Биогеохимические процессы цикла серы в лимнических экосистемах юга архангельской области титова ксения владимировна

Углерод

Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.

В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.

Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.

Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.

Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.

Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.

Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.

В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» – угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.

Аэробика: анаболическое уменьшение сульфатов

Анаболическое снижение содержания сульфатов SO ₄2- используется в биосинтезе из аминокислот и белков . Он проводится в аэробной среде, либо в отложениях , либо вовлажных и насыщенных кислородом почвах. Это называется ассимиляционным восстановлением (или ассимиляционным ), в отличие от катаболического восстановления сульфатов, известного как диссимиляционное восстановление, происходящего в анаэробной среде.

Аэробное восстановление сульфатов считается анаболическим, потому что оно потребляет энергию (в форме АТФ или НАДФН + Н + ), чтобы обеспечить включение путем восстановления неорганической молекулы (здесь сульфата) в органическое вещество.

Сульфаты восстанавливаются до сульфидов, что позволяет синтезировать серные аминокислоты ( цистеин и метионин ) или даже коферменты . Растения, а также аэробные сульфатредуцирующие бактерии допускают это анаболическое сокращение.

Аэробное восстановление сульфатов очень сложно. Это требует его активации путем образования 3′-фосфоаденозин 5′-фосфосульфата с последующим восстановлением его до сульфита SO _3.2- . Затем он непосредственно восстанавливается до сероводорода H ₂ S. ассимиляционной сульфитредуктазой.

Затем цистеин можно синтезировать из H ₂ S.(у растений и бактерий) в два этапа, серин является предшественником цистеина:

1. Во-первых, ацетилсерин образуется из ацетил-КоА , ацетильная группа которого переносится на серин.
2. Во-вторых, H ₂ S замещает ацетильную группу с образованием цистеина.

После своего синтеза цистеин участвует в развитии других органических молекул, содержащих серу. Таким образом, сера повторно вводится в органическое вещество.

Биологическая фаза: в живых организмах

Сера входит в биологическую фазу, когда она включается в пищевые цепи, что происходит, когда она поглощается бактериями и растениями как в почве, так и в воде. Он абсорбируется в виде сульфат-ионов, растворенных в воде, а затем превращается в сульфиды путем восстановления.

После всасывания он интегрирует белки, которые образуют тела бактерий и растений. Они, в свою очередь, потребляются другими организмами, которые таким образом получают серу, необходимую для их питания.

Например, растения поглощают серу, травоядные животные потребляют растения, а они, в свою очередь, потребляются плотоядными животными. Следовательно, сера путешествует по пищевой сети.

Когда животные выделяют свои фекалии, остатки белков и других содержащихся в них соединений несут серу. Точно так же смерть живых существ — это способ вернуть серу в почву или (в случае водных организмов) в воду.

После смерти разлагающиеся организмы возвращают серу в почву в виде сероводорода. Затем сера окисляется и снова образует сульфаты, которые могут усваиваться растениями.

Есть также бактерии, которые перерабатывают разлагающиеся органические вещества в болотах и ​​выделяют сероводород в воздух. Отсюда характерный запах, которым обладают болотистые местности.

Биохимический цикл углерода.

Углерод — основной строительный материал молекул важных для жизни органических соединений (углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др.). Этот биоэлемент участвует в цикле с небольшим, но подвижным резервным фондом в атмосфере (рис. 11.8), откуда растения получают его в форме диоксида углерода. Именно диоксид углерода, атмосферный и растворенный в воде, — единственный источник неорганического углерода, из которого в процессе фотосинтеза вырабатываются все органические соединения, составляющие живую клетку. Движение углерода по цепям питания экосистемы тесно связано с переносом энергии — недаром конечными продуктами жизнедеятельности служат диоксид углерода и вода.
В почве очень часто цикл углерода замедляется. Органические вещества минерализуются не полностью, а трансформируются в сложный комплекс производных органических кислот, образующих массу темного цвета, так называемый гумус. При любых условиях органический комплекс не может быть полностью минерализован аэробным путем и поэтому накапливается в различных осадочных породах. Тогда наблюдается стагнация, или блокирование, круговорота углерода — примером тому служат накопления угля, нефти и других углеводородных ископаемых.
Твердые формы углерода продуценты усваивать не могут, поэтому единственным его источником для растений служит атмосферный воздух. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде С02 относительно невелики. Благодаря буферной системе карбонатного цикла моря круговорот углерода приобретает устойчивость, но он все-таки уязвим из-за небольшого объема резервного фонда.

