Биогеохимический и техногенный круговорот веществ

Введение

Биосфера является динамической системой, в которой каждый химический элемент претерпевает ряд превращений, проходя по цепочке живых организмов в реакциях биогеохимических трансформаций.
Химические элементы постоянно переходят из живых организмов в косное вещество биосферы и обратно, участвуя в сложных биогеохимических циклах.
Данные циклы можно разделить на две категории – это круговорот газов и осадочный круговорот. В круговороте газов большое значение имеет атмосфера, представляющая собой резервуар углерода, азота, кислорода и воды). В осадочном круговороте большое значение имеют соответственно осадочные породы, представляющие резервуар соединений фосфора, железа и серы.
Циклы элементов значительно отличаются от простого физического преобразования энергии, которая, выделяясь в виде тепла, рассеивается в окружающей среде и повторно не используется.
Объектом работы являются биогеохимические процессы, происходящие в биосфере.
Предметом работы являются особенности биогеохимичеких и техногенных круговоротов веществ биосферы.
Целью работы является изучение биохимического и техногенного круговоротов веществ.


1. Основные круговороты биогенных элементов в биосфере
1.1. Круговорот углерода

Углерод встречается в окружающей среде в виде различных соединений, от месторождений чистого углерода (уголь, графит, алмазы) до высокомолекулярных соединений в живых клетках. Основа биогенного круговорота углерода – это углекислый газ, который образуется при разложении угольной кислоты.
Единственный источник углерода, который используется растениями для синтеза органических веществ, является диоксид углерода, входящий в состав атмосферы или находящийся в растворенном состоянии в воде [2].
В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды образуются сложные углеводы (глюкоза) и кислород, который поступает в атмосферу.
Часть синтезированных углеводов растения используют в процессах собственного роста и развития, а часть употребляется в пищу животными консументами.
При этом диоксид углерода уходит в окружающую среду через корни, листья, а также выделяется животными в процессе дыхания. Мертвые животные и растения, постепенно разлагаясь при помощи микроорганизмов почвы (редуценты), выделяют в атмосферу соединения углерода – углекислый газ, метан, индол, скатол и другие вещества. Аналогичным образом процесс биологического круговорота углерода происходит и в океане.
В результате деятельности фотосинтезирующих организмов в атмосфере присутствует достаточное количество свободного кислорода, который является необходимым компонентом для процветания белковой жизни. Фотосинтезирующие зеленые растения и карбонатная система моря эффективно удаляют избыток СО2 из атмосферы, способный вызвать перегрев планеты вследствие способности углекислого газа задерживать тепло («парниковый эффект»).
Однако возросшее потребление ископаемого топлива, газовые выбросы промышленности, а также снижение поглотительной способности зеленых растений в связи со значительным сокращением лесов и влияние химических загрязнителей на сам процесс фотосинтеза начинают заметно изменять атмосферный фонд круговорота углерода [6].
Продолжительность круговорота углерода равна ~ 300-1000 лет. В настоящее время содержание углекислого газа не уменьшается, поскольку его запасы постоянно пополняются за счет дыхания, брожения и сгорания, а количество лесов и иных фотосинтезирующих систем не только не остаются на прежнем уровне, но и сокращаются в результате антропогенной деятельности.
Существует реальная опасность того, что в результате развития промышленного производства и нарушения равновесного состояния биосферы содержание СО2в атмосфере может вырасти, что приведет к увеличению парникового эффекта и глобальному изменению климата.

1.2. Круговорот кислорода

Данный биогеохимический цикл является очень сложным ввиду большого количества его участников. Круговорот кислорода – планетарный процесс, являющийся объединяющим элементом для атмосферы, гидросферы и литосферы. В атмосфере преобладающей формой кислорода является молекула О2, но есть еще О3 – озон и О – атомарный кислород.
В свободной форме кислород – это продукт жизнедеятельности и химический элемент, поддерживающий жизнь растений и животных, поскольку главными потребителями кислорода выступают животные, микроорганизмы почвы и растения, которые используют кислород в процессах своего дыхания [5].
Кислород образуется в процессах фотосинтеза, а процессы разложения ведут к связыванию атмосферного кислорода.
Кроме того, небольшое количество молекул кислорода образуется в результате диссоциации молекул воды и озона, происходящих в верхних слоях атмосферы под действием жесткого ультрафиолетового излучения. Большая часть кислорода атмосферы принимает участие в окислительных процессах земной коры, в вулканической деятельности.
На промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода. Темпы хозяйственной деятельности человека возрастают, а площадь лесов, продуцентов кислорода, сокращается. Сокращается и количество фитопланктона в океане, который также вырабатывает кислород в процессах фотосинтеза.
Данные негативные процессы могут способствовать глобальному изменению в составе атмосферы Земли и экологической катастрофе в будущем.

