Круговорот веществ и биогеохимические циклы важнейших химических элементов в биосфере

NH^-₄ → NО^-₂ → NО^-₃  

 Различные формы азотистых  соединений почвы и водной  среды могут восстанавливаться  некоторыми бактериями до оксидов  и молекулярного азота. Этот  процесс называется де нитрификацией.  Денитрификация происходит за  несколько этапов:

NO^-₃ → NO^-₂ → N₂O → N₂  

 На каждом из этапов  выделяется кислород, который необходим  денитрифицирующим бактериям

для дыхания при отсутствии в почве свободного кислорода. 

После того как круговорот азота был в общих чертах изучен, стала понятна роль бактерий-денитрификаторов. Без таких бактерий, возвращающих азот в атмосферу, большая часть атмосферного азота находилась бы сейчас в связанной форме в океане и в осадочных породах. В настоящее время в атмосфере, разумеется, недостаточно кислорода для перевода всего свободного азота в нитраты. Но вполне вероятно, что односторонний процесс в отсутствие денитрификаторов привел бы к подкислению воды в океане нитратами. Началось бы выделение диоксида углерода из карбонатных горных пород. Растения постоянно извлекали бы диоксид углерода из воздуха, углерод с течением времени откладывался бы в форме каменного угля или других углеводородов, а свободный кислород насыщал бы атмосферу и соединялся с азотом. Из-за многообразия и сложности всех этих процессов трудно сказать, как выглядел бы мир без реакции денитрификации, но наверняка это был бы непривычный для нас мир. 
   Таким образом, в ходе денитрификации связанный азот удаляется из почвы и воды, и в виде газообразного азота возвращается в атмосферу. Денитрификация замыкает цикл азота и препятствует накоплению его оксидов, которые в высоких концентрациях токсичны. 

Круговорот фосфора. Биологическое  и биохимическое значение фосфора  в жизни живой клетки, организмов, экосистем и биосферы в целом  исключительно велико. Фосфор входит в состав тканей мозга, скелета, панцирей животных. Без фосфора невозможен синтез белка. Так же, как кислород, углерод и азот, фосфор является биофилом и его биогеохимический круговорот протекает совместно с этими элементами. В биосфере преобладают соединения пятивалентного фосфора, поэтому обычно во всех источниках приводится содержание его оксида Р₂О₅.

Среднее содержание фосфора  в земной коре составляет 0,09 %. Основные запасы его находятся в горных породах, в донных отложениях морей  и океанов, в гумусовом горизонте  наземных и подводных почв. Главное  геохимическое направление мирового круговорота соединений фосфора  нацелено в сторону озер, устьев рек, морей и шельфа океана. Не образующий летучих соединений фосфор имеет  тенденцию накапливаться в море. Вынос фосфора из моря на сушу осуществляется в основном с рыбой и пометом  морских птиц. 
   Общие запасы фосфора в почве очень малы - 0,1-0,2 % Р₂О₅. Из этого общего количества фосфора растениям относительно доступно только 10-20 %, малодоступно - 50-60 и практически недоступно - 20-40%. При высоких урожаях из 1 га почвы извлекается до 60 кг Р₂О₅, а притока его из атмосферных осадков или биогенной фиксации из воздуха не существует. Поэтому даже на лучших почвах после 40-50 лет эксплуатации без внесения фосфорных удобрений урожайность сильно падает. 
   Внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают приблизительно 125 млн т фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений. 
   Хранилищем фосфора, как мы уже указывали выше, служат залежи его соединений в горных породах. Вследствие вымывания он попадает в речные системы, и часть его используется растениями, а часть уносится в море, где оседает в глубоководных отложениях. Кроме того, в мире ежегодно добывается от 1 до 2 млн т фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора также вымывается и исключается из круговорота. Благодаря лову рыбы часть фосфора возвращается на сушу в небольших размерах (около 60 тыс. т элементарного фосфора в год). 
   Исследования многих ученых показывают, что в почвах и водах почти всегда ощущается дефицит фосфора. Поэтому соединения фосфора, как и азота, являются важнейшими минеральными удобрениями в современном земледелии. Дефицит фосфора для растений объясняется низкой физиологической 
   доступностью его нерастворимых соединений и особенно необратимой фиксацией в почве самого фосфора. Более всего доступен растениям фосфор органических соединений и гумуса. 
   Живое вещество ненарушенной биосферы и экосистемы суши удерживают огромное количество фосфора. Есть данные, свидетельствующие о том, что в лесных подстилках содержание фосфора может достигать 100 кг/га. Гумусовая оболочка почвы является естественным аккумулятором соединений этого элемента. Содержание фосфора в почве значительно превышает таковое в земной коре. В связи с этим сведение лесов, уничтожение лесной подстилки и замена естественных лесных экосистем агроэкосистемами приводит к изменениям запасов фосфора и его круговорота в биосфере. 
   Круговорот серы. Сера также играет существенную роль в круговороте веществ в биосфере. В виде органических и неорганических соединений сера постоянно присутствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом, она входит в состав широко распространенных соединений: белков, аминокислот, коферментов, витаминов.

 Соединения серы участвуют  в биохимических процессах живой  клетки, формировании химического состава  почв. В больших количествах содержатся в подземных водах. Основную роль в обменном фонде серы играют специализированные микроорганизмы. Каждый вид микроорганизмов  выполняет определенную реакцию  окисления или восстановления этого  элемента. 
   В земной коре в среднем содержится 0,047 % серы. В почвах, где сера присутствует преимущественно в виде сульфатов, ее количество может колебаться от 0,01 до 2-3%. Сера в виде SО₂, SО₃, H₂S и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу. В природе она образует минералы, называемые сульфидами. Очень много серы в изверженных горных породах в виде сульфидных минералов. При окислении сульфидных минералов сера в виде иона SО^2-₄ попадает в Мировой океан, где поглощается морскими организмами. Отдельные виды морских обитателей известны как рекордсмены по накоплению серы (так, некоторые моллюски северных морей выделяют пищеварительными железами жидкость, в которой содержится до 4% серной кислоты). Круговорот серы в морской воде происходит с помощью сульфат- редуцирующих бактерий, которые существуют в анаэробных (бескислородных) условиях. Они восстанавливают сульфаты морской воды до сероводорода, который поднимается в верхние толщи воды и окисляется под действием кислорода, а также при участии аэробных сернистых бактерий. Некоторые бактерии способны концентрировать в своих организмах элементарную серу. После гибели таких бактерий она может накапливаться в значительных количествах на дне океана. На суше сера после отмирания растений переходит в почву, где одни микроорганизмы восстанавливают органическую серу до минеральной, а другие - окисляют эту минеральную форму до сульфатов. Последние поглощаются корнями растений, и сера снова вовлекается в круговорот. 
   Аналогично нитратам и фосфатам, сульфат серы является основной доступной формой этого элемента, которая восстанавливается автотрофными организмами и включается в белки. Круговорот серы является ключевым в общем процессе синтеза и разложения биомассы. В настоящее время техногенные выбросы серы в атмосферу земли достигают 75-100 млн т/г. Естественное ее поступление (в форме оксидов серы) оцениваются цифрами 80-280 млн т/г. Если брать нижние границы, то можно считать, что глобальный объем естественных выбросов серы примерно соответствует ее техногенным эмиссиям.