Биохимический цикл углерода.

В круговоротах участвуют не только биогенные элементы, но и многие загрязняющие вещества. Некоторые из них не только циркулируют в окружающей среде, но и имеют тенденцию накапливаться в организмах. В таких случаях концентрация какого-либо загрязняющего вещества, обнаруженного в организмах, нарастает по мере прохождения его вверх по пищевой цепи, так как организмы быстрее поглощают загрязняющие вещества, чем выделяют их. Ртуть, например, может содержаться в воде и придонном иле в относительно безвредных концентрациях, тогда как ее содержание в организме водных животных, имеющих раковину или панцирь, может достигать летального для них уровня. Действие пестицидов, таких как ДДТ, основывается на сходном принципе: содержание их в воде может быть столь незначительным, что выявить их практически не удается, однако чем выше трофический уровень, на котором находится данный организм, тем больше концентрация пестицида в его тканях. Это явление известно под названием биологического усиления, или биологического накопления.

Кислород

Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии. Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез. Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.

Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.

И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей. Существовавший до этого так называемый обменный фонд кислорода в атмосфере в размере 5% общего его объема, то есть вырабатывалось в процессе фотосинтеза столько кислорода, сколько его потреблялось. То теперь этого объема становиться катастрофически мало. Происходит потребление кислорода, так сказать, из неприкосновенного запаса. Оттуда, куда его уже некому добавить.

Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.

Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.

Типы цикла серы

Есть два основных вида цикла серы, а именно;

1 . Цикл газообразной серы

• В результате бактериального выброса (H2S), сжигания ископаемого топлива (SO2), переносимых ветром морских солей (SO 2-4) и вулканических выбросов сера попадает в атмосферу (H2S, SO2, SO2-4).
• Большая часть серы, существующей в виде SO2 или H2S, превращается в SO3, который растворяется в каплях воды с образованием серной кислоты.
• Из-за использования ископаемого топлива круговорот серы перегружен.
• В результате SO2, выбрасываемый в атмосферу, составляет значительную часть общего переноса серы в глобальном масштабе. Этот более высокий уровень серы превращается в серную кислоту в дождевой воде, что приводит к негативным экологическим последствиям.

Цикл газообразной серы

2. Цикл осадочной серы

• В осадочной фазе выветривание и деградация неорганических и органических отложений высвобождает серу.
• Ион SO2-4 переносит серу в наземные и водные среды обитания. После поглощения из почвы растениями и микробами ион сульфата восстанавливается и в конечном итоге интегрируется в виде сульфгидрильной группы (-SH) в белки. ТАК
• Бактерии Desulfovibrio на дне океана преобразуют некоторые сульфаты прямо в сульфиды, H2S или элементарную S в анаэробных условиях.
• Этот сероводород улетучивается в атмосферу и восполняет потери серы в результате осадков.
• Бактерии рода Thiobacillus окисляют H2S с помощью O2 с образованием сульфатов. Сера в избытке смешивается с водой, вызывая кислотные дожди.

Великое событие окисления и массово-независимое фракционирование изотопов серы

Большой оксигенации Событие (ГЭ) характеризуется исчезновением изотопов серы масс-независимых фракционирования (MIF) в осадочных записей на уровне около 2450 млн лет назад (штат Джорджия). MIF изотопа серы (Δ 33 S) определяется отклонением измеренного значения δ 33 S от значения δ 33 S, выведенного из измеренного значения δ 34 S в соответствии с законом массового фракционирования. Великое событие окисления представляло собой массовый переход глобальных циклов серы. Перед Великим событием окисления цикл серы находился под сильным влиянием ультрафиолетового (УФ) излучения и связанных с ним фотохимических реакций, которые вызывали массово-независимое фракционирование изотопов серы (Δ 33 S 0). Сохранение сигналов фракционирования, не зависящих от изотопов серы, требует содержания O 2 в атмосфере ниже 10 -5 от текущего атмосферного уровня (PAL). Исчезновение массово-независимого фракционирования изотопов серы при ~ 2,45 млрд лет назад указывает на то, что атмосферное p O 2 превысило 10 -5 нынешнего атмосферного уровня после Великого события оксигенации. Кислород сыграл важную роль в глобальных циклах серы после Великого события оксигенации, такого как окислительное выветривание сульфидов. Захоронение пирита в отложениях, в свою очередь, способствует накоплению свободного O 2 в окружающей среде на поверхности Земли.

