Nitơ là một trong những chất phổ biến nhất trong sinh quyển, lớp vỏ hẹp của Trái đất hỗ trợ sự sống. Vì vậy, gần 80% không khí chúng ta hít thở bao gồm nguyên tố này. Phần lớn nitơ trong khí quyển ở dạng tự do ( cmt. Liên kết hóa học), trong đó hai nguyên tử nitơ liên kết với nhau tạo thành phân tử nitơ - N 2. Bởi vì liên kết giữa hai nguyên tử rất mạnh nên các sinh vật sống không thể sử dụng trực tiếp nitơ phân tử - trước tiên nó phải được chuyển đổi sang trạng thái “liên kết”. Trong tiến trình ràng buộc Các phân tử nitơ bị phân chia, cho phép các nguyên tử nitơ riêng lẻ tham gia phản ứng hóa học với các nguyên tử khác, chẳng hạn như oxy, và do đó ngăn chúng tái hợp thành phân tử nitơ. Liên kết giữa nguyên tử nitơ và các nguyên tử khác đủ yếu để cho phép các sinh vật sống sử dụng nguyên tử nitơ. Vì vậy, quá trình cố định đạm là một phần cực kỳ quan trọng trong quá trình sống trên hành tinh của chúng ta.

Chu trình nitơ là một chuỗi các con đường khép kín, liên kết với nhau qua đó nitơ lưu thông trong sinh quyển của trái đất. Đầu tiên chúng ta hãy xem xét quá trình phân hủy chất hữu cơ trong đất. Nhiều loại vi sinh vật khác nhau chiết xuất nitơ từ các vật liệu đang phân hủy và chuyển hóa nó thành các phân tử cần thiết cho quá trình trao đổi chất. Trong trường hợp này, lượng nitơ còn lại được giải phóng dưới dạng amoniac (NH 3) hoặc ion amoni (NH 4 +). Sau đó, các vi sinh vật khác liên kết lượng nitơ này, thường chuyển nó thành dạng nitrat (NO 3 -). Khi đi vào thực vật (và cuối cùng là vào cơ thể sinh vật), lượng nitơ này tham gia vào quá trình hình thành các phân tử sinh học. Sau khi sinh vật chết đi, nitơ được trả lại vào đất và chu trình bắt đầu lại. Trong chu kỳ này, cả sự mất nitơ đều có thể xảy ra - khi nó được đưa vào trầm tích hoặc được giải phóng trong quá trình sống của một số vi khuẩn (được gọi là vi khuẩn khử nitrat) - và sự bù đắp cho những tổn thất này do phun trào núi lửa và các loại hoạt động địa chất khác.

Hãy tưởng tượng rằng sinh quyển bao gồm hai bể chứa nitơ được kết nối với nhau - một bể lớn (chứa nitơ có trong khí quyển và đại dương) và một bể rất nhỏ (chứa nitơ có trong các sinh vật sống). Giữa các hồ chứa này có một lối đi hẹp trong đó nitơ được liên kết bằng cách này hay cách khác. Trong điều kiện bình thường, nitơ từ môi trường đi vào hệ thống sinh học thông qua lối đi này và quay trở lại môi trường sau khi hệ thống sinh học chết đi.

Hãy đưa ra một số con số. Bầu khí quyển chứa khoảng 4 triệu triệu (4 10 15) tấn nitơ và các đại dương chứa khoảng 20 nghìn tỷ (20 10 12) tấn. Một phần nhỏ trong số này – khoảng 100 triệu tấn – được liên kết và đưa vào các sinh vật sống mỗi năm. Trong số 100 triệu tấn nitơ cố định đó, chỉ có 4 triệu tấn được tìm thấy trong mô thực vật và động vật – phần còn lại tích tụ trong quá trình phân hủy của các vi sinh vật và cuối cùng quay trở lại khí quyển.

Nguồn cung cấp nitơ cố định chính trong tự nhiên là vi khuẩn: nhờ chúng mà khoảng 90 đến 140 triệu tấn nitơ được cố định (thật không may là không có số liệu chính xác). Vi khuẩn cố định đạm nổi tiếng nhất được tìm thấy trong các nốt sần của cây họ đậu. Phương pháp truyền thống để tăng độ phì cho đất dựa trên việc sử dụng chúng: đầu tiên, đậu Hà Lan hoặc các loại cây họ đậu khác được trồng trên đồng, sau đó chúng được cày xuống đất và nitơ liên kết tích lũy trong các nốt sần của chúng sẽ đi vào đất. Sau đó, cánh đồng được gieo trồng các loại cây trồng khác, những loại cây này đã có thể sử dụng lượng nitơ này để phát triển.

