Круговорот азота в природе (Дополнительный материал к § 22—25)

Определения и обозначения

Круговорот азота — переход азота между атмосферой, почвой, живыми организмами и обратно. Это не движение одних и тех же молекул по готовому маршруту, а цепь химических превращений. Благодаря ей азот, необходимый для жизни, снова становится доступен организмам.

Азотфиксация — превращение атмосферного азота N₂ в соединения, доступные организмам; её осуществляют некоторые бактерии и молнии. Молекула N₂ прочная, поэтому большинство организмов не может использовать её напрямую. Фиксация переводит азот в формы, которые растения способны получать из почвы.

Аммонификация — образование аммиака или ионов аммония при разложении органических азотсодержащих веществ. Её проводят разлагатели, перерабатывая остатки организмов и продукты жизнедеятельности. Так органический азот возвращается в почву и может участвовать в дальнейших превращениях.

Денитрификация — превращение нитратов в газообразный азот некоторыми бактериями и возвращение его в атмосферу. Этот процесс завершает одну из ветвей круговорота и пополняет атмосферный резервуар азота. Без него азот оставался бы связанным в почвенных соединениях.

Как это устроено

Атмосфера — главный резервуар азота, но её запасы не означают, что азот одинаково доступен всем организмам. В молекуле N₂ атомы прочно связаны, и растения не умеют разрывать эту связь, чтобы включить азот в свои вещества. Поэтому для жизни нужны соединения азота, которые можно усвоить; их образование и превращение обеспечивают разные участники круговорота.

При азотфиксации некоторые бактерии переводят N₂ в соединения, пригодные для использования растениями. Часть бактерий свободно живёт в почве, а некоторые связаны с корнями растений, например бобовых. Азотные соединения появляются и при электрических разрядах: высокая энергия молнии помогает азоту вступать в реакции, а образовавшиеся вещества с осадками попадают в почву.

Корни растений поглощают из почвы растворённые соединения азота, прежде всего нитраты и ионы аммония. Полученный элемент нужен для образования белков и других азотсодержащих веществ, без которых растение не может расти и строить клетки. Животные получают азот, поедая растения или других животных, поэтому он переходит по цепям питания.

После отмирания организмов и выделения продуктов жизнедеятельности органические вещества остаются в почве. Разлагатели расщепляют их, и в результате аммонификации образуются аммиак или ионы аммония. Затем нитрифицирующие бактерии окисляют их: сначала возникают нитриты, а потом нитраты; эти соединения могут вновь поглощаться растениями или участвовать в других почвенных процессах.

В условиях, где мало кислорода, денитрифицирующие бактерии используют нитраты и превращают их в газообразный азот. Он покидает почву и возвращается в атмосферу, откуда снова может быть связан при азотфиксации. Так разные процессы связывают почву, организмы и воздух в общий круговорот.

Основные этапы круговорота азота

Читайте таблицу как последовательность превращений: сравнивайте исходное вещество с результатом и отмечайте, кто выполняет переход. Не все этапы идут только в одном направлении по кругу: соединения азота могут усваиваться организмами или участвовать в других процессах. Таблица помогает не спутать работу бактерий и усвоение азота растениями.

Разбор задач

Задача 1

Бактерии превращают азот воздуха в соединения, которые могут использовать растения. Нужно определить процесс по исходному веществу и результату. В условии прямо указано, что исходный азот поступает из атмосферы, а итогом становятся доступные соединения.

1. Находим исходное вещество: это молекулярный азот N₂ из воздуха.
2. Сопоставляем его с определением азотфиксации: при ней атмосферный азот связывается и переходит в соединения.
3. Проверяем, что результат подходит растениям: это подтверждает, что речь не о денитрификации, которая возвращает азот в атмосферу.

Ответ: описана азотфиксация. Бактерии связывают атмосферный азот и образуют соединения, которые могут стать доступными растениям.

Задача 2

Нужно проследить путь атома азота от атмосферного N₂ до белка животного, питающегося растением. Здесь важен порядок событий: сам переход атома в белок не происходит напрямую из воздуха. Сначала азот должен перейти в доступную форму и попасть в растение.

1. Некоторые бактерии связывают атмосферный N₂; часть соединений азота после этого оказывается в почве.
2. Растение поглощает доступные соединения корнями и включает азот в свои вещества, в том числе белки.
3. Животное съедает растение, переваривает его вещества и использует полученный азот для построения собственных белков.

Ответ: атмосферный N₂ → соединения азота в почве после фиксации → вещества растения → белки животного. Если между растением и животным есть другие звенья питания, азот может пройти через них, но его источник для животного всё равно пища.

Задача 3

После длительного переувлажнения почвы изменились условия жизни бактерий. Нужно выяснить, как это повлияет на превращение нитратов и возврат азота в атмосферу. В переувлажнённой почве вода занимает поры, поэтому доступ кислорода к ним может уменьшиться.

1. Вспоминаем, что денитрифицирующие бактерии превращают нитраты в газообразный азот, особенно при недостатке кислорода.
2. Проверяем условие: переувлажнение может создать такую среду, но само по себе не доказывает, что денитрификация обязательно усилится во всех случаях.
3. Если условия подходят этим бактериям, больше нитратов может перейти в газообразный азот и покинуть почву.

Ответ: недостаток кислорода может способствовать денитрификации, поэтому возврат азота в атмосферу способен усилиться. При этом в почве может стать меньше нитратов, доступных растениям, а итог зависит от реальных условий и активности бактерий.

Типичные ошибки

Считать, что растения непосредственно усваивают азот воздуха, — значит путать большой запас азота с его доступной формой. Так думают, потому что растения растут на воздухе и азот составляет значительную часть атмосферы. Проверь себя: проследи, что именно поглощают корни; это соединения азота из почвы, а не газ N₂.

Путать азотфиксацию и денитрификацию легко, потому что оба процесса связаны с атмосферным азотом. Однако азотфиксация переводит N₂ в соединения, а денитрификация превращает нитраты в газ и возвращает азот в воздух. Чтобы проверить ответ, назови направление перехода: из атмосферы в доступные соединения или из нитратов обратно в атмосферу.

Считать, что азот в почве появляется только при разложении организмов, — неполно. Такое мнение возникает из-за заметной роли опавших листьев и останков животных, но азот поступает в доступный круговорот также благодаря фиксации и превращается разными бактериями. Проверь себя: учитывай и поступление азота из атмосферы, и его превращения в почве.

Смешивать нитрификацию с усвоением азота растениями — значит не различать химическое превращение и включение элемента в организм. Нитрифицирующие бактерии образуют нитриты и нитраты из соединений аммония, а растение поглощает доступные соединения и строит из них собственные вещества. Для проверки назови участника процесса: бактерии проводят нитрификацию, а корни растения участвуют в усвоении.

Связь с другими темами

Чтобы понять круговорот, нужно знать состав воздуха и помнить, что молекула N₂ малоактивна: именно поэтому для её включения в жизнь необходима фиксация. Тема связана с белками и другими азотсодержащими веществами организмов, а также с работой бактерий-разлагателей. Эти знания помогают разбираться в экосистемах, плодородии почвы и действии минеральных удобрений. Они также нужны, чтобы оценивать влияние хозяйственной деятельности человека на природные процессы.

Что запомнить

• Основной резервуар азота — атмосфера.
• Большинство организмов не усваивает молекулярный азот N₂ напрямую.
• Некоторые бактерии связывают атмосферный азот.
• Растения поглощают доступные соединения азота из почвы.
• Азот переходит от растений к животным по цепям питания.
• Разлагатели возвращают азот органических веществ в почву.
• Денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу.