5.7.1. Круговорот углерода

Как отмечалось ранее, земная жизнь основана на соединени­ях углерода, поскольку каждая молекула живого организма по­строена на основе углеродного скелета. Углерод присутствует в природе во многих формах, основными из которых являются восстановленные формы углерода в виде метана и других углеводородов, нейтральные формы в виде залежей графита, алмазов и карбида, окисленные формы углерода в виде углекислого газа и карбонатов. Наконец, углерод сосредоточен в биосфере, почве и океане в виде сложных биоорганических соединений.

Несмотря на многообразие форм углерода, именно углекислый газ, находящийся в атмосфере и растворенный в Мировом океане, является основным источником углерода для переработки его в органическое вещество живыми организмами. Главные участники углеродного цикла – растения и фитопланктон, которые в процессе фотосинтеза поглощают молекулы углекислоты; атом углерода участвует в образовании разнообразных орга­нических соединений в структуре растений. Эти соединения служат углеводным питанием для организмов, питающихся продуцентами. Поскольку все организмы дышат, то углерод в соединении СО₂ может вернуться в атмосферу в процессе дыхания. Другая часть углерода высвобождается из мертвого органического вещества организмами–редуцентами. Небольшая часть органического углерода ускользает из круговорота и накапливается в виде торфа, угля, карбонатных отложений.

На протяжении существования Земли основными источни­ками поступления СО₂ в атмосферу были вулканические извер­жения и геотермальные процессы. В современных условиях к 1ТИМ природным процессам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива: угля, нефти и газа. 11о сравнению с доиндустриальной эпохой (до 1850 г.) концентрация СО₂ в атмосфере увеличилась на 31%, а метана на 149%. Кроме этого, баланс СО₂ изменяется из–за вырубки лесов, поглощающих углекислый газ.

5.7.2. Круговорот азота

Азот относится к жизненно важным элементам, являясь со­ставной частью белковых и других органических соединений. Природный азот состоит из двух стабильных изотопов: N¹⁴ и N¹⁵. Можно выделить два направления фиксации атмосферного азота: 1) абиогенный и 2) биогенный.

Абиогенный путь – происходит в результате реакции азота с кислородом. Единственным условием, вследствие инертности азота, является наличие большого количества энергии. Эти условия наблюдаются при разрядах молний, когда температура достигает более 25 000°С, при вулканической деятельности, в мо­мент сгорания метеоритов.

Биогенный путь – почти все живые организмы не могут использовать атмосферный молекулярный азот, и большая часть азота потребляется растениями из почвы в виде соединений аммония (NH⁺₄) и нитратов (NO^- ₃). Длительное время считалось, что связывать молекулярный азот могут только небольшое количество видов микроорганизмов, преимущественно азотобактерии, некоторые из которых поселяются на корнях растений, образуя характерные вздутия. Поэтому они часто в литературе называются клубеньковыми бактериями. Благодаря этой способности растения и азотфиксирующие бактерии непрерывно помогают друг другу: растения предоставляют бактериям «место для проживания» и снабжают их полученным в результате фотосинтеза «топливом» – глюкозой, а бактерии обеспечивают растениям необходимый азот в усвояемой ими форме. Сейчас известно, что способностью фиксировать азот обладают многие другие организмы в воде и почве. В океанических экосистемах фиксация атмосферного азота происходит при помощи цианобактерий. Связывание молекулярного азота и перевод его в азо­тистые соединения получил название азотфиксации.

В растениях азот закрепляется в органическом веществе и затем передается по цепям питания. После отмирания органика разлагается организмами–редуцентами, которые превращают их аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу. Поскольку соединения азота легко растворимы в воде и легко вымываются из почвы атмосферными осадками и грунтовыми водами, то в случае их избытка, что возникает при чрезмерном применении азотных удобрений, происходит загрязнение водоемов и продуктов питания.