Круговорот углерода и кислорода.

3.1 Общие положения и расчёты

3.2 Процессы минерализации: образование двуокиси углерода

и восстановление кислорода

3.3 Изъятие углеводорода из круговорота в виде неорганических отложений

3.5 Микроорганизмы, участвующие в круговороте углерода и кислорода

 

 

1. Основные понятия и представления биогеохимии

Один из великих микробиологов Луи Пастер писал: «Микробы — бесконечно малые существа, играющие в природе бесконечно большую роль». Роль и значение микроорганизмов в глобальных геохимических процессах исследуется в рамках отдельной научной дисциплины - биогеохимии.

Cлайд №3. Биогеохимия — наука, изучающая жизнедеятельность организмов в качестве ведущего фактора миграции и распределения масс химических элементов на Земле. Основоположник биогеохимии — выдающийся естествоиспытатель и мыслитель XXв. В.И. Вернадский. Теоретическую основу биогеохимии составляет учение о живом веществе и биосфере.

1.1 Живая материя

При огромном разнообразии размеров, морфологии и физиологии живых организмов (в том числе, микроорганизмов) общим условием их существования является обмен веществ со средой обитания. Несмотря на то, что живые организмы составляют ничтожную часть массы наружных оболочек Земли, суммарный эффект их геохимической деятельности с учетом фактора времени имеет важное значение. Организмы, поглощая химические элементы селективно, в соответствии с физиологическими потребностями, вызывают в окружающей среде биогенное разделение элементов. Не меньшее значение имеет геохимия метаболизма. Газообразные метаболиты, поступая в атмосферу, постепенно изменяют ее состав. Жидкие метаболиты и продукты отмирания влияют на кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные свойства природных вод, которые преобразуют верхнюю часть литосферы: извлекают из нее определенные химические элементы формируют химический состав Мирового океана и осадочных горных пород.

Биомасса живых организмов составляет по весу не больше 0, 1% земной коры, в нее входят практически все основные элементы таблицы Менделеева: макроэлементы С, Н, О, N, S, Р, Са, Мg, К, Na, Fe, Cl — в больших концентрациях, чем в земной коре, а микроэлементы, например Al, Zn, Mn, Сu, Si (кремний), Br (бром), I (йод), As (мышьяк) — обычно лишь в следовых количествах, хотя они тоже жизненно необходимы.

1.2 Биосфера

Слайд №3 (продолжение). К общим условиям существования живых организмов относятся наличие воды, некоторых химических элементов (так называемых биогенных) и поступление лучистой энергии в диапазоне температур от минус 50 до +50°С. Поэтому, жизнь возможна только в тонком слое между земной корой и атмосферой — в биосфере.

Термин биосфера был введен в научный лексикон австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1831 — 1914) в 1875 г. Этим термином Э.Зюсс обозначил сферу обитания организмов. В.И.Вернадский разработал представление о биосфере как о наружной оболочке Земли, охваченной геохимической деятельностью живого вещества.

Слайд №4. В современном понимании биосфера не среда жизни, а гло­бальная система, где в неразрывной связи существуют, с одной стороны, инертное вещество в твердой, жидкой и газообразной фазах, а с другой — разнообразные формы жизни и их метаболиты. Биосфера представляет собой единство живой материи и верхнего слоя коры Земного шара.

1.3 Биогеохимические процессы

Важное место в системе биосферы занимают процессы взаимодействия между живой метерией и инертным веществом Земли. Это взаимодействие происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массообмена химических элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность живых организмов, благодаря им биосфера имеет и поддерживает определенную, как ее называет В.И.Вернадский, «геохимическую организованность».

Слайд №5. Эти процессы, осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов, были названы Вернадским биогеохимическими.

1.4 Биогеохимические круговороты

Практически все вещества земной коры с разной скоростью проходят через живые организмы. Существуют биогеохимические круговороты газового типа с очень протяженными в пространстве и очень подвижными резервуарами в атмосфере или океанах (циклы О₂, С0₂, Н₂0, N₂) и круговороты осадочного типа с менее протяженными резервуарами в земной коре (Fe, Р, Са). Биологически важные элементы С, О, Н, N и S могут в виде газообразных биогенных соединений (Н₂0, СО₂, Н₂, NH₃ H₂S) присутствовать в атмосфере и при необходимости использоваться живыми организмами.

