Биогеохимические циклы отдельных химических элементов

· Биогенные элементы циркулируют в биосфере , т. е. совершают замкнутые биогеохимичесик циклы , которые функционируют под действием биологических ( жизнедеятельность ) и геологических факторов ( термин « биогеохимический цикл » ввёл в обиход В. И. Вернадский )

· Биохимические циклы элементов существуют благодаря непрерывному потоку энергии от солнца в виде электромагнитного излучения и активной деятельности живых организмов планеты

· Все геохимические циклы в биосфере неразрывно взаимосвязаны , вычленение цикла отдельного элемента возможно лишь умозрительно ; в циклах элементы обращаются в формах разнообразнейших соединений с другими элементами , например , в цикле азота происходят обязательные процессы связывания атомов азота со многими другими биогенными элементами ( Н₂ , О₂ )

· Круговорот совершает не элемент как простое вещество , а его атомы в составе разнообразных соединений ( как органических и неорганических )

· В ходе биохимических циклов атомы элементов проходили и проходят через живое вещество громадное число раз ( например , СО₂ атмосферы « оборачивается » через живые организмы Земли за 200 – 300 лет , а вся биосферная вода – за 2 млн . лет )

· Замкнутость биогеохимических циклов элементов неполная ; определённая доля вещества выходит из активного биосферного оборота в медленно текущий геологический цикл ; за счёт такой неполной обратимости циклов произошло биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере Земли и различных осадочных соединений в литосфере в виде ископаемых отложений – углерод в форме угля и нефти ( выход вещества из биосферного цикла происходит на время от несколько десятков и сотен до сотен тысяч и миллионов лет )

· Биогеохимические циклы элементов на Земле – главное условие существования жизни и её эволюции

· Глобальная хозяйственная деятельность человечества приводит к существенным изменениям и нарушениям естественных циклов многих элементов ; такие циклы становятся природно - анторопогенными ( циклы тяжёлых металлов – ртути , свинца , меди и др . , фосфора , азота , серы , калия и пр.) , что приводит к их значительной незамкнутости и нарушает отлаженный за миллионы лет механизм функционирования биосферы

· Наряду с ключевыми циклами особо важных элементов - органогенов , серы , фосфора – большое значение для многих групп живых организмов имеют круговороты второстепенных элементов – ртути , бериллия , стронция , кадмия , фтора , меди

· Существование биогеохимических циклов создаёт условия для саморегуляции системы , что придаёт биосфере устойчивость – постоянство процентного состава различных элементов в ней ( гомеостаз )

· Различают круговороты газового типа с резервуарами неорганических соединений в атмосфере или океанах ( N₂ ,О₂ , СО₂ , Н₂О ) и круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре ( Р , Са , Fе )

Круговорот азота

· Источник N₂ – молекулярный , газообразный , атмосферный азот ( не усваивается большинством живых организмов , т. к . химически инертен ; растения способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот – аммиак NH₃ , ионы аммония NH₄⁺ , нитраты NО₃^-- , нитриты NO₂^--)

· Связывание атмосферного азота осуществляется в процессе биологической фиксации за счёт деятельности некоторых микроорганизмов – азотофиксаторов ( свободноживущие бактерии Azotobacter , симбиотические клубеньковые бактерии рода Rhizobium , сине-зелёные водоросли морского планктона)

q Азотофиксация может происходить в результате электрических разрядов молний , выпадая с дождями на поверхность почв и в процессе промышленной фиксации при производстве азотных удобрений человеком

· Фермент нитрогеназа бактерий азотофиксаторов расщепляет молекулярный азот и используют его атомы для построения аминогрупп ( - NH₂ ) белков , нуклеиновых кислот и других органических соединений

· После смерти азотофиксаторов азот переходит в доступную для использования растениями форму в результате так называемой нитрификации с помощью нитрифицирующих бактерий

q При нитрификации происходит окисление иона аммония ( NH₄⁺ ) до нитрита ( NO₂^--) , а потом нитрита до нитрата ( NO₃^-- ) , которые растворимы в воде и доступны для усвоения растениями

q Растения восстанавливают нитраты почвы , т. е. усваивают азот в составе белков и нуклеиновых кислот и передают его по пищевым сетям животным и грибам

· Круговорот азота заключается в том , что почвенные микроорганизмы ( редуценты ) разлагают мёртвые органические остатки животных и растений до ионов аммония , который конвертируется нитрифицирующими бактериями опять в растворимые соли нитритов и нитратов для следующих поколений растений и животных

