Круговорот веществ в биосфере: вода, углерод, кислород, азот

Круговорот фосфора

Биологическое значение фосфора в жизнедеятельности организмов исключительно велико. Его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, в состав мозга и костной ткани. Содержание фосфора в тканях растений составляет 250—350, морских животных — 400—1800, наземных животных — 170—4400, бактерий — около 3000 мг на 100 г сухого вещества. Как и углерод, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте вещества.

Резервуаром фосфора в биологическом круговороте служит литосфера, в частности фосфорсодержащие горные породы, какими являются фосфориты, апатиты, нефелиновые сиениты. В процессе выветривания соединения фосфора попадают в почвенный покров, выносятся поверхностными водами в конечные бассейны стока, где они или медленно оседают на дно и литифицируются, или рассеиваются глубинными водами.

Из почвы фосфор извлекается растениями в виде растворимых фосфатов, которые поглощаются с почвенными растворами и превращаются в ионы РO₄-2. Скорость усвоения растениями фосфора зависит от кислотности почвенного раствора. В щелочной среде фосфаты кальция и натрия практически нерастворимы, а в нейтральной — малорастворимы. По мере повышения кислотности они превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. Находящийся в растительности фосфор переходит к животным, потребляющим растительную пищу.

Органический фосфор, находящийся в растительном опаде, отмерших растительных и животных остатках в результате бактериальных преобразований в почве, трансформируется в фосфаты. Воздействующие на них фосфаторазрушающие бактерии продолжают биологический круговорот фосфора, переводя его в растворимую форму, которая, попадая в водную среду, принимает участие в геологическом круговороте.

Круговорот фосфора в биосфере не замкнут, так как часть его поступает в литосферу. Лишь небольшое количество фосфора безвозвратно теряется при геологических процессах, а часть — аккумулируется вместе с осадками. С речными стоками, согласно сделанным подсчетам, в Мировой океан поступает ежегодно около 3-4 млн. т. фосфора, который исключается из круговорота.

В морях и океанах фосфор концентрируется в виде фосфатных конкреций, которые в процессе седиментогенеза с течением времени превращаются в фосфориты. В зоне апвеллинга, когда происходит подъем глубинных вод, фосфор вместе с другими биогенными элементами и питательными веществами выносится на поверхность и поэтому зоны апвеллинга необычайно богаты организмами.

В почве и природных водах фосфор всегда находится в дефиците. Соотношение фосфора и азота в природных водах составляет в среднем 1:23 (в реках и ручьях 1:28), в биомассе 1:16. Это определенным образом тормозит биологическую продуктивность Земли. Хотя часть фосфора из Мирового океана естественным путем возвращается на сушу птицами и с выловленной рыбой, общий объем возврата фосфора явно меньше количества выноса его в гидросферу.

В течение XX в. в результате хозяйственной деятельности человека цепочка круговорота фосфора в биосфере оказалась нарушенной. Этому способствовали производство фосфорных удобрений и широкое их применение в сельском хозяйстве, получение в промышленных масштабах различных фосфорсодержащих препаратов, производство продовольствия и кормов, развитие рыбного промысла, добыча морских моллюсков и водорослей. Эти действия прямым образом отразились на круговороте фосфора и привели к перераспределению содержания фосфатов на суше и в гидросфере. Наблюдается также крайне неравномерная концентрация фосфора на земной поверхности. Его больше в местах развития сельского хозяйства, где происходит малообратимая аккумуляция органических соединений фосфора. Эрозия почв, смыв удобрений, органических отходов и экскрементов поверхностными водами, сбросы канализационных стоков приводят к сильнейшему фосфорному загрязнению рек, озер и прибрежных областей Мирового океана. Происходит фосфатизация почв, рек, водоемов суши, прибрежных участков морей, особенно в области дельт, заливов и эстуариев.

Типы веществ в биосфере

По В.И.Вернадскому, в биосфере существует несколько типов вещества:

1. Живое вещество определяется как совокупность всех живых существ планеты. Живое вещество биосферы чрезвычайно активно. Все живые организмы включены в круговорот веществ.

В биосфере принято выделять два структурных типа живого вещества: континентальное и океаническое. В данных структурных единицах различные условия для существ, поэтому и состав будет различаться. К примеру,в континентальной части биосферы доминирует живое вещество — растения. В океанической части значительную массу составляют животные.

Однако, следует учитывать, что большая масса живого вещества биосферы сосредоточена в растительном покрове суши.

