Круговорот углерода

Зеленые растения — биологи называют их автотрофами — основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах, из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Другие живые организмы получают доступ к этой энергии, поедая растения. Так создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.

Фотосинтез — процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:

вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород

Типы фотосинтеза: аноксигенный, оксигенный.

Аноксигенный осуществляется пурпурными и зелёными бактериями, а также геликобактериями.

Оксигенный гораздо более широко распространён. Осуществляется растениями, цианобактериями и прохлорофитами.

Этапы фотосинтеза:

· фотофизический

· фотохимический

· химический.

Для развития и существования всех живых форм на Земле необходим углерод. Углерод поступает из воздуха в виде двуокиси, или диоксида (С0₂), углерода и образует молекулярный остов любого органического вещества. Как растения, так и животные используют кислород в процессе дыхания, посредством которого они получают энергию для роста и обмена веществ. Если кислорода достаточно для биохимических реакций, то глюкоза, содержащая энергию органического вещества, расщепляется полностью с образованием воды, двуокиси углерода и энергии. Суммарная реакция расщепления органического вещества (в целом) напоминает реакцию, обратную фотосинтезу:

0₂ + органическое вещество → ферменты + С0₂ + Н₂0 + энергия

Следовательно, атмосферный углерод поступает в живые экосистемы посредством фотосинтеза на уровне продуцентов. В экосистеме углерод перемещается с одного трофического уровня на другой до тех пор, пока не возвратится в атмосферу в результате дыхания живых организмов или пока организмы, в которых он содержится, не погибнут. По мере разложения мертвого вещества происходит распад органических соединений с образованием различных продуктов, в том числе С0₂. На Рисунок 13.4 показано воздействие человека на углеродный цикл.

Рисунок 13.4 Круговорот углерода в природе

Большая часть углерода, вовлеченного в кругооборот, содержится в океанах. Океан поглощает избыток С0₂ из воздуха, в результате образуются карбонатные и бикарбонатные ионы, от которых и зависит количество С0₂ в атмосфере. Существует и обратный процесс, в ходе которого С0₂ выделяется из океанов в атмосферу. Таким образом, океаны, поддерживающие концентрацию С0₂ в атмосфере на постоянном уровне, играют роль своеобразного буфера. По мнению ученых, этот механизм обеспечивал в атмосфере окончательное равновесие С0₂ до тех пор, пока не вмешался фактор индустриализации и естественный баланс круговорота углерода человеком был нарушен. Первый путь нарушения баланса — выбросы в атмосферу С0₂ от сгорания топлива. Второй путь, как считают ученые всего мира, — это интенсивное сведение лесов, что ведет к уменьшению количества С0₂, которое способны поглотить растения. Часть С0₂ при сгорании топлива поглощают океаны, однако большая его часть остается в атмосфере. Результаты анализов убедительно свидетельствуют о том, что содержание С0₂ в атмосфере начиная с 1950-х гг. неуклонно возрастает, особенно в городах и крупных промышленных районах Диоксид углерода атмосферы ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и включается в состав органических веществ. В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в организме, вновь переходит в атмосферу в виде СО₂. Эти два процесса почти полностью уравновешены: лишь около 1 % углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа и удаляется из круговорота. Всего за 7 - 8 лет живые организмы пропускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере. Подсчитано, что все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд. тонн диоксида углерода (86 млрд. тонн углерода).

Углерод - основной биогенный элемент, он играет важнейшую роль в обра­зовании живого веществабиосферы. Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями, ассимилируется и превра­щается в разнообразные и многочисленные органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорга­низмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируют в год около 1,5·10¹¹ т углерода в виде органической массы, что соот­ветствует 5,86·10²⁰ Дж энергии. Растения частично поедаются животными (при этом образуются более или менее сложные пищевые цепи). В конечном счете органическое вещество в результате ды­хания организмов, разложения их тру­пов, процессов брожения, гниения и горе­ния превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают на­чало образования камен­ным углям, нефти, горючим газам.

В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые).

В активном круговороте углерода уча­ствует очень небольшая часть всей его мас­сы. Большая часть углерода законсервирована в виде ископае­мого топлива, известняков и других пород (Рисунок 13.5).

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует по­движное равновесие. Многие водные организмы поглощают углекислый кальций, создают свои ске­леты, а затем из них образуются пласты известняков. Из атмосферы было извле­чено и захоронено в десятки тысяч раз больше диоксида углерода, чем в ней нахо­дится в данный момент. Атмосфера по­полняется углекислым газом благодаря процессам разложения органического вещества, карбонатов и других минералов, а также, все в большей мере, в результате индустриальной дея­тельности человека. Мощным природным источником поступления диоксида углерода в атмосферу являются вулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого га­за и паров воды. Некоторая часть углекис­лого газа и воды, извергаемых вулка­нами, возрождается из осадочных пород, в частности известняков, при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой.

Рисунок 13.5 Круговорот углерода

Круговорот азота.

Основная масса азота на поверх­ности Земли находится в виде газа в атмосфере. Известны два пути его во­влечения в биогенный круговорот:

1) процессы электрического (в тихом раз­ряде) и фотохимического окисления азота воздуха, дающие разные оксиды азота, которые растворяются в дождевой воде и вносятся таким образом, в почвы и водоемы;

2) биологическая фиксация азота клубеньковыми бактериями, свободноживущими бактериями - азотфиксаторами.

Круговорот азота — важнейшего газа атмосферы — носит весьма своеобразный и замедленный характер (Рисунок 13.6). Воздух, которым мы дышим, примерно на 78% состоит из азота (N). Атмосферный азот становится частью живой материи исключительно благодаря жизнедеятельности бактерий и водорослей, которые обладают способностью фиксировать его в органических соединениях и нитратах, образуя аммиак. В малых дозах атмосферный азот связывается с кислородом в процессе грозовых разрядов в атмосфере, а затем с дождями (в виде нитратов) выпадает на поверхность почв. Атмосферный азот поглощается при жизнедеятельности азотофиксирующими бактериями и некоторыми водорослями, способными расщеплять молекулярный азот и использовать его для построения аминокислот, белков и других органических соединений живого вещества. На Рисунок показан круговорот азота в природе. Животные и растения поглощают азот в виде нитратов. Однако большая часть азота поступает в живые организмы благодаря активности бактерий и водорослей. Аммиак (NH₃) выделяется в процессе распада живого вещества, и из него впоследствии образуются нитриты, а затем нитраты. Часть нитратов выпадает из цикла, поступая в глубоководные осадки. Некоторые бактерии обладают способностью разлагать нитраты, выделяя газообразный азот. Как видим, человек в процессе жизнедеятельности заметно влияет на круговорот азота, вводя в окружающую среду новые нитраты и газообразные оксиды азота от сельского хозяйства и промышленных предприятий. Несмотря на то, что в составе воздуха 78% азота, высшие растения ассимилировать его не могут. Необходимый азот они получают из почвы в виде нитратов.

Рисунок 13.6 Круговорот азота в природе

Мёртвая органика разлагается по схеме: мёртвая органика - аммиак- нитриты -нитраты (Рисунок 13.7)

Рисунок 13.7 Круговорот азота

Азотфиксирующие организмы:

1) сине-зеленые водоросли;

2) свободноживущие бактерии;

3) клубеньковые бактерии;

Круговорот азота в настоящие время подвергается сильному воздействию со стороны человека. Производства азотных удобрений и их использование приводят к избыточному накоплению нитратов.

При сжигание топлива также образуютсязначительные количества окислов азота.

Поиск по сайту: