Азотний цикл

Фіксація азоту — процес засвоєння рослинами сполук азоту з повітря (головним чином з молекулярного азоту, N₂). Фіксація азоту можлива багатьма бактеріями і ціанобактеріями. Вони живуть або в ґрунті, або в симбіозі з рослинами, або з декількома різновидами тварин. Наприклад, родина бобових рослин (Fabaceae) містить такі бактерії на своїх коріннях. Продукти фіксації азоту — аміак (NH₃), нітрити або нітрати. Фіксація азоту є процесом, протилежним денітрифікації.

Нітрифікація є другим кроком фіксації азоту. Якщо аміак — первинний продукт фіксації азоту, то перехід аміаку в нітрити і нітрати (нітрифікуючими бактеріями) — нітрифікація.

Денітрифікація є процесом розкладання нітрату з отриманням азоту. Ця ланка перетворень азоту в біоценозі виконується денітрифікуючими мікроорганізмами (паличкоподібна бактерія (Pasterellaceae), псевдомонас (Pseudomonas) й інші), які при засвоєнні переходять від кисню до нітрату, особливо в недостатньо провітрюваних ґрунтах. Процес денітрифікації може призвести до кількох проміжних продуктів. Найважливіший — закис азоту (N₂O), довгоживучий парниковий газ. Гази повертають азот в атмосферу.

Засвоювані сполуки азоту можуть накопичуватися в ґрунті в неорганічній формі (нітрат) або можуть бути включені в живий організм як органічний азот. Асиміляція і мінералізація визначає поглинання сполук азоту з ґрунту, об'єднання їх у біомолекули рослин й конверсію в неорганічний азот після відмирання рослин, відповідно. Асиміляція — перехід неорганічного азоту (типу нітрату) в органічну форму азоту як, наприклад, амінокислоти. Нітрат переходить за допомогою ферментів спочатку в нітрит (редуктаза нітрату), потім у аміак (редуктаза нітриту). Аміак входить до складу амінокислот.

Мінералізація (амоніфікація) це процес, протягом якого редуценти, такі як земляні хробаки, терміти, слимаки, равлики, бактерії і гриби перетворюють органічний азот відмерлих рослин в неорганічні форми. Перший крок це формування аміаку (NH⁴⁺) і його солей (NH₄+ X-). Асиміляція і мінералізація є протилежними процесами.

На додаток до природних джерел, люди відповідальні за емісію NO / NO₂ в результаті горіння при технічних процесах. Найпоширеніше — це згоряння палива в автомобільних двигунах. При згоранні викопного палива відбувається розігрів повітря, як і у випадку з розрядом блискавки. Приблизно 20 млн тонн азоту на рік зв'язується при спалюванні природного палива. За певних умов якщо середні концентрації оксидів азоту в повітрі стають занадто високими, це може призвести до озонового смогу. Крім того, оксиди азоту в атмосферних реакціях перетворюються на азотну кислоту, що вносить свій внесок у кислотні дощі та призводить до їх негативних наслідків.

Виробництво аміаку у світі за регіонами, станом на 2004 рік. Дані надані Міжнародною асоціацією виробників мінеральних добрив (IFA).

Щоб поліпшувати умови вирощування зернових та інших сільськогосподарських культур, в ґрунт вносяться азотовмісні добрива. Нестача азоту часто стримує ріст рослин, і фермери для підвищення врожайності купують штучно зв'язаний азот у вигляді мінеральних добрив. Це можна назвати технічної фіксацією азоту, що базується, наприклад, на синтезі аміаку в процесі Габера-Боша. Технологією зв'язування азоту в промислових масштабах ми зобов'язані військовим. У Німеччині перед Першою світовою війною був розроблений спосіб отримання аміаку для потреб військової промисловості. Виробництво азотовмісних добрив дуже збільшилося за останні десятиліття. Тепер для сільського господарства кожен рік виробляється трохи більше 80 млн тонн зв'язаного азоту (він вживається не тільки для вирощування харчових культур, а також для удобрення приміських галявини і садів). Подальше збільшення фракції закису азоту (звеселяючий газ) в повітрі, перш за все, наслідок вживання азотних добрив.

Головний постачальник зв'язаного азоту в природі — бактерії: завдяки їм зв'язується приблизно від 90 до 140 млн тонн азоту. Найвідоміші бактерії, що зв'язують азот, знаходяться в бульбочках бобових рослин. На їх використанні заснований традиційний метод підвищення родючості ґрунту: на полі спочатку вирощують горох або інші бобові культури, потім їх заорюють в землю (сидеральне добриво), і накопичений в їх бульбочках зв'язаний азот переходить в ґрунт. Потім поле засівають іншими культурами, які цей азот вже можуть використовувати для свого зростання. Таким чином відбувається зв'язування азоту і перенесення його в біосферу до 40 млн тонн щорічно.

Підсумувавши внесок людини в кругообіг азоту, одержуємо цифру близько 140 млн тонн на рік. Приблизно стільки ж азоту зв'язується в природі природним чином. Таким чином, за порівняно короткий період часу людина стала робити істотний вплив на кругообіг азоту в природі. Тим не менше доводиться визнати, що видозміна кругообігу азоту, ще далеко не найгірша проблема з тих, з якими зіткнулося людство. У зв'язку з цим можна навести слова Пітера Вітошека, еколога зі Стенфордського університету, який вивчає рослини:

Ми рухаємося до зеленого і зарослого бур'янами світу, але це не катастрофа. Дуже важливо вміти відрізнити катастрофу від деградації.

Кожна екосистема здатна засвоїти певну кількість азоту, і в наслідки цього в цілому сприятливі — рослини стануть рости швидше. Якщо внесено занадто багато добрив і надлишок не прийнятий рослинами, це викликає подвійну негативну дію. При насиченні екосистеми аміак і нітрати змиваються у водойми і прибережні зони. Тут вони викликають сильний ріст рослин і морських водоростей (фітопланктону), в результаті чого життя у воді може згаснути, так як вміст кисню у воді буде зменшуватися через розкладання решток відмерлих продуцентів, на їх розкладання витрачається майже весь розчинений у воді кисень. Евтрофікація озер — мабуть, найнеприємніша екологічна проблема, пов'язана з азотом. Крім того, денітрифікація збільшується і виробляється більше закису азоту. Це збільшує парниковий ефект, а закис азоту, що досягає стратосфери, перетворюється в інші оксиди азоту, що сприяють виснаженню озонового шару.