Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Биоиндикация загрязнений

Азот

Азот — важнейший элемент питания, необходимый для нормального развития живых организмов. Он входит в состав белков (до 16-18% их массы), нуклеиновых кислот, иуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина, фосфатидов, алкалоидов. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новых клеток. В формировании почвенного покрова и плодородия экосистем, в повышении продуктивности земледелия и улучшении белкового питания человека азот столь же незаменим, как углерод.

Азот является одним из широко распространенных химических элементов. В природе поставщиками азота являются земная кора, магма, вулканические газы. Основным бассейном, где содержится азот в молекулярной форме, служит атмосфера. Содержание в пей N2 по объему составляет 78,08%, а по массе — 75,50%. Он относится к «инертной» части атмосферы, постоянно поступая в нее с вулканическими газами и в процессе биологического круговорота. Содержание N2, например, в газах гавайских вулканов составляет 5,7%, а в азотных фумаролах Везувия —98%. Считается, что в целом в атмосфере находится (6-4)-1015 т азота. В осадочных породах земной коры, сформировавшихся при участии биологических факторов, накопилось около 6 • Ю10 т азота, а в Мировом океане —до 2 • 1013 т. Биомасса суши содержит 1 • Ю10 т азота, тогда как его запасы в биомассе океана достигают 2 • 10 й т.

В биосфере азот присутствует в газообразной форме (N2, NH3, NO, NO2), в виде солей азотной и азотистой кислот (нитраты и нитриты), солей аммония, а также в составе разнообразных органических соединений. В атмосфере оксиды азота активно участвуют в фотохимических реакциях, продуцируя озон и азотную кислоту. Одной из основных форм, обеспечивающих круговорот азота в биосфере, и источником питания во всех звеньях трофической цепи являются белки. На долю растений приходится до 80% общего биосинтеза белков. Животные белки составляют 15%, белки рыб — 5%. Будучи одним из основных биогенных компонентов, азот определяет развитие организмов на всех этапах. В биоценозах на долю его минеральных соединений приходится не более Н0%. Приблизительный баланс азота приведен в таблице 34.

Таблица 34- Баланс азота в биосфере (Иванов, 1994)

Океан

Суша

Поступление из атмосферы

Поступление из атмосферы

7, 5 ? 107 т N2

1, 75 ? 107 т N2

(3-12)-107 т NH3, NH+, NO3

(4-6)ДО6 т NO“, NH3, NII+

Поступление в донные осадки

Поступление из недр Земли

1 • 107 т N2

0,2 • 106 т N2

Возвращение в атмосферу

Возвращение в атмосферу

(1-23) ДО7 т N2

(1—17) • 107 т N2

9 • 107 т NO2, NO*

(4,5-7,5)Д07 т NOx

Некоторое количество NH3

(2-10) ДО7 т NO3 , NH3

Поступление в океан

> 4 ? 107 т NO3 , NH+

Молекулярный азот недоступен растениям, поглощение идет в форме NH^~, N0^, NO3 . Главным источником азота в почве является гумус. Планетарные запасы азота в почвенном гумусе составляют 6 -1010 т, однако он находится в недоступной растениям форме и непосредственно для их питания не используется. Азот гумуса переходит в растворимые и доступные формы лишь постепенно, в результате ряда сложных и длительных микробиологических превращений — несимбиотической и симбиотической фиксации. Не симбиотическая фиксация — усвоение газообразных соединений азота свободноживущими микроорганизмами. Симбиотическая фиксация — фиксация газообразных соединений азота микроорганизмами, поселяющимися на корнях растений и находящимися в симбиозе.

Соотношение различных соединений азота в разных по генезису почвах довольно постоянно (табл. 35). Во всех почвах преобладают негидролизуемые соединения азота: в черноземе они составляют около 40-45%, в сероземе — около 40%, в дерново- подзолистой почве — около 30% всего запаса азота. Такое соотношение обусловлено повышенной биологической активностью черноземов и сероземов, в которых происходит преимущественное разложение лабильных соединений и накопление более устойчивых иегидролизуемых форм. Доля азота, входящего в состав амииосахаров, в почвах относительно снижена, а аммонийный и аминный азот находятся примерно в равном соотношении.

