Беогеохимические факторы углерода и азота

Содержание углерода в атмосфере Земли составляет 0,046% в форме двуокиси углерода и 0,00012% в форме метана. Среднее его  содержание в земной коре – 0,35%, а  в живом веществе – около 18% (Виноградов, 1964). С углеродом тесно связан весь процесс возникновения и  развития биосферы, т.к. именно углерод  является основой белковой жизни  на нашей планете, т.е. углерод является важнейшим химическим компонентом  живого вещества. Именно этот химический элемент, благодаря своей способности  образовывать прочные связи между  своими атомами, является основой всех органических соединений.

Индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к  почвам составляет для углерода 100 и 1000 соответственно (Ковда, 1985).

Основным резервуаром  углерода в биосфере, из которого этот элемент заимствуется живыми организмами  для синтеза органического вещества, является атмосфера. Углерод содержится в ней, главным образом, в форме  диоксида СО₂. Небольшая доля атмосферного углерода входит в состав других газов – СО и различных углеводородов, в основном метана СН₄. Но они в кислородной атмосфере неустойчивы, и вступают в химические взаимодействия с образованием, в конечном счёте, того же СО₂.

Из атмосферы  углерод усваивается автотрофными организмами-продуцентами (растениями, бактериями, цианобионтами) в процессе фотосинтеза, в результате которого, на основе взаимодействия с водой, формируются органические соединения – углеводы. Далее, в результате процессов метаболизма, с участием веществ, поступающих с водными растворами, в организмах синтезируются и более сложные органические вещества. Они не только используются для формирования растительных тканей, но также служат источником питания для организмов, занимающих очередные звенья трофической пирамиды – консументов. Таким образом, по трофическим цепям, углерод переходит в организмы различных животных.

Возвращение углерода в окружающую среду происходит двумя  путями. Во-первых – в процессе дыхания. Суть процессов дыхания заключается  в использовании организмами  окислительных химических реакций, дающих энергию для физиологических  процессов. Окисление органических соединений, для которого используется атмосферный или растворённый в  воде кислород, имеет результатом  разложение сложных органических соединений с образованием СО₂ и Н₂О. В итоге углерод в составе СО₂ возвращается в атмосферу, и одна ветвь круговорота замыкается.

Второй путь возвращения  углерода – разложение органического  вещества. В условиях биосферы процесс  этот в основном протекает в кислородной  среде, и конечными продуктами разложения являются те же СО₂ и Н₂О. Но большая часть углекислого газа при этом не поступает прямо в атмосферу. Углерод, высвобождающийся при разложении органического вещества, в основном остаётся в растворённой форме в почвенных, грунтовых и поверхностных водах. Или в виде растворённого углекислого газа, или же в составе растворённых карбонатных соединений – в форме ионов НСО₃^- или СО₃^2-. Он может после более или менее продолжительной миграции частично возвращаться в атмосферу, но большая или меньшая его доля всегда осаждается в виде карбонатных солей и связывается в составе литосферы.

Часть атмосферного углерода непосредственно поступает  из атмосферы в гидросферу, растворяясь  в воде. Главным образом, углекислый газ поглощается из атмосферы, растворяясь  в водах Мирового Океана. Сюда же поступает и часть углерода, в  тех или иных формах растворённого  в водах суши. СО₂, растворённый в морской воде, используется морскими организмами на создание карбонатного скелета (раковины, коралловые постройки, панцири иглокожих и т.д.). Он входит в состав пластов карбонатных пород биогенного происхождения, и на более или менее продолжительное время «выпадает» из биосферного круговорота.

В бескислородных средах разложение органического вещества также идёт с формированием в качестве конечного продукта углекислого газа. Здесь окисление протекает за счёт кислорода, заимствуемого из минеральных веществ бактериями-хемосинтетиками. Но процесс в этих условиях идёт медленнее, и разложение органического вещества обычно является неполным. В результате существенная часть углерода остаётся в составе не до конца разложившегося органического вещества и накапливается в толще земной коры в битуминозных илах, торфяниках, углях.

Хранители углерода – это живая биомасса, гумус, известняки и каустобиолиты. Естественными источниками углекислого газа, кроме вулканических эксгаляций, являются процессы разложения органичесекого вещества, дыхание животных и растений, окисление органических веществ в почве и других природных средах. Техногенная углекислота составляет 20х10⁹ т, что пока намного меньше, чем естественное ее поступление в атмосферу. За миллиарды лет с момента появления жизни на Земле весь углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение всего 304 лет живые организмы усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, всего за 4 года может полностью обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за этот срок завершает свой цикл. Цикл углерода, входящего в состав гумуса почв оценивается в 300-400 лет.

Однако, цикл биологического круговорота углерода не замкнут. Что очень важно, в том числе, и для нас. Этот элемент нередко выводится из геохимического круговорота на длительный срок в виде карбонатных пород, торфов, сапропелей, углей, гумуса. Таким образом, часть углерода всё время выпадает из биологического круговорота, связываясь в литосфере в составе различных горных пород. Почему же тогда не возникает дефицита углерода в атмосфере? Причина в том, что его потеря компенсируется постоянным поступлением СО₂ в атмосферу в результате вулканической деятельности. То есть, в атмосферу постоянно поступают глубинные углекислый газ и окись углерода. Это позволяет поддерживать баланс углерода в биосфере нашей планеты.

