Круговорот углерода
Углерод на Земле встречается в различных состояниях, от чистого (уголь, графит, алмаз) до высокомолекулярных белковых соединений. Основой биогенного круговорота углерода является диоксид углерода (углекислый газ), который при взаимодействии с водой образует углекислоту. Единственным источником углерода, используемого растениями для синтеза органического вещества, является углекислота, которая входит в состав атмосферы, или растворенная в воде.
В результате фотосинтеза в растениях происходит превращение угольной кислоты в углеводы, которое сопровождается выделением в атмосферу кислорода. Часть углеводов растения используют для роста и развития, а часть употребляется животными в пищу, для обеспечения собственных энергетических потребностей. Возврат двуокиси углерода в атмосферу происходит при дыхании животных, а так же при разложении тканей отмерших животных и растений. Другим источником возврата газа в атмосферу являются процессы горения органических топлив любого химического состава, начиная от дров заканчивая многочисленными нефтепродуктами. Химическая сущность этих процессов одинакова, а именно окисление углерода в составе топлив до двуокиси углерода с выделением энергии. Исторически процессы связывания диоксида углерода растениями и его выделения в отмеченных выше процессах находилось в равновесии. Однако, последние десятилетия, резкое увеличение объемов сжигаемого топлива, с одной стороны, и вырубание лесов, с другой стороны, привели к накоплению диоксида углерода в атмосфере. Вследствие особенностей термодинамических свойств диоксида углерода, как трехатомной молекулы, в сравнении с двухатомными молекулами кислорода и азота, которые составляют атмосферу, появилась реальная угроза парникового эффекта и глобального изменения климата.
Круговорот кислорода
В атмосфере кислород содержится в форме двухатомной молекулы, а так же в незначительном количестве в виде трехатомной молекулы озона, который образуется в результате воздействия высоких энергий на кислород (молнии, космическое излучение).
Круговороты кислорода и углерода связаны между собой химически. Фактически фотосинтез представляет собой разложение диоксида углерода на углерод и кислород, который пополняет атмосферу. Противоположный процесс удаления кислорода из атмосферы при его взаимодействии с углеродом, представлен реакциями горения топлива и гниения.
В настоящее время на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода. Отрицательным моментом является сокращение площадей лесов планеты, что снижает продукцию кислорода и может привести глобальному изменению состава воздуха и экологической катастрофе.
Круговорот азота
Круговорот азота охватывает все области биосферы, распространяясь на газообразную и минеральную фазы. Хотя запасы азота в атмосфере неисчерпаемы, его вовлечение в круговорот затруднено химической инертностью элемента. Растения могут усваивать азот в виде легко растворимых соединений с водородом и кислородом в виде иона аммония или нитрата. Для перехода азота в эти формы необходимо участие азотофиксирующих бактерий или сине-зеленых водорослей (цианобактерий). Азотофиксирующие бактерии ведут свою жизнедеятельность на бобовых растениях, которые после отмирания обогащают земли связанным азотом.
Кроме бактериального пути фиксация азота до окислов происходит в разрядах молний с последующим попаданием в почву с дождем.
За год в биосфере фиксируется из воздуха до 700 мг/куб. м. азота. В основном это биологическая фиксация бактериями и лишь незначительное количество за счет электрических процессов.