Таблица 35. Содержание различных соединений азота (кг/га) в почвах разного генезиса в слое 0-20 см (Иванов, 1994)

Соединения азота

Тип почвы

Дерново-подзолистая

Типичный чернозем

Серозем

Весь азот

3560

9890

3420

Азот аминогрупп

425

1010

400

Аммонийный азот

500

1040

650

Азот аминосахаров

400

670

220

Негидролизуемый азот

1080

4340

1400

Трансформация соединений азота в почвах включает следующие процессы:

— фиксацию атмосферного азота свободноживущими и клубеньковыми бактериями;

— превращение азотсодержащих соединений органических остатков в гумусовые кислоты;

аммонификацию органических азотсодержащих соединений;

нитрификацию;

— денитрификацию и переход азота в атмосферу;

— фиксацию иона NHJ глинистыми минералами;

вымывание различных соединений азота с внутрипочвенным и поверхностным стоками.

Азот поступает в почву с атмосферными осадками в виде NH3 и NO3 . Другими естественными источниками азота являются его фиксация свободноживущими микроорганизмами и клубеньковыми бактериями, а также разложение растительных и животных остатков. Фиксация азота происходит главным образом биогенным путем: 30-40 млн т дает песимбиотическая и симбиотическая фиксация микроорганизмами суши и 30-40 млн т — морская. Около 10 млн т приходится на образование соединений азота в атмосфере.

Органические остатки гумифицируются и аммонифицируются. Ион NH4 усваивается растениями, вовлекается в процессы гумификации, частично вымывается или фиксируется, а также подвергается нитрификации. Нитрат-ион частично вымывается, поглощается растениями, подвергается денитрификации, замыкая био- геохимический цикл азота.

Важнейшими процессами, обусловливающими баланс азота в биоценозе, являются аммонификация, нитрификация и денитрификация.

Аммонификация — процесс разложения органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к образованию NH3 или NH^ . Ион аммония может быть выщелочен или поглощен в почвенном комплексе либо необменно фиксирован трехслойными глинистыми минералами с расширяющейся решеткой. Содержание фиксированного аммония в почвах меняется от 1-2 до 10-12 мэкв/100 г почвы. Аммонификация — первая стадия минерализации азотсодержащих органических соединений.

Следующей стадией является нитрификация — окисление аммиака (аммония) до нитритов и нитратов. Этот процесс осуществляется в два этапа:

1) окисление NH3 —> HNO2 через гидроксиламин NH2OH и гипопитриты (соли азотноватистой кислоты НО—N = N—ОН) при участии бактерий Nitrosomonas;

2) окисление N3+ до N5+ при участии бактерий Nitrobacter.

Нитрификация протекает в почвах в окислительных условиях при величине окислительно-восстановительного потенциала Eh около 0,4-0,5 В.

Денитрификация осуществляется биологическим путем с помощью бактерий- денитрификаторов Pseudomonas, Micrococcus. Процесс денитрификации включает следующие реакции: NO3 —> NO2 —>? NO —> N2O —> N2.

Денитрификация наиболее интенсивно проходит в плохо дренированных почвах. Этот процесс, протекающий в корнеобитаемом слое, снижает обеспеченность растений азотом. Газообразные потери азота происходят не только в форме N2, но и в виде ряда оксидов азота. Ежедневная эмиссия N2О из почвы в атмосферу может составлять величину от следовых количеств до 2-5 мг/м2, причем эмиссия увеличивается во влажные, дождевые периоды при теплой погоде. Общие потери азота за счет денитрификации только в пахотных почвах достигают 1,5 млн т.

Основными источниками загрязнения являются отходы предприятий при производстве азотных удобрений, сами удобрения, отходы животноводства, бытовые отходы, сжигание топлива и автомобильный транспорт.

