Азот составляет 79 %атмосферы, но огромное количество живых существ не способны прямо использовать этот запас азота. Сначала он должен быть фиксированным специализированными организмами или человеком – в этом последнем случае фиксация осуществляется с помощью специально разработанных промышленных процессов

Хотя люди и наземные животные живут на дне воздушного океана, на 79 % состоящего из азота, именно этот элемент в наибольшей степени определяет запас растительной пищи для обитателей этого океана. Все мы зависим от имеющихся ресурсов фиксированного азота. «Фиксированным» называют азот, включенный в такое химическое соединение, которое может быть использовано растениями и животными. В атмосфере азот не активен, но некоторые организмы все же могут связывать его. Меньшее количество атмосферного азота фиксируется в природных процессах ионизации. Атмосфера ионизируется космическими лучами, сгорающими метеоритами, электрическими разрядами (молнии), за короткое время выделяющими большое количество энергии, необходимое для того, чтобы азот смог прореагировать с кислородом или водородом воды. Азот фиксируют даже некоторые морские организмы, но, видимо, самыми крупными поставщиками фиксированного азота в природе являются почвенные микроорганизмы и симбиотические ассоциации между такими организмами и растениями.

Из всех видов вмешательства человека в естественный круговорот веществ промышленная фиксация азота – самое крупное по масштабам. С 1950 года ежегодное количество азота, фиксируемого в процессе производства удобрений, возросло примерно в 5 раз, и сейчас за год промышленным способом фиксируется столько азота, сколько могли зафиксировать все экосистемы Земли до введения современной агротехники. В 1968 году мировая промышленность дала около 30 млн. т фиксированного азота; к 2000 году эта цифра, вероятно, превысит 1000 млн. т.

В прежние времена, когда не существовало массового производства искусственных удобрений, когда еще не выращивались на больших площадях азотфиксирующие бобовые культуры, количество азота, удаляемого из атмосферы в процессе естественной фиксации, видимо, вполне уравновешивалось его возвратом в атмосферу в результате деятельности организмов, превращающих органические нитраты в газообразный азот. Сейчас мы не уверены в том, что процессы денитрификации поспевают за процессами фиксации. Неизвестно, какие последствия повлечет за собой длительный перевес фиксации над денитрификации. Мы знаем, что чрезмерный вынос азотистых соединений в реки может вызвать «цветение» водорослей и в результате усиления их биологической активности вода может лишиться кислорода, что вызовет гибель рыбы и других нуждающихся в кислороде организмов. Самый известный пример этого – быстрая эвтрофизация озера Эри.

Чтобы получит представление о сложно разветвленных путях, по которым движется азот в биосфере, давайте проследим путь атомов азота из атмосфера в клетки микроорганизмов, затем в почву – уже в качестве фиксированного азота, а из почвы – в высшие растения, откуда связанный азот может поступать в организмы животных. Растения и животные, отмирая, возвращают фиксированный азот в почву, откуда он либо поступает в новые поколения растений и животных, либо в виде элементарного азота переходит в атмосферу.

Удивительно, что некоторые организмы находят выгодным окислять соединения азота, тогда как другие организмы, обитающие в той же среде, выживают лишь благодаря своей способности восстанавливать эти соединения. Кроме фотосинтезирующих организмов, использующих энергию света, все живые существа получают энергию за счет химических превращений. Обычно это окисление одного соединения с одновременным восстановлением другого, хотя иногда окисляться и восстанавливаться могут разные молекулы одного и того же вещества или даже разные фрагменты одной молекулы. Круговорот азота в живой природе возможен потому, что при окислении атмосферным кислородом восстановленных неорганических соединений азота выделяется энергия в биологически эффективной форме. В анаэробных же условиях окисленные соединения азота могут служить окислителями органических соединений, опять-таки с выходом полезной энергии.