Круговорот углерода в биосфере схема – Биогеохимические циклы (биогеохимические круговороты) -циклические процессы обмена веществ между различными компонентами биосферы, обусловленные жизнедеятельностью организмов.

Круговорот углерода

Углерод является одним из самых необходимых для жизни компонентов. В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза (рис.1). Затем основная его масса поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов.

Главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа . Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Однако человек в последнее время достаточно успешно разрабатывает эти захоронения, возвращая в круговорот жизни углерод и другие важные для жизни элементы, накопленные за миллионы лет. Хотя это приводит к ряду отрицательных для нас последствий, но как знать, может быть, именно эту миссию мы должны были выполнить для биосферы.

Например, известно, что увеличение содержания и понижение содержанияв атмосфере приводит к усилению фотосинтеза. Может быть, после того, как мы очистим планету от современных форм жизни (в том числе и от своего присутствия на ней), начнется бурный этап развития новых более совершенных форм, которые сейчас не могут выдержать конкуренции. Ведь была же когда-то эпоха анаэробной жизни на земле. “Неприятным” продуктом их жизнедеятельности был кислород, накопление которого практически погубило эту форму жизни. Теперь ее следы можно обнаружить лишь в недрах болот, да в глубоководных впадинах. Но зато было дано начало новым более совершенным аэробным организмам, которые научились «нейтрализовывать» кислород и даже использовать его химическую активность для получения свободной энергии.

Рис.1

Фотосинтезирующий зеленый пояс и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень в атмосфере. Но за последние 100 лет содержаниепостоянно растет из-за новых антропогенных поступлений и сведения лесов. Полагают, что в начале промышленной революции (1800 г) в атмосфере Земли присутствовало около 0,029 %. В 1958 г., когда были проведены первые точные измерения, — 0,0315 %, в 1980 – 0,0335 %. Когда доиндустриальный уровень будет превышен вдвое (2050 г), ожидается повышение температуры в среднем на 1,5…4.5 градуса. Это связано в первую очередь с парниковым эффектом, к которому приводит повышенное содержание углекислого газа в атмосфере. Если в 20-м веке уровень моря поднялся на 12 см, то в 21-м веке нас может ожидать нарушение стабильности полярных ледяных шапок, что приведет к их таянию и катастрофическому подъему уровня мирового океана. По некоторым прогнозам в 2050 году под водой может оказаться Нью-Йорк и большая часть Западной Европы.

На фоне этого происходит потеря углекислоты из почвенного фонда, что вызвано окислением гумуса в почве после уничтожения лесов при последующем использовании этих земель для сельского хозяйства или строительства городов.

Круговорот азота

Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Хотя азот требуется в меньших количествах, чем, например, углерод, тем не менее дефицит азота отрицательно сказывается на продуктивности живых организмов.

Основным источником азота является атмосфера (рис.2), откуда в почву, а затем в растения азот попадает только в форме нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов), а также электрических разрядов (молний) и других физических процессов. Остальные соединения азота не усваиваются растениями.

Второй источник азота для растений — результат разложения органики, в частности, белков. При этом в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитриты и нитраты.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода.

Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со сточными континентальными водами), частично используется водной растительностью, а затем по пищевым цепям через животных возвращается на сушу. Небольшая часть азота выпадает из круговорота, уходя в осадочные соединения. Однако эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами, а также с индустриальными выбросами. Если бы наша цивилизация достигла такой технической мощи, что смогла бы блокировать все вулканы на Земле (я не сомневаюсь, что подобные проекты обязательно возникли бы), то при этом из-за прекращения поступлений углерода, азота и других веществ, от голода могло бы погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений вулканов.

Рис.2

Антропогенный азот поступает в природу в основном в форме азотных удобрений. Их количество примерно равно природной фиксации азота в атмосфере, но ниже биологической фиксации.

В природных экосистемах порядка 20 % азота — это новый азот, полученный из атмосферы путем азотофиксации. Остальные 80 % возвращаются в круговорот вследствие разложения органики. В агросистемах из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть используется повторно, большая же часть теряется с собираемым урожаем, а также в результате выщелачивания (выноса водой) и денитрификации.

Лишь прокариоты, безъядерные, самые примитивные микроорганизмы могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы. Когда эти микроорганизмы образуют взаимовыгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота значительно усиливается. Растения представляют бактериям подходящее местообитание (корневые клубеньки), защищают микробы от излишков кислорода и поставляют им необходимую высококачественную энергию. За это растение получает легкоусвояемый фиксированный азот. Мечта современных специалистов по генной инженерии — создать самоудобряющиеся сорта зерновых культур, которые имели бы на корнях клубеньки с азотофиксирующими бактериями, аналогичные клубенькам на корнях бобовых растений. Полагают, что это позволило бы совершить существенный прорыв в сельском хозяйстве. Однако как знать, не нарушит ли подобное увеличение природной фиксации свободного азота того хрупкого баланса притока и оттока азота в атмосфере, который обеспечивает стабильность концентрации азота в воздухе, которым мы дышим.

studfiles.net

Круговорот фосфора


 

 

Круговорот веществ в природе

Важным свойством биосферы является наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов, а также  непрерывность биосферных процессов.

