Круговорот веществ (малый и большой) в биосфере

Под круговоротом в биосфере понимают повторяющиеся процессы превращений и пространственных перемещений веществ, имеющие определенное поступательное движение, выражающееся в качественных и количественных различиях отдельных циклов. Выделяют 2 круговорота – большой (геологический) и малый (биотический).

БОЛЬШОЙ (геологический) круговорот протекает от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет, обусловлен взаимодействием солнечной энергии и глубиной энергией Земли. Осуществляет перераспределение вещ-ва между биосферой и более глубокими горизонтами земли.

Заключается в том, что горные породы разрушаются и выветриваются. Продукты выветривания смываются и попадают в мировой океан, где образуются морские пласты лишь часть вещ-ва возвращается на сушу с осадками и извлекается человеком, растениями и др. живыми организмами из воды. В результате геотектонических процессов земные пласты смещаются, и через длительное время образуется напластование горных пород, там же, где была суша, может образовываться море – цикл завершается.

МАЛЫЙ (биотический) круговорот – часть большого, происходит на уровне биоценоза заключается в том, что питательные вещ-ва почвы воды и углерод усваивается растениями с образованием органического вещ-ва, которые поставляются в трофическую цепь, продукты распада всех уровней перерабатывается редуцентами – вновь до минеральных компонентов.

Круговорот углерода.

Углерод в биосфере. часто представлен наиболее подвижной формой – C0₂. Источником являются. вулканическая. деятельность., связана. с вековой дегазацией мантии и нижних слоев земной коры. Миграция C0₂ в биосферу Земли протекает двумя путями. 1-й путь заключается. в поглощение. его в процессе. фотосинтеза с образованием. органических. веществ и в последствие. захоронении их в литосфере. в виде торфа, угля, горных сланцев. Так, в дальнейшей геол. эпохи сотни млн. лет назад значительная. часть фотосинтетического органического. вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами., а накапливалась. и постепенно погребалась. под различными. минеральными. осадками. Находится. в породах млн. лет, этот детрит под действием. высокой. t и P (проц. метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь (в. зависимости. от исходного. материала, продолжительность. и условий. пребывания в породах). Теперь в органических. количествах добавляют. это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном. смысле завершают. круговорот углерода. По 2-му пути миграция С осуществляется. созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO₂ переходит в H₂CO₃, HCO₃^1-, CO₃^2-. Затем с помощью. растворенного в воде кальция происходит осаждение карбонатов CaCO₃ биогенным и абиогенным путями. Возникают. мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода сущ. еще ряд малых его круговоротов на поверхности. суши и в океане. В пределах .суши, где существуют. растения., CO₂ атмосферы. поглощается. в процессе. фотосинтеза в дневное время. В ночное. время часть его выдел. растения. во внешнюю. среду. С гибелью растений. и животных. на поверхности. происходит. окисление органических. веществ с образованием. CO₂.

Круговорот азота

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в NH4, который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется в азотную кислоту. Она вступая в реакцию с находящимся в почве карбонатами (например с СаСО3), образует нитраты:

2HN03 + СаСО3 →Са (NО3)2 + СО2 + Н20

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигание дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать O2 от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Т.о., далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы возмещения потери азота. К таким процессам относятся прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды. При грозах они синтезируют из азота и кислорода оксиды азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращаясь в почве в нитраты (аммиак). Другим источником попадания азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образования характерных вздутий — «клубеньков». Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. При распаде растительного и животного белка азот вновь попадает в неживую природу, откуда поступает в состав новых поколений живых организмов, а часть азота в виде молекул возвращается в атмосферу. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важных элементов питания растений.

Круговорот фосфора

P (фосфор) входит в сост. генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных мин. P сод. в виде неорг. фосфатиона (PO₄^3-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают PO₄^3- из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме т.н. орг. фосфата. По пищевым цепям P переходит от раст. ко всем прочим орг. экосистемы. При каждом переходе велика вероятн. окисл. содерж-го P соединения в проц. клеточного дыхания для получения орг. энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь пост в окр. среду, после чего снова может погл. растениями и начинать новый цикл. В отл., например, от CO₂, который, где бы он ни выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками, пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет «свободного возврата» в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.

Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их «отходы» жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя, например, урожай вместе с накопленными из почвы биогенами на большие расстояния к потребителям.

Круговорот серы.

Сера – важнейший биогенный элемент. Сера входит в состав органических соединений, биологически активных вещ-в: витаминов, а также ряда вещ-в, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организмах и активирующих некоторые ферменты.

Сера входит в состав 42 минералов земной коры, где ее содержание достигает 0,047%. Многие металлы образуют с серой сульфиды, сульфаты, сера входит в виде меркаптанов в состав нефти. Неиспользованная живыми организмами часть серы образует осадочные породы как в океане, так и на суше, включаясь в большой геологический круговорот.

Общий резервуарный фонд серы находится в почве и в отложениях и меньший – в атмосфере. Микроорганизмы участвуют в реакциях окисления и восстановления, так при микробной регенерации из глубоководных отложений происходят следующие реакции:

H₂SàSàSO₂ (бесцветные зеленые и пурпурные серобактерии);

SO₂ àH₂S анаэробное восстановление сульфатов;H₂SàSO₂ (аэробное окисление сульфидов - тиобациллы).SO₂выделяющийся в атмосферу при сжигании горных ископаемых, особенно угля, самый опасный компонент промышленных выбросов, SO₂ образуется при взаимодействия геохимических и метеорологических процессов (эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, адсорбция) с биологическими процессами.

SO₄^2- - аналогично нитрату и фосфату восстанавливается автотрофами и включается в белки (входит в ряд аминокислот).Экосистеме не требуется столько же серы, сколько азота и фосфора, поэтому сера не является фактором, лимитирующим рост растений и животных. В осадках сульфиды железа, фосфора из нерастворимой формы переводятся в растворимые. Один круговорот регулируется другим.