Хозяйственная деятельность человека интенсифицирует биологический  круговорот углерода и может способствовать повышению первичной, а, следовательно, и вторичной продуктивности. Но дальнейшая интенсификация техногенных процессов  и может сопровождаться повышением концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Повышение концентрации углекислоты  до 0,07% резко ухудшает условия дыхания  человека и животных. Расчеты показывают, что при условии сохранения современного уровня добычи и использования горючих  ископаемых потребуется чуть больше 200 лет для достижения такой концентрации углекислого газа в атмосфере  Земли. В отдельных крупных городах  эта угроза вполне реальна уже  сейчас.

Азот и его соединения играют в жизни биосферы такую  же важную и незаменимую роль, как  и углерод. Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода. Индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам составляет для азота 1000 и 10000 соответственно (Ковда, 1985).

Основным резервуаром  азота в биосфере также является воздушная оболочка. Около 80% всех запасов  азота сосредоточено в атмосфере  планеты, что связано с направлением биогеохимических потоков соединений азота, образующихся при денитрификации. Основной формой, в которой содержится азот в атмосфере, является молекулярная – N₂. В качестве несущественной примеси в атмосфере содержатся различные оксидные соединения азота NO_x, а также аммиак NH₃. Последний в условиях земной атмосферы наиболее неустойчив и легко окисляется. В то же время, величина окислительно-восстановительного потенциала в атмосфере недостаточна и для устойчивого существования оксидных форм азота, потому его свободная молекулярная форма и является основной.

Первичный азот в атмосфере, вероятно, появился в результате процессов  дегазации верхней мантии и из вулканических выделений. Фотохимические реакции в высоких слоях атмосферы  приводят к образованию соединений азота и заметному поступлению  их на сушу и в океан с атмосферными осадками (3-8 кг/га аммонийного азота  в год и 1,5-6 кг/га нитратного). Этот азот также включается в общий  биогеохимический поток растворенных соединений, мигрирующих с водными  массами, участвует в почвообразовательных процессах и в формировании биомассы растений.

В отличие от углерода, атмосферный  азот не может напрямую использоваться высшими растениями. Поэтому ключевую роль в биологическом круговороте  азота играют организмы-фиксаторы. Это микроорганизмы нескольких различных  групп, обладающие способностью путём  прямой фиксации непосредственно извлекать  азот из атмосферы и, в конечном счёте, связывать его в почве. К ним  относятся:

• некоторые свободноживущие почвенные бактерии;
• симбионтные клубеньковые бактерии (существующие в симбиозе с бобовыми);
• цианобионты, которые также бывают симбионтами грибов, мхов, папоротников, а иногда и высших растений.

В результате деятельности организмов – фиксаторов азота он связывается в почвах в нитритной форме (соединения на основе NH₃).

Нитритные соединения азота способны мигрировать в водных растворах. При этом они окисляются и преобразуются в нитратные – соли азотной кислоты HNO₃. В этой форме азотные соединения способны эффективно усваиваться высшими растениями и использоваться для синтеза белковых молекул на основе пептидных связей C-N. Далее, по трофическим цепям, азот попадает в организмы животных. В окружающую среду (в водные растворы и в почву) он возвращается в процессах выделительной деятельности животных или разложения органического вещества.

Возврат свободного азота  в атмосферу, как и его извлечение, осуществляется в результате микробиологических процессов. Это звено круговорота  функционирует благодаря деятельности почвенных бактерий-денитрификаторов, вновь переводящих азот в молекулярную форму.

В литосфере, в составе  осадочных отложений, связывается  весьма небольшая часть азота. Причина  этого в том, что минеральные  соединения азота, в отличие от карбонатов, очень хорошо растворимы. Выпадение  некоторой доли азота из биологического круговорота также компенсируется вулканическими процессами. Благодаря  вулканической деятельности в атмосферу  поступают различные газообразные соединения азота, который в условиях географической оболочки Земли неизбежно переходит в свободную молекулярную форму.

Таким образом, основными  специфическими чертами круговорота  азота в биосфере можно считать  следующие:

• преимущественную концентрацию в атмосфере, играющей исключительную роль резервуара, из которой живые организмы черпают запасы необходимого им азота;
• ведущую роль в круговороте азота почв и, в особенности, почвенных микроорганизмов, деятельность которых обеспечивает переход азота в биосфере из одних форм в други

Поэтому огромное количество азота в связанном виде содержит биосфера: в органическом веществе почвенного покрова (1,5х10¹¹ т), в биомассе растений (1,1х10⁹ т), в биомассе животных (6,1х10⁷ т). В больших количествах азот содержится и в некоторых биогенных ископаемых (селитры).

В то же время наблюдается  парадокс – при огромном содержании азота в атмосфере вследствие чрезвычайно высокой растворимости  солей азотной кислоты и солей  аммония, азота в почве мало и  почти всегда недостаточно для питания  растений. Поэтому потребность культурных растений в азотных удобрениях всегда высока. Поэтому ежегодно в почву  вносится по разным оценкам от 30 до 35 млн. тонн азота в виде минеральных  удобрений. Таким образом, поступление  за счет азотных удобрений составляет 30% от общих поступлений азота  на сушу и в океан. Это часто  приводит к существенному загрязнению  окружающей среды и тяжелым заболеваниям человека и животных. Особенно велики потери нитратных форм азота, так  как он не сорбируется почвой, легко  вымывается природными водами, восстанавливается  в газообразные формы и до 20-40% его теряется для питания растений. Существенным нарушением цикла азота  является и все возрастающее количество отходов животноводства, промышленных отходов и стоков больших городов, поступление в атмосферу аммония  и оксидов азота при сжигании угля, нефти, мазута и т.д. Опасно проникновение  оксидов азота в стратосферу (выхлопы  сверхзвуковых самолетов, ракет, ядерные  взрывы), так как это может быть причиной разрушения озонового слоя. Все это, естественно, сказывается  на биогеохимическом цикле азота