Біогеохімічний цикл азоту

Азот, як і вуглець входить до складу атмосфери (78,5% за об’ємом) та існує переважно у молекулярному вигляді (N₂). Його зв’язування здійснюється вільно існуючими азотфіксаторами (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Встановлено, що деякі сине-зелені водорості володіють здатністю до прямої фіксації атмосферного азоту. Біохімічний механізм прямої фіксації азоту здійснюється за участю ферменту нітрогенази, що каталізує переведення молекулярного азоту до нітрат-іону. На фіксацію 1г азоту бактерії витрачають близько 10г глюкози (~40ккал), синтезованої в ході фотосинтезу, тобто ефективність складає всього 10%. Після відмирання мікроорганізмів відбуваються процеси мінералізації – амоніфікація та денітрифікація.

Частину азоту рослини поглинають у вигляді нітратів та амонію (рис.31). Азот нітратів через кореневу систему потрапляє до листя, де використовується для синтезу рослинного білку.

Частина азоту закріплюється у ґрунті в гумусі., решта вимивається з ґрунтів. Азотовмісні органічні сполуки, що утворюються в організмах рослин по трофічним ланцюгам потрапляють до тварин, а також до ґрунту – після відмирання рослин. В ґрунті вони підлягають розпаду за участю сапрофагів, мінералізуються і використовуються іншими рослинами.

Рис. 31. Біогеохімічний цикл азоту

Кінцевим етапом розкладення є організми-амоніфікатори, що утворюють аміак. Аміак включається до реакцій нітрифікації (утворення нітритів і їх перетворення до нітратів). Таким чином цикл кругообігу азоту у грунті підтримується постійно. Але частина азоту повертається до атмосфери завдяки діяльності бактерій-денітрифікаторів (Pseudomonas), що розкладають нітрати до молекулярного азоту в анаеробних умовах. В результаті бактеріальної денітрифікації щорічно з 1 га ґрунту втрачається 50-60 кг азоту.

За час існування біосфери на поверхні Землі накопичилося більше 1,5*10¹¹ т зв’язаного азоту, проте він розподілений по компонентам біосфери нерівномірно. Найбільша кількість його акумульована в органічних сполуках ґрунтів (1,5*10¹¹), менше в рослинах (1,1*10⁹) і ще менше в біомасі тварин (6,1*10⁷).

Сумарне використання азоту людством у 2000 році склало 32,5*10⁹т і продовжує зростати. Задовольнити цю потребу можливо лише високими врожаями сільськогосподарських культур. Вирішення цієї проблеми потребує внесення до ґрунтів високих доз азотних добрив. Добрива не повністю засвоюються рослинами і частина з них втрачається з ґрунтів, що веде до забруднення водойм а відтоді і до захворювання тварин і людини. Дювін’є підрахував, що в ґрунтах та водоймах затримується 18,6 млн. т азоту щорік. Природний запас денітрифікації вже не в змозі переробляти таку кількість азоту. Тобто, використання добрив суттєво змінює біогеохімічний кругообіг азоту. Промисловість збільшила на 50% загальну кількість азоту, що циркулює в біосфері. Таке зростання є небезпечним явищем. Зараз практично порушена рівновага між процесами нітрифікації та денітрифікації, яка існувала в біосфері раніше. Нітрати акумулюються в гідросфері завдяки вилужуванню і винесенню їх з надмірно здобрених полів.

Різко зросли викиди до атмосфери оксидів азоту і аміаку як продуктів спалювання нафти, газу, вугілля, бензину, що відповідає (200-350)*10⁶ т аерозолів в рік. Окислений аміак і оксиди азоту з опадами потрапляють до суши і океану, що викликає зростання концентрації нітратів у природних водах. Взагалі введення антропогенного азоту до його біогеохімічного циклу дорівнює 6,4*10⁷т азоту в рік.