· В почве происходит процесс денитрификации – восстановление нитритов и нитратов до газообразного молекулярного азота

q В процессе гниения трупов растений и животных часть нитратов с помощью почвенных анаэробных денитрифицирующих бактерий превращается в свободный молекулярный азот , который уходит в атмосферу ( в результате содержание азота в атмосфере остаётся постоянным )

v Денитрификация – главная причина потерь азота в земледелии , когда из вносимых человеком удобрений до половины связанного азота просто улетучивается

Промышленная фиксация

редуценты

Биологическая фиксация NH₄⁺

N₂

Грозы , молнии Животные ( консументы )

Нитрификация

Денитрифицирующие бактерии Нитритообразующие бактерии цепи питания

Денитрификация

NH₃ Нитратообразующие бактерии NO₂ Растения ( белки , НК )

Круговорот азота в биосфере

Круговорот фосфора

v Соединения фосфора играют важную роль в жизни организмов ;он входит в состав многих органических соединений , нуклеиновых кислот ( ДНК , РНК ) , АТФ , без него невозможен белковый синтез и обеспечение живых организмов энергией

· Главным источником фосфора служит горные породы ( аппатиты ) литосферы прошлых геологических эпох ; в процессе выветривания суши он переносится природными водами в Мировой океан , где переходит в состав фитопланктона и по сетям питания в ткани морских животных и рыб

q Отмершие остатки организмов приводят к накоплению фосфора на разных глубинах ; частичный возврат фосфора на сушу связан с поднятиями земной коры выше уровня моря , часть фосфора переносится на сушу морскими птицами и благодаря рыболовству ( птицы отлагают фосфор на островах и побережьях в виде гуано )

q В целом поток фосфора идёт в одном направлении – из наземных пород на дно моря ; деятельность человека ведёт к усиленной потере фосфора на суше , что делает его круговорот ещё менее замкнутым ; из всех макроэлементов фосфор – один из самых дефицитных , поэтому во многих экосистемах он выступает как лимитирующий ( сдерживающий жизнь ) фактор

· Из пород и почв фосфор извлекается в растворённом виде наземными растениями и перерабатываются ими в фосфорсодержащие органические вещества ( ДНК , РНК , АТФ и т. д. ) ; в организм животных фосфор попадает с растительной пищей ; в почву химически связанный фосфор попадает с органическими остатками растений и животных , минерализуется редуцентами до фосфатов , и в дальнейшем происходит повторение цикла

v К растениям фосфор попадает в виде фосфатов ( соединения фосфора растворимы только в кислых растворах и бескислородных средах и именно в таком виде пригодны для усвоения растениями )

Круговорот углерода

· Главный источник углерода – углекислый газ атмосферы и воды

· Круговорот углерода осуществляется благодаря процессам фотосинтеза и клеточного дыхания

· Круговорот начинается с фиксации углерода СО₂ в процессе фотосинтеза наземными растениями , морскими водорослями и автотрофными прокариотами ( углерод ассимилируется в состав органических веществ )

· Органические вещества по цепям и сетям питания распространяется по клеткам всех живых организмов

· В процессе клеточного дыхания происходит окисление органических субстратов ( главным образом углеводов и жиров ) до СО₂ и Н₂О ( СО₂ возвращается в атмосферу )

q Весь углерод атмосферы проходит через живые организмы за 7 – 8 лет ; часть углерода запасается в составе протоплазмы клеток и освобождается после смерти организмов после минерализации редуцентами

q Круговорот углерода в морях и океанах является таким же , как и в случае атмосферного углерода

q СО₂ поступает в атмосферу также в результате сжигания топлива человеком и его промышленной деятельности , при пожарах , извержениях вулканов

q Значительное количество углерода миллионы лет было аккумулировано в составе углеродистых органогенных полезных ископаемых палеозоя ; человек , сжигая уголь , нефть , природный газ возвращает СО₂ в атмосферу , делая его доступным для включения в круговорот на современном этапе

Круговорот кислорода

· Заключается в том , что атмосферный кислород используется растениями и животными при дыхании, в результате которого освобождается энергия , Н₂О и СО₂

· Источником кислорода является процесс фотосинтеза , при котором кислород , входящий в состав

молекул воды освобождается

· Весь кислород атмосферы проходит через живые организмы примерно за 2 тыс. лет

Круговорот воды

· Осуществляется за счёт солнечной энергии

· Регулируется со стороны живых организмов :

1. поглощение и испарение растениями

2. фотолиз в процессе фотосинтеза ( разложение на кислород и водород )

3. функции воды в жизнедеятельности клетки и организма

· Под влиянием Солнца моря и океаны подвергаются испарению ; вода в виде пара поступает в атмосферу , переносится на огромные расстояния , а затем выпадает в виде дождей и снега на сушу , после чего через реки и грунтовые воды снова попадает в моря и океаны

