Круговорот азота

Содержание 

1. Биогеохимические  круговороты________________________2
2. Круговорот азота____________________________________6
3. Список используемой литературы______________________8

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Биогеохимические  круговороты 

        Биогеохимия - часть геохимии, изучающая геохимические процессы, происходящие в биосфере при участии организмов. Миграция химических элементов на Земле не может быть понята без учёта влияния организмов. Впервые задачи Б. были сформулированы В. И. Вернадским и разрабатывались в специально созданной биогеохимической лаборатории (ныне институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН).

Она рассматривает не отдельные особи или виды организмов, а всю их совокупность, т. н. живое вещество, выраженное в массе, химическом составе и энергии, которую оно привносит в биогеохимические процессы. Живое вещество неравномерно распределяется по поверхности Земли. Известны области его скопления, или сгущения, например планктона в океанах и морях, лесов на суше, гумуса, торфяника в почвах; плотность населения неравномерна и в значительной степени зависит от почвенно-климатических зон. Растительные организмы составляют главную массу живого вещества Одна масса живого вещества не даёт правильного представления об интенсивности участия его в биогеохимических процессах. Огромное значение имеет скорость размножения организмов, т. е. общая продукция органического вещества, образуемая за определённое время. Особенно это относится к низшим организмам — бактериям, грибкам, водорослям и др., обладающим высокой скоростью размножения. В состав живого вещества входят все известные химические элементы и их изотопы. Но основную массу любого организма составляет ограниченное число известных химических элементов, которые в условиях биосферы образуют легкоподвижные и легкорастворимые соединения, например газы CO2 или NH3, H2O, ионы Н+, OH-, NO3-,  Na+, К+, Са2+, Mg2+, а также тяжёлые металлы, образующие высокоокисленные комплексные ионы. 

Химические элементы, не образующие, подобно, например, Ti, Zr, Th, в биосфере растворимых и легкоподвижных соединений, несмотря на их заметное количество в породах земной коры, в организмах содержатся лишь в очень малых количествах. Организмы не повторяют полностью химические состава среды, а активно выбирают те или иные соединения. Нередко тот или иной вид организмов накапливает определённый химический элемент, т. е. химический состав организмов является характерным признаком для определённого вида. Т. о., организмы выполняют геохимическую функцию, участвуя в биогенной миграции того или иного химического элемента. Например, кальций издавна использовался организмами для образования скелета в виде CaCO3. Эта очень древняя геохимическая функция была характерна для многих низших организмов. Позже, наряду со скелетом из CaCO3, появились организмы со скелетом из фосфата кальция, который утвердился и у всех высших организмов. У многих древних низших организмов (включительно до морских губок) встречается также скелет из кремнекислоты.

Это указывает на направление эволюции организмов. 

Участие живого вещества в биогеохимических процессах проявляется  прямо либо косвенно. Так, после гибели организмов живое вещество непосредственно  участвует в образовании диатомита, известняков, углей, нефтей и др. Зелёные растения в результате фотосинтетической деятельности создают всю массу кислорода современной атмосферы Земли. Морские водоросли концентрируют значительные количества иода; после их гибели в морских илах происходят захоронение и процесс превращения органического детрита в вещество нефтей. В результате выпрессовывания из захороненных илов жидкой нефти в пористые породы (пески и другие коллекторы) выдавливаются иловые воды, содержащие большое количество иода.

Ещё более разнообразно косвенное влияние организмов и  продуктов их жизнедеятельности  на геохимические процессы. Микроорганизмы участвуют, например, в окислении  соединений железа, марганца и других элементов, что ведёт к выпадению  их из природных растворов и отложению  в осадках. Микроорганизмы восстанавливают  сульфаты, образуя биогенные месторождения серы и т.д. Под влиянием живого вещества изменяются во времени геохимические процессы. Так, когда на Земле ещё не было биосферы, уран, германий и ванадий концентрировались в осадочных железных рудах, а с её появлением уран, ванадий и германий накапливаются и в некоторых ископаемых углях и битумах. 