Проте, слід зазначити, що кругообіг азоту є прикладом добре збалансованого циклу. Дані ФАО ЮНЕСКО при ООН (1971) показали, що річний прихід азоту шляхом біологічної фіксації дорівнює 54*10⁶ т, а шляхом індустріальної – 30*10⁶ т. Загальний прихід складає 91,8*10⁶т, а витрати (в основному за рахунок денітрифікації) – 83,2*10⁶т. В агроценозах недостаток азоту, що вилучається з врожаєм додають азотними добривами, що отримуються шляхом індустріальної фіксації азоту з атмосфери (30*10⁶т) (рис.32).

Слід зазначити, що при розгляданні окремих агроценозів відмічається негативний баланс азоту, навіть при внесенні добрив. З даних наведених у табл.18 видно, що втрачання азоту з полей, як при внесенні мінеральних та органічних добрив, так і на полях без внесення добрив, перебільшує його прихід.

Таблиця 18 – Баланс азоту на полях лісостепу України, кг/га

Показники балансу	З добривами N40P36K40+6т гною	Без добрив
Витрати
Врожай
Вимивання
Газоподібні втрати з добрив		-
ВСЬОГО
Прихід
Органічні добрива		-
Мінеральні добрива		-
Насіння
Атмосферні осади
Фіксація бобовими
ВСЬОГО
Баланс за рік, %	-66,6	-74,3

Рис.32. Загальна схема кругообігу азоту в природі та агроценозах.

9.3. Біогеохімічний цикл фосфору

Фосфор також відіграє важливу роль у житті живих організмів. Фосфор є біофільним елементом, але його біофільність незначна (0,75). Резервуаром фосфору є гірські породи та інші відкладення. Представлений він в основному апатитом і фторапатитом. З утворенням біосфери вивільнення фосфору з гірських порід підсилилося, в результаті відбувся перерозподіл його маси. Вся жива речовина планети в середньому містить 0,07% фосфору, а літосфера 0,09%. Загально було вилучено з літосфери 2,1*10¹¹т фосфору.

Рослини використовують для живлення природні фосфати. Після відмирання рослин та тваринних організмів фосфор мінералізується за участю мікроорганізмів (рис.33).

Незважаючи на низьку міграційну здатність, сполуки фосфору легко вимиваються з грунтів і потрапляють до гідросфери. Підраховано, що до гідросфери виноситься (3-4)*10⁶т фосфатів. Моря і океани – головні акумулятори фосфору в його біогеохімічному циклі. У гідросфері фосфорні сполуки надовго вилучаються з кругообігу і лише незначна частина включається знову до кругообігу через рибу та гуано.

Кругообіг фосфору є прикладом простого осадкового циклу з порушеними механізмами саморегуляції в наслідок антропогенного впливу. За даними Дж. Хачинсона, до суши в результаті рибальства повертається близько 60000 т елементарного фосфору. Добувається для виробництва добрив щорічно 1-2 млн.т. фосфоровмісних порід. Крім того, більша частина змивається водою і вилучається з кругообігу. В.А.Ковда вказував, що до людини попадає 1/10 частина фосфору витраченого на вирощування кормів для тварин, 3/10 частини залишається і фіксується у грунтах, а 6/10 потрапляє до водойм.

Запаси фосфору в грунтах незначні. Тому існують думки, що фосфор – головний фактор, що лімітує ріст первинної продукції біосфери.

В наш час викликає стурбованість зростанням концентрації фосфатов у водних екосистемах, які становляться токсичними при вмісті фосфору більше 15 мг/л. Час обороту фосфору у воді малих озер складає 5,4-7,6 діб, а великих – 17 діб. Час оберту у донних осадах є більшим і сягає 40-176 діб. Різниця у величині тривалості циклу фосфору пояснюється тим, що в малих озерах відношення поверхні доних осадів до об’єму води більше. Роль у повертанні фосфору до кругообігу належить гідробіонтам. Наприклад, популяція молюсків Modiolus demissus повністю повертає з води весь взважений фосфор за 2,5 дні.

Рис. 33. Біогеохімічний цикл фосфору.

Дата добавления: 2014-10-23