Một số nitơ được chuyển đổi thành trạng thái liên kết trong cơn giông bão. Bạn sẽ ngạc nhiên, nhưng tia sét xảy ra thường xuyên hơn bạn nghĩ - khoảng một trăm tia sét mỗi giây. Khi bạn đang đọc đoạn này, có khoảng 500 tia sét lóe lên trên khắp thế giới. Sự phóng điện làm nóng bầu không khí xung quanh nó, nitơ kết hợp với oxy (xảy ra phản ứng đốt cháy) tạo thành các oxit nitơ khác nhau. Và mặc dù đây là một hình thức cô lập khá ngoạn mục nhưng nó chỉ hấp thụ được 10 triệu tấn nitơ mỗi năm.

Như vậy, do các quá trình tự nhiên, mỗi năm có từ 100 đến 150 triệu tấn nitơ bị ràng buộc. Trong quá trình hoạt động của con người, nitơ cũng được liên kết và chuyển vào sinh quyển (ví dụ, việc gieo trồng các cây họ đậu trên ruộng giống nhau dẫn đến sự hình thành 40 triệu tấn nitơ liên kết mỗi năm). Hơn nữa, khi đốt nhiên liệu hóa thạch trong máy phát điện và động cơ đốt trong, không khí sẽ nóng lên, giống như trường hợp phóng điện do sét. Mỗi khi bạn lái xe, một lượng nitơ cố định bổ sung sẽ đi vào sinh quyển. Khoảng 20 triệu tấn nitơ bị ràng buộc mỗi năm khi đốt nhiên liệu hóa thạch.

Nhưng con người sản xuất ra lượng nitơ cố định nhất dưới dạng phân khoáng. Như thường lệ với những thành tựu của tiến bộ công nghệ, chúng ta nợ quân đội công nghệ cố định nitơ ở quy mô công nghiệp. Ở Đức, trước Thế chiến thứ nhất, một phương pháp sản xuất amoniac (một trong những dạng nitơ cố định) đã được phát triển để phục vụ nhu cầu của ngành công nghiệp quân sự. Việc thiếu nitơ thường ức chế sự phát triển của cây trồng và nông dân phải mua nitơ cố định nhân tạo dưới dạng phân khoáng để tăng năng suất. Hiện nay, hơn 80 triệu tấn nitơ cố định được sản xuất mỗi năm cho nông nghiệp (lưu ý rằng nó không chỉ được sử dụng để trồng cây lương thực - các bãi cỏ và khu vườn ở ngoại ô đều được bón phân bằng nó).

Tổng hợp toàn bộ sự đóng góp của con người vào chu trình nitơ, chúng ta có được con số khoảng 140 triệu tấn mỗi năm. Khoảng cùng một lượng nitơ được liên kết tự nhiên trong tự nhiên. Như vậy, trong một khoảng thời gian tương đối ngắn, con người đã bắt đầu có những tác động đáng kể đến chu trình nitơ trong tự nhiên. Hậu quả sẽ là gì? Mỗi hệ sinh thái có khả năng hấp thụ một lượng nitơ nhất định và kết quả của việc này nhìn chung là thuận lợi - thực vật sẽ phát triển nhanh hơn. Tuy nhiên, khi hệ sinh thái trở nên bão hòa, nitơ sẽ bắt đầu trôi vào sông. Hiện tượng phú dưỡng(ô nhiễm tảo) của các hồ có lẽ là vấn đề môi trường khó chịu nhất liên quan đến nitơ. Nitơ thụ tinh cho tảo trong hồ và chúng phát triển, thay thế tất cả các dạng sống khác trong hồ, bởi vì khi tảo chết, hầu như toàn bộ oxy hòa tan trong nước đều bị tiêu hao do quá trình phân hủy của chúng.

Tuy nhiên, chúng ta phải thừa nhận rằng việc sửa đổi chu trình nitơ không phải là vấn đề tồi tệ nhất mà nhân loại phải đối mặt. Về vấn đề này, Peter Witoshek, một nhà sinh thái học nghiên cứu về thực vật tại Đại học Stanford, cho biết: “Chúng ta đang hướng tới một thế giới xanh và đầy cỏ dại, nhưng đây không phải là một thảm họa. Điều rất quan trọng là có thể phân biệt giữa thảm họa và suy thoái.”

Nitơ là một trong những nguyên tố có hành vi trong điều kiện toàn cầu có liên quan chặt chẽ đến các quá trình sinh học. Phần chính của trữ lượng nitơ của Trái đất tập trung trong khí quyển. Hàng trăm triệu tấn nitơ được tìm thấy trong sinh khối của thực vật và động vật. Hàm lượng nitơ trong than và các nhiên liệu hóa thạch khác, trong mùn đất và trong các lưu vực nước tự nhiên khá cao.