2. Биокосное вещество представляет смесь биогенных веществ с минеральными породами. Свое название это вещество получило из-за участия в образовании живых организмов и неживой части природы. Примерами биокосного вещества являются почва, воды Мирового океана, смесь газов в атмосфере.

К примеру, почва как биокосное вещество, создается вследствие жизнедеятельности существ, геологических процессов, различных типов выветривания.

Почва Источник

3.Косное вещество формируется без участия живых существ. Примерами косного вещества в биосфере могут быть горные породы, минералы, осадки.

К примеру, вулканический туф образуется при застывании лавы, значит, он будет относиться к косному веществу.

Вулканический туф Источник

Резервный и обменный фонды

В биологическом круговороте веществ участвуют 30-40 элементов периодической системы. Некоторые из них, включая углерод, азот, кислород, нужны организмам в значительных количествах, другие – в самых минимальных.

Необходимые вещества практически никогда не бывают распределены в природе равномерно, нередко они находятся в малопригодной форме. Элементы, участвующие в процессе круговорота веществ, могут быть в составе одного из двух фондов:

• резервного;
• обменного.

Первый обладает значительной массой, но практически не связан с биосферой. Второй – имеет меньший объем, но непосредственно связан с живыми организмами и энергично взаимодействует с ними. Газообразные вещества имеют резервный фонд в воде и атмосфере, а элементы осадочного цикла – в коре.

Круговорот углерода

Углерод как химический элемент присутствует в атмосфере в составе углекислого газа. Это и обусловливает обязательное участие живых организмов в круговороте этого элемента на планете Земля. Основной путь, по которому углерод из неорганических соединений переходит в состав органических веществ, где он является обязательным химическим элементом, — это процесс фотосинтеза. Часть углерода выделяется в атмосферу в составе углекислого газа при дыхании живых организмов и при разложении бактериями мертвого органического вещества. Усвоенный растениями углерод потребляется животными. Кроме того, коралловые полипы, моллюски используют соединения углерода для построения скелетных образований и раковин. После их отмирания и оседания на дне формируются отложения известняков. Таким образом, углерод может исключаться из круговорота. Выведение углерода из круговорота на длительный срок достигается путем формирования полезных ископаемых: каменного угля, нефти, торфа.

На протяжении существования нашей планеты выведенный из круговорота углерод компенсировался углекислым газом, поступающим в атмосферу при вулканических извержениях и в ходе других естественных процессов. В настоящее время к природным процессам пополнения углерода в атмосфере добавилось значительное антропогенное воздействие. Например, при сжигании углеводородного топлива. Это нарушает отрегулированный веками круговорот углерода на Земле.

Увеличение концентрации углекислого газа за столетие всего на 0,01 % привело к заметному проявлению парникового эффекта. Среднегодовая температура на планете повысилась на 0,5 °С, а уровень Мирового океана поднялся почти на 15 см. По прогнозам ученых, если среднегодовая температура увеличится еще на 3-4 °С, начнется таяние вечных льдов. При этом уровень Мирового океана поднимется на 50-60 см, что приведет к затоплению значительной части суши. Это расценивается как глобальная экологическая катастрофа, ведь на этих территориях проживает около 40 % населения Земли.

Круговорот азота

Азот — один из самых распространенных элементов в биосфере. Основная часть биосферного азота находится в атмосфере в газообразной форме. Как известно из курса химии, химические связи между атомами в молекулярном азоте (N₂) очень прочные. Поэтому большинство живых организмов не способны использовать его непосредственно. Отсюда важным этапом в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота.

Атмосферная фиксация. Под воздействием атмосферных электрических разрядов (молний) азот может взаимодействовать с кислородом с образованием оксида (NO) и диоксида (NO₂) азота. Оксид азота (NO) при этом очень быстро окисляется кислородом и превращается в диоксид азота. Диоксид азота растворяется в парах воды и в виде азотистой (HNO₂) и азотной (HNO₃) кислот с осадками попадает в почву. В почве в результате диссоциации этих кислот образуются нитрит- (NO₂–) и нитрат-ионы (NO₃–). Нитрит- и нитрат-ионы уже могут поглощаться растениями и включаться в биологический круговорот. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 10 млн т азота в год, что составляет около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.

