Биофильными элементами биогеохимических циклов являются
| КАТЕГОРИИ:
Мы поможем в написании ваших работ! Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)
Мы поможем в написании ваших работ! | Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергии около 3*1024 Дж в год. Только около 0.3% этой энергии непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ и только 0.1% оказывается заключенной в чистой первичной продукции. Дальнейшая судьба этой энергии обусловлена передачей органического вещества пищи по каскадам трофических уровней гетеротрофов. В соответствии с законом пирамиды энергий с каждого ее уровня на последующий переходит приблизительно 10% энергии (правило 10%). Но участие разных групп гетеротрофов в деструкции органики тоже имеет похожую последовательность: около 90% энергии освобождают микроорганизмы и грибы, менее 10% — беспозвоночные животные и не более 1% — позвоночные животные конечные консументы. В соответствии с последней цифрой сформулировано правило 1%, согласно которому указанное соотношение и особенно вклад конечных консументов в деструкцию является важным условием стабилизации биосферы. Другими словами, для биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выражении не должна превышать одного процента. Поток солнечной энергии образует глобальные физические круговороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (ветры, волны, течения) обусловливают аэрогенную миграцию веществ, в первую очередь газов, паров воды и пылевых частиц, аэрозоле разного состава. Под действием солнечной радиации и грозовых разрядов в атмосфере происходят различные фотохимические и электрохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, окислов и кислотных осадков, образование углеводородных смогов и др. Рис. Схема биогеохимического круговорота веществ на суше (по Р. Кашанову, 1984) Цикл углерода. Биогеохимическая машина планеты представляется системой взаимосвязанных циклов элементов. Определяющим для биосферы служит цикл органического углерода, полностью преобразовавший состояние поверхностных оболочек земли, движущей силой которого служит энергия Солнца, использованная фотоавтотрофами. Система биогеохимических циклов определяется ведущим циклом органического углерода Сорг и сопряженными с ним в эквимолекулярном отношении 1:1:1 циклами углекислоты СО2 и кислорода О2. Цикл органического углерода обусловлен, во-первых, первичной продукцией за счет использования внешней солнечной энергии фотоавтотрофными оксигенными организмами: цианобактериями, водорослями, растениями и в небольшой степени хемоавтотрофами за счет поступления эндогенного водорода в газогидротермах и, во-вторых, деструкцией органотрофными организмами, аэробными и анаэробными. Резервуары органического углерода определяются динамическим резервуаром биомассы, суммирующим биомассу продуцентов и деструкторов; резервуаром мортмассы, которая не успела еще разложиться под действием деструкторов; резервуаром остаточного органического вещества трудно поддающегося разложению. Динамический резервуар биомассы различен для организмов с коротким жизненным циклом и длительным циклом, как у деревьев. Рис. Круговорот углерода (по Smith, 1971) Цикл азота сопряжен с циклом органического углерода соотношением Сорг : Nорг = 6 : 1 для синтеза биомассы; в нем происходят также превращения неорганических форм азота. Цикл азота с его этапами: азотфиксацией, аммонификацией, нитрификацией, денитрификацией – целиком определяются деятельностью бактерий. Продукция определяется наличием резервуара доступного азота, который пополняется только за счет азотфиксации и уменьшается за счет денитрификации и экспортной продукции мортмассы, выводимой из цикла. Способность к азотфиксации широко распространена среди бактерий, особенно анаэробных, но связана с большой затратой энергии. Рис. Оценка количества фиксированного азота, теряемого и приобретаемого биосферой в различных процессах (по Дювиньо, Тангу, 1968) Цикл серы сопрягается с циклом органического углерода в реакциях сульфидогенеза, катализируемых только прокариотами, сульфат- и сероредуцирующими организмами. В биогеохимическом цикле серы участвуют следующие формы соединений серы, создающие значительные резервуары: 1) сульфаты, преимущественно сульфаты моря; 2) сульфиды в виде растворенного H2S и нерастворимых сульфидов металлов, частично эндогенного (вулканического) и в основном экзогенного (биогенного) происхождения; 3) сера, в значительной части эндогенного происхождения. Разнообразные промежуточные соединения неполного окисления серы, как тиосульфат или SO2, появляются в транзитных формах и незначительной концентрации, не образуя резервуары. Подобно тому как конечным результатом сопряженных циклов углекислоты, органического углерода, кислорода оказывается накопление кислорода атмосферы, конечным продуктом серного цикла оказываются сульфаты океана. Рис. Круговорот серы (по Ю.Одуму, 1975). «Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановление (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата (S04) и фондом сульфидов железа, находящихся глубоко в почве и в осадках Цикл фосфора связан с циклом органического углерода в отношении С : Р ≥ 100 : 1 в реакциях анаболизма.. В цикле фосфора, в отличие от других биогенных элементов, отсутствует стадия воздушной миграции, обеспечивающая равномерное распределение по всему земному шару. Первичным источником пополнения доступного фосфора служит его выщелачивание из изверженных пород и поступление в состав Рорг биомассы. Из мортмассы в результате деструкции фосфор поступает в регенерационный цикл, частично захоранивается с мортмассой, частично переходит в неусвояемые соединения, прежде всего фосфаты кальция. Содержащие фосфаты осадки переходят в осадочные породы, из которых фосфор может быть мобилизован микроорганизмам либо поступает в геологический рецикл. В результате фосфор в большей степени, чем азот, служит лимитирующим биогеном, ограничивая развитие живых организмов.