Trong quá trình thối rữa các bộ phận chết của thực vật và các tàn dư hữu cơ khác, một phần nitơ của các hợp chất hữu cơ sinh học do quá trình thủy phân với sự tham gia của vi sinh vật được chuyển thành amoniac, được chuyển hóa thành ion axit nitric bởi vi khuẩn pytrophic. Các cation trong nitrat đất có thể là K+, Na+, NH, Ca 2+ và các cation phổ biến khác. Trong quá trình phân hủy các dư lượng khác nhau, một số nitơ sinh học biến thành dinitrogen và được thải vào khí quyển. Ngoài ra còn có vi khuẩn khử nitrat trong đất làm giảm nitrat, chuyển đổi một số nitơ nitrat thành vật chất đơn giản. Do đó, đất liên tục mất đi lượng nitơ có sẵn cho cây trồng và trả lại lượng nitơ vào khí quyển.

Sự mất mát liên tục các hợp chất nitơ trong đất từ ​​lâu đã dẫn đến sự thiếu hụt nghiêm trọng lượng nitơ có sẵn cho các sinh vật sống. Tuy nhiên, trong tự nhiên có cơ chế chuyển đổi nitơ trong khí quyển thành các hợp chất hóa học. Các quá trình như vậy bao gồm sự phóng điện sét xảy ra trong khí quyển, tạo ra một lượng oxit nitơ nhất định. Với sự tham gia tiếp theo của oxy và nước, các oxit được chuyển thành axit nitric. Nó hòa tan trong nước trong khí quyển và đi vào đất. Ở đây, axit nitric phản ứng với cacbonat để tạo thành nitrat. Nhờ đó, hàm lượng nitrat trong đất được bổ sung.

Một nguồn khác làm tăng hàm lượng nitơ trong đất là hoạt động quan trọng của vi khuẩn nitrobacteria, chúng trực tiếp đồng hóa nitơ trong khí quyển. Những vi khuẩn này chứa enzyme nitơase, xúc tác quá trình khử nitơ. Nitrogenase đã được nghiên cứu chi tiết và người ta đã xác định rằng enzyme này có chứa các nguyên tử molypden, đóng vai trò chính trong việc khử nitơ. Vi khuẩn Nitrobacteria được tìm thấy trong các nốt sần trên rễ của cây thuộc họ đậu (Hình 20.4). Vi khuẩn nitrat hóa cũng có mặt trên rễ cây tổng quán sủi. Các hợp chất nitơ do vi khuẩn tổng hợp cũng được cây trồng sử dụng. Trong 1 năm, vi khuẩn nitrobacteria có thể tích lũy tới 48 kg nitơ dạng hợp chất hữu cơ trên 1 ha đất.

Cơm. 20.4.

Các quá trình ngược lại loại bỏ nitơ từ đất vào khí quyển và chuyển trở lại vào đất dưới dạng hợp chất xác định chu trình nitơ, sơ đồ được thể hiện trong hình. 20,5.

Cơm. 20,5.

Trong quá trình hoạt động nông nghiệp của con người, đất càng bị cạn kiệt nitơ và một số nguyên tố khác. Quá trình này không ngừng gia tăng do dân số tăng nhanh. Trái đất phải sản xuất ra lượng lương thực lớn hơn bao giờ hết. Con người buộc phải phát triển cách thứ ba để bổ sung nitơ trong đất. Nó bao gồm việc thêm phân bón nitơ khoáng vào đất. Nitơ dùng cho các loại phân bón này có nguồn gốc từ amoniac, việc sản xuất chất này đã đạt quy mô khổng lồ. Các chất được sản xuất để sử dụng làm phân bón nitơ bao gồm amoni nitrat, amoni sunfat, natri nitrat và canxi nitrat. Sản lượng phân đạm trên thế giới tính theo hàm lượng nitơ đạt 100 triệu tấn mỗi năm.

Chu trình của các chất trong tự nhiên

Hoạt động của các sinh vật sống đi kèm với việc khai thác một lượng lớn khoáng chất từ ​​thiên nhiên vô tri xung quanh.

Sau khi sinh vật chết đi, các nguyên tố hóa học cấu thành của chúng được trả lại môi trường.

Đây là cách mà chu trình sinh học của các chất phát sinh trong tự nhiên, tức là. sự lưu thông các chất giữa khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và sinh vật sống.

Chu trình nitơ trong tự nhiên

Nitơ liên tục lưu thông trong sinh quyển trái đất thông qua một mạng lưới các con đường liên kết chặt chẽ. Việc cố định đạm nhân tạo trong sản xuất phân khoáng đã được bổ sung vào các quy trình tự nhiên.