Биогеохимический цикл серы.

Для серы характерен обширный резервный фонд в земной коре и меньший — в атмосфере и гидросфере (рис. 11.7).

Биогеохимический цикл серы.

В результате такой слаженности обменного и резервного фондов сера не является лимитирующим фактором. Основной источник серы, доступный организмам, — всевозможные сульфаты. Хорошая растворимость в воде многих сульфатов облегчает доступ неорганической серы в экосистемы. Поглощенные сульфаты растения восстанавливают и вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин), которые играют важную роль при формировании третичной структуры белков, образуя дисульфид-ные мостики между различными участками полипептидной цепи.
Аналогично нитратам и фосфатам сульфаты, основная доступная растениям форма серы, восстанавливаются автотрофами и включаются в белки. Органические остатки животных и растений минерализуются, и входящая в их состав восстановленная сера при аэробном разложении окисляется ферментативным путем различными группами хемотрофных микроорганизмов. Подобные процессы осуществляются и в водоемах.
Из сульфопротеинов, содержащихся в почве, гетеротрофные бактерии вырабатывают сероводород. С другой стороны, существуют различные группы хемотрофных бактерий, способных опять окислять сероводород до сульфатов, что вновь увеличивает запас серы, доступной продуцентам. Подобные бактерии не нуждаются в свете. Например, хемотрофные бактерии Thiobacillius синтезируют органические вещества благодаря энергии, получаемой во время окисления сероводорода до сульфатов в среде, где царит вечная тьма.
Последняя фаза круговорота серы полностью осадочная. Она заключается в выпадении в осадок этого элемента в анаэробных условиях в присутствии железа. Различные этапы этого процесса, особенно обратимые, в дальнейшем позволяют использовать запасы осадочных пород. Таким образом, процесс заканчивается медленным и постепенным накоплением серы в глубоко лежащих осадочных породах.

Аэробный: хемилитотрофное окисление

Органическая сера в почве более или менее быстро минерализуется в форме сероводорода (H ₂ S) многими микроорганизмами в анаэробной среде. Сероводород (H ₂ S), образующийся в результате этой реакции, окисляется в аэробной среде с образованием сульфатов под действием хемилитотрофных бактерий. Сульфоокисляющие хемилитотрофные бактерии — это узкоспециализированные организмы, которые не конкурируют с гетеротрофными бактериями, поскольку они не зависят от источника органического углерода. В группе b протеобактерий есть много сероокисляющих бактерий, в том числе один основной род: Thiobacillus . Тиобацилла — это небольшая грамотрицательная палочка , которая может выдерживать чрезвычайно кислый pH. Мы особенно помним Thiobacillus denitrificans , факультативную анаэробную бактерию, которая может жить в присутствии или в отсутствии O ₂ .

Что такое цикл серы?

В цикл серы Это процесс циркуляции этого химического элемента на планете Земля. Этот процесс выражается в серии этапов или фаз, которые включают биосферу, литосферу, атмосферу и гидросферу.

Таким образом, частица серы на Земле проходит через почву и камни, воздух, воду и живые существа. Это движение постоянно повторяется, переходя из одной среды в другую.

Сера — это элемент желтого цвета с неприятным запахом, основные резервуары которого находятся в литосфере. В основном они находятся в залежах ископаемого топлива, такого как уголь и нефть, растворенных в океанских водах и являющихся частью живых существ.

Круговорот серы очень важен, потому что этот химический элемент играет важную роль для жизни, как благоприятствуя, так и угрожая живым существам, в зависимости от веществ, которые он образует и где он находится.

Сера, входящая в состав незаменимых аминокислот, ферментов и хлорофилла, жизненно важна для существования живых организмов. В то же время как загрязнитель, он является частью кислотных дождей и может стать негативным фактором для жизни.

КРУГОВОРОТ БИОВОДОРОДА И СЕРЫ

В природе многие микробиологические процессы протекают с выделением или поглощением
водорода. С участием микроорганизмов, выделяющих или поглощающих Н₂, формируется глобальный цикл водорода, связанный с геохимическими циклами других
элементов, таких как углерод, сера и азот (Кондратьева, Гоготов, 1981; Vignais, Billoud,
2007; Greening et al., 2015; Teng et al., 2019). В круговороте последних элементов,
в частности, серы, так или иначе участвуют все микроорганизмы. Способностью к выделению
и поглощению Н₂ обладает достаточно большое, но ограниченное число микроорганизмов: примерно одна
треть секвенированных геномов (Peters et al., 2015; Greening et al., 2016; Greening,
Boyd, 2020). Эти микроорганизмы таксономически и физиологически не связаны между собой,
и их представители обнаруживаются в разных местообитаниях. Ключевая роль водорода
во взаимодействии разных видов общепризнана в таких экосистемах, как гидротермальные
источники, анаэробные отложения и пищеварительный тракт животных, но, видимо, не ограничивается
этим (Vignais, Billoud, 2007; Schwartz et al., 2013). Некоторые микроорганизмы образуют
тесно связанные ассоциации на основе межвидового переноса водорода.

