Основи біогеохімії

фотосинтезу органічної речовини, так і для мікробного формування карбонатів.

 

Біогеохімія Нітрогену

 

Нітроген належить до числа важливих біофільних елементів. Його вміст у всіх компонентах біосфери, в живій біомасі і біокосній матерії складає від 0,1 % в грунтах, до 2 – 3 % в рослинній і тваринній масі, тобто за розповсюдженістю Нітроген займає 4-е місце в ряді біофільних елементів після Карбону, Оксигену і Гідрогену.  Біофільність  Нітрогену  (відношення вмісту в біомасі рослин до кларку літосфери)  дуже  висока,  порядку n .  104. За А. Перельманом  (1970 р.), такими ж величинами оцінюється і таласофільність Нітрогену (відношення вмісту в морській воді до кларку). У зв'язку з високою біофільністю його біогеохімічний цикл належить до числа основних в біосфері. Азотні сполуки є життєво необхідними. Амінокислоти, з яких складаються білки – тільки один з прикладів таких сполук, і в їх складі Нітроген входить до складу рослинних і тваринних тканин, ферментів і більшості  гормонів.

 

Процеси нітрогенного циклу

 

Біогеохімічний цикл Нітрогену добре вивчений в різних екосистемах. Основні процеси циклу такі:

 

- фіксація – трансформація атмосферного N 2 в органічний N;

 

- мінералізація – перетворення органічного N в неорганічний N;

 

- нітрифікація – окиснення NН4+ в нітрит (NО2-) і нітрат (NO3 -);

 

- денітрифікація – трансформація неорганічної речовини N в атмосферні N2О і N2;

 

асиміляція – перетворення неорганічного N в органічний N.

 

Кругообіг Нітрогену в наземних і водних екосистемах біосфери, в основному, здійснюється у формі йонів NH4 + і NO3 -, при цьому формуються білки і нуклеїнові кислоти. Під дією процесів розкладу і денітрифікуючих бактерій Нітроген повертається  назад в атмосферу у вигляді  N2  і N2О. Більша  частина  Нітрогену,  зв'язаного  в  реакції  Габера,  йде  на виробництво  азотних  добрив,  зростаюче  застосування  яких  одночасно  сприяє  прискоренню  повернення  Нітрогену  в атмосферу при денітрифікації. Сучасні дані показують, що в середньому біля 25 % Нітрогену добрив, які застосовуються в агроекосистемах,  денітрифікується.  Оскільки  основними  продуктами  денітрифікації  є  N2   і  N2О,  то  спостерігається постійний ріст глобальної концентрації N2О в тропосфері від 0,29 до 0,31 ppmv протягом останніх 25 років. N2О має високу енергію активації реакцій; період його існування в атмосфері ≈ 20 років. Модель формування N2O показана на рис. 2.18.

 

Рис. 2.18. Узагальнена модель формування N2О

при нітрифікації і денітрифікації

 

Більша  частина  N2О  формується  в  процесі  біологічної  денітрифікації  в  анаеробних  зонах  грунтів  або  в  системах,

проміжних між аеробними і анаеробними умовами.

 

Глобальні запаси і потоки нітроген

 

Спочатку оцінимо запаси в різних компонентах біосфери (табл. 2.24).

 

Таблиця 2.24

 

Запаси Нітроген у в різних компонентах біосфери, 109 т N

 

Антропогенний  вплив  на  глобальний  цикл  Нітрогену  великий  і  швидкість  цього  впливу  постійно  зростає  як  в абсолютному значенні, так і порівняно з іншими елементами.

 

Мінеральні азотні добрива

 

Найбільший вплив на глобальний  біогеохімічний цикл Нітрогену пов'язаний із застосуванням мінеральних добрив, що відповідає  приблизно  за  половину  антропогенних  змін  в  циклі  Нітрогену.  Виробництво  мінеральних  азотних  добрив почалось в часи першої Світової війни, але широке застосування відмічено на початку 1950-х років. Стабільний світовий ріст застосування цих добрив спостерігався до кінця 1980-х, коли економічна криза на території колишнього СРСР і країн Центральної Європи привела до різкого скорочення сільськогосподарського виробництва і застосування добрив, що відобразилось на темпах росту глобального виробництва і застосування азотних добрив. Однак, починаючи з 1995 року, світовий ріст застосування азотних добрив відновився, в основному у зв'язку зі збільшенням їх виробництва і застосування в Китаї.

 

 

В 1996 р. було використано біля 83 . 106 т N у вигляді мінеральних добрив. За останні 15 років було використано більше

50 % всього виробленого Нітрогену мінеральних добрив.

 

Біогеохімія Фосфору

 

Вміст Фосфору в земній корі складає біля 0,1 %, однак, цей елемент відіграє дуже важливу роль в біосфері. Сполуки Фосфору  початково  утворювались  з  магми.  Його  подальша  еволюція  в  біосфері  була  складною  і  ще  є  недостатньо зрозумілою в деталях. В базальтах концентрація Фосфору складає 0,14 % і в два рази менше – в гранітах. Відомо приблизно

200  фосфорвмісних  мінералів,  однак,  у  зв'язку  з  низьким  вмістом  Фосфору  в  цілому  в  земній  корі,  вони  не  є

породоутворюючими матеріалами. Загальний вміст фосфору в гранітному шарі складає 63300 . 109 т.

 

Найбільш розповсюдженим мінералом Фосфору є апатит, який містить більше 95 % всього Р в корі Землі. Типовий склад цього мінералу наведено в таблиці 2.25.

 

Таблиця 2.25

 

Хімічний склад апатитів