Nitơ là một trong những chất có nhiều nhất trong sinh quyển, lớp vỏ hẹp của Trái đất nơi hỗ trợ sự sống. Vì vậy, gần 80% không khí chúng ta hít thở bao gồm nguyên tố này. Hầu hết nitơ trong khí quyển ở dạng tự do, trong đó hai nguyên tử nitơ liên kết với nhau để tạo thành phân tử nitơ, N2. Do liên kết giữa hai nguyên tử rất bền nên các sinh vật sống không thể sử dụng trực tiếp nitơ phân tử - trước tiên nó phải được chuyển sang trạng thái “liên kết”. Trong quá trình liên kết, các phân tử nitơ bị phân tách, cho phép các nguyên tử nitơ riêng lẻ tham gia phản ứng hóa học với các nguyên tử khác và do đó ngăn chúng tái hợp thành phân tử nitơ. Liên kết giữa nguyên tử nitơ và các nguyên tử khác đủ yếu để cho phép các sinh vật sống sử dụng nguyên tử nitơ. Vì vậy, quá trình cố định đạm là một phần cực kỳ quan trọng trong quá trình sống trên hành tinh của chúng ta.

Chu trình nitơ là một chuỗi các con đường khép kín, liên kết với nhau qua đó nitơ lưu thông trong sinh quyển của trái đất. Đầu tiên chúng ta hãy xem xét quá trình phân hủy chất hữu cơ trong đất.

Nhiều loại vi sinh vật khác nhau chiết xuất nitơ từ các vật liệu đang phân hủy và chuyển hóa nó thành các phân tử cần thiết cho quá trình trao đổi chất. Trong trường hợp này, nitơ còn lại được giải phóng dưới dạng amoniac (NH3) hoặc ion amoni (NH4+). Các vi sinh vật khác sau đó cố định lượng nitơ này, thường chuyển nó thành dạng nitrat (NO3–). Khi vào thực vật, lượng nitơ này tham gia vào quá trình hình thành các phân tử sinh học. Sau khi sinh vật chết đi, nitơ được trả lại vào đất và chu trình bắt đầu lại. Trong chu kỳ này, cả sự thất thoát nitơ và sự bù đắp cho những tổn thất này do phun trào núi lửa và các loại hoạt động địa chất khác đều có thể xảy ra.

Hãy tưởng tượng rằng sinh quyển bao gồm hai bể chứa nitơ được kết nối với nhau - một bể chứa rất lớn (nitơ chứa trong khí quyển và đại dương) và một bể rất nhỏ (nitơ chứa trong các sinh vật sống). Giữa các hồ chứa này có một lối đi hẹp trong đó nitơ được liên kết bằng cách này hay cách khác. Trong điều kiện bình thường, nitơ từ môi trường đi vào hệ thống sinh học thông qua lối đi này và quay trở lại môi trường sau khi hệ thống sinh học chết đi.

Hãy đưa ra một số con số. Bầu khí quyển chứa khoảng 4 triệu triệu (4 1015) tấn nitơ và các đại dương chứa khoảng 20 nghìn tỷ (20 1012) tấn. Một phần nhỏ của lượng này - khoảng 100 triệu tấn - được hấp thụ hàng năm và được đưa vào cơ thể sống. Trong số 100 triệu tấn nitơ cố định này, chỉ có 4 triệu tấn được tìm thấy trong các mô thực vật và động vật – phần còn lại tích tụ trong các vi sinh vật phân hủy và được đưa trở lại khí quyển.

Nguồn cung cấp nitơ cố định chính trong tự nhiên là vi khuẩn: nhờ chúng mà khoảng 90 đến 140 triệu tấn nitơ được cố định. Vi khuẩn cố định đạm nổi tiếng nhất được tìm thấy trong các nốt sần của cây họ đậu. Phương pháp truyền thống để tăng độ phì cho đất dựa trên việc sử dụng chúng: đầu tiên, đậu Hà Lan hoặc các loại cây họ đậu khác được trồng trên đồng, sau đó chúng được cày xuống đất và nitơ liên kết tích lũy trong các nốt sần của chúng sẽ đi vào đất. Sau đó, cánh đồng được gieo trồng các loại cây trồng khác, những loại cây này đã có thể sử dụng lượng nitơ này để phát triển.

Một số nitơ được chuyển đổi thành trạng thái liên kết trong cơn giông bão. Bạn sẽ ngạc nhiên, nhưng tia sét xảy ra thường xuyên hơn bạn nghĩ - khoảng một trăm tia sét mỗi giây. Khi bạn đang đọc đoạn này, có khoảng 500 tia sét lóe lên trên khắp thế giới. Sự phóng điện làm nóng bầu không khí xung quanh nó, nitơ kết hợp với oxy (phản ứng đốt cháy) tạo thành các oxit nitơ khác nhau. Và mặc dù đây là một hình thức cô lập khá ngoạn mục nhưng nó chỉ hấp thụ được 10 triệu tấn nitơ mỗi năm.

Như vậy, do các quá trình tự nhiên, mỗi năm có từ 100 đến 150 triệu tấn nitơ bị ràng buộc. Trong quá trình hoạt động của con người, nitơ cũng được cố định và chuyển vào sinh quyển (ví dụ, việc gieo trồng các cây họ đậu trên ruộng dẫn đến hình thành 40 triệu tấn nitơ cố định hàng năm). Hơn nữa, khi đốt nhiên liệu hóa thạch trong máy phát điện và động cơ đốt trong, không khí sẽ nóng lên, giống như trường hợp phóng điện do sét. Mỗi khi bạn lái xe, một lượng nitơ cố định bổ sung sẽ đi vào sinh quyển. Khoảng 20 triệu tấn nitơ bị ràng buộc mỗi năm khi đốt nhiên liệu hóa thạch.