Техногенные выбросы азота в воздушную среду включают оксид азота N0 и его диоксид NO2. Мировое количество этих выбросов приближается к 37 млн т в год без учета отходящих газов нефтепереработки, причем около 97% этого количества приходится на Северное полушарие. Максимальный объем оксидов азота дают промышленно развитые страны. Однако в небольших концентрациях NO2 обнаруживается на значительных расстояниях от источников выбросов —над Тихим океаном, в Северной Атлантике, на Гавайях.

Из-за относительно невысоких концентраций N0 и NO2 в воздухе в настоящее время серьезную проблему представляет не глобальное, а региональное и локальное загрязнение воздуха этими соединениями.

Антропогенез существенно нарушил естественные процессы биологической фиксации и миграции азота, хотя биогенные источники вносят преобладающий вклад в накопление связанного азота в биосфере по сравнению с техногенными (в соотношении порядка 2:1; табл. 36).

Таблигщ 36. Биогенное и техногенное связывание азота в биосфере (млн т/год)

(Добровольский, 1998)

Биогенные источники

Азот

Небиогенные источники

Азот

Бобовые в сельском хозяйстве

35

Электрические разряды в атмосфере

10

Рис

4

Сжигание ископаемого топлива

20

Другие культуры

45

Промышленный синтез:

Луга и пастбища

45

удобрения

55

Леса

40

другие продукты

10

Пустоши

10

Всего:

95

Всего:

на суше

179

в морях

36

Всего:

215

В XX в. природные циклы азота претерпели существенные изменения. С одной стороны, интенсификация земледелия привела к быстрому снижению запасов гумуса и азота в почвах, с другой — резко возросло поступление в окружающую среду оксидов азота в результате развития транспорта, авиации, теплоцентралей. И, наконец, наряду с биогенной фиксацией азота возник и развивается антропогенный, промышленный механизм фиксации азота в виде десятков миллионов тонн азотных удобрений (табл. 37), ассортимент которых в пашей стране и за рубежом постоянно расширяется. Существенным источником азота являются техногенные поступления в виде удобрений и отходов.

Таблица 37. Основные виды азотных удобрений (Иванов, 1994)

Удобрения

Производство, % к общему количеству азотных удобрений

1975 г.

1980 г.

1985 г.

1990 г.

2000 г.

Аммиачная селитра

44,8

39,6

35,9

31,4

28,2

Карбамид

25,9

27,5

31,3

33,7

36,9

Сульфат аммония

6,8

5,5

4,7

4,4

4,4

Жидкие удобрения

10,9

12,8

9,4

10

10,4

Сложные удобрения

10,7

13,9

18

19,5

18,6

Прочие виды азотных удобрений (калиевая и кальциевая селитры и др.)

0,9

0,7

0,7

0,9

1,5

В современную эпоху заметно усилился процесс обогащения окружающей среды соединениями азота. О значительном загрязнении соединениями азота свидетельствует повышение уровня концентрации нитратов в природных водах в 2-4 раза и более.

В настоящее время большую проблему представляет нарушение толщины озонового слоя, на уменьшение которого могут оказывать влияние неполные оксиды азота, вступающие в реакцию окисления — от N2О до NO2 — и использующие кислород озонового слоя. Разрушение озонового экрана связывают с оксидом азота, который служит источником образования других оксидов, катализирующих фотохимическую реакцию разложения молекул озона. Так, например, молекула озона, поглощая квант света, образует атомарный кислород: О3 4- hv —» О + О2.

Затем атомарный кислород реагирует с диоксидом азота, образуя оксид, а последний с молекулой озона вновь образует диоксид:

в результате чего две молекулы озона трансформируются в три молекулы кислорода: 203 —> 302.

Основным путем образования оксида азота N2O в почвах и водах является процесс денитрификации, хотя некоторые количества его могут возникать при нитрификации, а также при разложении иитрит-иоиа или гидроксиламииа NH2OH в кислых почвах.

Природный процесс денитрификации, составлявший в прошлом 20-25% в мировом балансе азота, не компенсирует в настоящее время энергичного поступления соединений азота. Ежегодный избыток соединений азота в биосфере составляет около 10 млн т.

По А. И. Перельману, живое вещество содержит в среднем ~ 0,3% азота (1-3% в расчете на сухое вещество растений). По Н. И. Базилевич, в 1971 г. для СССР содержание его в фитомассе (%) было следующим: гумидные полярные области —0,7;

бореальиые, суббореальные и субтропические —0,4; суббореальные семиаридные — 1, аридные — 1,1, субтропические семиаридные — 0,7.

В растениях содержание N в 3-5 раз меньше, чем в животных и бактериях (табл. 38). Океанический фитопланктон также содержит в среднем в 2 раза меньше азота, чем зоопланктон. В природных условиях по отношению к азоту выделяют две основные группы растений: нитрофилы и нитрофобы. Облигатные иитрофилы произрастают только на почвах, обогащенных азотом и содержащих более 0,01% NO2. К ним относятся крапива двудомная Urtica dioica, хмель Humulus lupulus, бузина черпая Sambucus nigra, адокса мускусная Adoxa moschatellina, смородина черная Ribes nigra и др. Нитрофилами являются многие сельскохозяйственные культуры — огурец, пшеница, табак, малина и др. В сухой биомассе содержание NO3 в них может достигать 16%. Наибольшее количество азота свойственно злакам сухих жарких областей. Л. Е. Родин с соавторами установили, что для тундры, тайги, субтропических лесов, некоторых пустынь N в живом веществе преобладает над Са, Si, К, С1.

Таблица 38. Среднее содержание (% на сухое вещество) азота, фосфора, калия и кальция в живых организмах (Базилевич, 1971; Кабата-Пендиас, 1990;

Добровольский,1998)

Элемент

Растения

Бактерии

Планктон

Животные

наземные

морские

суммарный

фито-

300-

наземные

морские

N

1,5

3,0

9,6

8,7

4,5

9,2

7,5

10,0

Р

0,12

0,35

0,6-3,0

0,8

0,9

1,0

1,7-4,4

0,4-1,8

К

0,014

0,05

1,0

1,2

1,0

0,0074

0,3

Са

0,18

0,10

0,51

1,9

0,45

2,0

0,02-8,5

0,15-2,0

При недостатке N растения-нитрофилы испытывают азотное голодание, которое проявляется в обесцвечивании и уменьшении размеров листьев, угнетении роста, снижении общей продуктивности, задержке развития репродуктивных органов и т. д. Переменными индикаторами обогащенных N почв служат заросли иван-чая Chamaenerion angustifolium и малины Rubus idaeus. Наиболее падежными индикаторами богатых N почв являются чистотел большой Chelidonium majus, повой Са- lystegia sepium, черемуха Padus avium, и др.

К иитрофобам относятся белоус Nardus stricta. луговик извилистый Lerchenfeldia flexuosa, щавелек малый Rumex acetosella и др. На рисунке 41 представлена зависимость изменения покрытия нитрофобов (вереск Calluna vulgaris, брусника Vaccinium vitis-idaea) и нитрофилов (иван-чай Chamaenaerion angustifolia) от повышенного содержания азота и воды в субстрате.

Дефицит азота (белковых соединений, 16-18% N) характерен для живых организмов большинства ландшафтов. Распределение N в пищевых растениях неоднородно: в картофеле, огурцах и кабачках им обогащен верхний слой, в капусте — кочерыжка и верхние листья, в моркови — сердцевина (табл. 39).

В связи с загрязнением окружающей среды соединениями азота при избыточном внесении азотных удобрений, азотсодержащими стоками и выбросами актуализировался вопрос об их токсичном воздействии на живые организмы. Наибольший интерес в этом отношении представляют закономерности миграции нитратов, нитритов и аммонийных солей в природных средах. Максимальное поглощение нитратов происходит при pH = 4,6-6,0. Повышенное накопление их в растениях связано также с недостатком влаги, высокой температурой, низкой освещенностью, обработкой

Рис. 41- Влияние повышенного поступления воды и азота (ВА) на изменение среднего покрытия некоторых видов нижнего яруса соснового леса. К — контроль (Биоиндикация загрязнений... 1988)

растений гербицидами, несбалансированностью минерального питания (нарушением соотношения Н, К, S, Са, Mg и др.).

