Биоразнообразие и функционирование экосистем 200 млрд т

Биоразнообразие и функционирование экосистем

200 млрд т CO 2, N 2 O, CH 4, H 2 S, NH 3 и др.

Кислород, углерод фотосинтезирующие организмы СО 2 + Н 2 О = (СН 2 О)n + О 2 микроорганизмы гетеротрофы (СН 2 О)n + О 2 = СО 2 + Н 2 О Метан метаногены СО 2 + 4 Н 2 = СН 4 + 2 Н 2 О метанотрофы СН 4 + 2 О 2 = СО 2 + 2 Н 2 О Азот, закись азота денитриф. , нитрификаторы (СН 2 О)n + NO 3 - CO 2 + N 2 О (N 2) + Н 2 О денитрификаторы (СН 2 О)n + N 2 O CO 2 + N 2 + Н 2 О

СО 2 7 млрд т 200 млрд т Цикл углерода.

Источники СО 2: 1. Микробная трансформация органического вещества в аэробных условиях (200 млрд т С/год) (СН 2 О)n + О 2 = СО 2 + Н 2 О 2. Сжигание топлива (7 млрд т С/год) 3. Химические и биохимические реакции Процессы связывания СО 2: 1. Кислородный фотосинтез (растения, водоросли, цианобактерии) СО 2 + Н 2 О = (СН 2 О)n + О 2 2. Бескислородный фотосинтез (пурпурные бактерии) 3. Хемосинтез (нитрифицирующие бактерии, железобактерии) 4. Гетеротрофная фиксация СО 2.

Метаногенез. Основным путем образования метана является окисление молекулярного водорода углекислотой — «карбонатное дыхание» . 4 Н 2 + СО 2 СН 4 + 2 Н 2 О. Метаногенные архебактерии относятся к строгим анаэробам и быстро погибают при контакте с воздухом. Морфологически метаногены достаточно разнообразны: среди них есть палочки Methanobacterium, кокки Methanococcus и др.

Окисление метана Метанокисляющие бактерии перехватывают метан, который образуется в анаэробной зоне, и окисляют его до СО 2 через метанол, формальдегид и муравьиную кислоту: СН 4 СН 3 ОН СНОН НСООН С 02. Облигатные метанотрофы — Methylomonas, Methylococcus и др. . Среди факультативных метилотрофов известны не только прокариоты, но и представители дрожжей.

N 2 O NO NO 2 - нитриты Источники N 2 O: денитрификация, ДВНА, хемоденитрификация

Азотфиксация – процесс восстановления N 2 до NH 3 ферментным комплексом НИТРОГЕНАЗА в клетках диазотрофных (N 2 -фиксирующих) бактерий. Способность к азотфиксации присуща только прокариотам и широко распространена среди разных таксонов прокариот. В состав активного центра нитрогеназы входит Мо (или V, Fe). Mg+2 N 2 + 8 H+ + 8 e- + 16 АТФ 2 NH 3 + H 2 + 16 АДФ + 16 Фнеорг

НИТРИФИКАЦИЯ – процесс окисления восстановленных (NH 3) или слабо окисленных (NO 2 -) соединений азота. Нитрификация протекает в 2 этапа и осуществляется двумя разными группами хемоавтотрофных бактерий. . 1 -й этап - окисление аммония до нитрита (нитрозные бактерии – Nitrosomonas, Nitrosospira и др. ). NH 3 + O 2 + NH 2 OH + 2 H+ H 2 O АМО НАО NH 2 OH + H 2 O NO 2 - + 5 H+ 2 -ой этап - осуществляется нитратными бактериями (Nitrobacter, Nitrococcus и др. ). NO 2’OR NO 2 - + H 2 O NO 3 - + 2 H+ + 2 e- Все нитрифицирующие (хемоавтотрофные) бактерии, получают энергию за счет окисления аммония или нитритов. Процесс протекает в аэробных условиях и накопленная энергия (АТФ) расходуется на фиксацию СО 2 в цикле Кальвина.