Nhưng con người sản xuất ra lượng nitơ cố định nhất dưới dạng phân khoáng. Như thường lệ với những thành tựu của tiến bộ công nghệ, chúng ta nợ quân đội công nghệ cố định nitơ ở quy mô công nghiệp. Ở Đức, trước Thế chiến thứ nhất, một phương pháp sản xuất amoniac (một trong những dạng nitơ cố định) đã được phát triển để phục vụ nhu cầu của ngành công nghiệp quân sự. Việc thiếu nitơ thường ức chế sự phát triển của cây trồng và nông dân phải mua nitơ cố định nhân tạo dưới dạng phân khoáng để tăng năng suất. Hiện tại, chỉ có hơn 80 triệu tấn nitơ cố định được sản xuất mỗi năm cho nông nghiệp. Tổng hợp toàn bộ sự đóng góp của con người vào chu trình nitơ, chúng ta có được con số khoảng 140 triệu tấn mỗi năm. Khoảng cùng một lượng nitơ được liên kết tự nhiên trong tự nhiên. Như vậy, trong một khoảng thời gian tương đối ngắn, con người đã bắt đầu có những tác động đáng kể đến chu trình nitơ trong tự nhiên. Hậu quả sẽ là gì? Mỗi hệ sinh thái có thể hấp thụ một lượng nitơ nhất định và hậu quả của việc này nhìn chung là thuận lợi - thực vật sẽ phát triển nhanh hơn. Tuy nhiên, khi hệ sinh thái trở nên bão hòa, nitơ sẽ bắt đầu trôi vào sông. Ô nhiễm tảo hồ là vấn đề môi trường liên quan đến nitơ gây khó chịu nhất. Nitơ thụ tinh cho tảo hồ, và chúng phát triển, lấn át mọi dạng sống khác.

Nitơ là cơ sở của các hợp chất hữu cơ sinh học (một phần của protein), do đó kiến ​​thức về chu trình của nó trong tự nhiên và tác động của các hoạt động của con người đến các quá trình thực hiện chu trình nitơ là rất quan trọng để ngăn ngừa khủng hoảng môi trường và các thảm họa liên quan đến nó.

Hàm lượng nitơ tương đối ổn định và chiếm tới 78% thể tích. Nitơ phân tử là một chất rất trơ, thực tế không phản ứng với bất kỳ chất nào trong điều kiện bình thường. Và chỉ trong quá trình phóng điện sét, các oxit nitơ được hình thành từ nitơ và oxy phân tử (đầu tiên là oxit nitơ (II), sau đó là oxit nitơ (IV)), phản ứng với oxy, tạo thành axit nitric và rơi vào đất cùng với mưa tạo thành nitrat được thực vật sử dụng để tổng hợp các chất hữu cơ chứa nitơ.

Đây là một trong những cách để đưa nitơ phân tử vào chu trình một cách tự nhiên. Một phần nitơ phân tử được cố định bởi vi khuẩn cố định đạm. Một lượng oxit nitơ nhất định được tạo ra trong quá trình phun trào. Các hợp chất nitơ vô cơ, đặc biệt là amoniac, thu được từ quá trình phân hủy chất thải động vật (phân hủy urê), cũng như từ hoạt động của vi khuẩn khử hoạt tính trên xác động vật, thực vật và các sinh vật khác. Khi các chất hữu cơ cháy, nitơ phân tử được hình thành, giúp bổ sung nitơ trong khí quyển. Một phần chất hữu cơ chứa nitơ đi vào thành phần của đá và bị loại bỏ khỏi quá trình trong một thời gian dài. Sự kết nối giữa các quá trình đảm bảo sự chuyển đổi nitơ từ đơn vị này sang đơn vị khác được thực hiện thông qua các quá trình phân hủy và hình thành các hợp chất vô cơ (amoniac, muối amoni và chất hữu cơ - urê), có thể được thực vật hấp thụ để tổng hợp. hợp chất hữu cơ sinh học phức tạp. Việc chuyển các hợp chất nitơ từ lãnh thổ này sang lãnh thổ khác được thực hiện do sự di chuyển của động vật, gió, nước, sông, v.v.