Биологическая фиксация. Она осуществляется азотфиксирующими бактериями, которые переводят азот в доступные для растений формы. Благодаря микроорганизмам связывается около половины всего азота. Наиболее известны бактерии, фиксирующие азот в клубеньках бобовых растений. Они поставляют растениям азот в виде аммиака (NH₃). Аммиак хорошо растворим в воде с образованием иона аммония (NH₄+), который и усваивается растениями. Поэтому бобовые — лучшие предшественники культурных растений в севообороте. После отмирания животных и растений и разложения их остатков почва обогащается органическими и минеральными соединениями азота. Далее гнилостные (аммонифицирующие) бактерии расщепляют азотсодержащие вещества (белки, мочевину, нуклеиновые кислоты) растений и животных до аммиака. Этот процесс называется аммонификацией. Большая часть аммиака впоследствии подвергается окислению нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, которые вновь используются растениями. Возвращение азота в атмосферу происходит путем денитрификации, которую осуществляет группа денитрифицирующих бактерий. В результате происходит восстановление азотистых соединений до молекулярного азота. Часть азота в нитратной и аммонийной формах с поверхностным стоком попадает в водные экосистемы. Здесь азот усваивается водными организмами или поступает в донные органические отложения.

Промышленная фиксация. Большое количество азота ежегодно связывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобрений. Азот из таких удобрений усваивается растениями в аммонийной и нитратной формах. Объем выпускаемых азотных удобрений в Беларуси в настоящее время составляет около 900 тыс. т в год. Крупнейшим производителем является ОАО «ГродноАзот». На данном предприятии выпускают карбамид, аммиачную селитру, сульфат аммония и другие азотные удобрения.

Примерно 1/10 искусственно внесенного азота используется растениями. Остальное с поверхностным стоком и грунтовыми водами переходит в водные экосистемы. Это приводит к накоплению в воде больших количеств соединений азота, доступных для усвоения фитопланктоном. В результате возможно бурное размножение водорослей (эвтрофикация) и, как следствие, заморы в водных экосистемах.

Азот

Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами – это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.

Самыми активными «переработчиками» азота или азотофиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в клетках корней бобовых и преобразовывают молекулярный азот в его соединения, пригодные для растений. После их отмирания, азотом обогащается и почва.

Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.

Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.

И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.

Содержание азота в различных веществах сопоставляют с содержанием там углерода. Оборотные циклы этих двух элементов крепко связаны.

Круговорот элемента в природе

В результате постоянного круговорота веществ происходит непрерывный процесс миграции различных элементов. Например, из окружающей среды животные и растения потребляют необходимые для своей жизнедеятельности элементы, которые потом при разложении этих организмов возвращаются обратно.

Дыхательный обмен

Для жизнедеятельности живых организмов необходимо дыхание, которое осуществляется благодаря биогеохимическому циклу кислорода, углерода и других веществ.

Данный цикл наиболее совершенен, имеет высокую способность к быстрой саморегуляции и большие запасы в атмосфере. Например, кислород участвующий в дыхательном обмене, полностью оборачивается через организмы за 2 тысячи лет, а скорость оборота СО₂ составляет порядка 300 лет.

Основными поставщиками кислорода и резервуарами биологически связанного CO2 являются зеленые насаждения и леса.

Деятельность микроорганизмов

Деятельность микроорганизмов выполняет первостепенную роль в круговороте веществ. Особенно явно она проявляется в биохимических процессах круговорота:

• образование (синтез) органических веществ из минеральных;
• расщепление органических соединений до минеральных.

Из этого можно сделать вывод о незаменимости и высокой важности микроорганизмов в круговороте веществ в биосфере

Углерод в воде и на суше

В основном на нашей планете углерод находится в виде соединения СО₂, которое содержится как в воде, так и на суше.

Биогенный круговорот углерода в воздухе и воде схожи, но имеют некоторые отличия.

Первым этапом углеродного цикла в атмосфере является его поглощение живыми организмами. Дальнейшую роль в круговороте данного вещества играет фотосинтез, в результате которого в растениях происходит разделение CO2. Частично он переходит в воздух. Остальная часть накапливается в растениях, после отмирания которых, попадает в грунт. Ещё один цикл круговорота может происходить, когда растительный организм попадает на большую глубину почвы, там он после разложения превращается в полезное ископаемое на основе углерода (уголь).

В водной среде круговорот происходит за счет циркуляции растворенного в воде углерода между воздухом и водой. А также за счет распада живых организмов, которые преобразуются после смерти в известняк, отдавая углерод в воду.

Роль людей

Человек играет важную роль в круговороте веществ в биосфере. Можно сказать, что она отрицательна. В результате своей деятельности человек постоянно нарушает естественный цикл.

Вырубка лесов уменьшает объемы производимого кислорода и снижает уровень потребления углерода. Постоянное сжигание различных видов топлива (уголь, нефть, газ и т.д.) приводит к увеличению выброса CO2 в воздух. Получается человек увеличивает количество углерода в атмосфере и уничтожает места, где он мог бы переработаться в кислород, что приводит к дефициту последнего.

