Роль и значение биогеохимических круговоротов в функционировании биосферы

Поход к познанию экосистем состоит в исследовании биогеохимических циклов (круговоротов), различные фазы которых протекают внутри разных экосистем. Это циркулярное движение химических элементов абиотического происхождения, которые характерными для них путями попадают из окружающей среды в организмы, а из организмов в окружающую среду.

Минеральные элементы проникают в ткани растений и животных в процессе их роста и там входят в состав органических веществ. После смерти организма эти элементы вновь попадают в окружающую среду, они перераспределяются сложными трансформациями, лишь после этого они попадают в новые организмы.

Биогеохимические циклы обусловлены деятельностью всех живых компонентов экосистемы:

–  зеленых растений (продуцентов), осуществляющих фотосинтез, в котором неорганические вещества, из которых состоит воздух, вода, минералы горных пород и почва превращаются в сложные соединения – белки, жиры, углеводы, называемые органическими;

–  животных (консументов или гетеротрофов первичного (растительноядные); второго (хищники и последующих порядков), редуцентов (деструкторов, разлагающих органическое вещество отмерших растений и животных до простых минеральных соединений, усвояемых растениями и обеспечивающих замкнутость круговоротов)).

Потери веществ в биосфере минимальны; потоки энергии имеют однонаправленный характер вследствие ее постепенной потери при передаче через трофические уровни от продуцентов к консументам и редуцентам. Эти потери энергии и поддержание непрерывности круговоротов веществ поддерживаются солнечной энергией.

Необходимо указать, что растительность суши и моря используют для фотосинтеза ничтожную долю солнечной радиации – 0,5–1%. При этом, растительность ежегодно создает огромное количество фитомассы (около 100 млрд. т), которые на суше в 100 раз превосходят массу животных. Ввиду того, что в биосфере происходит и противоположный процесс. За этот промежуток времени приблизительно такое же количество живого вещества окисляется, превращаясь в СО₂ и Н₂О. Этот процесс образования и накопления живого вещества, его последующего отмирания и превращения в простые соединения, доступные растениями, объединены в биологический или малый круговорот элементов.

Баланс процессов синтеза и распада не всегда был идеален. Примерно 300 млн лет назад был большой избыток органической продукции, что привело к образованию угля, газа, нефти. Это позволило человечеству совершить техническую революцию

В биосфере содержатся все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, многие из них необходимы для нормальной жизнедеятельности растительного и животного мира. Они постоянно переходят из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Такой круговорот называется биогеохимическим циклом.

К главным циклам относят биогеохимические циклы углерода, воды, азота, фосфора, серы, биогенных кантионов.

Круговорот углерода

Весьма важное значение для прохождения биологических процессов на Земле имеет круговорот углерода. Источники углерода в природе столь же многочисленны и столь многообразны:

· углекислота находится в газообразном состоянии в атмосферном воздухе или в растворенном состоянии в воде и представляет собой тот источник углерода, который служит основой для переработки его в органическое вещество живых существ;

· захваченная растениями эта же углекислота в процессе фотосинтеза превращается в сахар. Суммарная реакция фотосинтеза выражается схемой:

 

а другими процессами биосинтеза преобразуется в протеиды, липиды и т.д. Эти различные вещества служат питанием для животных;

· все живые организмы дышат и выбрасывают в атмосферу углерод в форме углекислоты, а при их гибели сапрофаги и биоредуценты разлогают и минерализируют трупы, образуя цепи питания, в конце которых углерод нередко вновь поступает в круговорот в форме углекислоты.

В определенных условиях, накапливающиеся неживые растительные и животные остатки замедляют круговорот углерода:

–  животные – сапрофаги и сапрофизические микроорганизмы, обитающие в почве, превращают накопившиеся на ее поверхности остатки в новое образование органической материи, более или менее мощный слой коричневой или черной массы – гумус, который разлагается с разной скоростью;

· иногда цепь круговорота углерода бывает короткой и неполной по следующей причине:

–  цепь сапрофитов лишается возможности функционировать из-за недостатка воздуха или слишком высокой кислотности;

–  органические остатки накапливаются в форме торфа и образуют торфяные болота;

–  в масштабах геологического времени, скопление ископаемых органических соединений в виде каменного угля, нефти, торфа свидетельствуют о стагнации круговорота углерода;

–  стагнация круговорота углерода происходит так же и воде, так как углекислота накапливается в виде СаСО₃ (мел, известняки или кораллы) химического или биогенного происхождения. Часто эти массы углерода оставались вне круговорота в течение целых геологических периодов, пока СаСО₃ в виде горных цепей не поднимался над поверхностью моря. С этого момента началось поступление углерода и кальция в круговорот. Оно осуществлялось вследствие выщелачивания известняка атмосферными осадками или под воздействием лишайников, а так же корней известняковых растений. Углерод, накопившийся в почве или горных породах, может быть освобожден и в процессах человеческой деятельности: горение всех видов органических веществ (древесина, нефтепродукты, газ, уголь) отопление, промышленность и др.

Круговорот азота

В атмосферном воздухе содержиться азота по массе 75,52 % и объёму 78,09%.

