Кількість вуглекислого газу в біосфері, кг

Кількість C2	За Ю.Саксом 2500-10^12	За Г.Грелером 2100-10^12		За Е.Рейнау 1530-10^12
Засвоюється рослинами за рік За скільки років рослини вичерпали б запаси CO2, в атмосфері	48- 10^12   4		60- 10^12   35	86,5-10^12   18

 

Варто нагадати, що про явище фотосинтезу, яке є головним чинником руху речовини й енергії в біосфері, стало відомо лише в другій половині XVIII ст. В 1772-1782 pp. Д.Прістлі, Я.Інгенхауз і Ж.Сенсб'є, доповнюю­чи один одного, описали процес повітряного вуглецевого живлення, або фотосинтез. Через століття К.А.Тимірязєв (1843-1920) розкрив енергетичну закономірність фотосинтезу як процесу використання світла для утворення органічної речовини в рослинах. Механізм фотосинтезу був розкритий американським біохіміком Кальвіном, за що йому було присуджено Нобелівську премію. Сьогодні під фотосинтезом розуміють перетворення зеленими рослинами і фотосинтезуючими організмами променистої енергії Сонця. Процес фотосинтезу відбувається за участю поглинаючих світло пігментів (хлорофіл та ін.).

Попадаючи в клітину зеленого листя вуглекислий газ приєднується  до акцептора (вуглевод рибулезодифосфат), з яким продовжує подальший рух і перетворення. Завдяки ферменту альдолази утворюється простий цукор — глюкоза, а з нього — цукроза і крохмаль. Частина синтезованої речовини в цьому процесі переходить знову в акцептор — так утворюється саморегульований циклічний процес. Далі з участю інших ферментів цукри перетворюються у білки, жири та інші органічні речовини, потрібні для життя рослини.

Основна реакція фотосинтезу має такий вигляд:

                                              світло

6СО₂+6Н₂О+                    С₆Н₁₂О₆+6О₂

хлорофіл

або в розрахунку на моль СО₂:

                                                     світло

СО₂ + Н₂О+                      СН₂О+ О₂

                                                     хлорофіл

 

За рік рослини суші і океану засвоюють майже 5 • 10¹⁰ т вуглецю (вбирають, за різними авторами, 1,7 — 2,0 • 10¹¹ СО₂), розкладають 1,3 • 10¹¹ т води, виділяють 1,2 • 10¹¹ т молекулярного кисню і запаса­ють 4 • 10¹⁷ ккал сонячної енергії у вигляді хімічної енергії продуктів фотосинтезу, що в 100 разів перевищує виробництво енергії всіма електростанціями світу.

Річний кругообіг маси СО₂ на суші визначається як масою складових його ланок біосфери, так і кількістю, яку захоплює кожна ланка (т/рік):

Сумарне захоплення фотосинтезом                                        60 • 10⁹

Повернення від дихання (розкладу)                                  48 • 10⁹

Надходження в гумосферу і консервація

в багаторічних фітоценозах                                               10 • 10⁹

Захоронення в осадовій товщі літосфери,

включаючи реакцію СО₂ із гірськими породами        1•10⁹ Надходження від спалення палива                                  4 • 10⁹

У гідросфері кругообіг СО₂ значно складніший, ніж на суші. Вирішальну роль тут відіграє Світовий океан, який акумулює винесе­ний ріками із суші вуглець у формі карбонатних і органічних сполук. Повернення вуглецю із океану чи суші відбувається з великим дефіцитом, головним чином, повітряними потоками у вигляді СО₂. Наявність вуг­лекислого газу у гідросфері залежить від надходження кисню у верхні шари як із атмосфери, так із нижчих шарів води. В загальному виразі річний кругообіг маси вуглецю у Світовому океані майже удвічі мен­ший, ніж на суші:

Сумарне захоплення в процесі фотосинтезу       30 • 10⁹

Повернення у водне середовище від дихання

і розкладу органічної речовини                                  26 • 10⁹

Випадання в донний осад                                   1,5 • 10⁹  

Надходження із атмосфери від спалювання палива 1 • 10⁹

Те ж із річним стоком                                                0,6 • 10⁹  

Перехід у розчинні органічні сполуки                      10,9 • 10⁹  

Багато вуглецю вилучається з біологічного кругообігу речовин і потрапляє в океан переважно у вигляді вуглекислих солей. Ці солі, особли­во СаСО₃, витрачаються на побудову панцирів тварин, дуже багато їх і в морській воді. Якщо в атмосфері підвищується вміст СО₂, частина його розчиняється у воді, вступає в реакцію з карбонатом кальцію, утворюючи розчинний у воді бікарбонат кальцію. І навпаки, при зниженні вмісту вуглекислого газу в атмосфері бікарбонати, що завжди містяться у морсь­кій воді, перетворюються у карбонати кальцію, які випадають з розчину, використовуються організмами для побудови скелетів або панцирів, осідають на морське дно. Реакція має такий вигляд:

Са (НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + СО₂.

Сумарна кількість вуглекислого газу на планеті становить не менше

2,3 •10¹² т, тоді як вміст його у Світовому океані оцінюється в 1,3•10¹² т. У літосфері у зв'язаному стані перебуває 2•10¹⁷ т вуглекислого газу. В живій речовині біосфери міститься близько 1,5•10¹² т (майже стільки, скільки у всій атмосфері). Вуглекислий газ атмосфери і гідросфери обмінюється і обновлюється живими організмами за 300 років.