Поглощение молекулярного водорода и использование его как источника энергии описано
у аэробных микроорганизмов, сульфатредукторов, ацетогенов и метаногенов, а также в
процессах восстановления железа или галореспирации и в фумаратном дыхании. Кроме того,
он является донором электронов для аноксигенных фототрофов. Наряду с этим существуют
вспомогательные процессы, в которых Н₂-поглощающая активность связана с Н₂-выделяющей активностью в той же самой клетке, т.е. наблюдается рециклизация водорода
(Schwartz et al., 2013).

Образование молекулярного водорода как конечного продукта имеет место у микроорганизмов,
осуществляющих брожение или анаэробное окисление СО. Кроме того, Н₂ является побочным продуктом при азотфиксации и окислении фосфита (Schwartz et al.,
2013). С точки зрения биотехнологий важна как способность микроорганизмов к выделению
Н₂ (биотоплива), так и способность к поглощению Н₂ в процессах ремедиации, т.е. деградациии токсических биополлютантов, таких как ароматические
и алифатические галоген-содержащие вещества (Teng et al., 2019).

Сера относится к элементам с переменной валентностью (от –2 до +6), что обеспечивает
ее химическую и биологическую подвижность. В виде неорганических соединений сера бывает
в окисленной форме (сульфаты, политионаты и др.), в восстановленной форме (сульфиды)
и в молекулярной. Цикл серы включает в себя окислительную и восстановительную ветви,
а также превращения серы без изменения ее валентности (Кондратьева, 1996; Грабович,
1999). Восстановительная часть цикла серы включает обратный переход от к S2– и осуществляется преимущественно биологическим путем (). Ассимиляция сульфата для биосинтетических целей осуществляется многими микроорганизмами
(, путь 1). При последующей минерализации органических серосодержащих соединений образуется
сульфид ( путь 2). Прямое образование сульфида из сульфата связывается в основном с деятельностью
сульфатредуцирующих бактерий и архей в процессе диссимиляционной сульфатредукции (анаэробного
дыхания) (, путь 3). Сероводород может образовываться также при восстановлении элементной серы
с использованием двух механизмов (, путь 4). Во-первых, путем диссимиляционной сероредукции (серного дыхания) с участием
мезофильных и термофильных прокариот, что сопровождается синтезом АТФ. Во-вторых,
за счет т.н. облегченного брожения, т.е. футильного сброса электронов без синтеза
АТФ с участием прокариот и дрожжей (Грабович, 1999).

Рис. 1.

Круговорот серы в природе (по Грабович, 1999). 1 – ассимиляция сульфатов; 2 – минерализация органических серoсодержащих соединений; 3 – сульфатредукция; 4 – сероредукция; 5 – окисление сульфида; 6 – окисление серы.

Окислительная часть круговорота серы (, пути 5, 6) включает переход от S2– к который в зависимости от условий может протекать без участия или с участием микроорганизмов,
таких как хемо- и фототрофные серобактерии, археи и гетеротрофные микроорганизмы (Кондратьева,
1996; Грабович, 1999). Процесс может идти не до конца, с накоплением промежуточных
продуктов, таких как элементарная сера, политионаты, сульфит (Грабович, 1999).

Человеческое воздействие

Деятельность человека оказывает большое влияние на глобальный цикл серы. Сжигание угля, природного газа и других ископаемых видов топлива значительно увеличило количество серы в атмосфере и океане и истощило сток осадочных пород. Без воздействия человека сера будет оставаться связанной в породах в течение миллионов лет, пока не будет поднята в результате тектонических событий, а затем высвободится в результате процессов эрозии и выветривания. Вместо этого его бурят, перекачивают и сжигают с постоянно увеличивающейся скоростью. На наиболее загрязненных территориях выпадение сульфатов увеличилось в 30 раз.

