2.7.1. Соединения азота в окружающей среде

Азот незаменим для живых организмов, так как является обязательным элементом белков. В белках содержится 16 -18% азота. Высшие организмы не могут усваивать молекулярный азот из-за его прочной связи между атомами. Однако в атмосфере происходят процессы, которые приводят к разрыву этих связей у части молекул азота. В атмосфере сосредоточена основная масса азота (около 75%).

В нижней атмосфере, тропосфере, при грозах воздух действием электрических разрядов локально разогревается до температуры 2000°С, что приводит к расщеплению части молекул азота и кислорода на ионизированные атомы, которые реагируя друг с другом, образуют непрочную связь азота (NO), которая в свою очередь окисляется кислородом до более стабильной двуокиси: 2NO + О₂→ 2NO₂.

В присутствии паров воды NO₂образует азотную кислоту:

3NO₃+ Н₂О → 2HNO₃+ NO.

Диссоциируя в воде, азотная кислота подкисляет атмосферные осадки: HNO₃→ Н^+-+ NO₃, а нитратный ион (NO₃) из почвенных растворов и водоемов легко усваивается растениями при любой реакции среды.

Однако этого источника азота, доступного растениям для огромной биологической продукции, недостаточно. Ежегодно в биологическую продукцию вовлекается около 510⁹т азота, тогда как поступление доступного азота, образующегося при электрических разрядах в атмосфере, оценивается в 10 млн т/год (110⁷т/год).

Остальная часть азота усваивается растениями с помощью микроорганизмов.

Дальнейшая судьба азота определяется пищевыми цепями потребителей, условиями превращения органических веществ.

В геохимии азота исключительную роль играет живое вещество, создающее интенсивный биогенный круговорот азота между живым веществом, атмосферой и гидросферой (рис. 2.12).

Кларк азота в живом веществе Земли примерно равен 0,3%, а общее содержание азота в живом веществе планеты - около 210¹⁰т.

Кларк азота в океане - 0,5 мг/л (510^-5% /вес), в речной воде 0,67 мг/л, в почвенном покрове (110^-1% /вес).

Биологическая фиксация молекулярного азота микроорганизмами осуществляется главным образом в почве и водоемах.

Молекулярный азот растворяется в воде без химического взаимодействия, причем растворяемость азота увеличивается с уменьшением температуры воды.

Азотофиксирующие микроорганизмы из молекулярного азота и водорода синтезируют аммиак (NFL), используя для этого энергию органических соединений:

N₂→ 2NH → 2NH₂→ 2NH₃.

Аммиак, переходя в ион NН₄(аммоний), как и нитритная форма азота, легко растворим и усваивается растениями (хуже в кислой среде).

Дожди из атмосферы поставляют в океан нитритный азот, образующийся при грозах и аммонийный азот, образующийся из аммиака вулканических газов. Дожди ежегодно приносят на каждый метр океанической поверхности 28 мг нитритного и 59-290 мг аммонийного азота. Общая масса растворенных минеральных форм азота в океане оценивается в 6,8510¹¹т.

Рис. 2.12. Круговорот азота (по П. Дювиньо и М. Тангу)¹

Как и в почве, молекулярный азот в океане привносится азотофиксирующими микроорганизмами (главным образом сине-зелеными водорослями) в аммиак. Аммиачные и нитритные формы растворенного в воде азота используются фитопланктоном. Организмы фитопланктона живут в среднем один День. Часть их поглощается зоопланктоном, а азот первичной продукции включается в биогенную миграцию по пищевым цепям потребителей океана. Аммиак окисляется из нитратов микроорганизмами, осуществляющими нитрификацию, вместе с нитратами, приносимыми с суши, они снова поглощаются фитопланктоном.

Причем, поглощение азота фитопланктоном в океане происходит только в тонком поверхностном слое.

Основная масса глубинного азота поступает в биосферу через вулканизм, главным образом на дне Тихого океана и в «огненном кольце» его побережья. На остальной территории суши глубинный азот поступает в основном в результате освобождения его из изверженных порода при их выветривании.

На миграцию азота в биосфере оказывает влияние прежде всего географическая зональность и рельеф Земли.

Наибольшее количество азота, аккумулированное в мертвом органическом веществе, приходится на заболоченные ландшафты тундр, северной и типичной тайги (торф, напочвенные подстилки, органическое вещество озер, поймы рек).

Максимальное количество азота, содержащееся в живой биомассе, приходится на леса жаркого пояса (более 3000 кг/га). Это связано с большой фитомассой этих лесов. Минимальное количество органического азота, удерживаемое живым веществом, отмечается в экосистемах с очень низкой общей биомассой (лишайниковые пустыни - 11 кг/га, солончаковые пустыни - 31 кг/га, такыры - 165 кг/га).

Своеобразный круговорот азота возникает между автономными и подчиненными экосистемами суши. В аэробных автономных условиях в результате преобладания процессов нитрификации азот изымается из атмосферы, а в гидроморфных анаэробных подчиненных условиях в результате преобладания процессов денитрификации азот возвращается в атмосферу.

Человек активно вмешивается в миграцию азота.

Главным поставщиком техногенного азота в природные системы являются горючие ископаемые (уголь, нефть, газ), а также удобрения, зерно и древесина. По расчетам Н.Ф. Глазовского, главным источником техногенного азота в Центральном районе России является сжигание газов, в Южном - удобрения.

В результате законсервированный в мертвом органическом веществе осадочных пород азот переводится в газообразные окислы азота. Интенсивность этого процесса в настоящее время составляет 310⁷т/год.

Кроме того, человек освобождает азот при сжигании более молодых запасов органического вещества - торфа и древесины. Еще около 210¹⁰т азота освобождается в результате сельскохозяйственной деятельности в связи с сокращением содержания гумуса в почвенном покрове.

Непосредственно из атмосферных запасов человек ежегодно извлекает около 6,710⁷т/год азота, используя его для получения аммиачных удобрений, производства азотной кислоты, взрывчатых веществ и других видов химической продукции. Причем весь этот азот активно включается в миграцию на поверхности Земли.

По расчетам В.Н.Кудеярова, годовая норма потребления азота на одного человека равна 5 кг, а к 2000 г. суммарное потребление азота человечеством составило 32,510⁹т. Удовлетворить эту потребность можно было путем увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, богатых белком (пшеница, соя и др.) и развития животноводства. Разрешение этой проблемы потребует внесения в почву высоких доз минеральных удобрений, особенно азотных.

В настоящее время в агроценозах широко применяется внесение азотных удобрений, полученных индустриальной фиксацией азота из атмосферы, а также внесение навозных стоков, содержащих азот. Часть азота, вносимого в почву в качестве удобрения, не захватывается растениями, вымывается природными водами и вовлекается в протяженную водную миграцию. Микроорганизмы - денитрификаторы - не успевают разлагать эти соединения и освобождать азот, пополняя его содержание в атмосфере.

В природных водах постепенно увеличивается содержание Ценнейших продуктов питания - азотных и азотистых соединений. Это вызывает усиленный рост некоторых водных растений, зарастание водоемов, перегрузку их мертвыми растительными остатками и продуктами разложения.

Вымывание азота при внесении умеренных доз азотных удобрений, как правило, не велико (около 3-4 кг/га), в то время как при нормах, значительно превышающих биологические потребности культуры, может вымываться 30-60% внесенного азота.

У нас в стране повышенное содержание нитратов в грунтовых водах отмечено в ряде районов интенсивного использования минеральных удобрений (особенно в овощеводстве). По данным института агрохимии и почвоведения, в грунтовых водах Окского бассейна содержание нитратного азота в ряде случаев превышало допустимую норму - 10 мг/л.

Азот, поступающий из почвы (обычно в нитратной форме), превращается в растениях в сложные органические соединения. При избытке азота он не полностью расходуется на образование органических соединений, а его остатки накапливаются в растениях.

Наибольшим уровнем содержания нитратов отличаются листовые овощи и корнеплоды. В нашей стране на основе токсикологических исследований установлено допустимое остаточное количество (ДОК) нитратного азота для бахчевых культур, равное 10 мг/кг свежей продукции.

Применение повышенных норм азотных удобрений под кормовые культуры и на пастбищах также может вызвать накопление нитратов в кормах в количествах, токсичных для животных. В литературе встречаются разные точки зрения на уровень опасного содержания нитратов в кормах. Токсикологический порог, по опубликованным данным, колеблется от 0,2 до 0,5%.

В нашей стране токсико-химическую оценку и скармливание растительных кормов проводят только с учетом норм нитритов и нитратов, утвержденных государственными органами. В соответствии с этими нормами предельно допустимая концентрация нитратов (по NO^-₃) составляет: в зеленых кормах, силосе и сенаже - 200, сене и соломе - 500, свекле - 800 и зернофураже - 30 мг/кг сырого продукта. Предельно допустимая концентрация нитритов (по NO^-₃) во всех перечисленных кормах равна 10 мг/кг сырого продукта.

Поступая в организм человека и животных с водой и пищей, нитраты под действием микроорганизмов желудочно-кишечного тракта восстанавливаются до нитритов, которые являются более токсичными соединениями. Для взрослых людей порог токсичности нитратов составляет 20-30 г, а нитритов - 2 г. Взаимодействие нитритов с гемоглобином крови ведет к образованию метгемоглобина, не способного переносить кислород из легких к тканям. Метгемоглобинемия особенно опасна для детей. Если в метгемоглобин превращается 20-25% гемоглобина, у детей появляются признаки удушья.

Повысить эффективность азотных удобрений, способствовать потере азота из почвы и тем самым предотвратить загрязнение окружающей среды позволяет внедрение локального способа внесения удобрений (лентами и в рядки) непосредственно под растение. При этом в почве создаются и до конца вегетации сохраняются очаги повышенной концентрации питательных веществ, которые более интенсивно и полно поглощаются растениями, чем при разбросном внесении. Другой путь предотвращения потерь азота - применение медленно действующих удобрений. Их изготавливают в виде гранул, покрытых оболочками. Скорость высвобождения питательных веществ из таких удобрений регулируют путем добавления в состав их оболочки специальных веществ, реагирующих на изменение температуры почвы.

Процессы, приводящие к потерям азота из почвы, можно тормозить применением ингибиторов нитрификации, которые при внесении в почву избирательно подавляют жизнедеятельность нитрифицирующих микроорганизмов и на какое-то время обеспечивают консервацию азотных удобрений.