Исключительную роль живое вещество наряду с H2O и CO2 играет в процессах выветривания и образования  осадочных пород (биогенных осадков  в морях и океанах). Представляет интерес участие организмов в  процессах разделения близких по свойствам пар химических элементов, например Si/Ge, Fe/Mn, K/Na, Ca/Sr и т.д. В свою очередь среда обитания отражается на составе организмов. В пределах т. н. биогеохимических провинций возникают формы организмов, накапливающие иногда значительные количества химического элемента, т. е. имеет место интенсивная биогенная миграция. Известно также, что организмы участвуют в нарушении изотопного состава ряда лёгких химических элементов (углерода, кислорода, серы). Как правило, в биогенных процессах организмами поглощаются преимущественно более лёгкие изотопы.

Огромную биогеохимическую роль выполняет в результате своей  геологической деятельности человек. Ежегодно из недр Земли извлекается  до нескольких десятков т горной породы на душу населения. Человек влияет на химический и изотопный состав атмосферы, биосферы и земной коры, и это  влияние с каждым годом возрастает.   

 Повсеместно в  биосфере наряду с образованием  живого вещества и аккумуляцией  энергии протекает и противоположный  процесс – превращение сложных  органических соединений в простые минеральные CO2, H2O, NH3 и т.д. Эта минерализация идет и в самих растениях, которые при дыхании окисляют органические вещества до CO2 и H2O. Гораздо энергичнее минерализуют органические вещества животные и еще более энергично – микроорганизмы.

Противоположные процессы образования и разрушения органических веществ в биосфере не могут существовать один без другого, они образуют единый биологический круговорот атомов. 

Продолжительность отдельных циклов биологического круговорота  атомов очень различна. Немногие недели живут растения-эфемеры, образующие весной пышный ковер в пустынях Средней Азии. И за это время они успевают накопить органическое вещество, которое в начале лета, после их смерти, в почве быстро разлагается до исходных продуктов – CO2, H2O и т.д. Но уже в лесном ландшафте часть атомов углерода, заключенных в древесине, окислится до CO2 только после смерти деревьев, т.е. через десятки или сотни лет. Наконец, если органическое вещество будет захоронено в осадочных породах и превратится в уголь, окисление которого произойдет только через несколько геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет.

Круговороты не замкнуты. Каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, природа  не остается неизменной. Вот характерный  пример. Представим себе озеро в  лесной зоне с травами, растущими  в прибрежной полосе (осоки, тростники  и др.), богатое рыбой. После каждого  годичного цикла круговорота  часть атомов углерода, водорода и  других элементов, заключенных в  органических веществах, не переходит  в минеральные соединения, а захороняется на дне озера в форме органического ила – сапропеля. Постепенно озеро мелеет, наконец, наступает момент, когда его котловина полностью зарастает травами и заполняется органическими остатками, озеро превращается в болото. Такова судьба большинства лесных озер, история многих болот.

Можно сказать, что  поступательное развитие в биосфере осуществляется через систему круговоротов.

В процессе минерализации  органических веществ освобождается  энергия, которая была поглощена  при фотосинтезе. Она освобождается  в виде тепла (вспомним, например, разогревание и даже самовозгорание недостаточно высушенного сена), но главным образом  в виде химической энергии, носителями которой являются природные воды. Обогащаясь такими продуктами минерализации, как CO2, гумусовые кислоты, NH3, SO2-4, H2S, воды становятся химически высокоактивными, они разрушают («выветривают») горные породы. Таким образом, с энергетической точки зрения биологический круговорот атомов переводит энергию солнечных  лучей в другие виды энергии, за счет которых в биосфере выполняется  большая работа.

Особенно следует  отметить превращение солнечной  энергии в химическую энергию  природных вод и газов.