Хотя кривая серы показывает сдвиги между чистым окислением серы и чистым сокращением серы в геологическом прошлом, масштабы нынешнего антропогенного воздействия, вероятно, беспрецедентны в геологической летописи. Деятельность человека значительно увеличивает приток серы в атмосферу, часть которой переносится по всему миру. Люди добывают уголь и добывают нефть из земной коры со скоростью 150 x 10 12 гS / год, что более чем вдвое превышает скорость 100 лет назад. Результатом антропогенного воздействия на эти процессы является увеличение пула окисленной серы (SO 4) в глобальном круговороте за счет хранения восстановленной серы в земной коре. Следовательно, деятельность человека не вызывает серьезных изменений в глобальных резервуарах серы, но она действительно вызывает огромные изменения в годовом потоке серы через атмосферу.

Когда SO 2 выбрасывается в качестве загрязнителя воздуха, он образует серную кислоту в результате реакции с водой в атмосфере. Как только кислота полностью диссоциирует в воде, pH может упасть до 4,3 или ниже, что приведет к повреждению как искусственных, так и природных систем. Согласно EPA, кислотный дождь — это широкий термин, относящийся к смеси влажного и сухого осаждения (осажденный материал) из атмосферы, содержащей более высокие, чем обычно, количества азотной и серной кислот. Дистиллированная вода (вода без каких-либо растворенных компонентов), не содержащая углекислого газа, имеет нейтральный pH 7. Естественно, дождь имеет слегка кислый pH 5,6, потому что углекислый газ и вода в воздухе взаимодействуют вместе с образованием угольной кислоты, очень слабая кислота. Однако вокруг Вашингтона, округ Колумбия, средний pH дождя составляет от 4,2 до 4,4. Поскольку pH измеряется в логарифмической шкале, снижение на 1 (разница между обычной дождевой водой и кислотным дождем) оказывает сильное влияние на силу кислоты. В Соединенных Штатах примерно 2/3 всего SO 2 и 1/4 всего NO 3 приходится на выработку электроэнергии, основанную на сжигании ископаемого топлива, такого как уголь.

Поскольку сера является важным питательным веществом для растений, сера все чаще используется в качестве компонента удобрений. В последнее время дефицит серы стал широко распространенным явлением во многих странах Европы. Из-за действий, предпринятых для ограничения кислотных дождей, поступление серы в атмосферу продолжает снижаться. В результате дефицит поступающей серы, вероятно, увеличится, если не будут использоваться серные удобрения.

Биогеохимический цикл

Круговорот серы — это биогеохимический цикл, то есть этот элемент циркулирует между живыми организмами и окружающей средой. Это также газовый цикл, поскольку он образует газы, имеющие важную фазу в атмосфере.

В свою очередь, в этих процессах происходят химические изменения, так как он может соединяться с кислородом и другими соединениями. Этот цикл гарантирует доступность серы, обеспечивая непрерывность жизни на планете, потому что этот элемент является макроэлементом.

Как и любой биогеохимический цикл, цикл серы представляет собой отложения, потоки, а также изменения состава и фазы. В этом случае основные отложения серы находятся в литосфере, особенно в ископаемых видах топлива, таких как уголь и нефть.

Таким же образом существует серия потоков, пересекающихся в разных направлениях между атмосферой, почвой, водой и живыми существами. Сера находится в этом потоке в различных состояниях: в газообразном, твердом и растворенном в воде.

Точно так же сера принимает различные химические формы, например сульфат кальция (CaSO₄) и сульфат магния (MgSO₄). Другие формы — это диоксид серы (SO₂), серная кислота (H₂ЮЗ₄), сероуглерод (CS₂), сероводород (H₂S) и растворимые сульфат-ионы (SO₄2-).

Типы биогеохимических циклов

Биогеохимические циклы в основном делятся на два типа:

• Газовые циклы — включают циклы углерода, кислорода, азота и воды
• Осадочные циклы — включают циклы серы, фосфора, горных пород и т. д.

Давайте кратко рассмотрим каждый из этих биогеохимических циклов:

Круговорот воды

Схема круговорота воды в природе

Вода из разных водоемов испаряется, охлаждается, конденсируется и снова падает на землю в виде дождя.

Этот биогеохимический цикл отвечает за поддержание погодных условий. Вода в различных формах взаимодействует с окружающей средой и изменяет температуру и давление атмосферы.

Есть еще один процесс, называемый эвапотранспирацией (т. е. пар, производимый листьями), который помогает круговороту воды. Это испарение воды из листьев, почвы и водоемов в атмосферу, которая снова конденсируется и выпадает в виде осадков.