Слайд № 6. Атмосфера представляет собой огромный резервуар азота, используемый азотфиксирующими бактериями и синезелеными водорослями для синтеза аммиака (NH₃) и в дальнейшем аминокислот, а денитрифи­цирующие бактерии возвращают азот (N₂) из нитратов почвы в атмосферу. Аммиачный азот, высвобождаемый при разложении органических веществ микроорганизмами, если он не поглощается тут же растениями в виде ионов аммония, окисляется нитритными и нитратными бактериями до нитрата, пригодного только для растений. Небольшие потери азота в результате осадконакопления в крупных водоёмах компенсируются поступлением NH₃ (аммиака), из вулканов с возвратом из морских осадков через цепи организмов. Но изъятие больших количеств биомассы при сборе урожая и ее реминерализация микроорганизмами в других местах разрывают круговорот азота и делают необходимым внесение азотных удобрений на сельскохозяйственных площадях.

1.5 Цикличность биогеохимических процессов

С самого начала изучения взаимодействия живых организмов с окружающей средой было обнаружено, что процессы биогенного массообмена имеют циклический характер. Исследования последних десятилетий показали, что жизненные циклы отдельных организмов и их групп сочетаются с циклическими процессами, обусловленными геофизическими и космическими причинами: вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, перемещением Солнечной системы в Галактике и др.

Слайд №7. Циклы массообмена различной протяженности в пространстве неодинаковой длительности во времени образуют динамическую систему биосферы.

В. И. Вернадский считал, что история большинства химических элементов, образующих 99, 7% массы биосферы, может быть установлена лишь с учетом круговых миграций. Он специально отметил, что «эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть элементов неизбежно и постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т.е. круговой процесс не является вполне обратимым».

Неполная обратимость мигрирующих масс и несбалансированность миграционных циклов допускают определенные пределы колебания концентрации мигрирующего элемента, но в то же время обеспечивают вывод избыточного количества элемента из данного цикла.

 

2. Микроорганизмы как агенты, вызывающие геохимические изменения

Исторические аспекты

В конце прошлого века интерес микробиологов был сосредоточен в основном на роли, микроорганизмов как возбудителей инфекционных болезней. Но некоторые ученые продолжали развивать исследования, начатые Пастером, по изучению процессов брожения. Эти исследования ясно показали, что микроорганизмы могут служить специфическим агентами, вызывающими химические превращения в очень больших масштабах, и что мир микробов участвует во многих геохимических процессах.

Слайд №8. Установление важной роли микроорганизмов в биологи­ческих круговоротах веществ на Земле — круговороте углерода, азота и серы — это результат работы двух исследователей: С.Виноградского и М.Бейеринка. В отличие от животных и растений микроорганизмы чрезвычайно разнообразны по своей физиологии. Многие их группы специализированы и способны осуществлять химические превращения, совершенно недоступные «ни растениям, ни животным; тем самым они играют крайне важную роль в круговороте веществ на Земле».

Примером такой физиологической специализации микробов могут служить открытые Виноградским автотрофные бактерии. Эти бактерии могут расти в минеральных средах, получая необходимую для роста энергию путем окисления восстановленных неорганических соединений и используя в качестве источника углерода углекислоту. Виноградский обнаружил, что есть несколько различных групп автотрофных бактерий, каждая из которых способна использовать какие-то определенные минеральные вещества в качестве источника энергии; так, например, серные бактерии могут окислять неорганические соединения серы, а нитрифицирую­щие бактерии — неорганические соединения азота.

Другое открытие, сделанное Виноградским и Бейеринком, касается роли микробов в фиксации атмосферного азота, который большинство живых организмов (растения и животные) в качестве источника азота использовать не могут. Эти исследователи показали, что определенные бактерии, из которых одни — симбионты высших растений, а другие — свободноживущие формы, могут использовать газообразный азот для синтеза своих клеточных компонентов. Эти микроорганизмы пополняют запасы связанного азота, в котором нуждаются все другие формы жизни.

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: