Круговорот веществ Биогеохимические циклы Глобальный круговорот веществ

Круговорот веществ Биогеохимические циклы

Глобальный круговорот веществ Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: n большой, или геологический (абиотический) и n малый, или биологический (биотический). 2

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. n В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты. n 3

Около 30 % падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т. п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре. 4

n Круговорот воды, включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходят перераспределение и очистка планетарного запаса воды. 5

1 геограмм равен 1020 г, или 1014 т 6

Малый круговорот n В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей. 7

n n n В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1 % падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму. 8

n n Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют общий глобальный круговорот, перераспределяющий энергию Солнца. Иными словами, все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ, перемещаясь из неживой среды в живые организмы и обратно, образуя биогеохимические циклы. 9

n n Биогеохимические циклы это более или менее замкнутые пути движения химических элементов в живых организмах ( «био» ), в твердых породах, воздухе и воде ( «гео» ). В круговороте элементов различают две части: резервный фонд большая небиологическая часть медленно движущихся веществ и обменный фонд меньшая, но более подвижная часть, которая быстро обменивается между организмами и окружающей их средой. Резервный фонд называют «недоступным» , а обменный «доступным» 10

Биогеохимические циклы на фоне упрощенной схемы потока энергии 11

Биогеохимические циклы делятся на два типа: n газообразные циклы с резервным фондом химического элемента в атмосфере и гидросфере и n осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. n 12

Циклы газообразных веществ n n Биогеохимические циклы углерода и азота примеры наиболее важных газообразных циклов биогенных веществ. Углерод поступает в биологический круговорот в виде СО 2, который усваивается растениями, а азот в виде газообразного азота N 2, который используется азотфиксирующими организмами. Доступные запасы этих газов содержатся в атмосфере. 13

Круговорот углерода. n Углерод основной строительный материал молекул важных для жизни органических соединений (углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот ДНК, РНК и др. ). Растения получают его, поглощая СО 2 из атмосферы. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО 2 относительно невелики в сравнении с его запасами в океанах и земной коре (в виде ископаемого топлива). Но твердые формы углерода продуценты усваивать не могут. 14

Биотическая циркуляция углерода в биосфере основана на потреблении СО 2 из атмосферы и его поступлении в атмосферу. Потребление углекислого газа из воздуха происходит главным образом: 15

Потребление углекислого газа из воздуха происходит главным образом: в процессе фотосинтеза СО 2 + Н 2 О —> СН 2 О + О 2; 2. в реакциях его с карбонатами в океане СО 2 + Н 2 О + Са. СО 3 > Са(НСО 3)2; 3. при выветривании горных пород Fe 2 S 3 + 6 СО 2 + 6 Н 2 О >2 Fe(HCO 3)3 + 3 Н 2 S 1. 16

Поступление углекислого газа в атмосферу в современных условиях происходит в результате: 1) дыхания всех организмов; 2) минерализации органических веществ; 3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеют также биогенное происхождение); 4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (незначительная часть до 0, 01 %); 5) сжигания древесины и топлива. 17

Биотический круговорот углерода 18

Круговорот азота. n Воздух по объему почти на 80 % состоит из молекулярного азота N 2 и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента. Все живые организмы нуждаются в азоте, который используют в различных формах для образования белков и нуклеиновых кислот. Но лишь немногие микроорганизмы могут использовать газообразный N 2 из атмосферы. К счастью, в процессе круговорота он преобразовывается в растворимые и усвояемые растениями ионы аммония NH 4+, нитрит и нитрат ионы NO 2 и NO 3. 19

Потребление азота происходит: 1) в процессе биологической фиксации N 2 из воздуха азотфиксации благодаря деятельности азотфиксирующих микроорганизмов; 2) в результате естественных физических процессов фиксации N 2 в атмосфере и превращения его в оксиды NOX и аммиак NH 3, например, при грозовых электрических разрядах; 3) в процессе промышленного синтеза NH 3; 4) при фотосинтезе минеральные соединения азота (NH 4, NO 2, NO 3) потребляются растениями. 20

Поступление азота в атмосферу происходит: 1) в процессе минерализации азотсодержащих органических веществ до оксидов азота и последующей денитрификации, т. е. восстановления их до молекулярного газа N 2; 2) с вулканическими газами; 3) с «индустриальными вулканами» (дымом, выхлопными газами). В водоемы соединения азота поступают: с поверхностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий; с город скими, промышленными и сельскохозяйственными сточными водами. n Биотический цикл азота включает ряд очень сложных процессов, основную роль в которых играют микроорганизмы. 21

Поступление азота в биотический круговорот n На первой стадии происходит расщепление белков до аминокислот микроорганизмами, вырабатывающими ферменты протеазы: БЕЛКИ > ПЕПТОНЫ > ПОЛИПЕПТИДЫ >АМИНОКИСЛОТЫ. n Затем аминокислоты (RCHNH 2 COOH) разлагаются бактериями, n актиномицетами, грибами как в аэробных, так и в анаэробных условиях: RCHNH 2 COOH + О 2 > RCOOH + NН 3 +СО 2 RCHNH 2 COOH + Н 2 О > RCHOHCOOH + NН 3 n В результате белкового обмена в животных организмах выделяется мочевина CO(NH 2)2, которая тоже служит источником NH 3: CO(NH 2)2 + Н 20 > 2 NH 3 + СО 2 Поскольку продуктом разложения аминокислот является амми ак NH 3, эта стадия называется аммонификацией. 22

Нитрификация n n На второй стадии выделившийся аммиак в природных условиях частично используется растениями, а частично окисляется, взаимодействуя с кислородом. Эта стадия превращений азота называется нитрификацией и протекает в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий в две фазы. В первой фазе аммиак окисляется до азотистой кислоты (или нитритов): n n 2 NН 3 + ЗО 2 > 2 НNО 2 + 2 Н 2 О + Q во второй фазе азотистая кислота окисляется до азотной (или до нитратов): n n 2 НNО 2 + О 2 > 2 HNO 3 + Q. Нитрификация в первой фазе осуществляется в основном нитрификаторами из рода Nitrozomonas, а во второй из рода Nitrobacfer. Реакции нитрификации идут с выделением энергии, которую бактерии используют для своей жизнедеятельности, т. е. они являются хемоавтотрофами. 23

n На третьей стадии образовавшиеся при нитрификации нитриты и нитраты в анаэробных условиях служат источником кислорода для окисления безазотистых органических веществ. При этом нитриты и нитраты восстанавливаются до газообразного азота, который и поступает в атмосферу. 24

Этот процесс называется денитрификацией: 5 Сорг + 4 КN 03 > ЗС 02 + 2 K 2 СО 3 + 2 N 2 Денитрификация протекает с потреблением энергии за счет жизнедеятельности бактерий, в основном, из рода Pseudomonas и Micrococcus. 25

Биотический круговорот азота 26

n n Биотическое потребление азота происходит при азотфиксации его особыми микроорганизмами. Азотфиксация (связывание молекулярного азота) процесс, обратный денитрификации. Оба процесса требуют энергии, которую микроорганизмы получают либо в виде солнечного света, либо в виде органического вещества. 27

Схема превращений азота в биотическом круговороте 28

Осадочные циклы n n Для большинства химических элементов и соединений, которые обычно связаны с литосферой, а не с атмосферой, характерны осадочные циклы. Циркуляция таких элементов осуществляется путем эрозии почв, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и переноса веществ организмами. 29

30

Круговорот фосфора. n Фосфор один из наиболее важных биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, ферментов, костной ткани, дентина, молекул АТФ и АДФ, в которых запасается химическая энергия. По сравнению с азотом он встречается в относительно немногих химических формах. В биотический круговорот фос фор поступает в процессе разрушения протоплазмы организмов и постепенно переходит в фосфаты: РО 4, НРО 4 и Н 2 РО 4. 31

n Особенность биогеохимического цикла фосфора заключается в том, что, в отличие от азота и углекислого газа, резервным фондом его является не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. 32

Потребляется фосфор: 1) растениями и животными для построения белков протоплазмы и 2) в промышленном производстве удобрений, моющих средств и рыбопродуктов. 33

Поступление фосфора в биотический круговорот происходит в основном: 1) в процессе эрозии фосфатных пород (в том числе, гуано) и 2) вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных. 34

Биотический круговорот фосфора 35

Образование растворимых соединений фосфора в зависимости от кислотности 36