1.3. Круговорот азота

Круговорот азота в атмосфере отличается от круговорота других биогенных элементов в силу ряда особенностей. Данный круговорот включает в себя не только газообразную, но и минеральную фазы, охватывая тем самым все области биосферы.
Несмотря на то, что запасы азота являются практически неисчерпаемыми, но высшие растения могут усваивать азот и в дальнейшем использовать его в биохимических процессах только после того, как молекулярный азот перейдет в ионную форму, т.к

. в форму растворимых солей [2].
Растения усваивают ионы аммония (NH+4) или нитрата (NО-3). Для того, чтобы атмосферный азот преобразовался в эти формы, необходима деятельность азотфиксирующих бактерий или сине-зеленых водорослей (цианобактерий).
Процесс превращения газообразного азота (N2) в аммонийную форму получил название азотфиксациии.
Важнейшую роль среди азотфиксирующих микроорганизмов играют бактерии из рода Rhizobium, образующие симбиотические связи с корнями бобовых растений. Наибольшее значение из бобовых имеют люцерна и клевер, которые способны к накоплению за год от 150 до 400 кг азота на 1 га.
Отмирая, микроорганизмы-азотфиксаторы дополнительно обогащают почву органическими соединениями азота. При этом в почву может поступить до 25 кг азота на 1 га почвы.
В водной среде и на переувлажненных почвах азотфиксация осуществляется сине-зелеными водорослями, которые одновременно способны и к фотосинтезу. В любом случае, высшие растения могут потреблять азот или в виде аммонийных солей или в форме нитратов.
Азот после потребления его растениями участвует в синтезе белков, которые, сосредотачиваясь в листьях растений, затем обеспечивают азотное питание фитофагов. Мертвые организмы и отходы жизнедеятельности (экскременты) представляют собой среду обитания и пищу для организмов-сапрофагов, постепенно разлагающих содержащие азот органические соединения до простых неорганических компонентов. Данный процесс называется минерализацией [5].
Конечное звено в этой цепи оказываются биогеохимических превращени азота – это аммонифицирующие организмы, которые образую аммиак (NH3). В свою очередь, аммиак также способен принимать участие в процессах цикла нитрификации.
Nitrosomonas окисляют аммиак в нитриты, а Nitrobacterокисляют нитриты в нитраты и таким образом круговорот азота может быть продолжен. Параллельно с данными процессами происходит постоянное возвращение азота в атмосферу, осуществляемое посредством деятельности бактерий - денитрификатов, которые способны к разложению нитратов с выделением молекулярного азота.
Помимо процессов нитрификации, денитрификации и азотфиксации, в природной среде происходит образование оксидов азота различной валентности (NOx) при электрических грозовых разрядах. Эти оксиды затем в виде селитры или азотной кислоты при смешивании с атмосферными осадками попадают в почву (при разрядах молний фиксируется от 4 до 10 кг азота на 1 га) [1].
Реально существует также фотохимическая фиксация азота. Наряду с этим, возможно выключение азота из процессов круговорота посредством аккумуляции его соединений в глубоководных океанических осадках, что компенсируется частичным выделением азота при вулканических извержениях. Растения, которые поглощают азот, в последующем поедаются животными.
Следовательно, если рассматривать круговорот азота с энергетической точки зрения, то его можно представить в виде ряда этапов, для осуществления которых необходима дополнительная энергия извне (разряд молнии) или же присутствие энергонасыщенных соединений.
В процессе биогеохимического круговорота азот переходит из органической формы в неорганическую и обратно под действием ряда бактерий. При этом атмосферный азот переходит в легко усваиваемые растениями формы.
Продукты жизнедеятельности животных при помощи бактерий-сапрофитов разлагаются с выделением аммиака, который впоследствии может быть превращен в нитриты и нитраты.

1.4. Круговорот фосфора

Фосфор представляет собой широко распространенный химический элемент, который входит в состав ряда минералов в форме неорганического фосфата-иона (РО3-4). Фосфаты обладают растворимостью, но не образуют летучих соединений. Общее содержание фосфора в земной коре составляет примерно 0,09%.
Круговорот фосфора как биогенного элемента протекает параллельно с круговоротами углерода, азота и кислорода. Основными депо неорганического фосфора служат горные породы. В процессе вымывания и выветривания эти горные породы отдают содержащиеся в них растворенные фосфат-ионы наземным экосистемам, в которых фосфор претерпевает дальнейшие биохимические превращения [6].
Потребление фосфатов важно для биохимических процессов в организме животных и растениях разного уровня организации, которые используют ионы фосфора в синтезе органических веществ (белки, аминокислоты и ферменты).
В растениях фосфор преобразуется в форму так называемого органического фосфата, который может передвигаться по пищевым цепочкам и усваиваться живыми организмами, в том числе консументами.
В процессе разложения органических остатков (растительного опада и трупов животных) под воздействием бактерий-редуцентов фосфаты снова возвращаются в почву. происходит процесс минерализации органических останков. Минерализованный фосфат-ион снова может использоваться в жизнедеятельности растений и микроорганизмов.
Часть фосфатов выносится с паводковыми водами в моря, что обеспечивает развитие фито- и зоопланктона и питающихся планктоном организмов. Некоторая часть органического фосфора возвращается на сушу при вылове рыб, моллюсков, ракообразных, водорослей и т.д.
Фосфор является одним из важнейших элементов живого вещества, которые принимают участие в биохимических реакциях, обеспечивающих жизнедеятельность организма и его целостность. Фосфор входит в состав тканей мозга, скелета, панцирей животных и др