Также люди своими производственными процессами нарушают такие циклы, как: круговорот азота, серы, свинца, ртути и т.д.

Значение и суть циклов

Биогеохимический цикл – это сложный комплекс перемещения различных веществ в биосфере и других геологических оболочках. Такие циклы обеспечивают постоянство биосферы, дают возможность для ее саморегуляции.

Любой подобный цикл не замкнут полностью – обратимость основных химических элементов составляет примерно 95%. Несбалансированный круговорот веществ – одна основных особенностей подобных циклов, которая имеет планетарное значение.

Солнце – главный источник энергии, обеспечивающий круговорот веществ. Это основная движущая сила биогеохимических циклов.

Большой круговорот перераспределяет элементы между биосферой и глубокими слоями планеты. Он связан с вулканической активностью, перемещением огромных воздушных и водных масс, процессами разрушения пород.

Важнейшим фактором, влияющим на перемещение веществ и превращение энергии, являются живые организмы.

Растения-автотрофы, используя энергию фотосинтеза, превращают неорганические соединения в органические, которые затем используют консументы и деструкторы. Биологический круговорот приводит к перемещению и перераспределению огромного количества химических веществ.

За миллиарды лет эволюции живые организмы существенно изменили облик планеты. Они насытили атмосферу кислородом и азотом, создали огромные осадочные отложения, изменили ландшафты, образовали почву.

Вода

В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.

Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.

Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.

Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс

Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды

Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.

В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.

Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная Землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают одна другую. В результате чего повышается температура окружающей среды. Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?

Круговорот воды

Вода – это наша альфа и омега. В среднем все живые тела на 80% состоят из этого вещества, а наша планета на две трети покрыта Мировым океаном.

Вот так распределяется вода на нашей планете

Вот так распределяется вода на нашей планете

Вода испаряется с поверхности морей и океанов под воздействием солнечных лучей. Эти испарения переносятся ветром на материки, где испарения в виде осадков выпадают на землю.

Выпадая в жидком виде, вода сразу становится доступной живым организмам или же стекает к рекам и грунтовым водам, возвращаясь обратно в океаны. Если же вода выпадает в виде связанных осадков (снег и лед), то некоторое время она будет недоступной для организмов.

В таком виде происходит круговорот воды

В таком виде происходит круговорот воды

Из почвы вода поглощается растениями, частично расходуясь на фотосинтез, а частично испаряясь с поверхности листьев. К животным вода поступает в виде еды и пищи, а выходит из их организмов при дыхании, выделении пота и в составе других продуктов жизнедеятельности.

Смысл

Круговорот веществ – это повторяющееся участие одних и тех же веществ в процессах, происходящих в литосфере, гидросфере и атмосфере.

Выделяют два типа круговорота веществ:

• геологический (большой круговорот);
• биологический (малый круговорот).

Движущей силой геологического круговорота веществ являются внешние (солнечная радиация, гравитация) и внутренние (энергия недр Земли, температура, давление) геологические процессы, биологического – деятельность живых существ.

Большой круговорот происходит без участия живых организмов. Под действием внешних и внутренних факторов формируется и сглаживается рельеф. В результате землетрясений, выветривания, извержения вулканов, движения земной коры образуются долины, горы, реки, холмы, формируются геологические слои.

Рис. 1. Геологический круговорот.

Биологический круговорот веществ в биосфере происходит при участии живых организмов, которые преобразуют и передают энергию по пищевой цепочке. Устойчивая система взаимодействия живого (биотического) и неживого (абиотического) веществ на определенной территории называется биогеоценозом.

ТОП-3 статьи

которые читают вместе с этой

Чтобы происходил круговорот веществ, необходимо выполнение нескольких условий:

• наличие примерно 40 химических элементов;
• присутствие солнечной энергии;
• взаимодействие живых организмов.

Рис. 2. Биологический круговорот.

У цикла веществ нет определённой отправной точки. Процесс непрерывный и одна стадия неизменно перетекает в другую. Можно начать рассматривать цикл из любой точки, суть останется прежней.

Общий круговорот веществ включает следующие процессы:

• фотосинтез;
• метаболизм;
• разложение.

Растения, являющиеся продуцентами в пищевой цепочке, преобразуют солнечную энергию в органические вещества, которые поступают с пищей в организм потребителей, то есть консументов, которыми могут быть животные,некоторые грибы и бактерии – . После смерти происходит разложение растений и животных с помощью редуцентов: – бактерий, грибов, червей.

Рис. 3. Пищевая цепочка.