Круговороты газообразных веществ(углерод, азот).

Биогеохимические циклы углерода и азота – примеры круговоротов наиболее важных газообразных биогенных веществ.

 

Круговорот углерода. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО2 относительно невелики в сравнении с его запасами в океанах и земной коре (в виде ископаемого топлива). Циркуляция углерода в биосфере основана на поступлении СО2 в атмосферу и его потреблении.

 

Поступление углекислого газа в атмосферу в современных условиях происходит в результате: 1) дыхания всех организмов; 2) минерализации органических веществ; 3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеют также биогенное происхождение); 4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (незначительная часть – до 0, 01%) и 5) сжигания топлива.

 

Потребление углекислого газа происходит главным образом: 1) в процессе фотосинтеза; 2) в реакциях его с карбонатами в океане; 3) при выветривании горных пород. Низкое содержание СО2 и высокие концентрации О2 в атмосфере сейчас служат лимитирующими факторами для фотосинтеза, а зеленые растения являются регуляторами этих газов. Таким образом, «зеленый пояс» Земли и карбонатная система океана поддерживают относительно постоянное содержание СО2 в атмосфере. Влияние человека на круговорот углерода проявилось в том, что с развитием индустрии и сельского хозяйства поступление СО2 в атмосферу стало расти за счет антропогенных источников. Разведанные запасы горючих ископаемых (угли, нефть, битумы, торф, сланцы, газы) содержат около 1•1013 т углерода. Главная причина увеличения содержания СО2 в атмосфере – это сжигание горючих ископаемых, однако, свой вклад вносят и транспорт, и уничтожение лесов. При уничтожении лесов содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древесины, за счет снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы (если на месте лесов распахивают поля или строят города).

 

Круговорот азота. Воздух по объему почти на 80% состоит из молекулярного азота N2 и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента.

 

Поступление азота в атмосферу происходит: 1) в процессе денитрификации, т.е. биохимического восстановления оксидов азота до молекулярного газа N2; 2) с вулканическими газами и 3) с «индустриальными вулканами» (дымом, выхлопными газами). В водоемы соединения азота поступают: c поверхностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий; с подземными водами; с городскими и промышленными стоками; со сточными водами сельскохозяйственных производств.

 

Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в процессе азотфиксации благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и многих водорослей (прежде всего синезеленых), 2) в результате естественных физических процессов фиксации азота в атмосфере (электрические разряды при грозе и др.) и 3) в процессе промышленного синтеза NH3. Минеральные соединения азота (NH4+, NO2-, NO3-) потребляются растениями при фотосинтезе.

 

Поскольку продуктом разложения аминокислот независимо от путей расщепления является аммиак, то эта стадия называется аммонификацией. Выделившийся аммиак в природных условиях частично используется растениями как питательный материал, а частично окисляется, взаимодействуя с кислородом. Эта стадия превращений азота называется нитрификацией и протекает в две фазы в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий. Образовавшиеся при нитрификации нитриты и нитраты могут быть потенциальным источником кислорода в анаэробных условиях. Безазотистые органические вещества окисляются за счет нитритов и нитратов. При этом нитриты и нитраты восстанавливаются до газообразного азота, вновь поступающего в атмосферу. Этот процесс называется денитрификацией. В сточных водах часто образуются излишние количества нитритов и нитратов, которые могут вызвать нежелательное «цветение» воды в водоемах. Поэтому процессы денитрификации используются для глубокой доочистки сточных вод от минеральных форм азота. Азотфиксация (связывание молекулярного азота) – процесс, обратный денитрификации.

 

Осадочные циклы(фосфора, ртути)

Наибольшее значение имеет в биосфере круговорот фосфора.

Круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных биогенных элементов. В биотический круговорот фосфор поступает в процессе разрушения протоплазмы организмов и постепенно переходит в фосфаты. Особенность биогеохимического цикла фосфора заключается в том, что, в отличие от азота и углекислого газа, резервным фондом его является не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.

 

Поступление фосфора в круговорот происходит в основном: в процессе эрозии фосфатных пород (в том числе, гуано) и вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных. Образующиеся фосфаты поступают в наземные и водные экосистемы, где вновь могут потребляться растениями.

 

Потребляется фосфор растениями и животными для построения белков протоплазмы и в промышленном производстве удобрений и моющих средств.

 

Основные потери фосфора из круговорота происходят при сбросе промышленных, городских и сельскохозяйственных сточных вод в водоемы; при применении избыточных количеств фосфорных удобрений и фосфорсодержащих моющих средств.