Các quá trình tự nhiên xảy ra trong quá trình thực hiện chu trình nitơ trong tự nhiên chịu ảnh hưởng rất lớn bởi hoạt động của con người. Con người nhận được sản phẩm nông nghiệp với khối lượng lớn và kết quả là làm cạn kiệt đáng kể các hợp chất nitơ trong đất. Để tăng độ phì của đất, cần bón phân có chứa nitơ, sử dụng cả phân hữu cơ và vô cơ, cũng như hỗn hợp khoáng hữu cơ. Được biết, tất cả các hợp chất nitơ (trừ các hợp chất hữu cơ phức tạp) đều hòa tan và không thể cố định trong đất - nếu chúng không được thực vật hấp thụ, chúng sẽ bị cuốn trôi và vận chuyển theo nước đến các khu vực khác nhau, kết thúc trong nước ngầm. Như đã trình bày ở trên, các hợp chất nitơ có tác động có hại đối với động vật máu nóng và con người, đồng thời gây ô nhiễm nguồn nước tự nhiên, khiến chúng không phù hợp để sử dụng. Ngoài ra, thực vật tích lũy các hợp chất nitơ vô cơ dưới dạng nitrat trong cơ thể, trở nên không phù hợp cho cả con người và động vật tiêu thụ.

Để thu được phân bón, một công nghệ đã được phát triển để cố định nitơ phân tử (đầu tiên nó được chuyển đổi thành amoniac, từ đó cuối cùng có thể thu được amoni nitrat hoặc các nitrat khác được sử dụng làm phân bón).

Một lượng lớn các chất có chứa nitơ thu được từ chất thải động vật. Các hợp chất nitơ vô cơ (nitơ và các oxit của nó) được hình thành trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, trong quá trình sản xuất và trong các ngành công nghiệp khác. Điều này làm gián đoạn các quá trình tự nhiên của chu trình các chất và làm tổn hại đến trạng thái sinh thái của hành tinh.

Nguồn nitơ chính từ các hợp chất hữu cơ là khí nitơ N2 trong khí quyển. Nitơ phân tử không được hấp thụ bởi các sinh vật sống. Quá trình chuyển đổi của nó thành các hợp chất mà sinh vật sống có thể tiếp cận được (cố định) có thể xảy ra theo nhiều cách. Quá trình cố định nitơ xảy ra một phần trong khí quyển, nơi sét phóng ra tạo ra oxit nitơ (II), bị oxy hóa thành oxit nitơ (IV), sau đó là sự hình thành axit nitric và nitrat rơi xuống bề mặt Trái đất cùng với lượng mưa.

Hình thức cố định đạm quan trọng nhất là cố định bằng enzym trong quá trình sống của một số ít loài sinh vật cố định đạm. Khi chết, chúng làm giàu môi trường bằng nitơ hữu cơ, chất này nhanh chóng khoáng hóa. Việc cố định đạm hiệu quả nhất được thực hiện bởi vi khuẩn hình thành mối quan hệ cộng sinh với cây họ đậu.

Do hoạt động của chúng, mỗi năm có tới 150-400 kg nitơ trên 1 ha tích lũy trong các cơ quan trên mặt đất và dưới lòng đất của thực vật (ví dụ, cỏ ba lá hoặc cỏ linh lăng). Nitơ cũng được cố định bởi vi khuẩn đất cố định đạm sống tự do và trong môi trường nước bởi tảo xanh lam (vi khuẩn lam). Tất cả các chất cố định đạm đều bao gồm nitơ trong amoniac (NH 3) và nó ngay lập tức được sử dụng để hình thành các chất hữu cơ, chủ yếu để tổng hợp protein. Sự khoáng hóa các chất hữu cơ chứa nitơ bằng các chất phân hủy xảy ra do quá trình sự amoni hóa Và quá trình nitrat hóa .

Vi khuẩn amoni hóa, trong quá trình phân hủy sinh hóa các chất hữu cơ chết, chuyển đổi nitơ của các hợp chất hữu cơ thành amoniac, tạo thành ion amoni (NH 4 +) trong dung dịch nước. Do hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa trong môi trường hiếu khí, amoniac bị oxy hóa thành nitrit (NO 2 -), sau đó thành nitrat (NO 3 -).

Hầu hết thực vật lấy nitơ từ đất dưới dạng nitrat. Nitrat đi vào tế bào thực vật bị khử thành nitrit và sau đó thành amoniac, sau đó nitơ được đưa vào các axit amin tạo nên protein. Một phần nitơ được cây hấp thụ trực tiếp dưới dạng ion amoni từ dung dịch đất.

Động vật lấy nitơ thông qua chuỗi thức ăn, trực tiếp hoặc gián tiếp từ thực vật. Chất bài tiết và sinh vật chết, tạo thành nền tảng của chuỗi thức ăn có hại, bị phân hủy và khoáng hóa bởi các sinh vật phân hủy chuyển đổi nitơ hữu cơ thành nitơ vô cơ.

Sự trở lại của nitơ vào khí quyển xảy ra do hoạt động của vi khuẩn khử nitrat, thực hiện một quá trình trong môi trường kỵ khí ngược lại với quá trình nitrat hóa, khử nitrat thành nitơ tự do.