Денитрификация – это процесс окисления восстановленых соединений (органического вещества) бактериями в анаэробных условиях с использованием кислорода нитратов в качестве конечного акцептора электронов в дыхательной цепи вместо О 2. 5 (СН 2 О)n + 4 NO 3 - + 4 H+ = 5 CO 2 + 7 H 2 O + 2 N 2 (нитратное дыхание) (СH 2 O)n + O 2 CO 2 + H 2 O (кислородное дыхание)

N N 2 O NO 3 - NO 2 - NO N 2 NOS T

Сравнительная характеристика парниковых газов * СО 2 Концентрация (ppm) Ежегодный прирост (%) 350 СН 4 1, 7 N 2 O 0, 3 0, 5 0, 8 0, 3 1 30 150 Время пребывания в атмосфере (годы) 100 8 -12 до 200 Вклад в парниковый эффект (%) 50 19 4 60 -90 70 -90 Потенциал теплопоглощения (СО 2 = 1) Биологическое происхождение (%) * Conrad R. (1996) 20 -30

Глобальный бюджет закиси азота*, Tg N/ год Источники: сжигание ж. топлива сжигание тв. топлива океаны почвы сх почвы антропогенные почвы итого Стоки: 2 + 1 1, 5 + 0, 5 2 + 1 6 + 2 1, 5 + 0, 2 13, 5 + 5, 2 тропосферные реакции 9 + 2 * Bouwman, 1990

Использование минеральных удобрений сопровождается ростом величины эмиссии N 2 O

INCREASE IN ATMOSPHERIC N 2 O Estimated that today 76% arises from agricultural soils Haber-Bosch process for fixation of atmospheric Nitrogen Centre for Metalloprotein Spectroscopy & Biology DJ Richardson

Конкурентное потребление субстрата метанотрофными и нитрифицирующими бактериями нитрификаторы H H N H AMO NH 2 OH H C CH 2 OH H MMO H метанотрофы

Изменение интенсивности эмиссии и поглощения метана после внесения NH 4 Cl и KNO 3 в образцах агроторфяной почвы KNO 3 Активность процесса, нмоль CH 4/г ч Внесени е KNO 3 NH 4 Cl Изменение активности, % контроль Активность процесса, нмоль CH 4/г ч Внесение NH 4 Cl Изменение активности, % контроль Эмиссия метана 3, 9 4, 0 2, 5 4, 0 13 45, 2 26 Окисление метана 55, 3 45, 2 22 33, 4

СО 2 H 2 O СН 4 N 2 O

Признаки развивающегося глобального потепления: - усиление внутригодовой климатической изменчивости и нестабильности погодных условий (возникновение как мощных тепловых волн, так и неожиданных заморозков). - возрастание частоты и повторяемости экстремальных природных явлений: а) развитие ураганов, тайфунов, торнадо с сильнейшим ветровым воздействием б) возникновение мощных ливневых осадков с разрушительными наводнениями в) увеличением повторяемости мощных лавинных образований и массовых оползней

NO NO 3 NO 2 NO N 2 O N 2

N 2 O NO NO 2 - нитриты Источники N 2 O: денитрификация, ДВНА, хемоденитрификация

Источники Стоки диоксид углерода микроорганизмы гетеротрофы (СН 2 О)n + О 2 = СО 2 + Н 2 О фотосинтезирующие организмы СО 2 + Н 2 О = (СН 2 О)n + О 2 Метан метаногены СО 2 + 4 Н 2 = СН 4 + 2 Н 2 О метанотрофы СН 4 + 2 О 2 = СО 2 + 2 Н 2 О Закись азота денитриф. , нитрификаторы (СН 2 О)n + NO 3 - CO 2 + N 2 О (N 2) + Н 2 О денитрификаторы (СН 2 О)n + N 2 O CO 2 + N 2 + Н 2 О