Круговорот веществ в биосфере

Круговорот веществ и превращение энергии обеспечивает равновесие и устойчивость биосферы как в целом, так и ее частей. Рассмотрим циклы наиболее важных элементов.

Углерод.Круговорот осуществляется по большому и малому циклу. Большой – биологически длится миллионы лет в течении которых органическое вещество, те отходы и остатки растений накапливаются в литосфере. Под действием высоких температур, давлений превращается в уголь, нефть, газ. Добывая их, человек сжигает, насыщая атмосферу углекислым газом, завершая, таким образом круговорот углерода. Малый круговорот происходит в результате поглощения углекислого газа из атмосферы растениями. Затем в процессе фотосинтеза, атом углерода переходит в состав глюкозы и другие вещества и по живым цепям переходит к животным.

6CO₂ +6H₂O=C₆H₁₂O₆ +6O₂ – фотосинтез

В процессе дыхания органическое вещество расщепляется вновь в СО₂и углерод возвращается в атмосферу:

C₆H₁₂O₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О +Q– дыхание

Жизнь на Земле поддерживается относительно небольшим количеством углерода. В настоящее время происходит нарушение круговорота углерода из-за деятельности человека. В результате роста использования ресурсов увеличивается поступление СО2 в атмосферу. Наблюдается повышение его концентрации и растения не справляются с его поглощением. В результате изменяется климат на планете.

Кислород.Вся масса свободного О₂химически возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и мирового океана, поскольку является побочным продуктом реакции фотосинтеза. Скорость оборота О₂через процесс фотосинтеза примерно 2000 лет. В настоящее время в атмосфере примерно 1,2*10¹⁵тонн О₂. В результате фотосинтеза образуется ежегодно 2,5*10¹¹тонн О₂. Почти все это количество используется в процессе дыхания гетеротрофных организмов. Значительная часть О₂откладывается в земной коре в виде оксидов. Другой источник О₂– процесс – процесс фотодиссоциации молекул воды, образуется примерно 2*10¹⁰тонн, приводит к тому что в некоторых странах О₂сжигается больше чем образуется – нарушение баланса О₂в атмосфере, что так же может иметь серьезные экологические последствия.

Азот.78% азота находится в воздухе. Некоторая часть в почве и воздухе, часть в белках и аминокислотах. В отличии от углерода растения не могут усваивать атмосферный азот, а могут усваивать в виде ионовNH₄⁺,NO₃^-. Усвоение азота происходит с помощью бактерий живущих на клубнях бобовых растений, они превращают атмосферный азот в аммонийную формуNH₄(амонофицирующие бактерии) и в нитратную формуNH₃(нитрофицирующие бактерии). В таких формах азот передается растениями и другими организмами. Часть атмосферного азота окисляется при грозовых разрядах (в десятки раз меньше чем это происходит при помощи бактерий). По пищевым цепям азот попадает в почву и вновь поглощается растениями.

Азот возвращается в атмосферу с помощью денитрифицирующих бактерий.

Большой круг: бактерии – почва - атмосфера.

Малый круг: растения – животные – почва.

Круговорот азота в атмосфере процесс медленный, примерно 10⁷лет. Люди нарушают круговорот азота, так как научились фиксировать азот в виде минеральных удобрений и вносят в почву. Наблюдается избыток азота в почве и в водоемах. Об этом говорит увеличение азота в виде нитратов в продуктах питания. В водоемах азот способствует быстрому росту растений и к зарастанию водоемов.

Фосфор.Минеральный фосфор достаточно редкий элемент в биосфере. В земной коре его менее 1%. В основном в виде фосфатов. Он вовлекается в круговорот путем растворения в воде с образованием РО₄^3-. Растения поглощают фосфор из воды и затем по пищевым цепям он переходит к животным. Далее, органические фосфаты в составе трупов и отходов переходит в почву.

Малый круг: растения - животные – почва.

Большой круг: литосфера – вода – растения – животные – почва – растения – почва.

В отличии от азота и углерода в круговороте фосфора отсутствует газовая фаза. На суше круговорот фосфора идет практически без потерь. Попадая в водоемы фосфор откладывается в донных отложениях и дальнейшее разложение идет медленно из-за недостатка кислорода. В воде фосфор образует с железом нерастворимые соединения, выпадает в осадок и становится недоступным растениям и организмам. Верхний слой воды оказывается обедненным, что ограничивает рост растений. Возврат фосфора возможен только при сезонном перемешивании и в результате геологических процессов. Ежегодный вынос фосфора в океан 10⁷тонн, обратно 10⁵тонн. Даже искусственное внесений фосфора с удобрениями неспособно компенсировать его потерю. Усвоение фосфора растениями сильно зависит от кислотности почвы. В кислых почвах фосфор взаимодействует в железом, алюминием, марганцем и становится недоступным для растений. Чтобы этого, почву известкуют.

Сера.Содержание серы в живых организмах незначительно, но она входит в состав белка тем самым играет большую роль в протекании биохимических процессов. Источником серы в геологическом прошлом служили продукты извержений вулканов. Содержащие диоксид серы (SO₂) и сероводород растения усваивают серу в виде сульфатов из воды и включают ее в состав белков. Животные получают серу входящую в состав готовых органических соединений с пищей. Круговорот серы так же находится под влиянием антропогенной деятельности. В органическом топливе всегда в малом количестве содержится сера. При сжигании она превращается в диоксид серы, т.е. в токсичное вещество. Диоксид серы (SO₂) подавляет процесс фотосинтеза, а при взаимодействии с водой образовывает сернистую кислоту, увеличивая кислотность осадков. Антропогенный источник серы в атмосфере составляет 12,5% от общего содержания.

Вода.Круговорот происходит по следующей схеме. Вода испаряется в атмосферу с водных поверхностей, из почвы, и путем транспирации (испарения с листьев растений). Поднимаясь в атмосферу и охлаждаясь водяной пар конденсируется, образуя атмосферную влагу, переносимую воздушными массами, и выпадает на землю в виде дождя или снега.

Знание круговорота веществ в природе имеет большой смысл, так как вещества находятся под влиянием человека и сами влияют на него. Последствия стали сравнимы с результатом геологических последствий. Возникают новые пути миграции веществ, появляются новые химические соединения, существенно изменяется скорость и оборот веществ в биосфере.