· Круговорот воды лежит в основе в круговороте многих элементов , поскольку вода является универсальным растворителем , обеспечивающим поступление и функционирование большинства веществ в клетке и организме

q С поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. тонн воды

q Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет важнейшее условие поддержания жизни на Земле и является основным условием взаимодействия растений и животных с неживой природой

q Благодаря воде происходит постепенное разрушение литосферы , перенос её компонентов а глубины морей и океанов

Круговорот серы

· Сера- биогенный элемент живой материи ; содержится в белках в составе аминокислот ( до 2,5% ) , входит в состав витаминов , гликозидов , коферментов , имеется в растительных эфирных маслах

· Сера в изобилии присутствует в земной коре , в углях , сланцах , нефтях , природных газах ; в природе переходит из неорганических соединений в органические и обратно , осуществляя круговорот

· Источником серы для всех растений и микроорганизмов являются растворимые сульфаты ( SO₄^2-- ), которые при ассимиляции восстанавливаются и включаются в состав органических соединений ( в составе радикалов аминокислот - цистеина , цистина , метионина ) ; животные получают серу в составе органических соединений при гетеротрофном питании

· При минерализации органических серосодержащих соединений ( отмершие растительные и животные остатки ) сапрофитными микроорганизмами сера освобождается в виде неорганического вещества – сероводорода (Н₂S)

· Н₂S окисляется как неорганическим , так и органическим путём с помощью бактерий и архебактерий до сульфатов , которые вновь включаются в состав растений , микроорганизмов и по сетям питания – животных

· В последнее время цикл серы подвергается сильному антропогенному воздействию , приводящему к накоплению токсичных соединений серы и нарушению её круговорота ( это SO₂ , выделяемая ТЭЦ , отходы целлюлозно-бумажными и металлургическими заводами , разложение бытовых и с\х отходов

растения и микроорганизмы , усваивающий сульфаты

· серосодержащие органические соединения

· микроорганизмов , растений и животных

·

SO₄ бактерии , разлагающие белки и другие с . серосодержащие органические соединения

Серобактерии , архебактерии , дрожжи , плесни , микрогрибы Н₂S

Поток энергии в биосфере

· Источник энергии в биосфере – непрерывное электромагнитное излучение солнца и радиоактивная энергия

q 42% солнечной энергии отражается от облаков , атмосферой пыли и поверхности Земли в космическое пространство ; 15% - поглощаются атмосферой ( в частности , озоновым слоем )

q Оставшиеся 45% поглощается растениями и почвой ; из этого количества Землёй повторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу ( более 20% ) , а 10% расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана

· Часть ( около 15 % ) попадающей на Землю солнечной энергии ( видимая часть спектра ) преобразуется растениями в процессе фотосинтеза в энергию химических связей сложных органических соединений ( углеводов , жиров , белков и т. д. ) ;

· В химических связях органических веществ энергия аккумулируется и сетям питания поступает к другим организмам ( гетеротрофам ) , где преобразуется в разные формы энергии , осуществляющие различные виды работы , необходимые для их жизнедеятельности ( механическая , осмотическая , электрическая , кинетическая , потенциальная , световая и т. д. )

· Высвобождение заключённой в органических соединениях энергии происходит в процессе дыхания или брожения

q Эти формы энергии в составе биосферы производят на Земле грандиозные геологические , климатические и биологические процессы : миграцию атомов , биогеохимические круговороты веществ и элементов , увеличение и распространение биомассы и её функции

q Частично солнечная энергия консервировалась в земной коре в виде органогенных ископаемых : уголь , нефть , торф , нефть

· В процессе использования всех видов энергии для обеспечения эндотермических процессов в клетке организме или биосфере часть энергии расходуется на произведение работы , а остальная часть рассеивается в виде тепла и необратимо теряется

· В конечном итоге вся поглощённая организмами в виде химических связей солнечная энергия возвращается в пространство в виде теплового излучения , поэтому для функционирования биосферы ей необходим непрерывный приток энергии извне

· Поток энергии в биосфере носит однонаправленный характер ( в отличие от циклического потока веществ )

Закон однонаправленности потока энергии – энергия , получаемая экосистемой ( биосферой ) передаётся по трофическим уровням ( от продуцентов к консументам , а потом – редуцентам ) и необратимо рассеивается в виде теплового излучения

· Непрерывный поток солнечной энергии – главное условие существования биосферы и её эволюции

Поступление энергии

( солнечный свет )

Продуценты ( фотосинтез )

Трансформация Е_свет. в Е _химич.

Трансформация в энергию :

- механическая

- осмотическая

- электрическая работа по обеспечению . - световая эндотермических процессов

- кинетическая разных трофических уровней

- потенциальная

Рассеивание энергии в виде тепла (Q )