Рис. Круговорот фосфора в биосфере (по П. Дювиньо, М. Тангу, 1973; с изменениями) Цикл железа сопрягается с циклом кислорода деятельностью аэробных железобактерий. Цикл железа связан с циклом серы через образование сульфидов железа и их окисление бактериями. В геологическом прошлом цикл железа играл гораздо большую роль, приведя в раннем протерозое к формированию значимых для баланса кислорода мощных отложений окислов железа. Цикл кальция тесно связан с циклом фосфора образованием фосфатов кальция, но в гораздо большем масштабе он имеет значение для цикла неорганического углерода. Современный цикл кальция определяется прежде всего биологически опосредованными реакциями растворения (выщелачивания) и осаждения карбонатов, а также биоминералогией образования скелета протистами и макроорганизмами. Первичное поступление кальция и магния в биологические циклы связано с выщелачиванием силикатных изверженных пород и циклом кремния в биологически опосредованных процессах. Выщелачивание обусловливает попутное поступление в водную фазу микроэлементов. Цикл кремния в фанерозое обусловлен его использованием как скелетного материала диатомовыми водорослями, радиоляриями и губками. В результате кремний ведет себя в океане как биогенный элемент, и это связано с появлением скелетной функции у эукариот. Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 1104; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет Рекомендуемые страницы: Читайте также: |
Источник
Биогеохимический цикл (круговорот веществ) – система незамкнутых и необратимых круговоротов веществ в биотических (биосфера) и абиотических (литосфера, атмосфера и гидросфера) частях Земли. Этот повторяющийся процесс взаимосвязанного преобразования и перемещения веществ в природе имеет циклический характер и происходит при обязательном участии живых организмов и часто нарушается человеческой деятельностью. Является основным свойством, характерной чертой биосферы.
Принцип круговорота веществ в природе сформулирован в середине XIX века Ю. Либихом и Ж. Б. Буссенго[1]. Термин «биогеохимический цикл» был введён в 1910 годах В. И. Вернадским, разработавшим теоретические основы биогеохимической цикличности в учении о биосфере и трудах по биогеохимии.
Движущими силами биогеохимических циклов служит энергия Солнца и деятельность «живого вещества» (совокупности всех живых организмов), приводящие к перемещению огромных масс химических элементов, концентрированию и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии. Используя неорганические вещества, автотрофы (зелёные растения) за счёт энергии Солнца создают органические вещества, которые другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разрушается, с тем чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов. Благодаря круговороту веществ возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов.
Нормальные (ненарушенные) биогеохимические циклы в биосфере не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95-98%. Неполная обратимость (незамкнутость) является одним из важнейших свойств биогеохимических циклов, имеющая планетарное значение. Процессы превращения вещества имеют определённое поступательное движение, поскольку не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается в частные круговороты или захватывается временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.
Важная роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на значительные расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и проникает вместе с растворёнными в нём химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря.
Наибольшее значение в биогенном цикле имеют такие циклы:
- круговорот воды
- круговорот азота
- круговорот углерода
- круговорот серы
- круговорот фосфора
Примечания[править | править код]
- ↑ Биологический энциклопедический словарь под ред. М. С. Гилярова. – М.: «Советская энциклопедия», 1986. – С. 66 (статья «Биология»)
Литература[править | править код]
- Биогеохимические циклы // Биологический энциклопедический словарь. Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. – 2-е изд., исправл. – М.: Сов. Энциклопедия, 1986.
