5.2.3. Круговорот азота

Главный источник азота органических соединений — молекулярный азот атмосферного воздуха, но растения не спо­собны усвоить его в газообразном виде. Абсолютному боль­шинству организмов азот доступен только в составе ионов ам­мония (NH₄⁺) или нитрата (NO₃^-). В природных условиях пере­ход азота из газообразного N₂ в фиксированную форму (ионы аммония или нитрата) возможен следующим образом:

• при разрядах атмосферного электричества во время гро­зы из азота и кислорода воздуха синтезируются оксиды азота, которые с дождем в виде азотной кислоты или иных растворимых нитратов попадают в почву. Фикса­ция азота возможна и как результат фотохимических реакций в атмосфере. Ежегодная азотфиксация разря­дами молний составляет 4—10 кг/га;

• при отмирании особых азотфиксирующих микроорганизмов (отдельных видов бактерий), обладающих уникальной способностью превращать газообразный азот в аммонийную форму, почва обогащается органическим азотом. Ежегодно они дают около 25 кг/га;

• путем эффективной фиксации азота бактериями, живущими в клубеньках бобовых растений и образующими с ними симбиотические связи, что является хорошим примером мутуализма. Растения обеспечивают бактериям местообитание и пищу (сахара), а взамен получают доступную форму азота. Таким путем в наземных и подземных органах растений (например, сои, клевера или люцерны) за год накапливается азота 150—400 кг/га;

• в водной среде и на очень влажной почве азотфиксация происходит благодаря цианобактериям (от греч. kyanos — синий), способным также и к фотосинтезу. В результате симбиоза от цианобактерий в растения азот попадает в форме нитратов, которые через корни и проводящие пути доставляются к листьям, где используются для синтеза протеинов — основы азотного питания животных.

Таким образом, все естественные экосистемы полностью зависят от азотфиксирующих микроорганизмов. Важную роль в наземных экосистемах играют бобовые расте­ния. Это семейство включает в себя огромное число представи­телей клевера, от обычного для лугов и степей до тропических деревьев и кустарников пустыни. Каждая крупная наземная экосистема имеет характерные для нее виды бобовых. Бобовые обычно первыми заселяют территорию после пожара.

В водных экосистемах круговорот азота происходит анало­гичным образом, причем в роли основных азотфиксаторов вы­ступают синезеленые водоросли.

Возврат азота в атмосферу (минерализация) есть результат деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих ни траты до свободных азота и кислорода. Бактерии-денитрификаторы более разнообразны и многочисленны, чем азотфикси­рующие бактерии.

Для поддержания интенсивности круговорота азота при современном земледелии (так же, как круговорота фосфора и прочих биогенов) возникающий недостаток азота в почве ис­кусственно компенсируется внесением синтетических мине­ральных удобрений, произведенных на азотнотуковых (от русск. туки — удобрения) комбинатах. Для удобрения полей естественным путем в сельском хозяйстве успешно использу­ют азотфиксацию бобовыми растениями. Для этого поля пери­одически засевают соответствующими культурами, а затем их запахивают в почву.

При неразумном применении удобрений на полях избыток нитратов смывается и попадает в водоемы, что способствует их эвтрофикации.

Вещества, не характерные для живых тканей, не имеют ес­тественных (природных) циклов круговорота в экосистемах либо характеризуются очень слабым (малоинтенсивным) круговоротом, потому они имеют тенденцию накапливаться в тка­нях живых организмов. К подобным вещест­вам относятся, например, радиоактивный стронций-90, неког­да существовавший в природе, однако из-за малого периода полураспада к определенному моменту времени полностью ис­чезнувший в биосфере и вновь появившийся после того, как началось искусственное расщепление атома. Это и пестициды, и диоксины, и многие другие соединения, а также тяжелые металлы (ртуть, кадмий, медь, цинк и др.), интенсивность антропогенного вовлечения которых в естественный круговорот значительно увеличилась.