Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Экология_1.doc
Скачиваний:
15
Добавлен:
22.09.2019
Размер:
1.32 Mб
Скачать

3. Круговорот кислорода.

Вторым по содержанию в атмосфере после азота является кислород (21%). Однако, именно потому, что кислород содержится в наземной среде повсеместно и в больших количествах, экологи уделяют его круговороту меньше внимания, чем круговоротам таких элементов, как С, N, Р и др. Круговорот кислорода относительно прост, но не обладает всеми основными чертами, присущими круговоротам биогенных элементов в экосистеме.

Рис.17.3. Схема круговорота углерода, водорода и кислорода в процессах фотосинтеза и дыхания.

Стрелками показаны пути отдельных атомов. В круговороте кислорода приведены структурные формулы двуокиси углерода и воды (НОН и ОСО соответственно), чтобы яснее показать пути от­дельных атомов кислорода.

В атмосфере содержится примерно 1,1 * 1021 г кислорода. Гораздо большее его количество находится в связанном состоянии в молекулах воды, в солях, а также в окислах и других твёрдых породах земной коры, однако, к этому огромному фонду кислорода экосистема не имеет непосредственного доступа. В общей продукции наземных растений содержится примерно 1017 г ассимилированного ими углерода. При фотосинтезе на каждый атом фиксированного углерода высвобождается по два атома кислорода. Поскольку кислород весит в 32/12 = 2,(6) раз больше, чем углерод, то в расчёте «молекула на молекулу» зелёные растения высвобождают ежегодно около 2,7 * 1017 г кислорода. Это количество соответствует примерно 1/4000 содержания кислорода в атмосфере, а поэтому время круговорота (время переноса) кислорода в атмосфере составляет около 4000 лет, если пренебречь обменом кислорода между атмосферой и поверхностными водами.

На самом деле круговорот кислорода несколько сложнее, чем можно было бы считать на основании уравнений, описывающих комплементарные процессы фотосинтеза и дыхания. Вода вступает в сложные биохимические процессы, происходящие при фотосинтезе, и, хотя такое же количество воды, выделяется в процессе дыхания, молекулы воды, проходя через все эти процессы, не остаются совершенно неизменными. Молекула кислорода (О2), образующаяся при фотосинтезе, получает один свой атом от двуокиси углерода, а другой от воды; молекула кислорода, потребляемая при дыхании, отдаёт один свой атом двуокиси углерода, а другой воде.

4. Круговорот азота.

Путь прохождения азота через экосистему отличается от пути углерода в нескольких важных отношениях.

  1. Большинство организмов не могут ассимилировать азот из огромного его фонда (3,85 * 1021 г N2), имеющегося в атмосфере.

  2. Азот не принимает непосредственного участия в высвобождении химической энергии при дыхании; главная его роль сводится к тому, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, которые создают структуру биологических систем и регулируют их функционирование.

  3. Биологическое разложение азотсодержащих органических соединений до неорганических форм слагается из нескольких стадий, и некоторые из этих стадий могут осуществляться только специализированными бактериями.

  4. Большая часть биохимических превращений, участвующих в разложении азотсодержащих соединений, происходит в почве, где доступность азота растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений.

Содержание азота в живых тканях составляет чуть больше 3% содержания его в активных фондах экосистемы. Остальной азот распределён между детритом и нитратами, содержащимися в почве и океане. Кроме того, относительно небольшие количества азота находятся на промежуточных стадиях разложения белка – в виде аммиака и нитратов. Растения ежегодно ассимилируют 8,6 * 1014 г азота – менее 1% активного фонда; поэтому общее время круговорота азота не превышает 100 лет.

NO3¯ NO2¯ N2O N2

ДЕНИТРИФИКАЦИЯ

ФИКСАЦИЯ N2

НИТРИФИКАЦИЯ

N H4+ NO2- NO3- N2 NO3- NH4OH орг.соед.

АММОНИФИКАЦИЯ

орг.соед. CO(NH2)2 NH3 NH4+

Рис.17.4. Упрощённая схема биологического круговорота азота.

При круговороте азота происходит поэтапный распад органических соединений, в котором участвует много разных организмов и в результате которого азот, в конечном счете, переходит в нитратную форму. Из всех доступных растениям форм, в каких азот содержится в почве, наиболее желательной является аммиак (NН3) или ион аммония (NН4+), потому что их превращение в органические соединения требует минимальных химических перестроек. Аммиак, однако, не может служить источником азота в почве потому, что в высоких концентрациях он токсичен для растительных тканей, и также потому, что не удерживается в почве. Тот аммиак, который избежал вымывания из почвы, подвергается действию специализированных бактерий, извлекающих энергию путём окисления азота аммиака до нитратов (NО3-) и нитритов (NО2-). В подземных экосистемах главные запасы азота представляет азот, входящий в состав органического детрита. В водных экосистемах азот содержится главным образом в виде растворённых нитратов.

Биохимические превращения азотсодержащих соединений чрезвычайно разнообразны, потому что азот может соединяться с другими элементами несколькими различными способами. Наиболее важные процессы в круговороте азота – это распад органических азотсодержащих соединений в результате аммонификации и нитрификации, восстановление нитратов и нитритов до молекулярного азота (N2) в результате денитрификации и его высвобождения в атмосферу, а также процесс биологической ассимиляции атмосферного азота путём его фиксации.