Một phần đáng kể nitơ đi vào đại dương (chủ yếu là do nước chảy từ các lục địa) được sử dụng bởi các sinh vật quang hợp dưới nước, chủ yếu là thực vật phù du, sau đó đi vào chuỗi thức ăn của động vật, một phần nó được đưa trở lại đất liền cùng với các sản phẩm biển hoặc chim. Một phần nhỏ nitơ tồn tại trong trầm tích biển. Sơ đồ chu trình nitơ được thể hiện trong hình 6.

Chu trình phốt pho

Trong chu trình phốt pho, không giống như chu trình cacbon và nitơ, không có pha khí. Phốt pho được tìm thấy tự nhiên với số lượng lớn trong các khoáng chất đá và xâm nhập vào hệ sinh thái trên cạn trong quá trình chúng bị phá hủy. Sự rửa trôi phốt pho bằng lượng mưa dẫn đến việc nó xâm nhập vào thủy quyển và theo đó, vào các hệ sinh thái dưới nước. Thực vật hấp thụ phốt pho dưới dạng phốt phát hòa tan từ dung dịch nước hoặc đất và kết hợp nó thành các hợp chất hữu cơ - axit nucleic, hệ thống truyền năng lượng (ADP, ATP) và vào màng tế bào. Các sinh vật khác thu được phốt pho thông qua chuỗi thức ăn. Trong cơ thể động vật, phốt pho là một phần của mô xương, ngà răng.

Trong quá trình hô hấp tế bào, các hợp chất hữu cơ chứa phốt pho bị oxy hóa, trong khi phốt phát hữu cơ đi vào môi trường dưới dạng một phần của chất bài tiết. Các sinh vật phân hủy khoáng hóa các chất hữu cơ có chứa phốt pho thành photphat vô cơ, chất này có thể được thực vật sử dụng lại và do đó được tái đưa vào chu trình.

Vì không có pha khí trong chu trình phốt pho nên phốt pho, giống như các chất dinh dưỡng khác trong đất, chỉ lưu thông trong hệ sinh thái nếu các chất thải được lắng đọng ở những nơi mà nguyên tố này được hấp thụ. Sự gián đoạn chu trình phốt pho có thể xảy ra, ví dụ, trong các hệ sinh thái nông nghiệp, khi cây trồng cùng với các chất dinh dưỡng chiết xuất từ ​​​​đất được vận chuyển trên một khoảng cách đáng kể và chúng không quay trở lại đất tại thời điểm tiêu thụ.

Sau khi các sinh vật trên cạn và trong môi trường nước tiêu thụ lặp đi lặp lại phốt pho, cuối cùng nó được bài tiết vào trầm tích dưới dạng phốt phát không hòa tan. Sau khi đá trầm tích dâng lên trên mực nước biển trong một chu kỳ lớn, quá trình rửa trôi và phá hủy bigene bắt đầu hoạt động trở lại.

Việc sử dụng phân lân là sản phẩm của quá trình xử lý đá trầm tích giúp bổ sung lượng phốt pho đã tiêu thụ ở những vùng có sản lượng nông nghiệp thâm canh. Tuy nhiên, việc rửa trôi phân bón trên đồng ruộng, cũng như việc đưa phốt phát vào các vùng nước cùng với chất thải của động vật và con người, có thể dẫn đến quá bão hòa phốt phát trong hệ sinh thái dưới nước và phá vỡ cân bằng sinh thái trong đó.

Sơ đồ của chu trình phốt pho được thể hiện trong hình. 7.

Chu trình lưu huỳnh

Trên toàn cầu chu trình lưu huỳnh(Hình 8) ngoài vi khuẩn, nấm và thực vật sử dụng sunfat từ nước và đất tự nhiên để tổng hợp axit amin chứa lưu huỳnh, còn có một số nhóm vi khuẩn chuyên biệt khác thực hiện các biến đổi trong các phản ứng H 2 S về S<=>SO4 và H2S<=>SO4.

Nhu cầu lưu huỳnh của sinh vật tương đối nhỏ (độ ưa sinh học S»1) và các bể chứa lưu huỳnh tự nhiên rất lớn. Vì vậy, lưu huỳnh hiếm khi trở thành nguồn sinh học hạn chế. Chu trình sinh học của lưu huỳnh được bao gồm trong quá trình tổng quát, phần lớn là phi sinh học, chuyển đổi dần dần các dạng lưu huỳnh khử (chủ yếu là quặng sunfua), được hình thành trong môi trường khử của Trái đất cổ đại, thành các dạng oxy hóa. Xu hướng này được tăng cường đáng kể nhờ công nghệ.

Sơ đồ đơn giản hóa của chu trình lưu huỳnh

Chu trình sinh học của các cation sinh học - Na, K, Ca, Mg - và các nguyên tố vi lượng trên đất bị hạn chế bởi sự tiêu thụ của chúng từ đất, sau đó di chuyển dọc theo chuỗi dinh dưỡng hoàn chỉnh và quay trở lại đất với sự trợ giúp của các chất phân hủy khoáng hóa.

