Войти
Рисунок 1: Круговорот азота в системе почва-растение. Один потенциальный путь: N фиксируется микробами в органические соединения, которые минерализуются (например, аммонификация ), а затем окисляются до неорганических форм (например, нитрификация ), которые усваиваются растениями (NO 3 -). NO 3 - также может денитрифицироваться бактериями, производящими N 2, NO x и N 2 O. Влияние человека на круговорот азота разнообразно. В настоящее время поступления азота (N) в окружающую среду в сельском хозяйстве и промышленности превышают поступления в результате естественной фиксации азота. В результате антропогенного воздействия глобальный цикл азота (рис. 1) значительно изменился за последнее столетие. Глобальные мольные доли закиси азота (N 2 O) в атмосфере увеличились с доиндустриального значения ~ 270 нмоль / моль до ~ 319 нмоль / моль в 2005 году. На деятельность человека приходится более одной трети выбросов N 2 O, большинство из которых которые связаны с аграрным сектором. Эта статья предназначена для того, чтобы дать краткий обзор истории антропогенного поступления азота и описанных воздействий поступления азота на отдельные наземные и водные экосистемы.
| Типы еды | Подкисляющие выбросы (г экв. SO 2 на 100 г белка) |
|---|---|
| Говядина | 343,6 |
| Сыр | 165,5 |
| Свинина | 142,7 |
| Баранина и баранина | 139,0 |
| Фермерские ракообразные | 133,1 |
| Домашняя птица | 102,4 |
| Выращенная рыба | 65,9 |
| Яйца | 53,7 |
| Арахис | 22,6 |
| Горох | 8,5 |
| Тофу | 6,7 |
Примерно 78% атмосферы Земли составляет газообразный азот (N 2), который является инертным соединением и биологически недоступен для большинства организмов. Чтобы использовать в большинстве биологических процессов, N 2 должен быть преобразован в реактивный N (Nr), который включает неорганические восстановленные формы (NH 3 и NH 4 +), неорганические окисленные формы (NO, NO 2, HNO 3, N 2 O и NO 3 -) и органических соединений ( мочевина, амины и белки ). N 2 имеет прочную тройную связь, поэтому для преобразования N 2 в Nr требуется значительное количество энергии (226 ккал моль -1). До промышленных процессов единственными источниками такой энергии были солнечное излучение и электрические разряды. Используя большое количество метаболической энергии и фермент нитрогеназу, некоторые бактерии и цианобактерии превращают атмосферный N 2 в NH 3, процесс, известный как биологическая азотфиксация (BNF). Антропогенным аналогом BNF является процесс Габера-Боша, в котором H 2 реагирует с атмосферным N 2 при высоких температурах и давлениях с образованием NH 3. Наконец, N 2 преобразуется в NO под действием энергии молнии, которой можно пренебречь в нынешних умеренных экосистемах, или при сжигании ископаемого топлива.
До 1850 года природный BNF, BNF, вызванный культивированием (например, посев зернобобовых культур), и включенное органическое вещество были единственными источниками азота для сельскохозяйственного производства. На рубеже веков Nr из залежей гуано и нитрата натрия собирали и экспортировали с засушливых островов Тихого океана и пустынь Южной Америки. К концу 1920-х годов ранние промышленные процессы, хотя и неэффективные, обычно использовались для производства NH 3. Благодаря усилиям Фрица Габера и Карла Боша, процесс Габера-Боша стал крупнейшим источником азотных удобрений после 1950-х годов и заменил BNF в качестве основного источника производства NH 3. С 1890 по 1990 год антропогенно созданный Nr увеличился почти в девять раз. За это время человеческое население увеличилось более чем в три раза, отчасти из-за увеличения производства продуктов питания.
После промышленной революции дополнительным источником антропогенного поступления азота стало сжигание ископаемого топлива, которое используется для высвобождения энергии (например, для питания автомобилей). Когда ископаемое топливо сжигается, высокие температуры и давление дают энергию для производства NO в результате окисления N 2. Кроме того, при добыче и сжигании ископаемого топлива ископаемый азот может стать реактивным (т.е. выбросы NO x). В 1970-х годах ученые начали осознавать, что поступления азота накапливаются в окружающей среде и влияют на экосистемы.
Между 1600 и 1990 годами глобальное производство химически активного азота (Nr) увеличилось почти на 50%. По имеющимся данным, за этот период атмосферные выбросы видов Nr увеличились на 250%, а их осаждение в морских и наземных экосистемах увеличилось более чем на 200%. Кроме того, сообщалось о четырехкратном увеличении притока растворенного неорганического азота в прибрежные районы. Азот является важным ограничивающим питательным веществом во многих системах, включая леса, водно-болотные угодья, прибрежные и морские экосистемы; следовательно, это изменение в выбросах и распределении Nr привело к значительным последствиям для водных и наземных экосистем.
| Типы еды | Выбросы парниковых газов (г экв. CO 2 -C на грамм белка) |
|---|---|
| Мясо жвачных животных | 62 |
| Рециркуляционная аквакультура | 30 |
| Траловое рыболовство | 26 год |
| Аквакультура без рециркуляции | 12 |
| Свинина | 10 |
| Домашняя птица | 10 |
| Молочные продукты | 9.1 |
| Нетраловый промысел | 8,6 |
| Яйца | 6,8 |
| Крахмалистые корни | 1,7 |
| Пшеница | 1.2 |
| Кукуруза | 1.2 |
| Бобовые | 0,25 |
Поступающие в атмосферу N в основном включают оксиды N (NO x), аммиака (NH 3) и закиси азота (N 2 O) из водных и наземных экосистем, а также NO x в результате сжигания ископаемого топлива и биомассы.
В агроэкосистемах внесение удобрений привело к усилению микробной нитрификации (аэробный процесс, при котором микроорганизмы окисляют аммоний [NH 4 + ] до нитрата [NO 3 - ]) и денитрификации (анаэробный процесс, при котором микроорганизмы восстанавливают NO 3 - до атмосферного азота [N 2 ]).). Оба процесса естественным образом вызывают утечку оксида азота (NO) и закиси азота (N 2 O) в атмосферу. Особое беспокойство вызывает N 2 O, средний срок службы которого в атмосфере составляет 114–120 лет, и который в 300 раз более эффективен, чем CO 2, как парниковый газ. NO x, образующийся в промышленных процессах, автомобилях и сельскохозяйственных удобрениях, и NH 3, выбрасываемый из почв (т.е. как дополнительный побочный продукт нитрификации) и животноводства, переносятся в подветренные экосистемы, влияя на круговорот азота и потери питательных веществ. Были названы шесть основных эффектов выбросов NO x и NH 3: 1) снижение атмосферной видимости из-за аэрозолей аммония (мелкодисперсные твердые частицы [ТЧ]); 2) повышенная концентрация озона ; 3) озон и ТЧ влияют на здоровье человека (например, респираторные заболевания, рак ); 4) усиление радиационного воздействия и глобального изменения климата ; 5) снижение продуктивности сельского хозяйства из-за осаждения озона ; 6) закисление и эвтрофикация экосистем.
| Часть серии по |
| Биогеохимические циклы |
|---|
 |
| Круговорот воды |
| Углеродный цикл |
| Питательный цикл |
| Рок-цикл |
| Морской цикл |
| Метановый цикл |
| Другие циклы |
| похожие темы |
| Исследовательские группы |
|
Наземные и водные экосистемы получают Nr из атмосферы в результате влажного и сухого осаждения. Атмосферные частицы Nr могут осаждаться в экосистемах в виде осадков (например, NO 3 -, NH 4 +, органические соединения азота), в виде газов (например, NH 3 и газообразная азотная кислота [HNO 3 ]) или в виде аэрозолей (например, аммония. нитрат [NH 4 NO 3 ]). Водные экосистемы получают дополнительный азот из поверхностных и речных стоков.
Повышенное осаждение N может подкислять почвы, ручьи и озера и изменять продуктивность лесов и пастбищ. В экосистемах пастбищ внесение азота привело к первоначальному увеличению продуктивности, а затем к ее снижению по мере превышения критических пороговых значений. Также было продемонстрировано влияние азота на биоразнообразие, круговорот углерода и изменения в составе видов. В высокоразвитых районах прибрежных прибрежных океанических и устьевых систем реки доставляют прямые (например, поверхностный сток ) и косвенные (например, загрязнение грунтовых вод) поступления азота от агроэкосистем. Повышенное поступление азота может привести к закислению пресной воды и эвтрофикации морских вод.
Большая часть земного роста в системах с умеренным климатом ограничена N; поэтому поступление азота (например, путем осаждения и удобрения) может увеличить доступность азота, что временно увеличивает поглощение азота, рост растений и микробов, а также накопление азота в биомассе растений и органическом веществе почвы. Включение большего количества азота в органическое вещество снижает соотношение C: N, увеличивая выделение минерального азота (NH 4 +) во время разложения органического вещества гетеротрофными микробами (т. Е. Аммонификации ). По мере увеличения аммонификации увеличивается и нитрификация минерализованного азота. Поскольку микробная нитрификация и денитрификация являются "негерметичными", ожидается, что осаждение азота приведет к увеличению выбросов газовых примесей. Кроме того, с увеличением накопления NH 4 + в почве в процессе нитрификации высвобождаются ионы водорода, которые подкисляют почву. NO 3 -, продукт нитрификации, очень подвижен и может вымываться из почвы вместе с положительно заряженными щелочными минералами, такими как кальций и магний. В кислых почвах мобилизованные ионы алюминия могут достигать токсичных концентраций, отрицательно влияя как на наземные, так и на прилегающие водные экосистемы.
Антропогенные источники азота обычно попадают в горные леса в результате осаждения. Потенциальная проблема увеличения осаждения N в результате деятельности человека - это изменение круговорота питательных веществ в лесных экосистемах. Многочисленные исследования продемонстрировали как положительное, так и отрицательное воздействие атмосферного осаждения N на продуктивность лесов и накопление углерода. Добавленный азот часто быстро иммобилизуется микробами, а действие оставшегося доступного азота зависит от способности растительного сообщества поглощать азот. В системах с высоким поглощением N ассимилируется биомассой растений, что приводит к увеличению чистой первичной продуктивности (NPP) и, возможно, к увеличению связывания углерода за счет большей фотосинтетической способности. Однако реакция экосистем на добавление азота зависит от многих факторов, специфичных для участка, включая климат, историю землепользования и количество добавок азота. Например, на северо-востоке США древостои лиственных пород, получающие постоянное поступление азота, продемонстрировали большую способность удерживать азот и увеличивать годовую чистую первичную продуктивность (ЧНПЗ), чем древостоя хвойных пород. Как только ввод N превышает потребность системы, N может быть потерян из-за выщелачивания и газовых потоков. Когда доступный азот превышает поглощающую способность экосистемы (например, растительность, почва, микробы и т. Д.), Происходит насыщение азотом, и избыток азота теряется в поверхностных водах, грунтовых водах и атмосфере. Насыщение азотом может привести к дисбалансу питательных веществ (например, потере кальция из-за вымывания нитратов) и возможному упадку лесов.
15-летнее исследование хронических добавок азота в программе Гарвардских лесных долгосрочных экологических исследований ( LTER ) выявило многие последствия увеличения осаждения азота на круговорот питательных веществ в лесах умеренного пояса. Было обнаружено, что постоянное добавление азота приводит к большим потерям от выщелачивания, повышенной смертности сосны и прекращению накопления биомассы. Другое исследование показало, что хроническое добавление азота приводит к накоплению нефотосинтетического азота и, следовательно, к снижению фотосинтетической способности, что предположительно приводит к серьезному углеродному стрессу и смертности. Эти результаты опровергают предыдущие гипотезы о том, что увеличение поступления азота приведет к увеличению АЭС и секвестрации углерода.
Многие растительные сообщества развивались в условиях низкого содержания питательных веществ; следовательно, увеличение поступления азота может изменить биотические и абиотические взаимодействия, что приведет к изменениям в составе сообщества. Несколько исследований по добавлению питательных веществ показали, что увеличение поступления азота приводит к доминированию быстрорастущих видов растений с соответствующим снижением видового богатства. Быстрорастущие виды имеют большую склонность к поглощению азота и вытеснят медленнорастущие виды растений, блокируя доступ солнечному свету своей более высокой надземной биомассой. Другие исследования показали, что вторичные реакции системы на обогащение N, включая подкисление почвы и изменения в микоризных сообществах, позволили устойчивым к стрессу видам превзойти чувствительные виды. Деревья с арбускулярными микоризными ассоциациями с большей вероятностью выиграют от увеличения содержания азота в почве, поскольку эти грибы не могут расщеплять органический азот почвы. Два других исследования обнаружили доказательства того, что повышение доступности азота привело к сокращению численности вересковых пустошей с разнообразием видов. Вересковые пустоши характеризуются бедными азотом почвами, что исключает азотные травы; однако по мере увеличения осаждения N и подкисления почвы вторжение пастбищ заменяет низинные вересковые пустоши.
В более позднем экспериментальном исследовании внесения азотных удобрений и нарушения (например, обработки почвы) в старой сукцессии полей было обнаружено, что видовое богатство снижалось с увеличением азота, независимо от уровня нарушения. Эксперименты по конкуренции показали, что конкурентные доминанты исключают конкурентоспособно низшие виды между событиями нарушения. С увеличением поступления азота конкуренция сместилась с подземной на надземную (т. Е. К конкуренции за свет), и темпы заселения участков значительно снизились. Эти внутренние изменения могут резко повлиять на сообщество, сдвигая баланс между конкуренцией и колонизацией между видами. В системах, основанных на заплатах, региональное сосуществование может происходить за счет компромиссов в конкурентных и колонизаторских способностях при достаточно высоких уровнях нарушений. Таким образом, при обратном ранжировании конкурентных и колонизирующих способностей растения могут сосуществовать в пространстве и времени, поскольку нарушение удаляет более сильных конкурентов из участков, что позволяет создать высших колонизаторов. Однако, как продемонстрировали Уилсон и Тилман, увеличение поступления питательных веществ может свести на нет компромиссы, что приведет к конкурентному исключению этих превосходных колонизаторов / бедных конкурентов.
Водные экосистемы также по-разному реагируют на обогащение азотом. NO 3 - нагрузка из насыщенных азотом наземных экосистем может привести к закислению пресноводных систем ниже по течению и эвтрофикации морских систем ниже по течению. Подкисление пресной воды может вызвать отравление алюминием и гибель чувствительных к pH видов рыб. Поскольку морские системы, как правило, ограничены азотом, чрезмерное поступление азота может привести к ухудшению качества воды из-за токсичного цветения водорослей, дефицита кислорода, потери среды обитания, сокращения биоразнообразия и потерь рыболовства.
Атмосферные осаждения N в наземных ландшафтах могут быть преобразованы в результате микробных процессов в почве в биологически доступный азот, что может привести к подкислению поверхностных вод и утрате биоразнообразия. Поступления NO 3 - и NH 4 + из наземных систем и атмосферы могут подкислять пресноводные системы, когда буферная емкость мала из-за подкисления почвы. Загрязнение N в Европе, на северо-востоке США и в Азии является серьезной проблемой для подкисления пресной воды. Исследования подкисления озер в экспериментальной зоне озер (ELA) на северо-западе Онтарио четко продемонстрировали отрицательное влияние повышенной кислотности на местные виды рыб: пополнение и рост озерной форели (Salvelinus namaycush) резко сократились из-за истребления ее основных видов добычи во время подкисления. Реактивный азот из сельского хозяйства, животноводства, удобрений, септических систем и других источников повысил концентрацию нитратов в водных путях большинства промышленно развитых стран. Концентрация нитратов в 1000 норвежских озер увеличилась вдвое менее чем за десятилетие. Количество рек на северо-востоке Соединенных Штатов и большей части Европы увеличилось в 10-15 раз за последнее столетие. Реактивный азот может загрязнять питьевую воду через сток в ручьи, озера, реки и грунтовые воды. Только в Соединенных Штатах целых 20% источников подземных вод превышают установленный Всемирной организацией здравоохранения предел концентрации нитратов в питьевой воде. Эти высокие концентрации могут вызвать «болезнь голубого ребенка», когда ионы нитратов ослабляют способность крови переносить кислород. Исследования также связывают высокие концентрации нитратов с репродуктивными проблемами и склонностью к некоторым видам рака, таким как рак мочевого пузыря и яичников.