Круговоротами называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.

Круговороты веществ и элементов отражают неразрывную связь геологических и биологических процессов в биосфере. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот  происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению и выветриванию; продукты выветривания, в том числе растворенные в воде минеральные  питательные вещества, сносятся потоками воды в мировой океан. В океане эти вещества образуют морские напластовывания, а также частично возвращаются на сушу с атмосферными осадками и с живыми организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, приводят к возвращению морских отложений на сушу, после чего процесс проходит новый цикл.

Малый круговорот является частью большого круговорота и представляет собой процесс непрерывного создания и деструкции органического  вещества в экосистемах в результате взаимосвязанного функционирования живых организмов (см. статью о малом круговороте воды).

Закономерный круговорот химических соединений отдельных элементов и осуществляется в ходе совместной деятельности различных живых организмов. Он включает введение химических элементов в состав живых клеток, химические превращения веществ в процессах метаболизма, выведение в окружающую среду и деструкцию органических веществ с последующей их минерализацией. Высвобождающиеся минеральные вещества вновь включаются в биологические циклы. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде реализуются только на уровне биосферы в целом.

Обмен веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы изучает биогеохимия. Круговороты химических элементов из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии называются

биогеохимическими циклами (подробное описание биогеохимических циклов вы найдёте здесь).

В каждом круговороте выделяют две части: резервный фонд и подвижный (обменный) фонд. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном небиологический компонент. Для обменного фонда характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой.  Сравнительные объемы подвижных и резервных фондов имеют значение с точки зрения оценки антропогенной нагрузки на биосферу, так как изменению более подвержены малообъемные фонды.

Биогеохимические циклы разделяют на круговороты газов с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные круговороты с резервным фондом в земной коре.

Благодаря наличию крупных атмосферных и океанических фондов в круговоротах газообразных веществ – углерода, азота, кислорода – довольно быстро компенсируются  возможные нарушения. Эти круговороты «забуферены» и в этом отношении являются саморегулирующими системами. В осадочных циклах (фосфор, железо и др.) механизмы саморегуляции работают гораздо хуже и легко нарушаются, так как основная масса веществ в осадочных циклах находится в малоподвижном резервном фонде в земной коре.

В качестве примеров круговорота веществ в биосфере ниже рассмотрим биогеохимические циклы важнейших биогенных элементов: углерода, азота, фосфора.

Круговорот углерода

В основе биогенного круговорота углерода лежит неорганическое вещество – диоксид углерода. В природе СО2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном виде в гидросфере.

Включение углерода в состав органического вещества происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе углекислого газа и воды  образуются сахара. В дальнейшем, другие процессы биосинтеза преобразуют их в более сложные органические вещества. Эти соединения формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных.

В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества в конечном итоге до СО2, который выводится во внешнюю среду, где может вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разрушению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в виде Н2СО3 вновь поступает в круговорот.

При определенных условиях разложение накапливаемых мертвых остатков в почве идет замедленным темпом через образование гумуса, минерализация которого под воздействием грибов и бактерий происходит с низкой скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность организмов-деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа, углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичным образом в прошлые геологические эпохи происходило образование каменного угля и нефти. Сжигание ископаемого топлива в настоящее время возвращает углерод, выключенный ранее из круговорота, в атмосферу. В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО2 в состав СаСО3 в виде известняков. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи до поднятия органогенных пород над уровнем моря. Тогда круговорот возобновляется через выщелачивание известняков атмосферными осадками, а также биогенным путем под воздействием лишайников, корней растений. Схемы круговорота углерода вы найдёте в этой статье.

Круговорот азота

Главный источник азота органических соединений – газообразный азот N2 в составе атмосферы.  Молекулярный азот не усваивается живыми организмами. Переход его в доступные живым организмам соединения (фиксация) может происходить несколькими путями. Фиксация азота частично происходит в атмосфере, где при грозовых разрядах образуется оксид азота (II), который окисляется до оксида азота (IV),  с последующим образованием  азотной кислоты и нитратов, выпадающих на поверхность Земли с атмосферными осадками.

Наиболее важной формой фиксации азота является ферментативная фиксация в процессе жизнедеятельности сравнительно немногих  видов организмов-азотфиксаторов. Отмирая, они обогащают среду органическим азотом, который быстро минерализуется. Наиболее эффективна фиксация азота, осуществляемая бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. В результате их деятельности в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) за год накапливается азота до 150-400 кг на 1 га.  Азот связывают также свободноживущие азотфиксирующие почвенные бактерии, а в водной среде – сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Все азотфиксаторы включают азот в состав аммиака (NH3), и он сразу же используется для образования органических веществ, в основном для синтеза белков.  Минерализация азотсодержащих органических веществ редуцентами происходит в результате  процессов аммонификации и нитрификации. Аммонифицирующие бактерии в процессе биохимического разложения мертвого органического вещества переводят азот органических соединений в аммиак, который в водном растворе образует ионы аммония (NH4+). В результате деятельности нитрифицирующих бактерий в аэробной среде аммиак окисляется в нитриты (NO2), а затем в нитраты (NO3).

