ОтветыГос (1) / 8
.doc8. Определение биогеохимических циклов. Глобальный цикл углерода (основные резервуары, источники антропогенного потока).
Чтобы биосфера продолжала существовать и не Земле не прекращалось развитие жизни, постоянно должны происходить непрерывные химические превращения её живого вещества. Основной химический элемент живой субстанции - углерод. Он образует устойчивые соединения.
Круговорот вещества - это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмо-, гидро-, литосфере + в тех слоях, которые входят в биосферу планеты.
Разделяют:
- большой (геологический) круговорот - живые организмы играют второстепенную роль.
- биологический.
Биогеохимический круговорот - круговорот того или иного химического вещества из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием энергии солнца и химических реакций. Является частью биологического круговорота.
Типы биогеохимических круговоротов:
1) Газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (азот, кислород, водяной пар, диоксид углерода).
2) Осадочного типа - с менее обширным резервуаром в земной коре (фосфор, кальций, железо).
Диоксид углерода атмосферы ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза, и включаются в состав органических веществ. В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в организме вновь переходит в атмосферу (дыхание, гниение, фотосинтез,) в виде СО2. Зелёные растения земного шара в течение 4 лет поглощают весь запас углерода в атмосфере и за 300 лет - весь углерод гидросферы. Круговорот углерода обратим не полностью. Около 1% углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа и удаляется из круговорота. Некоторая часть углерода изымается из круговорота и осаждается в литосфере в форме соединений - органических (нефть, горючие газы, каменный и бурый уголь, торф, сапропель) и неорганических (карбонат кальция и т.д.). Концентрация углерода в органических и неорганических породах значительно превышает его содержание в водах океанов, атмосфере и живом веществе. При извержении вулканов и горообразовательных процессах захороненный углерод возвращается в географическую оболочку и снова вовлекается в биологический круговорот.
Антропогенным источником СО2 в атмосфере служит промышленность и транспорт (сгорание топлива).
Глобальный цикл азота (основные резервуары, источники антропогенного потока).
Главный источник органических соединений азота - молекулярный азот в составе атмосферы. Переход его в доступные живым организмам соединения может осуществляться различными путями.
Наиболее важная форма азота - деятельность азотфиксирующих микроорганизмов, синтезирующих сложные протеиды. Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образованный азот диффундирует в ризосферу, а также включается в наземные органы растения-хозяина.
Существуют азотфиксирующие микроорганизмы, образующие симбиоз и с другими растениями. В водной среде и влажной почве фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии. Во всех случаях азот попадает в растения в форме нитратов.
Экскреты и мёртвые организмы составляют базу цепей питания организмов-сапрофагов, разлагающих органические соединения с постепенным превращением органических азотсодержащих соединений в неорганическое конечное звено - аммонифицирующие организмы, образующие аммиак (NH4), который затем может войти в цикл нитрификации.
В то же время происходят постоянные возвращения азота в атмосферу действием бактерий-денитрификаторов, которые разлагают нитраты до N2.
Азот может выключаться из оборота путём аккумуляции в глубоководных осадках океана. В известной мере это компенсируется выделением молекулярного N2 в составе вулканических газов.
Антропогенным источником также являются с/х удобрения. Из общего количества азота, в составе удобрений, растениями усваивается примерно 40 %, остальная масса азота аккумулируется и просачивается в подземные воды.
Глобальный цикл фосфора (основные резервуары, источники антропогенного потока).
В природе фосфор в больших количествах содержится в ряде горных пород. В процессе разрушения этих пород он попадает в наземные экосистемы или выщелачивается осадками и, в конце концов, оказывается в гидросфере. В обоих случаях этот элемент вступает в пищевые цепи.
В океане часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из естественного круговорота. Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в с/х фосфорных удобрений, источником которых служат залежи минеральных фосфатов. Это может быть поводом для тревоги, т.к. соли фосфора при таком использовании быстро выщелачиваются, а масштабы эксплуатации минеральных ресурсов всё время растут, составляя в настоящее время около 2 млрд. т/год.
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ – биогеохимический круговорот веществ, обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер. Все биогеохимические циклы взаимосвязаны и составляют динамическую основу существования жизни. Потоки энергии Солнца и деятельность живого вещества служат движущими силами биогеохимических циклов, что приводит к перемещению химических элементов.