Таблица 39. Содержание (мг/кг сыр. в-ва) нитратов (N03 ) в различных органах некоторых растений (Соколов, Бубнова, 1989)

Растение

Орган

Содержание

Растение

Орган

Содержание

Свекла столовая

Лист

1300-2000

Укроп

Лист

40-400

Корнеплод

220-3000

Черешок

800-1600

Морковь

Лист

600-1500

Стебель

1300-2100

Корнеплод

10-1200

Корень

1300-1600

Черешок

1700-3000

Картофель

Лист

20-400

Петрушка

Лист

1300-1900

Стебель

40-1100

Черешок

1700-2600

Клубень

40-1000

Корнеплод

1700-5700

Высокий уровень нитратов в растениях в засушливые периоды можно снизить поливами. Уменьшение концентрации нитратов достигается также за счет увеличения освещенности. При длительном вымачивании и отваривании овощей и зелени доля нитратов в них снижается па 20-80%.

В органах и тканях млекопитающих содержание N составляет от 9,9 до 16,1%, в организме человека—~3%. Доля его в эритроцитах крови —5,2%, что в 4 раза больше, чем в плазме, а в волосах и ногтях— 14-15,7% и 14,6-14,8% соответственно.

Превращение естественного биологического цикла азота в агрогеохимический должно приводить к улучшению азотного режима сельскохозяйственных угодий и увеличению их продуктивности. Однако негативным моментом в этом процессе является повышение концентраций аммонийного и нитратного азота до токсичных уровней, вследствие чего возникают специфические заболевания типа метгемогло- бипемии людей и животных либо происходят массовые отравления. При взаимодействии нитритов и аминов в живых организмах образуются нитрозамииы, являющиеся канцерогенами и способные вызывать нарушения хромосомного аппарата, а также наследственные уродства. По рекомендации Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) ПДК нитратов для человека не должны превышать 500 мг азота иитратов/деиь. Всемирная организация здравоохранения

(ВОЗ) допускает содержание нитратов в продуктах до 300 мг/кг сыр. в-ва. В ФРГ принятые для нитратов ПДК составляют 250 мг/кг сыр. в-ва. Некоторые растительные виды, например семейств амарантовых Amarantaceae, маревых Chenopodiaceae, крестоцветных Brassicaceae, сложноцветных Asteraceae, злаковых Роасеае, пасленовых Solanaceae, способны накапливать значительное количество нитратов.

Как правило, содержание нитратов оказывается максимальным в продукции, выращенной на приусадебных участках и арендуемых полях и огородах, где внесение удобрений осуществляется без соблюдения рекомендуемых норм. Массовый контроль растениеводческой продукции во многих случаях обнаруживает, что содержание нитратов в товарной части урожая существенно превышает установленные ПДУ (табл. 40).

Таблица 40. Предельно допустимые уровни содержания нитратов в овощной продукции (Санитарные правила и нормы СанПиН 2.3.2.560—96)

Содержание

Содержание

Растение

NO;/, мг/кг

Растение

NO;/, мг/кг

сырой массы

сырой массы

Картофель

250

Листовые овощи (салаты,

Капуста белокочанная:

шпинат, щавель, капуста

ранняя (до 1 сентября)

900

салатных сортов, поставля-

поздняя

500

емые но госзакупкам до

Морковь:

1 июня; петрушка, сельдерей,

ранняя (до 1 сентября)

400

кинза, укроп и т. д.)

2000

поздняя

250

Перец сладкий:

Томаты:

открытый грунт

200

открытый грунт

150

защищенный грунт

400

защищенный грунт

300

Кабачки

400

Огурцы:

Арбузы

60

открытый грунт

150

Дыни

90

защищенный грунт

400

Лук-перо:

Свекла столовая

1400

открытый грунт

600

Лук репчатый

80

защищенный грунт

800

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
 
Популярные страницы