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)