Углеродный цикл

Схема круговорота углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива, человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу. Изображение: Wikimedia Commons

Это один из биогеохимических циклов, в котором углерод обменивается между биосферой, геосферой, гидросферой, атмосферой и педосферой.

Все зеленые растения используют углекислый газ и солнечный свет для фотосинтеза. Таким образом, углерод накапливается в растении. Умершие растения разлагаются и выделяют углекислый газ обратно в атмосферу.

Кроме того, животные, потребляющие растения в пищу, получают хранящийся в них углерод. Этот углерод возвращается в атмосферу после смерти животных. Углерод также возвращается в окружающую среду через клеточное дыхание животных.

Огромное количество углерода запасено в ископаемом топливе (уголь, нефть и т. п.) Когда заводы и фабрики используют это топливо в своей деятельность, при его сгорании углекислый газ попадает в атмосферу.

Азотный цикл

Схема круговорота азота в природе. Изображение: Translated by Stefan Parviainen, based on image by Johann Dréo (User:Nojhan) / Wikimedia Commons

Это биогеохимический цикл азота, в ходе которого азот преобразуется в несколько форм и циркулирует в атмосфере и различных экосистемах, таких как наземные и морские экосистемы.

Азот — важный элемент жизни. Азот из атмосферы фиксируется азотфиксирующими бактериями, присутствующими в корневых клубеньках бобовых, и поступает в почву и растения.

Бактерии, присутствующие в корнях растений, превращают этот газообразный азот в полезное соединение, называемое аммиаком. Аммиак также поступает в растения в виде удобрений. Этот аммиак превращается в нитриты и нитраты. Денитрифицирующие бактерии превращают нитраты в азот и возвращают его в атмосферу.

Кислородный цикл

Схема круговорота кислорода. Изображение: Eme Chicano / Wikimedia Commons

Биогеохимический цикл кислорода проходит через атмосферу, литосферу и биосферу. Кислород — это распространенный элемент на Земле. До 21% атмосферы состоит из кислорода.

Кислород выделяется растениями во время фотосинтеза. Люди и другие животные вдыхают кислород, выдыхают углекислый газ, который снова поглощается растениями. Они используют этот углекислый газ в фотосинтезе для производства кислорода, и цикл продолжается.

Цикл фосфора

Схема цикла фосфора. Изображение: Bonniemf / Wikimedia Commons

В этом биогеохимическом цикле фосфор перемещается через гидросферу, литосферу и биосферу. Фосфор выветривается из горных пород. Из-за дождей и эрозии фосфор попадает в почву и водоемы. Растения и животные получают этот фосфор из почвы и воды. Микроорганизмам также необходим фосфор для своего роста. Когда растения и животные умирают, они разлагаются, а накопленный фосфор возвращается в почву и водоемы, которые снова потребляются растениями и животными, и цикл продолжается.

Цикл серы

Схема цикла серы. Изображение: Pashute / Wikimedia Commons

Этот биогеохимический цикл проходит через горные породы, водоемы и живые системы. Сера выбрасывается в атмосферу в результате выветривания горных пород и превращается в сульфаты. Эти сульфаты поглощаются микроорганизмами и растениями и превращаются в органические формы. Органическая сера потребляется животными с пищей. Когда животные умирают и разлагаются, сера возвращается в почву, которую снова используют растения и микробы, и цикл продолжается.

Мне нравится3Не нравится

Этапы серного цикла

Ключевые фазы круговорота серы следующие:

Этапы серного цикла

1. Разложение органических соединений.

• При распаде белков образуются серосодержащие аминокислоты.
• Бактерии Desulfotomaculum превращают сульфаты в сероводород (H2S).

2. Окисление сероводорода до элементарной серы.

• Сероводород окисляется с образованием элементарной серы.
• Процесс окисления инициируется некоторыми фотосинтезирующие бактерии из семейств Chlorobiaceae и Chromatiaceae.

3. Окисление элементарной серы

• Элементарная сера, содержащаяся в почве, не может быть непосредственно использована растениями.
• Следовательно, хемолитотрофные бактерии превращают его в сульфаты.

4. Восстановление сульфатов

• Desulfovibrio desulfuricans превращает сульфаты в сероводород.
• Это происходит в два этапа:
  1. Первоначально АТФ используется для преобразования сульфатов в сульфиты.
  2. Превращение сульфита в сероводород является второй стадией.