Урбанизация, обезлесение и сельскохозяйственная деятельность в значительной степени способствуют попаданию наносов и питательных веществ в прибрежные воды через реки. Увеличение поступления питательных веществ в морские системы продемонстрировало как краткосрочное увеличение продуктивности и улова, так и долгосрочные пагубные последствия эвтрофикации. Утроение NO 3 - нагрузки в реке Миссисипи во второй половине 20 века коррелировало с увеличением вылова рыбы в водах, окружающих дельту Миссисипи; Однако, эти питательные входы произвели сезонную гипоксию (концентрации кислорода менее 2-3 мг L -1, « мертвые зоны ») в Мексиканском заливе. В эстуарных и прибрежных системах высокие поступления питательных веществ увеличивают первичную продукцию (например, фитопланктон, морские травы, макроводоросли), что увеличивает мутность, что приводит к снижению проникновения света через толщу воды. Следовательно, рост подводной растительности снижается, что снижает сложность среды обитания и производство кислорода. Повышенная первичная продукция (например, фитопланктон, макроводоросли и т. Д.) Приводит к притоку углерода в придонные воды, когда разлагающееся органическое вещество (т. Е. Стареющая первичная продукция) опускается и потребляется аэробными бактериями, находящимися ниже в толще воды. В результате потребление кислорода придонными водами больше, чем его диффузия из поверхностных вод. Кроме того, при цветении определенных водорослей, называемом вредоносным цветением водорослей (ВЦВ), образуются токсины, которые могут действовать как нервно-мышечные соединения или соединения, повреждающие органы. Цветение водорослей может быть вредным как для других морских обитателей, так и для людей.
Вышеупомянутые реакции системы на поступление реактивного азота (Nr) почти полностью изучаются отдельно; однако исследования все чаще показывают, что проблемы загрузки азота связаны множеством путей транспортировки питательных веществ через границы системы. Этот последовательный переход между экосистемами называется азотным каскадом. ( см. иллюстрацию из Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде ). Во время каскада некоторые системы накапливают Nr, что приводит к задержке во времени в каскаде и усилению воздействия Nr на среду, в которой он накапливается. В конечном итоге антропогенные поступления Nr либо накапливаются, либо денитрифицированы; однако в определении относительной важности накопления и денитрификации Nr достигнут незначительный прогресс, что в основном связано с отсутствием интеграции между научными дисциплинами.
Большая часть Nr поступает в глобальные агроэкосистемы, каскадом проходит через атмосферу, водные и наземные экосистемы до тех пор, пока не преобразуется в N 2, в первую очередь за счет денитрификации. Хотя земная денитрификация дает газообразные промежуточные соединения (оксид азота [NO] и закись азота [N 2 O]), последний этап - микробное производство N 2 - имеет решающее значение, поскольку атмосферный N 2 является стоком для Nr. Многие исследования ясно продемонстрировали, что регулируемые буферные полосы и заболоченные земли могут удалять значительные количества нитратов (NO 3 -) из сельскохозяйственных систем посредством денитрификации. Такое управление может помочь ослабить нежелательные каскадные эффекты и устранить накопление Nr в окружающей среде.
Человеческая деятельность доминирует в глобальных и большинстве региональных N-циклов. Поступления азота показали отрицательные последствия как для круговорота питательных веществ, так и для разнообразия местных видов в наземных и водных системах. Фактически, из-за долгосрочного воздействия на пищевые сети поступления Nr широко считаются наиболее серьезной проблемой загрязнения в морских системах. Как в наземных, так и в водных экосистемах реакция на обогащение N различается; однако общая повторяющаяся тема - важность пороговых значений (например, насыщения азота) в способности системы удерживать питательные вещества. Чтобы контролировать N-каскад, необходимо интегрировать научные дисциплины и продолжить работу по хранению Nr и скорости денитрификации.
Эта статья включает в себя материалы для общественности области из Национальных институтов здравоохранения документа: «Экологические перспективы здравоохранения». 