Кроме того, электрические разряды, сопровождающие грозы, синтезируют из атмосферного азота и кислорода окиси азота: эти окиси попадают в почву вместе с дождевыми водами. Данным способом в экосистеме в форме селитры и азотной кислоты накапливается от 4 до 10 кг азота на 1 га в год.

Наибольшее количество азота поступает в экосистему в результате деятельности микроорганизмов – фиксаторов азота. Чаще всего эту фиксацию осуществляют бактерии способные использовать энергию своего дыхания для прямого усвоения атмосферного азота и синтезирования протеидов. Иногда эти бактерии – аэробы (Azotobacter) или анаэробы (Clostridium) – действуют изолировано; их трупы обогащают почву органическим азотом, который быстро минерализируется. Данным путем в почву ежегодно вносится еще около 25 кг азота на 1 га.

Наиболее эффективны бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями в клубеньках, развивающиеся на корнях этих растений. А в присутствии молибдена, который служит катализатором, и особой формы гемоглобина (уникальный случай у растений) эти бактерии (Rhizobium) ассимилируют громадные количества молекулярного азота. Образующийся органический азот постоянно функционирует в ту часть почвы, которая соприкасается с корнями (ризосферу), кроме того, азот в значительном количестве проникает в наземные органы растения. Благодаря этому более богаты протеидами и очень питательны для травоядных животных. Годовой запас, накапливаемый в наземных и подземных органах этих растений, достигает в культурах клевера и люцерны от 150 до 400 кг/га.

Атмосферный азот могут фиксировать из воздуха бактерии, которые живут в симбиозе с высшими растениями. К ним относятся бактерии, образующие в тропиках на листьях растений из семейства Rubiaceae маленькие черные опухоли фиксирующие азот, а так же актиномицеты, которые в наших широтах создают на корнях ольхи фиксирующие азот узелки.

На влажных землях и в водной среде непосредственно фиксацию азота из воздуха осуществляют некоторые сине-зеленые водоросли; это микроорганизмы, как известно, осуществляют и фотосинтез. На Востоке они играют большую роль в продуктивности рисовых полей.

Азот из этих разнообразных источников поступает к корням в форме нитратов, последние абсорбируются корнями и транспортируются в листья, где используются для синтезирования протеинов. Данные протеины служат основой азотного питания животных.

Протеины животного и растительного происхождения могут так же служить пищей некоторым бактериям-паразитам. Протеины используются и после смерти, Трупы наряду с выделениями живых организмов представляют собой основу целой цепи питания организмов, разлагающих органическое вещество, которое постепенно переводит азот из органических в минеральные соединения. Каждая группа биоредуцентов специализируется на каком-либо одном звене этого процесса. Цепь заканчивается деятельностью аммонифицирующих организмов, образующих аммиак (NH₃), который далее может войти в цикл нитрификации: Nitrasomonas окисляет его в нитрат, а Nitrobacter окисляет нитраты в нитриты.

Бактерии – денитрифаторы постоянно отдают азот в атмосферу. Они разлагают нитраты в N₂, который улетучивается. Эти бактерии активны лишь в почвах, которые очень богаты азотом и углеродом и разлагают не более 20% общего азота, т. е. ежегодно улетучивается до 50–60 кг азота с 1 га.

Круговорот фосфора

Фосфор совершает круговорот в наземных экосистемах в качестве важной и необходимой составной части цитоплазмы, биоредуценты минерализуют органические соединения фосфора отмерших организмов в фосфаты, которые вновь потребляются корнями растений.

Громадные запасы фосфора, накопившиеся за прошлые геологические эпохи, содержат горные породы и отдают наземные фосфаты экосистемам. Значительные количества фосфатов оказываются вовлеченными в круговорот воды, питают фитопланктон и связанные с ним пищевые цепи. Затем вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются в океанские глубины. Часть их, отлагающаяся в пределах досягаемости морских экосистем используется ими, часть же теряется в глубинных отложениях. Частичный возврат фосфатов на землю возможен с помощью морских птиц (имеется в виду гуано, огромные залежи которого на побережье Перу, указывают на то, что некогда морские птицы играли большую роль в его накоплении, чем теперь) и благодаря рыболовству (рыбу используют в качестве удобрения под посевы риса) (Рис. 6.2.).

Считают, что каждый год таким образом возвращается в круговорот 60 тыс. т фосфора, что далеко не компенсирует расход тех 2 млн. фосфатов, которые ежегодно добываются из залежей и быстро выщелачиваются при использовании в качестве удобрений.

Круговорот серы

Сера находится в почве и представляет собой продукт разложения материнских горных пород, содержащих пириты (серный колчедан FeS и халькопириты (медный колчедан СuFeS₂), а также продукт разложения органических веществ растительного происхождения. Животные органические вещества содержат очень мало серы.

Корни растений абсорбируют почвенную серу, которая входит в создаваемые растениями серные аминокислоты – цистин, цистеин, метионин.

После отмирания растений сера возвращается в почву. Это осуществляют многочисленные микроорганизмы:

–  некоторые микроорганизмы восстанавливают органическую серу в H₂S и минеральную серу;

–  другие микроорганизмы окисляют эти продукты разложения в сульфаты.

Сульфаты поглощаются корнями растений, и, таким образом обеспечивается продолжение круговорота серы. Необходимо напомнить, что в состав белков входит шесть элементов: водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера.