Влияние антропогенного воздействия

Можно видеть, что главную роль в преобразовании неоргани­ческого азота в форму, используемую в биологическом кругово­роте, играют бактерии разных типов. Они во многом подвержены влиянию условий окружающей среды так же, как и другие орга­низмы, и нарушения этих условий могут привести к изменениям активности бактерий.

Так, Ленднер и Ларссон исследовали необычно высокое со­держание нитрит-ионов в придонных слоях воды в заливе Копинга в Швеции и пришли к выводу, что там имеется сверхизбыточное количество нитрозобактерий по сравнению с азотобактерами. По-видимому, это явилось результатом резкого увеличения содер­жания удобрений в воде, стекающей с удобряемых участков зем­ли. Однако селективное подавление деятельности азотобактера при чрезмерном загрязнения воды невозможно, так как деятель­ность азотобактеров подавляется в избытке нитратов, цианатов, некоторых тяжелых металлов и других химических веществ.

В настоящее время становится реальным создание условий, представляющих опасность для окружающей среды. Известно, что избыточное содержание нитрит-ионов является токсичным для многих организмов, обитающих в водной среде, а избыток нитрат- ионов представляет опасность для здоровья человека и стимули­рует чрезмерный рост водорослей. Первоначально круговорот азота был относительно стабилен и содержание азотсодержащих соединений было таково, что с помощью денитрификации в кру­говорот возвращался весь фиксированный азот. Но вследствие возросшего применения удобрений и увеличения объема произ­водств, дающих азотсодержащие отходы, прежней стабильности существовать не может. Отходы органического происхождения от постепенно увеличивающегося населения также вносят свой вклад в эту проблему, и в результате бактерии, ответственные за денит­рификацию, начинают отставать от этих темпов. В конце концов станет теоретически возможным сосуществование в одном и том же районе нитратов и нитритов в высокой концентрации с соот­ветствующими вредными последствиями.

Повсюду в мире озера, заливы и прибрежные водные системы являются основными вместилищами больших количеств азотсо­держащих отходов человеческой деятельности и промышленности. Влияние этих сбросов обычно рассматривается только тогда, ко­гда возникают заметные проблемы краткосрочного характера, на­пример, эвтрофикация водной массы или загрязнение питьевой воды. Фактически многие исследователи полагают, что эвтрофикация прибрежных вод определяется концентрацией азотсодержа­щих питательных веществ. Однако не менее важными, а в некото­рых случаях и более существенными оказываются эффекты дол­госрочного характера, вызываемые изменениями в круговороте азота. Если нарушается последовательность рассмотренных ранее реакций, то конечные результаты этого могут оказаться опусто­шительными и смягчить их будет чрезвычайно трудно. Поэтому перед тем, как разрешить сброс в водную систему больших коли­честв азотсодержащих отходов, должны быть тщательно оценены скорости многих процессов — азотфиксации, нитрификации и де­нитрификации.

В идеальном случае отходы, содержащие азот, должны быть вновь включены в круговорот азота в виде удобрений, вносимых в почву, где они могут быть использованы более эффективно, чем в водной системе.

Хозяйственная деятельность человека оказывает значительное влияние на круговорот азота. Промышленная фиксация азота считается одной из самых сильных форм вмешательства человека в природный круговорот. Основным источником «добавок» азота к природному круговороту является современное сельское хозяйство, широко использующее азотные удобрения.

Удобрения покрывают недостаток азота, обусловленный разрывом между потребностями сельскохозяйственных культур и возможностью его мобилизации из почвы. Сельскохозяйственные культуры обедняют почву, унося с урожаем огромные количества питательных веществ, в том числе азота около 106 млн. т

Огромные успехи химической промышленности по производству минеральных удобрений уже позволяют не только положить предел истощению почвы, но и активным вмешательством в круговорот веществ в земледелии целенаправленно повышать плодородие почв путем пополнения в них запаса питательных веществ.

Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о том, что не менее 50% прироста урожаев получают за счет внесения удобрений, в том числе азотных. Азотные удобрения не только повышают урожай, но и влияют на его качество: в растениях возрастает содержание белка, клейковины, улучшается витаминная ценность продукции, увеличивается содержание витаминов. Важность применения азотных удобрений объясняется тем, что почвенный азот находится в основном в недоступной для растений органической форме, на долю минерального азота приходится лишь около 1% его общего количества.

Несмотря на важность внесения азотных удобрений, они вносятся неравномерно на всю используемую в сельском хозяйстве площадь.Достаточно высокие дозы вносимых минеральных удобрений, практически полностью покрывающие вынос азота урожаем из почвы, используются лишь в государствах с малой земельной площадью и большой плотностью населения (Голландия, Япония). В этих странах используются не только минеральные удобрения, но и органические. Это позволяет поддерживать азотный баланс положительным.

В странах с довольно большой земельной площадью (Франция, Канада, США и т. д.) минеральный азот в качестве удобрений применяется в относительно меньших количествах, не обеспечивающих покрытие его выноса с урожаем, так как производство минерального азота относительно дорого и его использование не всегда окупается прибавкой урожая сельскохозяйственных культур. Поэтому азот в достаточно больших дозах вносят лишь под ценные продовольственные и технические культуры. Вместе с тем в некоторых государствах (Великобритания) внесение и вынос азота сбалансированы. В значительной мере это удается сделать благодаря использованию навоза и культивированию бобовых растений — азотнакопителей.

Коэффициенты использования азота различными культурами не превышают 33—53%. Не используемый растениями азот частично теряется либо путем улетучивания газообразных продуктов, образующихся при трансформации азота удобрений, либо в результате вымывания в глубокие слои почвы. Размеры этих потерь зависят от свойств почвы и способов применения азотных удобрений.

Потери путем вымывания наиболее значительны на песчаных и супесчаных почвах, а также на полях, не занятых растительностью. Газообразные потери увеличиваются в соответствии с развитием денитрификации и химических процессов превращения нитратного азота в низшие окислы азота и элементарный азот.

Значительная доля не используемого растениями азота остается в почве (за вычетом потерь она составляет примерно 30—40% от количества минерального азота, внесенного в почву). Часть этого остатка, если азот вносился в аммонийной форме, фиксируется почвенными минералами в необменном состоянии, часть входит в поглощающий комплекс почвы; обменно-поглощенный аммоний является важным источником азотного питания растений. Значительное же количество не использованного растениями и оставшегося в почве азота входит в малый биологический круговорот: поглощается различного рода микроорганизмами, входит в состав гумусовых соединений и т. д. Само собой разумеется, что эти процессы обратимы, и биологически связанный азот удобрений в зависимости от процессов, происходящих в почве, может постепенно минерализоваться.

Сочетание процессов минерализации (переход в минеральную воднорастворимую форму) и мобилизации (переход в органические соединения или в нерастворимые в воде поглощенные минеральные формы) — характерная черта круговорота азота в почве. Отсюда следует, что не использованный растениями в первый год и остающийся в почве азот не может считаться потерянным для питания растений в последующем.

Интенсивное использование азотных удобрений может привести к тому, что количество азота, доступного для наземных растений, может значительно превышать количество свободного азота, возвращаемого в атмосферу в процессе денитрификации.

Промышленная фиксация азота в процессе производства удобрений — пример активного вмешательства человека в природные процессы круговорота вещества. В связи с массовым производством искусственных азотных удобрений может возникнуть дисбаланс между количеством газообразного азота, образующегося из органических соединений азота и возвращающегося в атмосферу, и азота, поступающего из атмосферы в процессе естественной фиксации. Отмечается постепенный переход вещества из техногенных миграционных потоков в природные. Накопление азота в различных объектах природной среды (водах, растениях, почве) может вызвать целый ряд неблагоприятных последствий.

Существует тесная связь между ростом сельскохозяйственной активности (в частности, применением удобрений) и прогрессирующим загрязнением природной среды.В среднем 36% азота, введенного с удобрениями, появляется в сточных водах. Исследования показали, что изменение содержания азота в водоемах в 99% случаев пропорционально изменениям количества применяемых азотных удобрений.Стоки с сельскохозяйственных угодий, несущие значительные количества нитратного азота.

Одним из источников загрязнения поверхностного стока и грунтовых вод являются стоки с животноводческих ферм и неправильное внесение навоза: внесение на мерзлую землю, избыточные количества, внесение без заделки в почву.

Специфической причиной загрязнения водоемов азотом является аммиачное загрязнение воздуха, наблюдающееся на расстоянии до 2—3 км от животноводческих ферм и приводящее к интенсивному поглощению аммиака поверхностью близлежащих водоемов.

В целях предотвращения загрязнения грунтовых вод и водоемов используются пруды, расположенные террасовидно на склоне ниже откормочной площадки, кроме того, размещение откормочных площадок производится при строгом учете высоты зеркала грунтовых вод.

Одним из последствий нарушения азотного баланса в результате применения удобрений является увеличение содержания нитратов в пищевых продуктах. Сельскохозяйственные культуры, выращиваемые на удобряемых полях, могут содержать высокие, иногда токсичные концентрации нитратного азота.

При определенных условиях (под действием бактерий, при неправильной транспортировке) нитраты в пищевых продуктах превращаются в нитриты. Попадая в организмы животных и людей, нитриты в комбинации с гемоглобином крови образуют соединения, нарушающие питание крови кислородом (метгемоглобинемия), что может приводить к серьезным заболеваниям. За последние 5 лет европейские специалисты-педиатры указывают на многочисленные случаи метгемоглобинемии у детей, связанные с повышением содержания в пище соединений азота. Это свидетельствует о важности изучения «добавок» азота, поступающих в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности, и в частности при применении азотных удобрений.

Одной из техногенных составляющих поступления соединений азота в природную среду являются окислы азота, поступающие при сжигании газа, жидкого топлива, бензина автотранспортом, реактивного топлива турбовинтовыми самолетами, а также за счет выбросов таких отраслей химической промышленности, как производство азотной кислоты и др. Общее количество азота, поступающего из этих «техногенных» источников, составляет 37 млн. т.

Окись азота сама по себе относительно безвредна, но в нормальных атмосферных условиях она окисляется озоном до двуокиси азота, которая при высокой концентрации в воздухе (более 25 частей на миллион) вызывает тяжелые заболевания.Окись азота «живет» в атмосфере около 3 дней; такое сокращение срока пребывания окиси азота в атмосфере объясняется тем, что около 10% N0₂ взаимодействует с водяным паром атмосферы и преобразуется в азотную кислоту, поступающую с осадками. Окислы азота, поступающие в атмосферу, представляют опасность своим участием в фотохимических реакциях и в образовании фотохимического смога.

Заключение

В заключение можно отметить, что благодаря механизмам обратной связи, обеспечивающим саморегуляцию, и хорошей забуференности круговорот азота относительно совершенен, если рассматривать его в масштабе крупных экосистем или всей биосферы. Часть азота из густонаселенных областей суши, пресных вол и мелководных морей ухолит в глубоковолные океанические отложения и таким образом выключается из круговорота, по крайней мере на время.

Естественный круговорот азота характеризуется столь малой скоро­стью, что он сильно подвержен антропогенным воздействиям. В насто­ящее время равновесие по азоту в биосфере нарушено в результате человеческой деятельности, в окружающей среде происходит накопле­ние нитратов и промежуточных продуктов нитрификации.

Список литературы

1) Бокрис «Химия окружающей среды»

2) Скурлатов «Введение в экологическую химию»

3) Рябчиков, Солнцев «Круговорот вещества в природе и его изменение хозяйственной деятельностью человека».

4) www.elementy.ru