Билет №17, № 18 Биогеохимические циклы

Функционирование биосферы создаёт биогеохимические циклы вещества, превращения энергии и использования информации. Биогеохимические циклы подразделяются на 2 основных типа: круговорот газообразных веществ в атмосфере или гидросфере; осадочный цикл в земной коре.

Биогеохимические циклы – замкнутые пути движения химических элементов в твёрдых породах, воздухе и воде. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете (кроме круговорота воды) являются круговороты C, O, N, S, P. В круговороте элементов различают 2 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 – “недоступный”, обменный – “доступный”.

Цикл N: охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено. Запасы N в атмосфере неисчерпаемы (78 %). Редуценты постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты, которые усваиваются растениями и могут передаваться по пищевым цепям. N возвращается в атмосферу вновь с выделениями при гниении. Роль бактерий в цикле N очень велика. Превращение газообразного N в аммонийную форму – азотфиксация. Азотфиксирующие микроорганизмы образуют симбиотические связи с бобовыми растениями. Благодаря им, N накапливается в растениях. Сами микроорганизмы, отмирая, обогащают почву органическим N. N после потребления его растениями, участвует в синтезе протеинов, которые накапливаются в листьях, затем обеспечивают питание фитофагов. Конечным звеном в цепи оказываются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак, который может быть вовлечён в цикл нитрификации. Также образование оксидов N возможно при грозовых электрических разрядах, которые затем попадают в почву.

Влияние человека на цикл N: достаточно велико. С/хозяйство и промышленность потребляют из атмосферы больше N, чем естественные экосистемы. Человек использует азотные удобрения но большая часть N теряется (выносится с водой, урожаем). Избыток нитратов в пище и воде опасен. Хотя человек и влияет на потребление N, на поступление его в атмосферу, эти потоки сбалансированы и не меняют его концентрации в воздухе.

Цикл С: С – основной строительный материал молекул важных для жизни органических соединений (углеводов, жиров, белков, ДНК, РНК). В наиболее подвижной форме С – СО2, прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие С из атмосферы; консументы, поглощающие С вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков; редуценты, возвращающие С в круговорот. Главным резервуаром биологически связанного С являются леса. Потребление СО2 из воздуха происходит в процессе фотосинтеза и при выветривании горных пород. Поступление СО2 в атмосферу происходит в результате дыхания организмов, минерализации горных пород, выделения из осадочных пород, выделения при вулканических извержениях, сжигания древесины и топлива.

Влияние человека на цикл C: с развитием промышленности и с/хозяйства поступление СО2 в атмосферу стало расти. Человек извлекает горючие ископаемые (уголь, нефть, газ, торф) из недр и постепенно увеличивается поток СО2 в атмосфере. Главные причины увеличения содержания СО2 в атмосфере – сжигание горючих ископаемых и уничтожение лесов. С/хозяйство приводит к потере С в почве. Кроме СО2 в атмосфере есть в небольших количествах СО и СН4. СО ядовит для человека. В городах его концентрация возрастает в 1000 раз. Это приводит к возникновению заболеваний.

Цикл О: основной поставщик О на Земле – зелёные растения. Главный потребитель О – животные и растения, использующие его при дыхании. Животные чувствительны к дефициту О. Круговорот О представляет собой сумму сложных процессов, так как О входит в состав многих органических и неорганических соединений. Однако главным является обмен между атмосферой и живыми организмами. Процесс фотосинтеза продуцирует О, а процессы разложения его связывают. С круговоротом О связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием У/Ф радиации происходит ионизация части молекул О, из которых образуется озон. Поглощая при своём образовании жёсткие У/Ф лучи, озон играет большую роль в защите всей атмосферы.

Влияние человека на цикл О: вырубка лесов уменьшает количество О в атмосфере.

Цикл S: в горных породах S встречается в виде сульфидов, в растворах, в газообразной форме, в виде сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах S накапливается в чистом виде. S – один из главных биогенов, который попадает в почвенные горизонты в результате естественного разложения горных пород, содержащих такие минералы и при разложении органических веществ. Из почвы по корням S поступает в растения, где синтезируются аминокислоты – цистин, цистеин, метионин. Для процессов жизнедеятельности S необходима животным, и она попадает в пищу человека. Из органических соединений S попадает в почву при разложении растений микроорганизмами. S органического происхождения восстанавливается в сероводород, минеральную серу или окисляется в сульфиты, которые снова могут быть поглощены корнями растений, то есть снова вступают в биологический круговорот.

Влияние человека на цикл S: сжигание ископаемого топлива (угля). Сернистый газ нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Цикл Р: Р – один из наиболее важных биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, ферментов, костной ткани, молекул АТФ и АДФ. Резервным фондом Р являются горные породы и отложения. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъёма пород из глубины на поверхность суши. Р очень медленно перемещается из фосфатных пород на суше к живым организмам и обратно. Р потребляется растениями и животными для построения белков протоплазмы. Р используется в промышленном производстве удобрений. Поступление Р в биотический круговорот происходит в процессе эрозии пород, вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных. Круговорот Р разделяется на 2 части – водную и наземную. В воде он усваивается фитопланктоном и передаётся по трофическим цепям до морских птиц. Их экскременты снова попадают в море и вступают в круговорот. Из отмирающих животных Р снова попадает в море и включается в круговорот. Часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключённый в них Р снова попадает в осадочные породы. В наземных экосистемах Р извлекают растения из почв и дальше он распространяется по трофическим цепям. Затем Р возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами. Р теряется в почве в результате водной эрозии.

Влияние человека на цикл Р: влияние человека ведёт к потерям Р и захоронению на дне океана, что делает цикл менее замкнутым. Большая часть Р попадает в море с моющими средствами, удобрениями, то есть выключается из круговорота. С увеличением с/х площадей, городов, в водах рек резко возрастает содержание Р. Опасность вызывает цветение воды из-за поступления фосфатов, происходит массовое развитие и отмирание водорослей и загрязнение воды. Следовательно, деятельность человека приводит к потере Р из круговорота, которое происходит из-за избыточного поступления в водоёмы из антропогенных источников и последующего захоронения в океанических осадках.