Биогеохимический цикл ртути Hg – пример круговорота природного элемента, который почти не влиял на организмы до наступления индустриальной эры. Ртуть химически малоподвижна, а концентрации ее в природе невелики. Разработка месторождений и промышленное использование увеличили поток ртути в атмосферу. Соответственно увеличился и ее сток с поверхностными водами. Увеличение содержания ртути, как, впрочем, и других тяжелых металлов (кадмия, меди, цинка, хрома), в окружающей среде стало серьезной проблемой. В результате разработки отложений и увеличения выбросов ртути возрастает ее количество в почвах, воде, живых организмах. При этом микроорганизмы, участвующие в круговороте, превращают ее нерастворимые формы в растворимую, очень подвижную и очень ядовитую – метилртуть. Рыбы и моллюски накапливают метилртуть до концентраций, опасных для человека, использующего их в пищу.

 

Возврат веществ в круговорот.

 

Основные пути возвращения веществ в кругооборот.

Непосредственные выделения животных и человека без предварительного разложения бактериями.

 

Микробное разложение органических остатков – детрита – редуцентами. Бактерии и грибы – основные агенты регенерации элементов этим путем.

 

Возвращение веществ в круговорот благодаря жизнедеятельности организмов, живущих в симбиозе с растениями. Это могут быть бактерии, микроскопические грибы, водоросли, лишайники, другие растения.

 

Поступление в круговорот элементов и веществ в результате физических процессов, движимых солнечной энергией, т.е. в результате выветривания, эрозии, с потоками воды и т.д.

 

Поступление элементов в биохимические циклы, связанные с деятельностью человека и затратами энергии ископаемого топлива. Таким путем возвращаются в круговорот опресненная морская вода, биогенные элементы в виде удобрений, металлы, другие ценные вещества, извлекаемые из отходов, и т.д. На возврат веществ в круговорот всегда затрачивается энергия. Для первых трех путей энергия поступает из органических веществ, для четвертого – от Солнца, для пятого – от топлива.

 

 

Экосистемы.

Основной объект экологии – экологическая система, или экосистема– пространственно определенная совокупность организмов разных видов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.

Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А. Тенсли (1935). Различают водные и наземные экосистемы.

 

В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент – биотоп, или экотоп – пространство, участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями, и биотический компонент – сообщество, или биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов.

 

Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов: абиотическими – компонентами неживой природы и биотическими – компонентами живой природы.

 

Абиотические компоненты – это следующие основные элементы неживой природы:

 

– неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, кислород, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

 

– органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.);

– воздушная, водная или твердая среда обитания;

– климатический режим и др.

 

Особое значение для выделения экосистем имеют трофические, т.е. пищевые взаимоотношения организмов, регулирующие всю энергетику биотических сообществ и всей экосистемы в целом. Прежде всего все организмы делятся на две большие группы – автотрофы и гетеротрофы.

 

Биотические компоненты состоят из трех функциональных групп организмов. Первая группа организмов - продуценты (создающий, производящий), или автотрофные организмы (пища). Они подразделяются на фото- и хемоавтотрофов.

 

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основ-ном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии.

 

Хемоавтотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты.

 

Вторая группа организмов - консументы (потреблять), или гетеротрофные организмы (пища), осуществляют процесс разложения органических веществ.

 

Эти организмы используют органические вещества в качестве источника и питательного материала и энергии. Их делят на фаготрофов (пожирающий) и сапротрофов (гнилой).

 

Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся, в основном, крупные животные - макроконсументы.

 

Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.

 

Третья группа организмов – редуценты (возвращающий). Они участвуют в последней стадии разложения – минерализации органических веществ до неорганических соединений (СО2, Н2О и др.). Редуценты возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. К редуцентам относятся, главным образом, микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) – микроконсументы.

 

Роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без редуцентов в биосфере накапливались бы груды органических остатков; иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем, прекратилась бы.

 

Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трех основных составляющих: сообщества, потока энергии и круговорота веществ.

 

Часто экосистему выделяют внутри естественных границ. Например, границей озера служит береговая линия, а границами города - административные границы. Но эти границы могут быть и условными.

 

С точки зрения пространственной структуры, в природных экосистемах можно выделить два яруса: верхний, автотрофный ярус, или «зеленый пояс» Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл; здесь преобладают фиксация света, использование простых неорганических соединений и накопление солнечной энергии в сложных фотосинтезируемых веществах; нижний, гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами и донными осадками, в которых преобладают процессы разложения мертвых органических остатков растений и животных.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: