Основы Экологии

            В общем виде процессы азотфиксации и денитрификации, демонстрируют тесную связь биотических составляющих циклов азота и углерода, вырабатываемых живыми организмами.

            Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий и постоянно возвращается в круговорот в результате деятельности азотфиксирующих бактерий или водорослей (биологическая фиксация азота), а также действию физических процессов (молния), в которых происходит фиксация азота.

            Большинство организмов не могут ассимилировать азот из огромного его фонда, имеющегося в атмосфере. Азот не принимает непосредственного участия в высвобождении химической энергии при дыхании: главная его роль сводится к тому, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, которые создают структуру биологических систем и регулируют их функционирование.

            Большая часть биохимических превращений, участвующих в разложении азотсодержащих соединений, происходит в почве, где доступность азота растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений. Растения ежегодно ассимилируют менее 1 % активного фонда азота, поэтому общее время круговорота азота превышает 100 лет.

            При круговороте азота происходит поэтапный распад органических соединений, в котором участвует много разных организмов и в результате которого азот, в конечном счете, переходит в нитратную форму.

            Из всех доступных растениям форм, в каких азот содержится в почве, наиболее желательной является аммиак или ион аммония, но аммиак, не может служить источником азота в почве потому, что в высоких концентрациях он токсичен для растительных тканей, и также потому, что он не удерживается в почве.

            Аммиак легко растворяется в воде и быстро вымывается из почвы, избежавший вымывания из почвы аммиак, подвергается действию специализированных бактерий, извлекающих энергию путем окисления азота аммиака до нитритов и нитратов. Образовавшиеся в почве нитраты быстро ассимилируются корнями растений.

            В наземных экосистемах главные  запасы азота представляет азот, входящий в состав органического  детрита. В водных экосистемах  азот содержится главным образом  в виде растворенных нитратов.

            Биохимические превращения азотсодержащих  соединений чрезвычайно разнообразны, потому что азот может соединяться  с другими элементами несколькими  различными способами. 

В процессе денитрификации азот удаляется из активных фондов почвы и поверхностных слоев воды и попадает в атмосферу; в результате же процесса фиксации атмосферный азот возвращается в активный круговорот, происходящий в экосистеме. Эти процессы представляются второстепенными по сравнению с общим круговоротом азота в экосистеме, однако в тех местах, где содержание азота в почве недостаточно для нормального роста растений, фиксация азота нередко приобретает важное значение.

У животных выведение из организма избыточного азота 

(нитрификация) происходит путем отщепления аминов от органических соединений и выделения их в сравнительно неизменной форме, главным образом в виде аммиака (NН₃) или мочевины СО(NH₂)₂.

Нитрификация представляет собой решающий этап в круговороте азота, так как она в конечном счете определяет скорость, с которой азот переходит в форму, доступную зеленым растениям, и тем самым оказывает влияние на продуктивность местообитания. Любые почвенные условия, подавляющие активность бактерий, - высокая кислотность и плохая аэрация почвы, низкая температура и недостаток влаги - подавляют также и нитрификацию.

Медленное поступление в  почву биогенных элементов, характерное  для холодных и засушливых условий, может, в дополнение к непосредственному  воздействию этих факторов на фотосинтез, еще больше снижать продуктивность растений. Кроме того, если содержание азота в органическом детрите невелико по сравнению с содержанием в нем углерода, то бактерии расходуют весь этот азот на построение своих клеток, а не используют его в качестве субстрата для метаболизма. В результате азот оказывается связанным в биомассе бактерий, вместо того, чтобы стать доступным растениям.

Фиксация азота требует  особенно больших затрат энергии. Процесс при котором нитраты превращаются в азот называется денитрификация.

Бактерия Pseudomonas добывает с помощью этого процесса необходимый для дыхания кислород при отсутствии в почве свободного кислорода. Денитрификация может происходить также чисто химическим путем, без участия микроорганизмов. Например, в кислых почвах.

 Для фиксации азота  необходимы специализированные  биохимические механизмы, отсутствующие,  у высших растений; лишь прокариоты, безъядерные, самые примитивные организмы, такие как сине-зеленые водоросли, бактерия Azotobacter и др., могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы.

Когда эти микроорганизмы образуют взаимно выгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота  значительно усиливается.

Около 80% азота, который, по оценкам, усваивается ежегодно глобальным биотическим сообществом, возвращается в круговорот с суши и из воды, и лишь около 20% необходимого количества - это "новый азот", поступающий из атмосферы с дождем и в результате фиксации.

Напротив, из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень  небольшая часть используется повторно, большая же часть теряется с собираемым урожаем, в результате выщелачивания и денитрификации.

Благодаря механизмам обратной связи, обеспечивающим саморегуляцию и хорошей забуференности, круговорот азота уникален. Часть азота с суши, пресных вод и мелководных морей уходит в глубоководные океанические отложения и надолго выключается из круговорота. Эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими и промышленными газами.

Но в последние годы даже круговорот азота испытывает осложнения, вызываемые антропогенным загрязнением воздуха.

 

• Изменения в круговороте азота обусловлены переводом его в усвояемые формы из атмосферного воздуха в итоге техногенных процессов как целенаправленно, так и непреднамеренно. Отрицательные последствия нарушения круговорота азота проявляются через загрязнение оксидами, аммиаком, другими соединениями атмосферного воздуха и вод, накопление нитратов в пищевых продуктах.  

            Круговороты азота все больше подвергаются влиянию промышленного загрязнения воздуха. Oксиды азота (NO, NO₂) в отличие от нитратов и сульфатов токсичны в различной степени. Обычно эти соединения возникают только как промежуточные продукты в ходе круговоротов соответствующих элементов и в большинстве местообитаний присутствуют лишь в очень малых концентрациях.

            Но сжигание ископаемого топлива увеличило содержание этих летучих окислов в воздухе, особенно в городах, до такой степени, что они уже становятся опасными для важных биотических компонентов экосистем. Если отравляются растения, рыбы, птицы или микробы, то рано или поздно это повредит и человеку. Эти окислы составляют около одной трети всех промышленных загрязнений индустриально-развитых стран.

 

 

Естественные  процессы и   искусственное связывание

азота при производстве минеральных удобрений.

 

 

 

            Основной источник NO₂ - выхлопные газы и другие промышленные выбросы. Можно сказать, что в таких выбросах азот "фиксирован", но в более ядовитой форме, чем при естественной биологической фиксации.

            Окислы азота угрожают качеству жизни, они раздражают дыхательные мембраны высших животных и человека, кроме того, химические реакции с другими загрязнителями обуславливают синергетический эффект - общее воздействие продуктов реакции больше суммарного воздействия каждого из реагирующих веществ - увеличивающий опасность.

            Например, под действием ультрафиолетового излучения Солнца NO₂ вступает в реакцию с продуктами неполного сгорания углеводородов (NO₂ и углеводороды содержатся в большом количестве в выхлопных газах); в результате возникает фотохимический смог, обладающий не только раздражающим действием, но и чрезвычайно опасный для здоровья человека.

 

 

 

 

 

 

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Охрана природы

 

• 13. Источники загрязнения атмосферы.

 

Атмосферный воздух загрязняется путем привнесения  в него или образования в нем  загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровня естественного содержания.

В последние  годы содержание в атмосферном воздухе  российских городов и промышленных центров вредных примесей выросло.

Список  городов с катастрофическим уровнем  загрязнения атмосферного воздуха в России увеличивается ежегодно.

Наиболее  значимое влияние на состав атмосферы  оказывают рост парка автомобилей, предприятия черной и цветной металлургии, химическая и нефтехимическая промышленность, стройиндустрия, энергетические предприятия, целлюлозно-бумажная промышленность, автотранспорт и др.

 

• В автомобильных двигателях внутреннего сгорания в мире ежегодно сжигается около 2 млрд. т нефтяного топлива. При этом коэффициент полезного действия в среднем составляет 23%, остальное уходит на обогрев окружающей среды.

