Круговорот азота. 
Экология

Объемное содержание азота в атмосфере достигает 78%, т. е. атмосфера представляет собой крупнейшую кладовую этого элемента.

В атмосферу азот поступает в основном из трех источников: 1) при биохимическом восстановлении оксидов азота N0,. до молекулярного азота N₂; 2) при извержении вулканов; 3) при сжигании топлива антропогенных объектов (рис. 2.6).

Азотосодержащие вещества мертвых организмов и экскретов с помощью редуцентов постепенно превращаются в неорганические. Конечным звеном редукционной цепи являются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак NH₃. Часть NH₃ входит в цикл нитрификации, где соответствующими бактериями превращается в нитриты и нитраты.

Последним звеном в процессе восстановления молекулярного азота являются бактерии — денитрофикаторы. Благодаря их деятельности с 1 га почвы ежегодно в атмосферу поступает до 60 кг N₂ [61, с. 50—51]. Следует отметить, что подобные процессы денитрификации используются при глубокой очистке сточных вод от соединений азота, образующихся при принудительном разложении органических веществ в очистных сооружениях.

При извержениях вулканов в составе вулканических газов присутствует молекулярный азот. Суммарный вклад вулканов в этот процесс незначителен.

Известно, что для сжигания топлива необходим кислород, который потребляется из атмосферы. При сжигании топлива в антропогенных установках в камеры сгорания подается воздух, хотя необходим только кислород. Это вынужденная мера, так как пока нет дешевых технологий выделения кислорода из атмосферного воздуха. Под воздействием высоких температур происходит образование оксидов азота NO_v, которые поступают в атмосферу.

Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в результате жизнедеятельности азотофиксирующих бактерий; 2) в результате естественных физических процессов в атмосфере; 3) при промышленном синтезе аммиака NH₃.

Обратный процесс денитрификации называется азотофиксацией. В почве обитают свободноживущие азотофиксирующие бактерии (Azotobacter, Clostridium), синтезирующие сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом (до 25 кг в год на 1 га), который достаточно быстро минерализуется редуцентами.

Рис. 2.6. Круговорот азота.

Самая эффективная фиксация азота проводится клубеньковыми бактериями бобовых растений (Rhizobium). Таким путем в этих растениях на одном гектаре накапливается до 400 кг азота в год [61, с. 50].

Существуют также азотофиксирующие бактерии, образующие симбиоз (греч. symbiosis — сожительство) с другими организмами. Кроме того, способностью фиксировать азот обладают примитивные грибы. В клубеньках многих деревьев, например ольхи, они могут достаточно эффективно фиксировать N₂. Способностью к фиксации азота обладают и цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

Окисление атмосферного азота происходит при извержениях вулканов, электрических разрядах, процессах ионизации воздуха, фотохимических процессах. При этом оксиды азота растворяются в дождевой воде и попадают в почву. Таким же образом вместе с осадками в почву попадает раствор аммиака, содержание которого в 1 м³ воздуха достигает 0,04 мг. Суммарное поступление азота абиотическим путем в почву составляет 10—15 кг/га в год [29, с. 213].

При производстве азотных удобрений происходит фиксация атмосферного азота, в основном в виде NH₃. Любая фиксация (биотическая и абиотическая) газообразного азота требует достаточно больших затрат энергии. Так, клубеньковые бактерии для фиксации 1 г N₂ расходуют до 170 кДж энергии, извлекаемой из глюкозы растений. Затраты энергии на фиксацию N₂ при производстве удобрений значительно выше, поэтому азотные удобрения одни из самых дорогих.

В последние годы влияние человека на круговорот азота стало достаточно ощутимым. Промышленность и сельское хозяйство дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественные экосистемы. В сельском хозяйстве это достигается за счет увеличения посевов бобовых. Значительное количество азота, поступившего с синтезированными минеральными удобрениями, не вовлекается в круговорот повторно. При этом часть азота выносится в реки, а затем — в озера и моря, часть изымается вместе с урожаем, часть теряется в процессе денитрификации.

Во второй половине XX в. главным источником питания сельскохозяйственных растений азотом стали минеральные удобрения. Так, в США объем вносимых в почву азотных удобрений за истекшие 50 лет возрос в 12 раз, а урожайность зерновых — не более чем в два раза. В мире в настоящее время вносится до 40 млн т азота в виде удобрений. В результате происходит насыщение нитратами грунтовых вод на равнинных территориях. Так, в черноземной зоне России и на территории Беларуси практически повсеместно наблюдается превышение предельно допустимой концентрации по нитратам в водах сельских колодцев.

Ежегодно в круговороте живым веществом планеты усваивается около 10 млрд т азота, при этом только 20% поступает из атмосферы. За последние годы содержание азота в атмосфере практически не менялось и в глобальных масштабах можно считать процессы денитрификации и азотофиксации достаточно уравновешенными. Следует, однако, отметить, что из-за антропогенных процессов азотофиксация должна преобладать. Видимо, механизм денитрификации имеет достаточные резервы для поддержания постоянства N₂ в атмосфере.