Большинство растений получают азот из почвы в виде нитратов. Поступающие в растительную клетку нитраты восстанавливаются до нитритов, а затем до аммиака, после чего азот  включается в состав аминокислот, составляющих белки. Часть азота растениями усваивается непосредственно в виде ионов аммония из почвенного раствора.

Животные получают азот по пищевым цепям прямо или опосредованно от растений. Экскреты и мертвые организмы, составляющие основу детритных пищевых цепей, разлагаются и минерализуются организмами-редуцентами, превращающими органический азот в неорганический.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрофикаторов, осуществляющих в анаэробной среде процесс, обратный нитрификации, восстанавливая нитраты до свободного азота.

Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами, прежде всего фитопланктоном, а затем, попадая в цепи питания животных, частично возвращаются на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота попадает в  морские осадки.

Круговорот фосфора

В круговороте фосфора, в отличие от круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе в больших количествах содержится в минералах горных пород и попадает в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и соответственно в водные экосистемы. Растения поглощают фосфор  в виде растворимых фосфатов из водного или почвенного раствора и включают его в состав органических соединений – нуклеиновых кислот, систем переноса энергии (АДФ, АТФ), в состав клеточных мембран. Другие организмы получают фосфор по пищевым цепям. В организмах животных фосфор входит в состав костной ткани, дентина.

В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом органические фосфаты поступают в окружающую среду в составе экскретов. Организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и, таким образом, снова вовлекаться в круговорот.

Поскольку в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза, фосфор как и другие биогенные элементы почвы, циркулирует в экосистеме лишь в том случае, если отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Нарушение круговорота фосфора может происходить, например, в агроэкосистемах, когда урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится на значительные расстояния,  и они не возвращаются в почву в  местах потребления.

После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде, в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и бигенного разрушения.

Внесение фосфорных удобрений, представляющих собой продукты переработки осадочных пород, позволяет восполнить потребленный фосфор в регионах с интенсивным сельскохозяйственным производством.  Однако, смыв удобрений с полей, а также поступление в водоемы фосфатов с продуктами жизнедеятельности животных и человека может приводить к перенасыщению водных экосистем фосфатами и нарушению в них экологического равновесия.

Цикл азота


 

Цикл серы


 

Цикл фосфора

См. так же: нарушение круговорота веществ человеком



biofile.ru

Круговорот углерода

В биосфере Земли постоянно совершаются круговороты различных веществ, которые циркулируют между живыми организмами и оболочками планеты (атмосферой, гидросферой и литосферой).

Углерод является важнейшим химическим элементом органических веществ всех типов. Круговорот углерода в биосфере представляет собой сложную цепочку реакций. Это циклическое перемещение данного элемента между живыми существами и неорганическим миром. При этом углерод переходит из воздушной и водной среды в организмы растений и животных, а затем снова поступает в воздух, воду и почву, где становится доступным для последующего использования. В связи с тем, что углерод крайне необходим для поддержания всех жизненных форм, вмешательство в циркуляцию этого химического элемента оказывает влияние на численность и разнообразие живых организмов, существующих на Земле.

Источником углерода является атмосферный воздух, где этот элемент присутствует в форме диоксида углерода (углекислого газа). Также углекислый газ в растворенном виде (слабая угольная кислота) имеется в водах пресных и соленых водоемов. Кальций соединяется с данной кислотой, образуя минералы – карбонаты (известняк). Общая масса растворенных и осадочных углеродсодержащих соединений равна примерно 1,8 трлн. тонн. Концентрация связанного углерода в атмосферном воздухе в виде углекислого газа составляет 0,03% от массы воздуха на уровне моря, в абсолютных величинах это составляет примерно 750 млрд. тонн. Оценить содержание углерода в живых организмах даже ориентировочно не представляется возможным из-за их многочисленности и широкого распространения на Земле.

Элементарный углерод находится в движении постоянно. Процесс круговорота углерода начинается внутри экосистем путем потребления зелеными растениями СО2 из воздушной и водной среды при фотосинтезе. В ходе фотосинтеза диоксид углерода превращается в простые сахара, которые при дыхании растений расщепляются, отдавая организмам энергию, а часть СО2 снова выделяется в атмосферу. Определенная доля углерода поступает затем с фитомассой к микроорганизмам и растительноядным животным. Все аэробные организмы участвуют в выведении углерода в биоценотическую среду экосистем при дыхании и брожении, когда углерод органических веществ трансформируется в углекислый газ с выделением энергии для жизнедеятельности организмов. Также углерод возвращается в атмосферу при разложении тел животных, питающихся растениями. Углерод затем повторно используется растениями в виде углекислого газа для фотосинтеза. Это внутрисистемный круговорот углерода. Частично этот элемент выводится в атмосферу из экосистем. Циркуляция углерода тесно связана с круговоротом кислорода. Таким образом, два важнейших биологических процесса – фотосинтез и дыхание – определяют циркуляцию углерода в биосфере.

Цикл круговорота углерода не является полностью замкнутым. На баланс углерода в планетарных масштабах влияют геологические процессы. При накоплении в таких ископаемых, как нефть, уголь, газ, известняк, др., углерод исключается из круговорота в биосфере.

