Превращения азота в природе


Как известно, свободный атмосферный азот — газ, химически очень инертный, неохотно вступающий в химические соединения. Чтобы заставить азот вступить, например, в химическую реакцию с кислородом, то есть сгореть, на это нужно затратить значительные количества энергии.

В ранние геологические эпохи на нашей планете происходили мощные грозовые электрические разряды, которые приводили к связыванию азота воздуха с кислородом в виде окиси азота. В дальнейшем процессе соединения с кислородом воздуха и химической реакции с водой окись азота превращалась в азотную кислоту. Последняя вымывалась из воздуха Дождем, попадала в почву, где, вступая во взаимодействие с элементами почвы, давала соли азотной кислоты, которые и служат источником питания растений. Эти процессы в несколько меньших масштабах продолжаются до сих пор. Ученые подсчитали, что в результате работы гроз ежегодно вместе с дождевой водой на поверхность Земли попадают из воздуха сотни миллионов тонн связанного азота. Но основная масса этого азота без пользы для жизни растений уносится в моря и океаны, реки и озера, и лишь примерно 15 килограммов связанного азота в год остаются на каждый гектар суши.

В ранние геологические периоды, когда грозы были часты, а урожаи растений не высасывали из земли ее азотных солей, в почве происходило накопление значительных количеств связанного азота. Большие количества связанного азота вместе с окаменевшими растениями накоплялись в каменном угле, в буром угле, торфе. В некоторых местах земной поверхности, отличающихся большой сухостью климата, где мало дождей, способных растворять азотные соли и уносить их в реки и моря, создавались благоприятные условия для накопления азотных солей в виде залежей селитры, как это имело место в некоторых местах Египта, Испании, Индии и в особенности в Чили.

Но вот наступает эпоха земледелия. Проходят тысячелетия, во время которых вместе с урожаем из земли уносятся ее запасы азота. Ведь каждая тонна яровой пшеницы извлекает из почвы и уносит с собой 20,5 килограмма азота, тонна картофеля — 3 килограмма.

Если считать, что мировой сбор урожая всех растительных культур составляет около миллиарда тонн, то ежегодно с полей уносится примерно в среднем 25 миллионов тонн связанного азота. Большая часть этого азота обратно в почву полей не возвращается. Это, конечно, во много раз больше того, что поля получают из воздуха в результате гроз. Земля постепенно беднеет азотом. Вначале азотный баланс поддерживался за счет перекачивания азота из почвы лугов в виде сена в почву полей в виде навоза. Но с ростом народонаселения луга распахивались в поля, и этот источник азота сокращался. Где же найти источник связанного азота для покрытия его расхода в интенсивном земледелии?

Долгое время этот вопрос волновал умы людей. Английский священник Мальтус додумался даже до такой бредовой идеи, что установил человеконенавистнический «закон», согласно которому рост плодородия полей и земледельческой культуры отстает и будет всегда отставать от роста народонаселения. Поэтому нужно стремиться уменьшить народонаселение земли.

Между тем уже в древности народ заметил, что почва, на которой растут бобовые растения (бобы, горох), клевер, люпин, вика и пр., сильно отличается от почвы, засеянной злаками. Римский ученый Плиний на этом основании советует земледельцам не тратить навоза на землю после посева на ней бобовых растений, если на этом поле собирались сеять хлебные культуры.

На смену трехполью приходит плодосмен. Урожай сильно растет. Первым ученым, понявшим и правильно оценившим роль бобовых в повышении урожайности, был Буссенго. В 1838 году он высказывал мысль, что бобовые растения являются первыми доступными человеку фабриками для связывания азота воздуха. Мысль Буссенго через 50 лет была полностью подтверждена опытными исследованиями. Оказалось, что бобовые растения могут питаться азотом воздуха за счет особых микроорганизмов, образующих клубеньки на корнях этих растений. Дальнейшие исследования показали, что способностью связывать азот воздуха обладают и многие свободноживущие микроорганизмы, которые широко распространены в природе и почти всегда находятся в почве.

В 1894 году русский ученый С. Н. Виноградский впервые выделил свободноживущих азотфиксирующих бактерий почвы. Эти бактерии обладают способностью связывать значительные количества азота воздуха. После этого были найдены и другие виды связывающих азот бактерий. А советский академик А. Н. Бах выделил энзим, при помощи которого процесс связывания азота может происходить и вне организма бактерий.

Некоторые микроорганизмы почвы способны связать в год от 11,5 до 45 килограммов азота воздуха на гектар. Биологические методы связывания азота воздуха в виде «фабрик зеленых удобрений» приобрели особенное развитие и широкое применение на нашей Родине благодаря трудам таких передовых ученых, как П. А. Костычев, академики Д. Н. Прянишников, М. В. Федоров и др.

Итак, на Земле постоянно происходят естественные процессы связывания азота в результате действия гроз и жизнедеятельности бактерий. Но наряду с этим идут и процессы разрушения химических соединений, содержащих азот (рис. 4).

Человек, разгадавший тайну химических соединений азота, научился сам преодолевать его химически пассивную природу, связывать его на фабриках в виде химических соединений и использовать в своих нуждах.