 

 

 

Кругообіг азоту

Азот, який є уособленням білкового життя у біосфері, в основному зосереджений в атмосфері, де його частина становить близько 78%. Тобто на 1 га поверхні Землі припадає товща повітря з приблизно 80 тис. т азоту. Проте в такому вигляді він недоступний рослинам. У кругообізі сполук азоту надзвичайно велике значення відводиться мікроорганізмам азотофіксаторам, нітрофіксаторам і денітрофіксаторам. Тільки завдяки їм елементарний азот з повітря надходить до ґрунту.

Найбільшу роль, як зазначалося, у цих процесах відіграють бульбашкові бактерії, які тісно співпрацюють з бобовими рослинами. При високому урожаї цих рослин можна збагатити ґрунт близько 400 кг азоту на 1 га. Якщо навіть урожай цих рослин буде вивезений із поля, значна і частина азоту залишиться з корінням у ґрунті.

Кількість азоту, зв'язаного біологічним кругообігом, є неоднаковою в різних екосистемах. Наприклад, на орних землях — 7-28 кг/га за рік, на сінокосах з участю злакових трав і бобових - 73-865, а в лісах — 58-594 кг/га за рік. Подібним чином деякі лишайники фіксують азот за допомогою симбіотичних синьо-зелених водоростей.

Відомо, що Ю.Лібіх (1843) сформулював твердження, згідно з яким рослини можуть повністю забезпечувати свої потреби азотом, що над­ходить у землю разом із атмосферними опадами (27 кг/га). Однак уже через декілька років В.І.Лавес та І.Г.Гільберт, вивчивши баланс азоту в плодоношенні, довели, що додаткове внесення азоту до ґрунту є необхідне, що визнав і сам Ю.Лібіх.

Поява в атмосфері окислів азоту пов'язана із грозовими електрич­ними розрядами. Окисли азоту утворюють з водою азотну і азотисті кислоти:

N₂+O₂        2NO,  2NO+O₂     2NO₂,  2NO₂+H₂O     HNO₂+HNO₃.

Ці кислоти разом із атмосферними опадами потрапляють у ґрунт. Кількість азоту, яку він одержує, є дуже різною і залежить передусім від кліматичних умов, зокрема, кількості і частоти опадів, пори року, температури тощо. У помірному кліматі ця кількість становить декілька кілограмів на рік, а в тропічному, де спостерігаються часті бурі, його значно більше, але в середньому не більше 10 кг.

В атмосферу азот в певних кількостях потрапляє з ґрунту. Це відбувається з участю мікроорганізмів під час мінералізації органічної матерії, коли в процесі амоніфікаці виділяється аміак. Біологічна фіксація молекулярного азоту мікроорганізмами, як тими, що вільно пересуваються, так і симбіонтами (бульбашковими), відбувається в автотрофному і гетеротрофному блоках біогеоценозів. Для кругообігу азоту необхідним є молібден, який в окремих випадках виступає як лімітуючий фактор. Незважаючи на величезні запаси цього елемента в атмосфері й осадовій оболонці літосфери, у кругообізі бере участь лише фіксований мікроорганізмами азот.

До цієї категорії азоту обмінного фонду входять: а) азот річної продукції біомаси; б) азот біологічної фіксації бактеріями й іншими організмами; в) ювенільний (вулканічний) азот; г) атмосферний (фіксо­ваний у момент грозового розряду); д) техногенний.

У великий кругообіг весь час надходить частина азоту у вигляді різних сполук, які ріки виносять у моря. Вміст сполук азоту найбільший у районах, де в океан впадають великі ріки, найменший — в централь­них частинах океанів. Азотомісткі сполуки використовуються водорос­тями для синтезу органічних речовин і надходять у кругообіг океану, частина поступово осідає на дно. Отже, винесення азоту з суші не збільшує його концентрації у морській воді.

Межа азоту, зв'язаного в біомасі суші, становить 14020 млн т, а в зольних елементах — 34062 млн т азоту і 2762 млн т зольних елементів. У біомасі Світового океану цих елементів в 1000 разів менше. Однак завдяки багаторазовому відтворенню організмів планктону через них протягом року проходить азоту і зольних елементів більше, ніж на суші: азоту — 2762 млн т, зольних елементів — 12274 млн т.

Якщо розглядати кругообіг азоту.в масштабах біосфери, то завдяки саморегулюючим механізмам і зворотному зв'язку він вважається досить досконалим. Частина азоту, який "виробляється" в густозаселених районах, у прісних водах і мілководних морях, виносить­ся у глибоководні океанічні відклади і залишається там, виключаючись на мільйони років із кругообігу. Ці втрати компенсуються надходжен­ням азоту в повітря з вулканічними газами.

 

Кругообіг сірки

    Геохімічний цикл сірки відзначається різноманітністю процесів, передусім тих, які відбуваються в ґрунті та відкладах, де сконцентрований досить великий резервний фонд, меншою мірою — в атмосфері. Як відомо, близько 50% сірки потрапляє в атмосферу за рахунок її біологічних перетворень у ґрунті і воді, в яких провідну роль відіграють мікроорганізми. Причому кожний їх вид виконує певну реакцію — окис­лення або відновлення. Вважають, що внаслідок цих мікробіологічних процесів сірка вивітрюється у вигляді сірководню.

Фактична кількість сірководню, яку утворюють природні екосистеми, хоч традиційно і вважається значною, безпосередньо не вимірювалася і розраховувалась приблизно за балансом глобального кругообігу сірки. За розрахунками вона становить 58-110•10⁶ т сірки щорічно. Для кругообігу сірки характерним є те, що в надходженні сірчаних сполук до атмосфери природні екосистеми відіграють більш важливішу роль, ніж антропогенна діяльність.