- Круговорот веществ // Большая советская энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия. 1969-1978.
Ссылки[править | править код]
- Биогеохимические циклы…
Источник
Биогенные элементы циркулируют в экосистемах, т.е. совершают биогеохимические циклы (В.И. Вернадский). Все циклы взаимосвязаны в природе и в совокупности формируют устойчивую структуру биосферы в целом. Замкнутость нормальных биогеохимических циклов неполная – это очень важное свойство. Именно оно обусловило биогенное накопление кислорода и озона в атмосфере Земли, а также различных химических соединений в литосфере. Вместе с тем следует отметить, что доля вещества выходящего из биосферного цикла (от 10 до 1000 лет) в геологический цикл (1 000 000 лет) в год невелика. Лишь громадное время истории развития биосферы (≈ 4 млрд. лет) позволило осуществить подобные биогенные накопления элементов.
В каждом биогеохимическом цикле можно выделить два фонда:
· резервный – большая масса медленно движущихся веществ, в основном в составе абиотического компонента;
· обменный (подвижный) – меньший, но более активный. Быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.
Среди биогеохимических циклов выделяют циклы двух типов: газообразных и осадочных веществ.
Так, углерод, азот, кислород находятся преимущественно в виде летучих соединений. Железо, фосфор и кальций сосредоточены в негазообразных веществах.
Нарушения в циклах первого типа быстро устраняются, их называют «хорошо забуферными», так как способность возвращаться к исходному состоянию очень высока.
Самтконтроль циклов второго типа затруднен, они легче нарушаются. Явление «забуферности» здесь не выражено.
Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, во многих случаях основаны на биологических процессах. Поэтому человек, если по его вине нарушено равновесие в цикле, может лишь ждать или чаще всего не в силах ничего поправить.
В связи с хозяйственной деятельностью человека и вовлечением в биоферный поток техногенных продуктов возникли проблемы обусловленные нарушением биогеохимических циклов. Циклы некоторых элементов (N, S, P, K, тяжелые металлы) превратились в природно-антропогенные – значительно незамкнутые. Некоторые же материалы, созданые человеком, вообще не способны включаться в природные циклы, и не перерабатываясь в экосистемах, являясь чуждыми загрязняют их.
Усилия по охране природы должны быть направлены на возвращение веществ в круговорот.
Цикл углерода. Главный резервный фонд составляет углерод, растворенный в Мировом океане, оперативно доставляемый атмосферой в регионы, где происходит наиболее интенсивное связывание углекислоты в процессе фотосинтеза. Колоссальные количества углерода ежегодно связываются и трансформируются биотой, играющей в этом цикле ведущую роль. Тесно связан с углеродным циклом и цикл кислорода, резервный фонд которого в атмосфере, как мы уже отмечали выше, создан исключительно благодаря деятельности биоты. Два главных процесса, постоянно осуществляющихся биотой – продукция и деструкция органического вещества (фотосинтез и дыхание/брожение) сводятся к чрезвычайно простому уравнению реакции:
nСО2 + nН2О ↔ (СН2О)n + nО2
Естественно, это – крайняя степень упрощения, биохимические и биофизические механизмы обеих реакций достаточно сложны, но данная форма записи достаточно наглядно демонстрирует неразрывную связь циклов углерода и кислорода.
Не менее важны, хотя и меньше известны циклы других необходимых для построения живого вещества элементов – азота и фосфора. Резервный фонд первого находится в атмосфере, второго – в литосфере.
Являясь самым массовым газом в атмосфере, азот, тем не менее, не может напрямую вовлекаться зелеными растениями в биогеохимический цикл. Молекулярный азот – вещество крайне инертное и в реакции вступать не расположенное. Два атома в его молекуле прочно удерживаются тремя ковалентными связями: N ≡ N . Для их разрыва и превращения молекулярного азота в вещества, которые растения способны усваивать и включать в свой метаболизм, необходимо затратить энергию и энергию достаточно значительную.
В атмосфере некоторое количество азота превращается в окись и двуокись азота, которые, связываясь с молекулами воды, переходят в ионную форму нитритов и нитратов. При этом затрачивается энергия электрических разрядов. Таким путем вовлекается в биогеохимический цикл примерно 20 % всего участвующего в нем азота. Весь остальной азот становится доступен растениям и, следовательно, остальной биоте только благодаря деятельности прокариотических микроорганизмов – бактерий, способных усваивать молекулярный азот, превращая его в ионы аммония:
N2 + 2H2O + 2CH2O → 2NH4 + + 2CO2.
