Круговорот веществ в биосфере

Круговорот веществ  в биосфере

Круговорот  веществ и превращение энергии  как основа существования биосферы. Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т. е. циркуляция веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.

Круговорот  углерода.

 Содержание углерода в атмосфере Земли составляет 0,046% в форме двуокиси углерода и 0,00012% в форме метана. Среднее его содержание в земной коре – 0,35%, а в живом веществе – около 18% (Виноградов, 1964). С углеродом тесно связан весь процесс возникновения и развития биосферы, т.к. именно углерод является основой белковой жизни на нашей планете, т.е. углерод является важнейшим химическим компонентом живого вещества. Именно этот химический элемент, благодаря своей способности образовывать прочные связи между своими атомами, является основой всех органических соединений. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие месторождения в ФРГ, Шри-Ланка и СССР). Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например кальцит и доломит, а также в состав всех биологических веществ. В форме диоксида углерода он входит в состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы.

 Углерод — обязательный  химический элемент органических  веществ всех классов. Огромная роль в круговороте углерода принадлежит зеленым растениям. В процессе фотосинтеза углекислый газ атмосферы и гидросферы ассимилируется наземными и водными растениями, а также цианобактериями и превращается в углеводы. В процессе же дыхания всех живых организмов происходит обратный процесс: углерод органических соединений превращается в углекислый газ. В результате ежегодно в круговорот вовлекаются многие десятки миллиардов тонн углерода. Таким образом, два фундаментальных биологических процесса — фотосинтез и дыхание — обусловливают циркуляцию углерода в биосфере.

Основное звено большого круговорота углерода - взаимосвязь процессов фотосинтеза и аэробного дыхания.

Другое звено большого цикла круговорота углерода представляет собой анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в метан и другие вещества (например, в болотных экосистемах, на свалках отходов).

В малом цикле  круговорота участвует углерод, содержащийся в растительных тканях (около 1011 т) и тканях животных (около 109 т). Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры.

Возвращение углерода в окружающую среду происходит двумя  путями. Во-первых – в процессе дыхания. Суть процессов дыхания заключается в использовании организмами окислительных химических реакций, дающих энергию для физиологических процессов. Окисление органических соединений, для которого используется атмосферный или растворённый в воде кислород, имеет результатом разложение сложных органических соединений с образованием СО₂ и Н₂О. В итоге углерод в составе СО₂ возвращается в атмосферу, и одна ветвь круговорота замыкается.

Второй  путь возвращения углерода – разложение органического вещества. В условиях биосферы процесс этот в основном протекает в кислородной среде, и конечными продуктами разложения являются те же СО₂ и Н₂О. Но большая часть углекислого газа при этом не поступает прямо в атмосферу. Углерод, высвобождающийся при разложении органического вещества, в основном остаётся в растворённой форме в почвенных, грунтовых и поверхностных водах. Или в виде растворённого углекислого газа, или же в составе растворённых карбонатных соединений – в форме ионов НСО₃^- или СО₃^2-. Он может после более или менее продолжительной миграции частично возвращаться в атмосферу, но большая или меньшая его доля всегда осаждается в виде карбонатных солей и связывается в составе литосферы.

Хранители углерода – это живая биомасса, гумус, известняки и каустобиолиты. Естественными источниками углекислого газа, кроме вулканических эксгаляций, являются процессы разложения органического вещества, дыхание животных и растений, окисление органических веществ в почве и других природных средах. Техногенная углекислота составляет 20х10⁹ т, что пока намного меньше, чем естественное ее поступление в атмосферу. За миллиарды лет с момента появления жизни на Земле весь углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение всего 304 лет живые организмы усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, всего за 4 года может полностью обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за этот срок завершает свой цикл. Цикл углерода, входящего в состав гумуса почв оценивается в 300-400 лет.

Роль  углерода в биосфере наглядно иллюстрируется схемой его круговорота (рис. 3.5.1).

 

 

Рис. 3.5.1. Схема биогеохимического цикла  углерода

Из этой схемы  наглядно видно, что растения, используя  механизм фотосинтеза, выполняют функцию  продуцентов кислорода и являются основными потребителями углекислого  газа.

Однако, цикл биологического круговорота углерода не замкнут. Что очень важно, в том числе, и для нас.

 

 

 

 

    

                                                   

Сжигание  и                  Тепло                                 Тепло

 

                                                 выветривание   

 

 Рис. 1. Круговорот углерода в процессах фотосинтеза и аэробного дыхания.

Рис. 4. Круговорот углерода в биосфере 

Круговорот  азота.

 Азот — необходимый  компонент важнейших органических  соединений: белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др. Основные его запасы  сосредоточены в атмосфере в  форме молекулярного азота, недоступного  для растений, так как они способны  использовать его только в  виде неорганических соединений. Пути поступления азота в почву и водную среду различны. Так, небольшое количество азотистых соединений образуется в атмосфере во время гроз. Вместе с дождевыми водами они поступают в водную или почвенную среду. Небольшая часть азотистых соединений поступает при извержениях вулканов.