Tốc độ dòng chảy (rò rỉ) của tuần hoàn các cation rất cao. Trong các vùng nước tự nhiên, đặc biệt là đại dương, chức năng tập trung mạnh mẽ của các sinh vật dưới nước liên quan đến canxi và magiê được thực hiện.

Sự điều hòa sinh học có độ chính xác cao về quá trình trao đổi chất và năng lượng trong sinh quyển cũng quyết định việc điều chỉnh các thông số môi trường cơ bản. Từ quan điểm sinh thái, đây là những đặc tính quan trọng nhất của sinh quyển với tư cách là một hệ thống động.

Chu kỳ lớn của các chất trong bản chất ( Địa chất học ) được gây ra bởi sự tương tác của năng lượng mặt trời với năng lượng sâu của Trái đất và thực hiện sự phân phối lại vật chất giữa sinh quyển và các chân trời sâu hơn của Trái đất.

Đá trầm tích, được hình thành do sự phong hóa của đá lửa, trong các vùng di động của vỏ trái đất lại chìm trong vùng có nhiệt độ và áp suất cao. Ở đó chúng tan chảy và tạo thành magma - nguồn gốc của các loại đá lửa mới. Sau khi những tảng đá này nổi lên trên bề mặt trái đất và trải qua quá trình phong hóa, chúng lại biến thành đá trầm tích mới. Biểu tượng của sự tuần hoàn của các chất là hình xoắn ốc chứ không phải hình tròn. Điều này có nghĩa là chu kỳ mới không lặp lại chính xác chu kỳ cũ mà đưa ra một cái gì đó mới, theo thời gian dẫn đến những thay đổi rất đáng kể.

Đại Gyre- đây là vòng tuần hoàn của nước giữa đất liền và đại dương thông qua khí quyển. Độ ẩm bốc hơi từ bề mặt Đại dương Thế giới (tiêu thụ gần một nửa năng lượng mặt trời đến bề mặt Trái đất) được chuyển vào đất liền, nơi nó rơi dưới dạng mưa, quay trở lại đại dương dưới dạng dòng chảy bề mặt và dòng chảy ngầm , hoặc rơi trên cùng một mặt nước đại dương.

Người ta ước tính có hơn 500 nghìn km 3 nước hàng năm tham gia vào chu trình nước trên Trái đất.

Toàn bộ chu trình nước đóng vai trò chính trong việc hình thành các điều kiện tự nhiên trên hành tinh của chúng ta. Có tính đến sự thoát hơi nước của thực vật và sự hấp thụ của nó trong chu trình sinh địa hóa, Toàn bộ nguồn cung cấp nước trên Trái đất sẽ tan rã và được phục hồi sau 2 triệu năm.

Chu trình nhỏ của các chất trong sinh quyển ( sinh địa hóa ), không giống như lớn, chỉ xảy ra trong sinh quyển. Bản chất của nó là sự hình thành vật chất sống từ các hợp chất vô cơ trong quá trình quang hợp và chuyển hóa chất hữu cơ trong quá trình phân hủy trở lại thành các hợp chất vô cơ.

Chu trình sống của sinh quyển này là chu trình chính, và bản thân anh ấy là sản phẩm của cuộc sống. Bằng cách thay đổi, sinh ra và chết đi, vật chất sống hỗ trợ sự sống trên hành tinh của chúng ta, đảm bảo chu trình sinh địa hóa của các chất.

Nguồn năng lượng chính trong chu trình là bức xạ mặt trời, được sử dụng trong quá trình quang hợp. Năng lượng này được phân bổ khá không đồng đều trên bề mặt địa cầu. Ví dụ, tại xích đạo lượng nhiệt trên một đơn vị diện tích lớn hơn ba lần so với trên quần đảo Spitsbergen (80°B). Ngoài ra, nó bị mất đi do phản xạ, hấp thụ bởi đất, tiêu tốn cho quá trình thoát nước, v.v. và không quá 5% tổng năng lượng được dành cho quá trình quang hợp, nhưng thường là 2-3%.

Trong một số hệ sinh thái, việc vận chuyển vật chất và năng lượng được thực hiện chủ yếu thông qua chuỗi dinh dưỡng. Một chu kỳ như vậy thường được gọi là sinh học. Nó giả định một chu trình khép kín của các chất được sử dụng nhiều lần bởi mục tiêu dinh dưỡng.

Tuy nhiên, trên quy mô toàn bộ sinh quyển, một chu trình như vậy là không thể. Ở đây diễn ra một chu trình sinh địa hóa, đó là sự trao đổi các nguyên tố vĩ mô, vi lượng và các chất vô cơ đơn giản (CO 2, H 2 O) với chất của khí quyển, thủy quyển và thạch quyển.