ФАКТИЧЕСКИЕ И ВОЗМОЖНЫЕ ОБЪЕМЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АЗОТФИКСАЦИИ

РОЛЬ АЗОТА В БИОСФЕРЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ

«Я осчастливлю человечество! Я найду тот жизненный эликсир, которому обязано все живое! Я найду этот таинственный ключ красоты, здоровья и богатства и подарю его людям!»,— сказал философ-натуралист на заре научной мысли. Но одной жизни оказалось далеко не достаточно, чтобы выполнить обещание.

На протяжении многих веков ученые искали таинственное вещество — «начало всех начал», ему было дано название из первых и последних букв трех алфавитов, на которых писались научные произведения. «Альфа» — первая буква греческого, латинского и еврейского алфавитов, «зет» — последняя буква латинского, «омега» — греческого и «тов» — последняя буква еврейского. Из сочетания этих букв составили слово «азот». Этим же термином в 1530 г. алхимики обозначили философский камень, способный «преобразовывать» металлы в золото и совершать другие чудесные превращения.

В 1774 г. французский ученый Антуан Лавуазье оригинальными опытами обнаружил, что воздух на 78% состоит из инертного газа, непригодного для дыхания и не поддерживающего горения. Тридцать лет спустя комиссия по химической терминологии, состоящая из виднейших ученых того времени, дала этому элементу название «азот». Древнее слово приобрело новый смысл.

В 1783 г. Генри Кавендиш доказал, что при пропускании электрической искры через воздух инертный газ, открытый Антуаном Лавуазье девять лет назад, соединяется с кислородом и дает окислы, которые образуют селитру, по определению древних — «чудодейственную соль земли». Вскоре Клод Луи Бертоле нашел, что этот же элемент входит в состав аммиака. Так была показана связь между «началом» чудодейственной селитры и инертным газом воздуха, о которой прежде только догадывались ученые.

Позднее было установлено, что азот — непременная составная часть белков. Поскольку жизнь есть способ существования белковых тел, следовательно, без азота нет жизни. Где достаточно соединений азота, там тучные стада, щедрые нивы, луга с буйной зеленью, обильно плодоносящие сады, красота, здоровье, изобилие.

В природе существуют два источника азота — воздух и азотные соединения почвы. Над каждым гектаром пашни «висит» столб азота в 80 тыс. т, а общие запасы этого элемента в атмосфере выражаются колоссальной цифрой. Животные вдыхают его вместе с кислородом, он заполняет все поры земли, находится в воздухоносных тканях растений. Весь животный мир — от простейших одноклеточных до самых крупных его представителен — живет за счет азота, усвоенного зелеными растениями. Запасы азотных соединений в почве очень малы. На 1 га пашни дерново-подзолистых почв содержится около 3 т азота. Большая его часть не может быть использована растениями, а остальная расходуется быстрее, чем пополняется. Азот из почвы постоянно теряется в воздухе, вымывается из корнеобитаемого слоя. Чтобы представить, насколько скудны запасы азота в почве, приведем следующий пример. С урожаем пшеницы 30 ц зерна с 1 га уносится ежегодно до 110 кг азота, т.е. его хватило бы на 27 лет. Но природа экономно расходует свои богатства, отдает их малыми порциями по 15...30 кг/га в год. Поэтому растения, буквально купаясь в океане азота воздуха, страдают от азотного голодания почти на всех почвах.

Один из источников пополнения почвы азотом — гром небесный. При электрическом разряде азот воздуха соединяется с кислородом. Образовавшиеся окислы вместе с дождем попадают на землю. Так связывается очень небольшое количество атмосферного азота, всего несколько десятков или сотен граммов на 1 га в год. С осадками же возвращается потерянный почвой или выделенный животными азот в виде аммиака. Но эти источники крайне скудны. На 1 га почвы в малонаселенных районах земного шара с осадками поступает всего лишь 400 г азота в год, а в густонаселенных — до 20 кг.

В природе в небольших количествах встречается селитра в виде залежей, но ее так мало, что на пополнение запаса азота почв не приходится рассчитывать. С давних пор для удобрения полей земледельцы вносят навоз, в 1 т которого содержится около 5 кг азота, но и этого удобрения не хватает.

Еще один источник азота был открыт в конце XIX в. Французский ученый М. Бартело в 1885 г. установил, что почвенные микробы обогащают ее азотом. Через восемь лет выдающийся русский микробиолог С.Н. Виноградский выделил из почвы анаэробную бактерию, способную фиксировать азот воздуха, а голландский ученый Мартин Бейеринк через несколько лет обнаружил такую же способность у азотобактера. Позднее в почве был открыт ряд микроорганизмов, способных усваивать азот атмосферы, в том числе некоторые грибы и водоросли. При благоприятных условиях на 1 га они могут накопить 10... 15 кг азота. В поле они дают прибавку 4...6 кг азота. Известные источники азота не могут полностью освободить растения от азотного голодания.

В древние времена было замечено, что растения, посеянные после бобовых, дают особенно высокий урожай. Древнеримский писатель Плиний Старший в сочинении «Естественная история» рекомендовал чередовать посев пшеницы с викой или бобовыми, которые улучшают почву. В 1784 г. дворянин Иоганн Христиан Шуберт пропагандировал возделывание клевера. Урожаи хлебов после клевера возросли в 1,5...2 раза. «Едва ли в истории найдется много открытий, которые были бы таким же благодеянием для человека, как включение в севооборот бобовых растений»,— отмечал К.А. Тимирязев.

Причина столь благотворного влияния бобовых на урожай долго оставалась неясной. Любая культура потребляет азот из почвы и истощает ее. Исследования показали, что клевер только обогащает почву азотом.

В 1835 г. Жан-Батист Буссенго — крупнейший французский ученый, основоположник научного метода исследований в агрономии и физиологии растений, — изучая различные растения и учитывая приход и расход из питательных веществ, пришел к выводу, что бобовые обогащают почву азотом, находящимся в воздухе. Видный немецкий ученый Генрих Гельригель, продолжая опыты Ж-Б. Буссенго, обнаружил, что бобовые фиксируют азот воздуха только в симбиозе с клубеньковыми бактериями.

Используя бобовые в севообороте, удалось повысить урожайность зерновых на 6...8 ц. Техническая фиксация азота воздуха, превращение его в азотные удобрения позволяют на больших площадях получать до

80...90 ц и более зерна с 1 га. В 1970 г. во всем мире было превращено в минеральные удобрения около 30 млн т атмосферного азота, а в 1990 г. — 85 млн т. К концу века предполагается ежегодно перерабатывать из воздуха в удобрения более 170 млн т азота. Техническая фиксация осуществляется при высоких температурах 400...500 °C и давлении в несколько десятков мегапаскалей. При наличии дешевой энергии объемы азотфиксации практически беспредельны. Загрязнение нитратами среды обитания послужило основной причиной вновь вернуться к биологическому азоту — обильному и экологически чистому.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >