Колообіг кисню

Кисень є найпоширенішим елементом у біосфері і головною складовою живої речовини. В тілі людини міститься 62,8 % кисню і 19,4 % вуглецю. Колообіг кисню ускладнюється через його здатність утворювати численні хімічні сполуки. В результаті виникає багато епіциклів між атмосферою, літосферою та гідросферою.

Атмосферний кисень і кисень, що міститься в численних поверхневих мінералах (залізні руди, осадові кальцити), мають біогенне походження. Спочатку в атмосфері Землі кисню не було. Його почали виробляти автотрофи. Фотосинтезуючі організми сприяли осадженню оксиду феруму в гідросфері, щоб позбавитися від кисню, який був побічним продуктом і токсичним відходом.

Формування в атмосфері озонового екрана, здатного затримувати сонячну радіацію, відбулося за вмісту кисню в атмосфері, що становив 1 % сучасного. Це сприяло інтенсивному розвитку автотрофних еукаріотів у верхніх горизонтах води, інтенсифікувало фотосинтез і відповідно утворення кисню. Колообіг кисню відбувається в основному між атмосферою і живими організмами. Частково кисень утворюється шляхом дисоціації озону під дією сонячної радіації у верхніх шарах атмосфери. Процес продукування та виділення кисню в процесі фотосинтезу протилежний процесу його споживання гетеротрофами під час дихання. Він супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисню з воднем, який відщеплюється від субстрату, і утворенням води.

Для повного відновлення всього атмосферного кисню потрібно 2000 років. Якщо не враховувати антропогенної діяльності, в наш час процеси фотосинтезу й дихання зрівноважені. Тому накопичення кисню в атмосфері не відбувається і його вміст залишається сталим. Кисень, фіксований літосферою у вигляді алюмосилікатів, кремнезему, карбонатів, сульфатів, оксидів феруму тощо, становить 590 ∙ 10¹⁴ т. У біосфері циркулює 39 ∙ 10¹⁴т О₂ у вигляді газу чи сульфатів, розчинених в океанічних і континентальних водах.

Колообіг азоту

Основна частина азоту міститься в атмосфері. Колообіг азоту є одним з найскладніших. Величезна кількість живих організмів забезпечує швидку циркуляцію азоту в різних екосистемах. Азот разом з вуглецем бере участь в утворенні протеїнових речовин.

Газоподібний азот безперервно надходить в атмосферу завдяки діяльності денітрифікуючих бактерій. Бактерії-фіксатори разом з ціанофітами (синьозелені водорості) постійно поглинають його, перетворюючи на нітрати. Утворення нітратів неорганічним шляхом постійно відбувається в атмосфері в результаті електричних розрядів під час грози. Проте цей процес відіграє другорядну роль порівняно з діяльністю нітрифікуючих мікроорганізмів, головним чином аеробних, анаеробних та автотрофних бактерій.

Найактивнішими споживачами азоту є симбіотичні бактерії бобових. Рослини постачають бактеріям вуглеводи, а вони рослинам – органічний азот, який синтезують з газоподібного азоту атмосфери. Азотфіксуючі бактерії збагачують на азот не лише наземну частину бобових рослин, а й ґрунт. Як каталізатор для синтезу азоту ці бактерії використовують молібден. Встановлено, що середнє надходження нітритного азоту абіотичного походження осадженням з атмосфери в ґрунт не перевищує 10 кг/(рік ∙ га), вільні бактерії синтезують 25, тоді як симбіоз з бобовими продукує його в середньому 200 кг/(рік ∙ га).

У водному середовищі також існують різні види нітрифікуючих бактерій. Проте головна роль у фіксації атмосферного азоту належить численним видам фотосинтезуючих синьозелених водоростей. Нітритний азот, який виробляють численні наземні й водяні організми, поглинається рослинами і надходить у листя. Там він відновлюється до амонію. За наявності карбонових кислот амоній трансформується в азот амінів, а потім протеїнів.

Колообіг азоту відбувається також за участю деструкторів. Цей елемент міститься в біомасі і безперервно надходить у середовище в складі органічного детриту, виділень і трупів. Протеїни та інші форми органічного азоту, що містяться у відходах, зазнають дії біоредукуючих мікроорганізмів (грибів, гетеротрофних бактерій і актиноміцетів). При цьому органічний азот перетворюється на аміак. Частина аміачного азоту може безпосередньо надходити в корені рослин і знову перетворюватися на азот протеїнів або використовуватися нітрифікуючими бактеріями.

Денітрифікація, що відбувається в ґрунтах, призводить до зменшення нітратів. Деякі бактерії, наприклад Pseudomonas, здатні розкладати йон до N₂, який повертається в атмосферу. Процес денітрифікації відбувається в анаеробних умовах. Здебільшого процес денітрифікації завершується на стадії утворення нітритів або аміаку.

Азот може надходити в атмосферу від діючих вулканів, які компенсують втрати азоту, виключеного з колообігу внаслідок осадження його на дно океанів.

Біогеохімічні осадові колообіги характеризують усі інші біогенні елементи. Розглянемо як приклад тільки колообіги фосфору й сірки. Ці елементи мають велике значення для обміну речовин. Сірка відіграє особливу роль у побудові протеїнових структур, а фосфор – нуклеїнових кислот.