ЛЕКЦИЯ № 9 БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В БИОСФЕРЕ. КРУГОВОРОТ ВАЖНЕЙШИХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕТОВ
Все географические сферы Земли – атмосфера, гидросфера, литосфера – связаны между собой и Космосом геохимическими связями. Эти связи становились все более глубокими с появлением в океанах жизни, а потом и с выходом ее на сушу.
Однако ни с чем не сопоставимы нынешние миграции химических элементов, связанные с возрастающим воздействием человека на биосферу.
Что же движет этими процессами перемещения элементов, каковы они и как осуществляются?
На Земле уже около 4 млрд. лет идут процессы фотосинтеза, для осуществления которых необходимы вода, углекислый газ и минеральные соли. Поскольку Земля – физическое тело, то и ресурсы не бесконечны. Как же решается эта проблема?
Вполне логичен единственный выход – эти вещества должны вращаться по кругу, регулярно поступать в циклы. В. Р. Вильямс (1952) хорошо писал по этому поводу: «Единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить это конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот» Именно по пути круговорота и пошла эволюция вещества на планете.
Круговорот – это система взаимоотношений между продукционными и деструкционными звеньями и возвращение продуктов в звено продуцентов.
круговорот Геохимический (синонимы: большой геологический, абиотический) Биологический (синонимы: малый биологический, биотический)
Геохимический (большой геологический) круговорот
Он длится сотни миллионов лет. Начался намного раньше биологического. Большой геологический круговорот заключается в последовательной смене следующих четырех планетарных процессов:
Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию. Продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан. На дне Мирового океана идет накопление морских осадков. Частично (с осадками или организмами, извлеченными человеком из океана) эти продукты возвращаются на сушу.
Но главное их возвращение идет другим путем. Различные геологические подвижки (опускание дна Мирового океана, поднятие суши за счет горообразовательных процессов) приводят к возвращению этих океанических и морских напластований на сушу, и процесс начинается вновь. Если бы этого компенсаторного механизма в виде поднятия суши и вулканической деятельности не было, то за 80 -100 млн. лет вся суша была бы выветрена.
Этот круговорот запускается двумя встречными энергетическими потоками: энергия Солнца энергия распада радиоактивных веществ в магматическом ядре и мантии Земли.
Таким образом, большой круговорот включает в себя весь комплекс геологических, геохимических и атмосферных процессов.
Малый биологический круговорот
Жизнь за 4 млрд. лет существенно изменила лик планеты. Она превратила некогда безжизненную Землю, все ее физические оболочки (гидросферу, атмосферу, земную кору) в биокосные системы. Многократные связи между этими системами протекают при участии и под непосредственным контролем живого вещества. Таким образом, жизнь внедрилась в большой круговорот, захватила его своим вихрем жизненных процессов.
Малый биологический круговорот осуществляется тремя функциональными группами организмов: продуцентами (зелеными растениями) консументами (животными) редуцентами (грибами, бактериями).
Являясь частью большого геологического круговорота, малый биологический круговорот происходит на уровне биогеоценозов и экосистем.
Он состоит из следующих основных этапов: 1) Зеленые растения, используя минеральные вещества и воду почвы, углекислый газ атмосферы, в процессе фотосинтеза синтезируют органическое вещество.
2) Синтезированное органическое вещество расходуется на построение тела самого растения, на его жизненно необходимые процессы роста, размножения, дыхания, испарения и т. д. , а также на питание организмовконсументов.
3) После отмирания растений и животных продукты распада их тел минерализуются редуцентами до конечных продуктов распада (вода, углекислый газ и минеральные соли).
4) Конечные продукты минерализации вновь вовлекаются в поток веществ при помощи работы корневых систем растений. Все начинается вновь.
Круговорот химических веществ из неорганической среды через растения и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии носит название биогеохимического цикла. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений называется круговоротом элементов питания.
Существуют биогеохимические циклы серы, фосфора, углерода, азота, воды и т. д. Нормальные, ненарушенные циклы носят «почти замкнутый» характер.
В геологической истории Земли эта «неполная замкнутость» круговорота приводит к очень важным последствиям: Миграции и дифференциации элементов и соединений в пространстве и в различных средах, различных биоценозах. Концентрированию или рассеиванию элементов в биосфере. Отдельные элементы благодаря работе живого вещества могут концентрироваться локально в том или ином регионе. Например, накопление углерода в земной коре (нефть, уголь, газ, известняки) и уменьшение углекислого газа в атмосфере, вынос легкорастворимых солей с континентов и накопление их в водах Мирового океана, концентрация йода в зарослях ламинарии и т. д.
В естественных экосистемах продуценты, консументы, детритофаги и редуценты четко взаимодействуют друг с другом, поглощая и выделяя различные вещества. Органика и кислород, образуемые фотосинтезирующими растениями, - это как раз то, что нужно консументам для питания и дыхания. Выделяемые консументами углекислый газ и минеральные вещества мочи – как раз те биогены, которые необходимы растениям продуцентам.
Таким образом, видно, как основной принцип функционирования экосистем получение ресурсов и избавление от отходов - подчиняется закону сохранения массы, поскольку атомы не исчезают, не возникают и не превращаются один в другой, они могут использоваться бесконечно в самых различных соединениях, и запас их никогда не истощится. Именно это и происходит в естественных экосистемах.
