21.03.2021

Круговорот азота и процессы преобразования органического вещества


Исследования последних лет показали, что геохимия азота не может быть сведена только к участию его молекулярной формы в геологических процессах. Было установлено, что наряду с резервуаром молекулярного азота, сосредоточенного в основном в атмосфере, существует почти такой же по масштабам резервуар химически связанного азота в земной коре. На Земле сейчас можно выделить три основных резервуара азота: атмосферный молекулярный азот (3,86*10в21 г), связанный азот литосферы (1,7*10в21 г) и мантии (по составу каменных метеоритов —1,5*10в23 г). Между этими резервуарами существует непрерывный обмен. Мы в основном остановимся на связях двух резервуаров азота — атмосферы и литосферы. Так как основная роль в этом обмене принадлежит биосфере и органическому веществу, то следует подробно разобраться в вопросах геохимического поведения азота при преобразовании органического вещества.

Связывание молекулярного азота живым веществом является главным фактором при фиксации атмосферного азота и переводе его в биосферу. В процессах жизнедеятельности организмов в присутствии различного рода микроорганизмов одни формы азота сменяют другие. На рис. 68 представлена смена химических форм азота при разложении фитопланктона в аэрируемой морской воде в условиях контролируемого эксперимента. Образовавшийся нитрат вновь поглощается живым веществом и цикл замыкается. Именно потреблением нитрата и фосфата фитопланктоном определяется, в частности, удивительное постоянство отношения азота к фосфору для океанических вод (рис. 69). Это отношение равняется 15:1 и остается постоянным для Атлантического, Тихого и Индийского океанов. Если рассматривать океан в виде замкнутого бассейна, то, согласно расчетам К. Эмери, внешние по отношению к океану источники фиксированного азота (осадки и сток рек) в 125 раз меньше чем годовая потребность живого вещества. В то же время в океане содержится связанного азота в 100 раз больше его годовой потребности. Другими словами, биосфера океана полностью обеспечивает свои потребности за счет накопленного связанного азота.
Круговорот азота и процессы преобразования органического вещества

В определенных условиях при отсутствии свободного кислорода и наличии неиспользованного живым веществом нитрата может происходить обусловленное процессом денитрофикации восстановление азота до молекулярного и уход последнего в атмосферу. Таким образом, цикл азота в биосфере определяется соотношением скорости процессов фиксации азота и его освобождением при денитрофикации. Если бы процесс денитрофикации отсутствовал, то при существующих оценках скоростей фиксации азота весь атмосферный азот был бы исчерпан за 80—200 млн. лет. Существование азотной атмосферы в основном поддерживается установившимся соотношением скоростей процессов в биосфере. Деятельность человека по промышленной фиксации атмосферного азота при выработке удобрений нарушает это равновесие (рис. 70). В 1968 г. мировая промышленность дала около 30 млн. т азота, что равно фиксации азота живым веществом. К 2000 г. промышленное производство уже на порядок будет превосходить естественную фиксацию. Подобное нарушение природного равновесия может в будущем привести к серьезным последствиям.

Однако несмотря на все усилия бактериального мира сохранить для биосферы весь связанный живым веществом азот, небольшая часть его все время захороняется в осадки.

В осадках продолжается процесс разложения азотсодержащего органического вещества. Изучение распределения азота в молодых морских осадках показало, что Nорг составляет только 1/3 от общего содержания азота, 2/3 составляют аминокислоты и аммоний, фиксированный глинистыми минералами.

Между фиксированным и общим азотом наблюдается обратная зависимость (рис. 71). Подобная зависимость наблюдалась нами и для графитистых кварцитов разных метаморфических серий Мугоджар (рис. 72): чем меньше в породе остается органического вещества, тем больше содержание химически связанного азота.

Другими словами, с увеличением температуры и давления и выходом за границы биосферы характер превращения органического вещества становится односторонним и сдвигается в сторону разрушения органических форм азота. Основной формой азота органического вещества, которая появляется при химических процессах окисления, нагревания и т. п., является ион аммония. Этими же причинами определяются высокие содержания аммония в пластовых водах нефтяных месторождений, причем концентрация аммония в водах повышается при приближении к контуру нефтяной залежи. Здесь трудно проследить всю указанную выше последовательность изменений неорганических форм азота вплоть до молекулярной, особенно на фоне больших концентраций воздушных газов. Однако математическая обработка 4600 анализов свободного, попутного и воднорастворимого азота в подземных флюидах Русской платформы, проведенная А.Н. Вороновым и Г.И. Вишняковой, показала, что нефть содержит в среднем в 54 раза больше растворенного азота, чем вода. Азот обладает большей упругостью в нефти и в конкретных системах нефть — вода (рис. 73). При разрушении органического вещества выделение аммония и молекулярного азота, углекислоты, метана происходит в разные стадии, что и обусловливает появление как чисто азотных, так и чисто метановых природных газов.

Аминокислоты становятся неустойчивыми при температурах выше 250°. Одновременно с этим разрушаются и комплексы аминокислот с металлами. Следует отметить, что кобальт, медь, никель и цинк удерживаются аминокислотами гораздо сильнее, чем в соответствующих карбонатах и сульфидах. Поэтому аминокислоты могут перевести эти металлы в растворимое состояние из их нерастворимых солей. На 1 г органического вещества может приходиться до 682 мг связанного металла.

С увеличением степени метаморфизма осадочных пород начинает разрушаться и уходить из пород и аммонийный азот. Наши исследования показали, что с увеличением степени метаморфизма от филлитовидных сланцев до гранито-гнейсов содержание связанного азота уменьшается с 326 г/т до 36 г/т, т. е. приблизительно 90% азота выделяется в этом процессе. Ниже представлены наши данные по содержанию связанного азота в осадочных, метаморфических и изверженных породах земной коры.

Приведенные данные говорят о том азота уменьшается от осадочных учесть, что седиментогенные породы содержат приблизительно в 2 раза больше связанного азота, чем магматогенные, и вычесть эту разницу, то можно видеть, что на метаморфических породах заканчивается цикл увлеченного с органическим веществом поверхностного азота. С другой стороны, четко фиксируется большая масса азота другого генезиса, связанная с изверженными горными породами.

Таким образом, можно выделить два геохимических цикла поверхностного азота: один — через биосферу и второй — внутри земной коры. Принципиальная схема круговорота азота показана на рис. 74. По-видимому, нельзя определенным образом связывать те или иные формы азота с породами разного возраста. Все зависит от физико-химических параметров, которые воздействовали на породу.


Коротко остановимся на изотопном составе азота. Установлено, что фиксация азота атмосферы живым веществом протекает без изотопного разделения. Процесс же денитрофикации протекает с изотопным эффектом. При бактериальном восстановлении азота до молекулярного азота изотопное фракционирование достигает 2%, и уходящий азот облегчается. Это значит, весь остающийся в биосфере азот должен утяжеляться. И, действительно, все формы азота в океане утяжелены примерно до 2% (рис. 75).

Аналогичным образом обогащены тяжелым изотопом и различные формы азота в почвах (табл. 56), нефть и органическое вещество пород (рис. 76). Здесь интересно отметить, что в то время как все нефти обогащены тяжелым изотопом азота N15, все попутные нефтяные газы обогащены легким изотопом N15.

С другой стороны, вулканический азот хлористого аммония является также тяжелым (N15=l,5%. Получается как будто бы замкнутый цикл и по изотопному составу: азот входит в цикл с обогащением по тяжелому изотопу в +2% и выходит из цикла с изотопным фракционированием в +1,5%. Ho этот вывод требует получения дополнительных и более обширных данных, так как имеющиеся в настоящее время сведения об изотопном составе азота силикатных пород земной коры крайне ограничены.







Яндекс.Метрика