Нетрудно убедиться  также, что в ходе биологического круговорота атомов происходит передача информации, создание новой информации, ее переработка и захоронение, т.е. это также и информационный процесс. Чем энергичнее протекает биологический  круговорот атомов, тем большее количество информации при этом перерабатывается.

Положение о круговороте  атомов считается одним из основных законов геохимии биосферы – законом  биологического круговорота атомов, который сводится к следующему –  в биосфере атомы участвуют в  биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым  веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая  накопленную энергию в окружающую среду. За счет этой биогенной энергии  осуществляются многие химические реакции. Главными носителями энергии являются природные воды. В результате биологического круговорота атомов происходит изменение  химического состава биосферы, само поступательное развитие биосферы осуществляется через систему круговоротов.

Геохимия кальция  тесно связана с круговоротом углекислого газа, благодаря чему осуществляется взаимосвязь Океана и атмосферы. Процесс превращения  карбоната кальция в гидрокарбонат  учащиеся могут объяснить сами, подтверждая  рассуждения несложными опытами.

Связующее звено  между живой и неживой природой – биогенные элементы. Вода, кислород, углекислый газ, соли – это основные компоненты среды обитания живых  организмов. Главные биогенные элементы: O, C, H, N, Fe, P, K, Ca, S, Mg, Na, Cl. Все они находятся в постоянных круговоротах, в которых обмен элементами сбалансирован. Так, круговорот углерода и кислорода обеспечивается взаимодополняющими процессами фотосинтеза и клеточного дыхания. Биогенные элементы участвуют в сложных биогеохимических циклах (термин В.И. Вернадского). 

Цикл азота –  это пример сложного круговорота  газообразных веществ, способного к  саморегуляции.

Живое вещество развивается  в условиях неравномерного содержания химических элементов на поверхности  Земли, но оно пластично приспособилось к этому.

Человек и геохимия окружающей среды. С первых этапов своей  истории человек использовал  различные вещества и тем самым  извлекал из природы химические элементы, нарушая их природное равновесие.

В XX веке происходит гигантский рост потребления минеральных  ресурсов. Человек захватывает природной воды в тысячи раз больше чем ее выделяют недра планеты. Производственная  деятельность людей очень сильно отражается на химических элементах, миграция которых связана с гидросферой и атмосферой. Все крупнейшие проблемы современности не могут решаться без геохимии.  

Биологический круговорот веществ - единство двух процессов:

- аккумуляции элементов  в живых организмах; и

- минерализации в  результате разложения мертвых  организмов.

Образование живого вещества преобладает на поверхности  суши и в верхних слоях морей. Минерализация живого вещества преобладает  в почве и глубинах морей. 

Биотический круговорот веществ - постоянная циркуляция веществ  между почвой, растительным и животным миром и микроорганизмами. 

Геологический круговорот веществ - процесс миграции веществ, осуществляемый под влиянием абиотических факторов: выветривания, эрозии, движения вод, магматических процессов и  т.д. 

Круговорот химических веществ из неорганической среды  через растительные и животные организмы  назад в неорганическую среду  с использованием солнечной энергии  и энергии химических реакций  называется биогеохимическим циклом. 

Макроэлемент - химический элемент, содержащийся в теле живых  организмов в концентрации от 0.001% до 70%. К макроэлементам относятся: кислород, водород, углерод, азот, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор, железо и др. 

Микроэлементы - химические элементы, содержащиеся в организмах в низких концентрациях и необходимые  для их нормальной жизнедеятельности. Микроэлементы влияют на рост, размножение, кроветворение и т.д. Недостаток или избыток микроэлементов приводит к нарушению обмена веществ.

В организм растений микроэлементы поступают из почвы, в организм животных и человека микроэлементы  поступают с пищей.

Органогенные элементы - макроэлементы кислород, углерод, водород и азот, из которых преимущественно построены органические вещества.

Для этих элементов  характерны многочисленные химические обратимые процессы.  

Время, достаточное для полного оборота вещества