В России автотранспорт ежедневно выбрасывает  в атмосферу 16,6 млн. т загрязняющих веществ. 30% заболеваний горожан непосредственно связаны с загрязненностью воздуха выхлопными газами.

Автомобильными  двигателями выделяются в воздух городов более 95% оксида углерода, около 65% углеводородов и 30% оксидов азота.

Двигатель выбрасывает в атмосферу токсичные вещества - оксид углерода, оксиды азота, альдегиды и несгоревшие углеводороды, среди которых особую опасность представляют ароматические, в частности бензапирен, вызывающий онкологические заболевания. Кроме того, входящий в состав воздуха азот при высокой температуре и давлении в цилиндрах двигателя реагирует с остаточным кислородом. В результате образуются оксиды азота - еще одна вредная составляющая выхлопных газов. Токсичные вещества образуются и при применении топлива с некоторыми присадками и примесями (например, свинец, присутствующий в этилированном бензине).

Автомобиль  загрязняет атмосферный воздух не только токсичными компонентами отработанных газов, парами топлива, но и продуктами износа шин, тормозных накладок. В городские водоемы и почву попадают топливо и масла, моющие средства и грязная вода после мойки, сажа. В атмосферный воздух постоянно поступают пары топлива из баков. Наибольший ущерб здоровью наносят машины, стоящие в непосредственной близости от жилых зданий.

Количество  выделяемых в окружающую среду вредных  веществ зависит от численности  и структуры автомобильного парка, а также от технического состояния автомобилей и в первую очередь их двигателей.

На  состав отработанных газов двигателя  большое влияние оказывает режим работы автомобиля в городских условиях. Низкая скорость движения и частые ее изменения, многократные торможения и разгоны способствуют повышенному выделению вредных веществ.

В ряде городов содержание окиси углерода в воздухе над автомагистралями в 10-12 раз превышает предельно допустимую норму. По оценкам медиков и экологов, автотранспорт заметно сокращает среднюю продолжительность жизни населения.

 

• В теплое время года в крупных городах мира с 30-х годов стал появляться смог - туман влажностью около 70%. Это явление назвали фотохимическим туманом, так как для его возникновения необходим солнечный свет, вызывающий сложные фотохимические превращения смеси углеродов и окислов азота, поступивших в воздух в результате автомобильных выбросов, в вещества, значительно превышающие по своей токсичности исходные атмосферные загрязнения.

Фотохимический  туман сопровождается неприятным запахом, резко снижается видимость, у  людей воспаляются глаза, слизистые оболочки носа и горла, возникает удушье, обостряются легочные заболевания, бронхиальная астма.

Так же это явление повреждает и растения. Сначала на листьях появляется водное набухание, через некоторое время нижние поверхности листьев приобретают серебристый или бронзовый оттенок, а верхние становятся пятнистыми с белым налетом. Затем наступает быстрое увядание.

Фотохимический  туман вызывает коррозию металлов, растрескивание красок резиновых и синтетических изделий, портит одежду, нарушает работу транспорта.

Основной  причиной его появления являются отработанные газы автомобилей.

Для уменьшения загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами, сегодня особенно актуальной становится задача не только совершенствовать конструкции автомобилей с точки зрения ограничения токсичности, но особенно повышать уровень технического обслуживания и совершенствовать контроль их технического состояния.

            В мире действуют три основных стандарта, по которым измеряются предельно допустимые выбросы автомобиля страны-производителя:

европейский международный стандарт, является действительным по всему миру;

более жесткий американский стандарт, самый строгий стандарт действует в Японии, также действительный во всем мире.

 

• В последние годы все крупные автомобильные компании мира заняты разработкой экологически безопасных автомобильных двигателей. Постоянно совершенствуя действующие моторы, они предпринимают шаги к созданию новых, с наиболее полным сгоранием топлива. Автомобиль можно сделать экологически более чистым, применяя электронные системы управления, оптимизирующие работу двигателя, тормозов и других агрегатов.

 

• В настоящее время большое значение для улучшения экологической обстановки имеет запрещение в качестве автомобильного топлива этилированного бензина.