Цикл углерода
Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента, — диоксид углерода (или углекислый газ - СО 2).
В природе СО 2 входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере. Включение углерода в состав органических веществ происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе СО 2 и Н 2 О образуются сахара.
В дальнейшем другие процессы биосинтеза преобразуют эти углеводы в более сложные (крахмал, гликоген), а также в протеиды, липиды и др. Все эти соединения не только формируют ткани фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ для животных и не зеленых растений.
В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса, СО 2, выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.
Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разложению организмами - деструкторами, в результате чего углерод в форме углекислоты вновь поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так называемого почвенного дыхания.
В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность сапрофагов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается. Такие ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, результатом чего являются отложения каменного угля и нефти.
В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО 2 в состав Са. СОз в виде известняков, мела, кораллов. В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи.
Вмешательство человека в круговорот углерода в природе происходит двумя способами: Уничтожение лесов и другой растительности уменьшает общее количество поглощенного СО 2. Сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива, образующееся при этом большое количество углекислого газа попадает в атмосферу.
Цикл азота
Главный источник азота органических соединений — молекулярный азот в составе атмосферы.
Переход азота атмосферы в доступные живым организмам соединения может осуществляться разными путями: синтез оксида азота при грозовых разрядах; деятельность азотфиксирующих микроорганизмов.
Отмирая, азотфиксирующие бактерии обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализуется. Таким путем в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на 1 га (для сравнения - путем фиксации азота разрядами молний – 4 -10 кг/га).
Наиболее эффективная фиксация азота осуществляется бактериями, формирующими симбиотические связи с бобовыми растениями. Образуемый ими органический азот накапливается в органах растения-хозяина. Таким путем в наземных и подземных органах растений (например, клевера или люцерны) на 1 га накапливается за год 150 -400 кг азота.
Существуют азотфиксирующие микроорганизмы, образующие симбиоз и с другими растениями. В водной среде и на очень влажной почве непосредственную фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии.
Организмы-сапрофаги разлагают мертвые остатки и экскременты и переводят содержащийся в них азот из органической формы в неорганическую. Конечным звеном этой редукционной цепи оказываются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак NH 3, который затем может войти в цикл нитрификации. Таким образом, цикл азота может быть продолжен.
В то же время происходит постоянное возвращение азота в атмосферу действием бактерий денитрификаторов, которые разлагают нитраты до N 2. Эти бактерии активны в почвах, богатых азотом и углеродом. Благодаря их деятельности ежегодно с 1 га почвы улетучивается до 50 -60 кг азота.
Азот может выключаться из круговорота путем аккумуляции в глубоководных осадках океана. В известной мере это компенсируется выделением молекулярного N 2 в составе вулканических газов.
Человек вмешивается в круговорот азота следующими действиями: 1. Сжигание древесины или ископаемого топлива приводит к массивному выбросу оксида азота, который затем трансформируется в диоксид азота и при взаимодействии с водяными парами образует азотную кислоту, поступающую в почву и в открытые водоемы. 2. Разложение удобрений и органических отходов является источником выделения в атмосферу закиси азота. 3. Сброс в водные экосистемы большого количества органических соединений и образование в них избыточного количества нитрат ионов и ионов аммония.
Круговорот воды
Основная масса воды на планете сосредоточена в гидросфере. Источник атмосферной влаги испарение с поверхности водоемов; конденсация ее вызывает осадки, с которыми вода возвращается в океан. Этот процесс составляет большой круговорот воды на поверхности Земного шара.
В пределах отдельных экосистем осуществляются процессы, усложняющие большой круговорот. В процессе перехвата растительность способствует испарению в атмосферу части осадков раньше, чем они достигнут поверхности земли. Вода осадков, достигшая почвы, просачивается в нее и либо образует одну из форм почвенной влаги, либо присоединяется к поверхностному стоку. Частично почвенная влага может подняться на поверхность и испариться. Из более глубоких слоев почвы влага всасывается корнями растений; часть ее достигает листьев и транспортируется в атмосферу.
Эвапотранспирация - это суммарная отдача воды из экосистемы в атмосферу. Она включает как физически испаряемую воду, так и влагу, транспирируемую растениями. Уровень транспирации различен для разных видов и в разных ландшафтноклиматических зонах.
Если количество воды, просочившейся в почву, превышает ее влагоемкость, она достигает уровня грунтовых вод и входит в их состав. Подземный сток связывает почвенную влагу с гидросферой.
круговорот воды характеризуется тем, что в отличие от углерода, азота и других элементов вода не накапливается и не связывается в живых организмах, а проходит через экосистемы почти без потерь; на формирование биомассы экосистемы используется лишь около 1 % воды, выпадающей с осадками.
Цикл фосфора
В природе фосфор в больших количествах содержится в некоторых горных породах. В процессе разрушения этих пород он попадает в наземные экосистемы или выщелачивается осадками и в конце концов оказывается в гидросфере.
В обоих случаях этот элемент вступает в пищевые цепи. В большинстве случаев организмы - деструкторы минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и таким образом снова вовлекаются в круговорот.
В океане часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота.
Скачать презентацию ЛЕКЦИЯ 9 БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В БИОСФЕРЕ КРУГОВОРОТ
9 БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В БИОСФЕРЕ.ppt