Химические элементы циркулируют в биосфере характерными путями из внешней среды в организм и снова во внешнюю среду. Процессы движения химических элементов, которые происходят с участием живого вещества, называются биогеохимическими циклами. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговорот элементов питания. Относительно биосферы, биогеохимические циклы можно разделить на два основных типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере, 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Система биогеохимических циклов определяется ведущим циклом органического углерода Сорг и сопряженными с ним в эквимолекулярном отношении 1:1:1 циклами углекислоты СО2 и кислорода О2 Эквимолярное сотношение между этими циклами следует из хорошо известного уравнения, описывающего фотосинтез (слева направо) и дыхание (в обратном направлении):
СО2 + Н2О <=> [СН2О] + СО2.
Цикл органического углерода обусловлен: 1) первичной продукцией за счет использования внешней солнечной энергии, прежде всего фотоавтотрофными оксигенными организмами (цианобактериями, водорослями, растениями), и в небольшой степени хемоавтотрофами — за счет поступления эндогенного водорода в газогидротермах, 2) деструкцией, осуществляемой органотрофными организмами, аэробными и анаэробными. Деструкционная ветвь цикла органического углерода наиболее сложна, и поэтому ее следует рассмотреть подробнее отдельно, ознакомившись с общими принципами организации участия сообществ микробов в циклах. Конечным продуктом деструкции служит углекислота, замыкающая цикл органического углерода и сопрягающая его с циклом неорганического углерода и циклом кислорода.
Цикл органического углерода дополняется циклом азота N, в котором азот входит в органические соединения в соотношении C:N = 6:1, а также происходят превращения неорганических форм азота. Цикл азота с его этапами — азотфиксацией, аммонификацией, нитрификацией, денитрификацией — целиком определяется деятельностью бактерий.
Цикл фосфора Р стехиометрически связан с циклом органического углерода в отношении С:Р = 100:1 (в реакциях анаболизма). В цикле фосфора, как уже отмечалось, в отличие от других биогенных макроэлементов отсутствует стадия воздушной миграции, обеспечивающая равномерное распределение по всему земному шару с воздушными потоками.
Цикл неорганического углерода смыкается через углекислоту воздуха и ее растворенные формы в гидросфере с циклом органического углерода. В литосфере неорганический углерод представлен в основном карбонатными породами, прежде всего карбонатом кальция.
Цикл кальция Са определяется, прежде всего, биологически опосредованными реакциями растворения (выщелачивания) и осаждения карбонатов, а также образованием минеральных скелетов некоторыми протестами и макроорганизмами. Цикл кальция сопряжен также с циклом фосфора через образование и растворение фосфатов кальция.
Первичное поступление кальция и магния в биологические циклы связано с циклом кремния Si и химическим выветриванием силикатных изверженных пород, идущим, вообще говоря, под воздействием углекислоты, но ускоряемым примерно в 100 раз под воздействием микроорганизмов и продуктов их обмена в биологически опосредованных процессах. Выщелачивание обусловливает поступление в водную фазу микроэлементов.
С циклом органического углерода сопрягается цикл серы S в катализируемых только бактериями реакциях сульфат- и сероредукции (сульфидогенеза), окисления соединений серы аноксиген-ными фототрофными и аэробными хемотрофными организмами. В биогеохимическом цикле серы участвуют следующие формы соединений серы, создающие значительные резервуары: 1) сульфаты, преимущественно сульфаты моря; 2) сульфиды, в виде растворенного сероводорода H2S и нерастворимых сульфидов металлов, частично эндогенного (вулканического) и в основном экзогенного (биогенного) происхождения; 3) сера, в значительной части эндогенного происхождения. Разнообразные промежуточные соединения неполного окисления серы, как тиосульфат или SO2, появляются в транзитных формах и незначительной концентрации, не образуя резервуары. В цикле серы бактерии осуществляют окисление сероводорода и сульфидов либо при фотосинтезе, либо за счет внешних доноров электрона.
Цикл железа Fe сопрягается с циклом кислорода деятельностью аэробных железобактерий, окисляющих закисное железо в гидрат окиси железа, и с циклом органического углерода деятельностью железоредуцирующих бактерий, образующих восстановленное железо и магнетит. Цикл железа связан с циклом серы через образование сульфидов железа и их окисление бактериями.