитратов,
утвержденных государственными органами. В соответствии с этими нормами предельно
допустимая концентрация нитратов (по NO-3) составляет: в
зеленых кормах, силосе и сенаже - 200, сене и соломе - 500, свекле - 800 и
зернофураже - 30 мг/кг сырого продукта. Предельно допустимая концентрация
нитритов (по NO-3) во всех перечисленных кормах равна 10
мг/кг сырого продукта.
Поступая в организм человека и животных с водой и пищей,
нитраты под действием микроорганизмов желудочно-кишечного тракта
восстанавливаются до нитритов, которые являются более токсичными соединениями.
Для взрослых людей порог токсичности нитратов составляет 20-30 г, а нитритов -
2 г. Взаимодействие нитритов с гемоглобином крови ведет к образованию
метгемоглобина, не способного переносить кислород из легких к тканям.
Метгемоглобинемия особенно опасна для детей. Если в метгемоглобин превращается
20-25% гемоглобина, у детей появляются признаки удушья.
Повысить эффективность азотных удобрений, способствовать
потере азота из почвы и тем самым предотвратить загрязнение окружающей среды
позволяет внедрение локального способа внесения удобрений (лентами и в рядки)
непосредственно под растение. При этом в почве создаются и до конца вегетации
сохраняются очаги повышенной концентрации питательных веществ, которые более
интенсивно и полно поглощаются растениями, чем при разбросном внесении. Другой
путь предотвращения потерь азота - применение медленно действующих удобрений.
Их изготавливают в виде гранул, покрытых оболочками. Скорость высвобождения
питательных веществ из таких удобрений регулируют путем добавления в состав их
оболочки специальных веществ, реагирующих на изменение температуры почвы.
Процессы, приводящие к потерям азота из почвы, можно
тормозить применением ингибиторов нитрификации, которые при внесении в почву
избирательно подавляют жизнедеятельность нитрифицирующих микроорганизмов и на
какое-то время обеспечивают консервацию азотных удобрений.
[11]
См.: Дювиньо П., Танг М. Биосфера и место в ней человека. - М.: Прогресс, 1973.
|