Приведенное уравнение реакции – не более чем схема, поскольку реальные процессы намного сложнее. Достаточно упомянуть, что для фиксации азота бактерии используют энергию, получаемую при разложении значительно большего количества органического вещества, чем это следует из приведенного уравнения. На связывание 1 г азота расходуется энергия, заключенная примерно в 10 г углеводов. Микробиологическое связывание азота постоянно происходит.
Образование из ионов аммония нитрит- и нитрат-анионов может происходить уже самопроизвольно в присутствии кислорода, а вот образование из неорганических веществ (аммония, нитритов, нитратов) аминокислот и нуклеотидов, белков и нуклеиновых кислот возможно только в результате биохимических реакций, осуществляющихся растениями.
Организмы биоты, использовав азот, возвращают его в атмосферу. Цикл замыкается.
Значительно проще биогеохимический круговорот фосфора. В результате эрозии фосфаты вымываются из богатых ими осадочных и вулканических пород, в растворенной форме усваиваются растениями, включаясь в состав живого вещества. В организмах фосфор используется для построения нуклеиновых кислот и как важный компонент «энергетической валюты» биохимии – АТФ. По использовании, фосфор выводится из биоты вновь в форме фосфатов и захоранивается в донных осадках.
Если учитывать азот и фосфор в приведенном выше уравнении фотосинтеза/дыхания, то мы получим:
106 СO2 + 16 NO3 – + HPO4 2- + 122 H2O + 18 H+ ↔ C106H263O110N16P + 138 O2.
Значения коэффициентов в этом уравнении будут увеличиваться по мере учета все новых и новых элементов, участвующих в построении живого вещества.
Кроме вышерассмотренных к числу «больших» элементов, необходимых для жизни, относится сера. Резервный фонд ее, как и у фосфора, сосредоточен в осадочных породах. Цикл ее достаточно прост, но он интересен тем, что в нем очень существенную (едва ли не большую, чем в цикле азота) роль играют микроорганизмы.
Основной источник серы – выветривание, благодаря которому сера вовлекается в кругооборот из своего осадочного резервного фонда (сульфидсодержащих горных пород):
FeS2 + 3,5 O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4
Сульфатредуцирующие бактерии, использующие серу в качестве акцептора электронов (как мы – кислород) для извлечения необходимой им энергии из органических веществ, образуют сероводород в отсутствие кислорода:
H2SO4 + 2CH2O →2CO2 + 2H2O+H2S,
H2SO4 + 4H2 → 4 H2O + H2S.
Примером таких бактерий является облигатный анаэроб Desulfovibrio.
В присутствии кислорода целый ряд серных бактерий окисляет сероводород до серы и серной кислоты:
H2S + O2 → S + H2O,
S + 1,5O2 + H2O →H2SO4.
Это, например, Beggiatoa, и Thiothrix, которые накапливают серу внутри своих клеток. Бактерии рода Thiobacillus также окисляют сульфиты до серы и сульфатов, откладывая серу снаружи клеток:
2 Na2S2O3 + O2 →2S + 2Na2SO4.
Главным образом, благодаря этим и подобным им бактериям и сформировались современные запасы самородной серы. В отсутствие кислорода бактерия Thiobacillus denitrificans окисляет серу и сульфиты до сульфатов, используя нитраты. Здесь мы видим связь циклов азота и серы: 5S2O3 2- + 8NO3 – + 2 HCO3 – →10 SO4 2-+2 CO2 + H2O + 4N2,
5S + 6 NO3 – + 2CO3 2- →5 SO4 2- + 2CO2 + 3N2.
Существуют и бактерии, использующие серу в хемосинтезе органического вещества – зеленые серные бактерии:
CO2 + 2 H2S →CH2O + H2O + 2S,
2CO2 + 2H2O + H2S →2(CH2O) + H2SO4,
и пурпурные бактерии:
2 CO2+Na2S2O3+3H2O → 2CH2O + Na2SO4 + H2SO4.
Контрольные вопросы
1. Что такое эндогенный и экзогенный циклы?
2. Что называется гидрологическим циклом?
3. Какие фонды можно выделить в биогеохимическом цикле?
4. Охарактеризуйте цикл углерода.
5. Охарактеризуйте циклы азота, фосфора и серы.
Источник