В атмосферу выделяются большие количества углекислого газа при сжигании горючих углеродсодержащих ископаемых в результате деятельности промышленных предприятий. Человек нарушает естественный круговорот углерода в природе в процессе интенсивной хозяйственной деятельности. Только за ХХ век концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 25%, что в будущем может повлечь ускорение развития «парникового эффекта».

Похожие материалы:

geografya.ru

Круговорот углерода в природе кратко – схема, описание и видео в презентации

В ходе химических и физических процессов в земной биосфере постоянно проходит круговорот углерода (С). Этот элемент является важнейшим компонентов всех живых организмов. Атомы углерода постоянно циркулируют в различных сферах нашей планеты. Так, цикл карбона отображает динамику жизни на Земле в целом.

Как осуществляется круговорот карбона

Большая часть углерода входит в состав атмосферы, а именно в виде углекислого газа. В водной среде также имеется диоксид углерода. Вместе с тем, как происходит круговорот воды и воздуха в природе, совершается оборот С в окружающей среде. Что касается углекислого газа, то из атмосферы он поглощается растениями. Далее происходит фотосинтез, после которого образуются различные вещества, в состав которых входит карбон. Общее количество углерода разделяется на части:

  • некоторое количество остается в составе молекул растений, присутствуя в них до момента отмирания дерева, цветка или травы;
  • вместе с флорой карбон попадает в организм животных, когда те питаются растительностью, и в процессе дыхания они выдыхают СО2;
  • когда плотоядные животные съедают травоядных, то С попадает в организм хищников, выделяясь потом через органы дыхания;
  • часть углерода, оставшись в растениях, попадает в грунт, когда они отмирают, и в результате карбон соединяется с атомами иных элементов, и вместе они принимают участие в образовании топливных полезных ископаемых, таких как уголь.

Схема круговорота углерода

Когда углекислый газ попадает в водную среду, испаряется и поступает в атмосферу, принимая участие в круговороте воды в природе. Часть карбона поглощается морской флорой и фауной, а когда они отмирают, то и углерод скапливается на дне акватории вместе с останками растений и животных. Значительная часть С растворяется в воде. Если карбон входит в состав пород, топливных либо осадочных, то эта часть теряется из атмосферы.

Стоит отметить, что углерод поступает в воздух благодаря извержениям вулканов, при выдыхании углекислого газа живыми существами и выбросам различных веществ при сжигании топлива. В связи с этим сейчас ученые установили, что в воздухе накапливается избыточное количество СО2, что приводит к парниковому эффекту. В данный момент, переизбыток этого соединения значительно загрязняет воздушную среду, негативно влияет на экологию всей планеты.

Познавательное видео о круговороте углерода

Таким образом, углерод – это важнейший элемент в природе, участвует во многих процессах. От его количества в той или иной оболочке Земли зависит ее состояние. Чрезмерное количеств карбона может привести к загрязнению окружающей среды.

ecoportal.info

29. Круговорот углерода.

Углерод включается в состав органических элементов в процессе фотосинтеза из CO2. Другие процессы биосинтеза преобразуют углерод в крахмал, гликоген и другие вещества. Эти вещества формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных. В процессе дыхания организма окисляются сложные органические вещества и выходит CO2, который опять участвует в фотосинтезе. Время круговорота – 8 лет.

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – C02. Источником является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних слоев земной коры.

Миграция C02 в биосфере Земли протекает двумя путями:

1-й путь закладывается в поглощение его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцы, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далёкие геологические эпохи сотни млн. лет назад значительная часть фотосинтетического органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах млн. лет, этот детрит под действием высоких t и P (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь (в зависимости от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах). Теперь в ограниченных количествах добывают это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определённом смысле завершают круговорот углерода.

По 2-му пути миграция С осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в h3CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где существуют растения, CO2 атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания CO2 в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

РИСУНОК 8

30. Круговорот азота

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в Nh5, который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется в азотную кислоту. Она вступая в реакцию с находящимся в почве карбонатами (например с СаСО3), образует нитраты:

2HN03 + СаСО3  Са(NО3)2 + СО2 + Н20

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигание дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать O2 от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Т.о., далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы возмещения потери азота. К таким процессам относятся прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды. При грозах они синтезируют из азота и кислорода оксиды азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращаясь в почве в нитраты (аммиак). Другим источником попадания азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образования характерных вздутий — «клубеньков». Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. При распаде растительного и животного белка азот вновь попадает в неживую природу, откуда поступает в состав новых поколений живых организмов, а часть азота в виде молекул возвращается в атмосферу. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важных элементов питания растений.

РИСУНОК 9

studfiles.net

§4Круговорот веществ и химических элементов в биосфере

Важным свойством биосферы является наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов, а также непрерывность биосферных процессов.

Круговоротами называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.

Круговороты веществ и элементов отражают неразрывную связь геологических и биологических процессовв биосфере. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговоротпроисходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению и выветриванию; продукты выветривания, в том числе растворенные в воде минеральные питательные вещества, сносятся потоками воды в мировой океан. В океане эти вещества образуют морские напластовывания, а также частично возвращаются насушус атмосферными осадками и с живыми организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, приводят к возвращению морских отложений на сушу, после чего процесс проходит новый цикл.

Малый круговоротявляется частью большого круговорота и представляет собой процесснепрерывного создания и деструкции органического вещества в экосистемах в результате взаимосвязанного функционирования живых организмов, т.е. питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в распоряжение почвенной микрофлоры и мезофауны (бактерий, грибов, червей и т.п.) и опять разлагаются до минеральных компонентов, которые вновь становятся доступными для растений.

Круговорот воздуха

Поток солнечной энергии образует глобальные физические, круговороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (ветры, волны, течения) обусловливаетаэрогенную миграцию веществ, в первую очередь газов, паров воды и пылевых частиц, аэрозолей разного состава. Под действием солнечной радиации и грозовых разрядов в атмосфере происходят различные фотохимические и электрохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, окислов и кислотных осадков, образование углеводородных смогов и др.

Круговорот воды

Глобальный круговорот воды отражен на рис. 4. Это самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле. За год в него вовлекается всего 0,04% массы гидросферы, но это соответствует 18,3 млн м3воды за секунду и более 40 млрд МВт солнечной энергии.

Рис. 4

Резервуары и круговорот воды на Земле.

Объемы резервуаров (подчеркнуты) – в тыс. км3;

потоки влаги (испарение, перенос в атмосфере, осадки, сток) – в тыс. км3/год

Речной сток составляет только 8% глобального гидрологического цикла, Круговорот воды, особенно поверхностный и подземный сток на суше, определяет гидрогенную миграцию веществ, которая помимо переноса состоит из множества процессов растворения, кристаллизации, осаждения, ионного обмена и окислительно-восстановительных реакций.

В круговороте воды заметное участие принимают живые организмы, экосистемы. Растения перехватывают часть осадков и способствуют испарению влаги до того, как она попадет на землю. Почвенная влага всасывается корнями растений, участвует в обмене веществ и затем испаряется из листьев (транспирация). Вместе с испарением с поверхности почвы транспирация составляет суммарное испарение. Уровень перехвата и транспирации различен для разных биомов, но в целом составляет более 40% объема испарения на суше.

Закономерный круговорот химических соединений отдельных элементов и осуществляется в ходе совместной деятельности различных живых организмов. Он включает введение химических элементов в состав живых клеток, химические превращения веществ в процессах метаболизма, выведение в окружающую среду и деструкцию органических веществ с последующей их минерализацией. Высвобождающиеся минеральные вещества вновь включаются в биологические циклы. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде реализуются только на уровне биосферы в целом.

Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов в биотический круговорот вовлечены важные для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, особенно когда речь идет о всей биосфере, называют еще биогеохимическим круговоротом.

В каждом круговороте выделяют две части: резервный фонд и подвижный (обменный) фонд. В резервный фонд входят медленно движущиеся вещества, в основном небиологический компонент. Для обменного фонда характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой. Сравнительные объемы подвижных и резервных фондов имеют значение с точки зрения оценки антропогенной нагрузки на биосферу, так как изменению более подвержены малообъемные фонды.

Биогеохимические циклы разделяют на круговороты газов с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные круговороты с резервным фондом в земной коре.

Благодаря наличию крупных атмосферных и океанических фондов в круговоротах газообразных веществ – углерода, азота, кислорода – довольно быстро компенсируются возможные нарушения. Эти круговороты «забуферены» и в этом отношении являются саморегулирующими системами. В осадочных циклах (фосфор, железо и др.) механизмы саморегуляции работают гораздо хуже и легко нарушаются, так как основная масса веществ в осадочных циклах находится в малоподвижном резервном фонде в земной коре.

В качестве примеров круговорота веществ в биосфере рассмотрим биогеохимические циклы важнейших биогенных элементов: углерода, азота, фосфора, серы.

Круговорот углерода

В основе биогенного круговорота углерода лежит неорганическое вещество – диоксид углерода. В природе СО2входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном виде в гидросфере.

Включение углерода в состав органического вещества происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе углекислого газа и воды образуются сахара. В дальнейшем, другие процессы биосинтеза преобразуют их в более сложные органические вещества. Эти соединения формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных.

В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества в конечном итоге до СО2, который выводится во внешнюю среду, где может вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разрушению организмами-редуцентами, в результате чего углерод в виде Н2СО3вновь поступает в круговорот.

При определенных условиях разложение накапливаемых мертвых остатков в почве идет замедленным темпом через образование гумуса, минерализация которого под воздействием грибов и бактерий происходит с низкой скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность организмов-деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа, углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Аналогичным образом в прошлые геологические эпохи происходило образование каменного угля и нефти. Сжигание ископаемого топлива в настоящее время возвращает углерод, выключенный ранее из круговорота, в атмосферу. В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО2в состав СаСО3в виде известняков. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи до поднятия органогенных пород над уровнем моря. Тогда круговорот возобновляется через выщелачивание извесняков атмосферными осадками, а также биогенным путем под воздействием лишайников, корней растений. Схема круговорота углерода приведена на рис.5.

Рис.5.

Схема круговорота углерода

Круговорот азота

Главный источник азота органических соединений – газообразный азот N2 в составе атмосферы. Молекулярный азот не усваивается живыми организмами. Переход его в доступные живым организмам соединения (фиксация) может происходить несколькими путями. Фиксация азота частично происходит в атмосфере, где при грозовых разрядах образуется оксид азота (II), который окисляется до оксида азота (IV), с последующим образованием азотной кислоты и нитратов, выпадающих на поверхность Земли с атмосферными осадками.

Наиболее важной формой фиксации азота является ферментативная фиксация в процессе жизнедеятельности сравнительно немногих видов организмов-азотфиксаторов. Отмирая, они обогащают среду органическим азотом, который быстро минерализуется. Наиболее эффективна фиксация азота, осуществляемая бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. В результате их деятельности в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) за год накапливается азота до 150-400 кг на 1 га. Азот связывают также свободноживущие азотфиксирующие почвенные бактерии, а в водной среде – сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Все азотфиксаторы включают азот в состав аммиака (NH3), и он сразу же используется для образования органических веществ, в основном для синтеза белков. Минерализация азотсодержащих органических веществ редуцентами происходит в результате процессов аммонификации и нитрификации. Аммонифицирующие бактерии в процессе биохимического разложения мертвого органического вещества переводят азот органических соединений в аммиак, который в водном растворе образует ионы аммония (NH4+). В результате деятельности нитрифицирующих бактерий в аэробной среде аммиак окисляется в нитриты (NO2), а затем в нитраты (NO3).

Большинство растений получают азот из почвы в виде нитратов. Поступающие в растительную клетку нитраты восстанавливаются до нитритов, а затем до аммиака, после чего азот включается в состав аминокислот, составляющих белки. Часть азота растениями усваивается непосредственно в виде ионов аммония из почвенного раствора.

Животные получают азот по пищевым цепям прямо или опосредованно от растений. Экскреты и мертвые организмы, составляющие основу детритных пищевых цепей, разлагаются и минерализуются организмами-редуцентами, превращающими органический азот в неорганический.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрофикаторов, осуществляющих в анаэробной среде процесс, обратный нитрификации, восстанавливая нитраты до свободного азота.

Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со стоком вод с континентов), используется водными фотосинтезирующими организмами, прежде всего фитопланктоном, а затем, попадая в цепи питания животных, частично возвращаются на сушу с продуктами морского промысла или птицами. Небольшая часть азота попадает в морские осадки. Схема круговорота азота приведена на рис.6.

Рис.6.

Схема круговорота азота

Круговорот фосфора

В круговороте фосфора, в отличие от круговоротов углерода и азота, отсутствует газовая фаза. Фосфор в природе в больших количествах содержится в минералах горных пород и попадает в наземные экосистемы в процессе их разрушения. Выщелачивание фосфора осадками приводит к поступлению его в гидросферу и соответственно в водные экосистемы. Растения поглощают фосфор в виде растворимых фосфатов из водного или почвенного раствора и включают его в состав органических соединений – нуклеиновых кислот, систем переноса энергии ( АДФ, АТФ), в состав клеточных мембран. Другие организмы получают фосфор по пищевым цепям. В организмах животных фосфор входит в состав костной ткани, дентина.

В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических соединений, содержащих фосфор, при этом органические фосфаты поступают в окружающую среду в составе экскретов. Организмы-редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и, таким образом, снова вовлекаться в круговорот.

Поскольку в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза, фосфор как и другие биогенные элементы почвы, циркулирует в экосистеме лишь в том случае, если отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Нарушение круговорота фосфора может происходить, например, в агроэкосистемах, когда урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится на значительные расстояния, и они не возвращаются в почву в местах потребления.

После неоднократного потребления фосфора организмами на суше и в водной среде, в конечном итоге он выводится в донные осадки в виде нерастворимых фосфатов. После поднятия осадочных пород над уровнем моря в ходе большого круговорота вновь начинают действовать процессы выщелачивания и бигенного разрушения.

Внесение фосфорных удобрений, представляющих собой продукты переработки осадочных пород, позволяет восполнить потребленный фосфор в регионах с интенсивным сельскохозяйственным производством. Однако, смыв удобрений с полей, а также поступление в водоемы фосфатов с продуктами жизнедеятельности животных и человека может приводить к перенасыщению водных экосистем фосфатами и нарушению в них экологического равновесия.

Схема круговорота фосфора приведена на рис.7.

Рис.7.

Схема круговорота фосфора

Круговорот серы

В глобальном круговороте серы (рис. 8) кроме бактерий, грибов и растений, использующих сульфат природных вод и почвы для синтеза серосодержащих аминокислот, работают еще несколько групп специализированных бактерий, осуществляющих превращения в реакцияхH2SоS<=>SO4иH2S<=>SO4.

Потребность биоты в сере относительно невелика (биофильность S»1), а природные резервуары серы огромны. Поэтому сера редко оказывается лимитирующим биогеном. Биотический круговорот серы включен в общий, в значительной своей части абиогенный, процесс постепенного превращения восстановленных форм серы (в основном сульфидных руд), сложившихся в восстановительной обстановке древней Земли, в окисленные формы. Эта тенденция существенно усиливается техногенезом.

Рис. 8

studfiles.net

Круговорот веществ в биосфере

Понятие о круговороте веществ

Круговорот веществ в биосфере — цикличный, многократно повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ. Наличие круговорота веществ является необходимым условием существования биосферы. После использования одними организмами вещества должны переходить в доступную для других организмов форму. Такой переход веществ от одного звена к другому требует энергетических затрат, поэтому возможен только при участии энергии Солнца. С использованием солнечной энергии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический (биотический).

Геологический круговорот веществ — процесс миграции веществ, осуществляемый под влиянием абиотических факторов: выветривания, эрозии, движения вод и т. д. Живые организмы участия в нем не принимают.

С возникновением на планете живого вещества появился биологический (биотический) круговорот. В нем принимают участие все живые организмы, поглощающие из окружающей среды одни вещества и выделяющие другие. Например, растения в процессе жизнедеятельности потребляют из окружающей среды углекислый газ, воду, минеральные вещества и выделяют кислород. Животные используют выделенный растениями кислород для дыхания. Они поедают растения и в результате пищеварения усваивают образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические вещества. Выделяют углекислый газ и непереваренные остатки пищи. После отмирания растения и животные образуют массу мертвого органического вещества (детрит). Детрит доступен для разложения (минерализации) микроскопическими грибами и бактериями. В результате их жизнедеятельности в биосферу поступает дополнительное количество углекислого газа. А органические вещества превращаются в исходные неорганические компоненты — биогены. Образовавшиеся минеральные соединения, попадая в водоемы и почву, снова становятся доступны растениям для фиксации посредством фотосинтеза. Такой процесс повторяется бесконечно и носит замкнутый характер (круговорот). Например, весь атмосферный кислород проходит по этому пути примерно за 2 тыс. лет, а углекислому газу для этого требуется около 300 лет.

Энергия, заключенная в органических веществах, по мере перемещения в пищевых цепях уменьшается. Большая часть ее рассеивается в окружающей среде в виде тепла или расходуется на поддержание процессов жизнедеятельности организмов. Например, на дыхание животных и растений, транспорт веществ у растений, а также на процессы биосинтеза живых организмов. К тому же образовавшиеся в результате деятельности редуцентов биогены не содержат доступной для организмов энергии. В данном случае можно говорить лишь о потоке энергии в биосфере, но не о круговороте. Поэтому условием устойчивого существования биосферы является постоянно протекающий в биогеоценозах круговорот веществ и поток энергии.

Геологический и биологический круговороты в совокупности формируют общий биогеохимический круговорот веществ, основу которого составляют циклы азота, воды, углерода и кислорода.

Круговорот азота

Азот — один из самых распространенных элементов в биосфере. Основная часть биосферного азота находится в атмосфере в газообразной форме. Как известно из курса химии, химические связи между атомами в молекулярном азоте (N2) очень прочные. Поэтому большинство живых организмов не способны использовать его непосредственно. Отсюда важным этапом в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота.

Атмосферная фиксация. Под воздействием атмосферных электрических разрядов (молний) азот может взаимодействовать с кислородом с образованием оксида (NO) и диоксида (NO2) азота. Оксид азота (NO) при этом очень быстро окисляется кислородом и превращается в диоксид азота. Диоксид азота растворяется в парах воды и в виде азотистой (HNO2) и азотной (HNO3) кислот с осадками попадает в почву. В почве в результате диссоциации этих кислот образуются нитрит- (NO2) и нитрат-ионы (NO3). Нитрит- и нитрат-ионы уже могут поглощаться растениями и включаться в биологический круговорот. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 10 млн т азота в год, что составляет около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.

Биологическая фиксация. Она осуществляется азотфиксирующими бактериями, которые переводят азот в доступные для растений формы. Благодаря микроорганизмам связывается около половины всего азота. Наиболее известны бактерии, фиксирующие азот в клубеньках бобовых растений. Они поставляют растениям азот в виде аммиака (NH3). Аммиак хорошо растворим в воде с образованием иона аммония (NH4+), который и усваивается растениями. Поэтому бобовые — лучшие предшественники культурных растений в севообороте. После отмирания животных и растений и разложения их остатков почва обогащается органическими и минеральными соединениями азота. Далее гнилостные (аммонифицирующие) бактерии расщепляют азотсодержащие вещества (белки, мочевину, нуклеиновые кислоты) растений и животных до аммиака. Этот процесс называется аммонификацией. Большая часть аммиака впоследствии подвергается окислению нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, которые вновь используются растениями. Возвращение азота в атмосферу происходит путем денитрификации, которую осуществляет группа денитрифицирующих бактерий. В результате происходит восстановление азотистых соединений до молекулярного азота. Часть азота в нитратной и аммонийной формах с поверхностным стоком попадает в водные экосистемы. Здесь азот усваивается водными организмами или поступает в донные органические отложения.

Промышленная фиксация. Большое количество азота ежегодно связывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобрений. Азот из таких удобрений усваивается растениями в аммонийной и нитратной формах. Объем выпускаемых азотных удобрений в Беларуси в настоящее время составляет около 900 тыс. т в год. Крупнейшим производителем является ОАО «ГродноАзот». На данном предприятии выпускают карбамид, аммиачную селитру, сульфат аммония и другие азотные удобрения.

Примерно 1/10 искусственно внесенного азота используется растениями. Остальное с поверхностным стоком и грунтовыми водами переходит в водные экосистемы. Это приводит к накоплению в воде больших количеств соединений азота, доступных для усвоения фитопланктоном. В результате возможно бурное размножение водорослей (эвтрофикация) и, как следствие, заморы в водных экосистемах.

Круговорот воды

Вода — основной компонент биосферы. Она является средой для растворения практически всех элементов при осуществлении круговорота. Большая часть биосферной воды представлена жидкой водой и водой вечных льдов (более 99 % всех запасов воды в биосфере). Незначительная часть воды находится в газообразном состоянии — это атмосферные водяные пары. Биосферный круговорот воды основывается на том, что ее испарение с поверх ности Земли компенсируется выпадением осадков. Попадая на поверхность суши в виде осадков, вода способствует разрушению горных пород. Это делает составляющие их минералы доступными для живых организмов. Именно испарение воды с поверхности планеты обусловливает ее геологический круговорот. На него расходуется около половины падающей солнечной энергии. Испарение воды с поверхности морей и океанов происходит с большей скоростью, чем возвращение ее с осадками. Эта разница компенсируется за счет поверхностного и глубинного стоков благодаря тому, что на континентах осадки преобладают над испарением.

Увеличение интенсивности испарения воды на суше во многом обусловлено жизнедеятельностью растений. Растения извлекают воду из почвы и активно транспирируют ее в атмосферу. Часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединений, а кислород выделяется в атмосферу.

Животные используют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяют ее во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.

Круговорот углерода

Углерод как химический элемент присутствует в атмосфере в составе углекислого газа. Это и обусловливает обязательное участие живых организмов в круговороте этого элемента на планете Земля. Основной путь, по которому углерод из неорганических соединений переходит в состав органических веществ, где он является обязательным химическим элементом, — это процесс фотосинтеза. Часть углерода выделяется в атмосферу в составе углекислого газа при дыхании живых организмов и при разложении бактериями мертвого органического вещества. Усвоенный растениями углерод потребляется животными. Кроме того, коралловые полипы, моллюски используют соединения углерода для построения скелетных образований и раковин. После их отмирания и оседания на дне формируются отложения известняков. Таким образом, углерод может исключаться из круговорота. Выведение углерода из круговорота на длительный срок достигается путем формирования полезных ископаемых: каменного угля, нефти, торфа.

На протяжении существования нашей планеты выведенный из круговорота углерод компенсировался углекислым газом, поступающим в атмосферу при вулканических извержениях и в ходе других естественных процессов. В настоящее время к природным процессам пополнения углерода в атмосфере добавилось значительное антропогенное воздействие. Например, при сжигании углеводородного топлива. Это нарушает отрегулированный веками круговорот углерода на Земле.

Увеличение концентрации углекислого газа за столетие всего на 0,01 % привело к заметному проявлению парникового эффекта. Среднегодовая температура на планете повысилась на 0,5 °С, а уровень Мирового океана поднялся почти на 15 см. По прогнозам ученых, если среднегодовая температура увеличится еще на 3-4 °С, начнется таяние вечных льдов. При этом уровень Мирового океана поднимется на 50-60 см, что приведет к затоплению значительной части суши. Это расценивается как глобальная экологическая катастрофа, ведь на этих территориях проживает около 40 % населения Земли.

Круговорот кислорода

В функционировании биосферы кислород играет исключительно важную роль в процессах обмена веществ и дыхании живых организмов. Уменьшение количества кислорода в атмосфере в результате процессов дыхания, сжигания топлива и гниения компенсируется кислородом, выделяемым растениями при фотосинтезе.

Кислород образовывался в первичной атмосфере Земли при ее остывании. В силу своей высокой реакционной способности он переходил из газообразного состояния в состав различных неорганических соединений (карбонатов, сульфатов, оксидов железа и др.). Сегодняшняя кислородсодержащая атмосфера планеты образовалась исключительно за счет осуществляемого живыми организмами фотосинтеза. Содержание кислорода в атмосфере повышалось до нынешних значений в течение длительного времени. Поддержание его количества на постоянном уровне в настоящее время возможно только благодаря фотосинтезирующим организмам.

К сожалению, в последние десятилетия деятельность человека, приводящая к вырубке лесов, эрозии почв, снижает интенсивность фотосинтеза. А это, в свою очередь, нарушает естественный ход круговорота кислорода на значительных территориях Земли.

Небольшая часть кислорода атмосферы участвует в процессах образования и разрушения озонового экрана при действии ультрафиолетового излучения Солнца.

Основой биогенного круговорота веществ является солнечная энергия. Главным условием устойчивого существования биосферы являются постоянно протекающий в биогеоценозах круговорот веществ и поток энергии. В круговоротах азота, углерода и кислорода основная роль принадлежит живым организмам. Основу же глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы.

jbio.ru