  Растения получают азот в основном из разлагающегося мертвого органического вещества посредством деятельности бактерий, которые превращают азот белков в усваиваемую растениями форму. Другой источник – свободный азот атмосферы –растениям непосредственно недоступен. Но его связывают, т.е. переводят в другие химические формы, некоторые группы бактерий и сине-зеленые водоросли, они обогащают им почву. Многие растения находятся в симбиозе с азотфиксирующими бактериями, образующими клубеньки на их корнях. Из отмерших растений или трупов животных часть азота, за счет деятельности других групп бактерий,превращается в свободную форму и вновь поступает в атмосферу.

Рис. 5.

Круговорот азота в  биосфере

 

К прямой фиксации атмосферного молекулярного  азота способны лишь некоторые прокариотические организмы: бактерии и цианобактерии. Наиболее активными азотфиксаторами являются клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клетках корней бобовых растений.

Самые активные потребители азота  – бактерии на корневой системе  растений семейства бобовых. Каждому  виду этих растений присущи свои особые бактерии, которые превращают азот в нитраты. В процессе биологического цикла нитрат-ионы (NO₃^-) и ионы аммония (NH₄⁺), поглощаемы растениями из почвенной влаги, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты и т.д. Далее образуются отходы в виде погибших организмов, являющихся объектами жизнедеятельности других бактерий и грибов, преобразующих их в аммиак. Так возникает новый цикл круговорота. Существуют организмы, способные превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот.

 Они переводят молекулярный  азот в соединения, усваиваемые  растениями. После отмирания растений  и разложения клубеньков почва  обогащается органическими и  минеральными формами азота. Значительную  роль в обогащении водной среды  азотистыми соединениями играют  цианобактерии. Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными {аммонифицирующими) бактериями до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым газом и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты. Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Его результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом. Процессы нитрификации и денитрификации были полностью сбалансированы вплоть до периода интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений. Таким образом, роль живых организмов в круговороте азота является основной.

Азот и его  соединения играют в жизни биосферы такую же важную и незаменимую  роль, как и углерод. Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода.

Основным резервуаром  азота в биосфере также является воздушная оболочка. Около 80% всех запасов  азота сосредоточено в атмосфере  планеты, что связано с направлением биогеохимических потоков соединений азота, образующихся при денитрификации. Основной формой, в которой содержится азот в атмосфере, является молекулярная – N₂.

В отличие от углерода, атмосферный азот не может напрямую использоваться высшими растениями. Поэтому ключевую роль в биологическом  круговороте азота играют организмы-фиксаторы. Это микроорганизмы нескольких различных  групп, обладающие способностью путём  прямой фиксации непосредственно извлекать  азот из атмосферы и, в конечном счёте, связывать его в почве. К ним  относятся:

• некоторые свободноживущие почвенные бактерии;
• симбионтные клубеньковые бактерии (существующие в симбиозе с бобовыми);
• цианобионты, которые также бывают симбионтами грибов, мхов, папоротников, а иногда и высших растений.

В результате деятельности организмов – фиксаторов азота он связывается в почвах в нитритной  форме (соединения на основе NH₃).

Нитритные соединения азота способны мигрировать в  водных растворах. При этом они окисляются и преобразуются в нитратные  – соли азотной кислоты HNO₃. В этой форме азотные соединения способны эффективно усваиваться высшими растениями и использоваться для синтеза белковых молекул на основе пептидных связей C-N. Далее, по трофическим цепям, азот попадает в организмы животных. В окружающую среду (в водные растворы и в почву) он возвращается в процессах выделительной деятельности животных или разложения органического вещества. Биологическая активность организмов дополняется промышленными способами получения азотосодержащих органических и неорганических веществ, многие из которых применяются в качестве удобрений для повышения продуктивности и роста растений.

Антропогенное влияние на круговорот азота определяется следующими процессами:

1. сжигание топлива приводит  к образованию оксида азота,  а затем реакциям:

2. 2NO + O2 ® 2NO2 ,

3. 4NO2 + 2H2O.+ O2 ® 4HNO3 ,

4. способствуя выпадению  кислотных дождей.

Возврат свободного азота в атмосферу, как и его  извлечение, осуществляется в результате микробиологических процессов.

  Это звено круговорота функционирует благодаря деятельности почвенных бактерий-денитрификаторов, вновь переводящих азот в молекулярную форму.

В литосфере, в составе  осадочных отложений, связывается  весьма небольшая часть азота. Причина  этого в том, что минеральные  соединения азота, в отличие от карбонатов, очень хорошо растворимы. Выпадение  некоторой доли азота из биологического круговорота также компенсируется вулканическими процессами. Благодаря  вулканической деятельности в атмосферу  поступают различные газообразные соединения азота, который в условиях географической оболочки Земли неизбежно  переходит в свободную молекулярную форму.

Таким образом, основными  специфическими чертами круговорота  азота в биосфере можно считать  следующие:

• преимущественную концентрацию в атмосфере, играющей исключительную роль резервуара, из которой живые организмы черпают запасы необходимого им азота;
• ведущую роль в круговороте азота почв и, в особенности, почвенных микроорганизмов, деятельность которых обеспечивает переход азота в биосфере из одних форм в другие (рис. 3.5.3).