Круговорот углерода, азота, фосфора, кислорода,воды

Круговорот углерода

Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО3. Лишь около 10 000 млрд т углерода находится в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). В неживой органике углерода: в океане — 3000 млрд т, в почве — 700 млрд т. Содержание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения — 450, поверхностные слои моря — 500, фито-, зоопланктон и рыбы — 1020. В атмосфере воздуха в виде СО2 — около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО2 воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

В процессе фотосинтеза СО2 превращается в сахара, жиры и другие вещества. Например:

6CO2 + 6H2O + hv— С6H12O6 + 6O2. (1.1)

Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыхания животных и растений (около 10 млрд т), разложения организмов в почве (в виде СО2, углеводородов, меркаптанов; около 25 млрд т). Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмосферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.; 5 млрд т) и природный его диоксид — при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускаются на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбонатные осадочные породы, а неразложившееся органическое вещество — ископаемое углеродное топливо. Обмен СО2 воздуха с поверхностными морскими водами составляет: растворение в воде 100 млрд т, выделение из воды — 97 млрд т.

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организмами: а) потребление СО2 в процессе фотосинтеза органических веществ, б) выделение СО2 при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма. Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СО2 на суше и основным хранилищем биологически связанного углерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топливо, что исключает углерод из оборота на длительное время миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО2 в результате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.

Круговорот азота

Океан воздуха, окружающий Землю, содержит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: получение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез оксидов азота в атмосфере грозовыми разрядами — 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами — 30, бобовыми — 14, синезелеными водорослями — 10; синтез азотных удобрений человеком — 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нитратов используется растениями для синтеза протеинов, являющихся составной частью всех клеток растительных и животных организмов. Содержание азота в тканях около 3%. Протеины при отмирании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты. Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется.

Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с участием бактерий Nitrosomonos (реакция нитрификации):

NH3 + 1,5O2 — HNO2 + H2O + 273 кДж/моль. (1.2)

Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца. Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ. Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нитрификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в животные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СО2, Н2О, NH3. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде растворимых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенсируются соединениями азота из вулканических газов.

Денитрификация

Денитрификация — это процесс освобождения связанного азота посредством его восстановления с участием бактерий денитрификаторов. Например:

C6H12O6 + 8HNO2 — 6CO2 + 10H2O + 12N2 + 2394 кДж/моль (1.3)

Денитрификация идет в анаэробных условиях, т.е. в отсутствие кислорода как на суше (43 млрд т/год), так и в море (40 млрд т/год) с образованием 83 млрд т азота в год. На суше бактерии активны в почвах, богатых соединениями азота и углерода, особенно в навозе.

Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации (83 млрд т/год), в биосфере идет его накопление в количестве около 92 — 83 = 9 млрд т/год. Причина излишка — производство человеком избыточного количества азотных удобрений. Таким образом, круговорот азота нарушен на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами. Человечество ожидают новые осложнения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих отбросов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.

Круговорот фосфора

Значение фосфора для биосферы. Фосфор — составная часть важнейших для организмов органических соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав сложных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существенную роль в дыхании и размножении организмов. При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустойчивость растений, увеличивается в них содержание ценных веществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фосфор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кислоты — ионов Н2РО4-, НРО42-. В почве их образуют три группы усвояемых фосфорных соединений: природные, органические и промышленные.

В земной коре фосфора довольно много — около 0,1% по массе. Разведанные запасы фосфатного сырья составляют около 26 млрд т. Известно примерно 120 фосфорсодержащих минералов: апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния и др. Однако все они трудно растворимы в воде и, следовательно, малоэффективны. Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования — ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений составляет 20-60%. Промышленность выпускает фосфорные удобрения, которые хорошо усваиваются растениями. Это двойной суперфосфат Са(Н2РО4)2-Н2О, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцентами); б) потребление животными (консументами), редуцентами; в) дефосфорилирование. В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн т в год. Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложениях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс. т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Считается, что круговорот фосфора — единственный в природе пример простого незамкнутого цикла. Человек, производя фосфорные водорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн т в год апатита и фосфоритов. При таком расходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

Круговорот кислорода

Запасы кислорода в биосфере очень большие, примерно 50% ее массы. В ней он самый распространенный элемент. Основное количество связанного кислорода приходится на гидросферу и литосферу. В песке его около 53%, глине 56%, воде — 89%. Свободный кислород содержится в атмосфере в количестве 1 200 000 млрд т, что составляет лишь 0,01% его общего количества. Большая часть атмосферного кислорода — продукт фотосинтеза растений.

Схема круговорота кислорода: а) генерация растениями в процессе фотосинтеза (около 16 млрд т/год); б) потребление живыми организмами при дыхании; в) расход на окисление биогенного вещества.

Для высших форм жизни (растения, животные) пригодно аэробное дыхание — прямое окисление кислородом органики, например, глюкозы:

C6H12O6 + 6O2 — 6CO2 + 6H2O + 2880 кДж/моль. (1.4)

Большое количество энергии, которая выделяется при дыхании и окислении веществ в организме с участием кислорода, идет на поддержание жизнедеятельности высших организмов, которая требует значительных энергетических затрат, например, при перемещениях. Для низших организмов большое выделение тепла опасно. Они приспособились проводить окисление органики в анаэробных условиях (без О2) с помощью ферментов (см. выше).

Скорость круговорота кислорода в биосфере в нашу эпоху составляет около 2500 лет.

Небольшая часть кислорода постепенно уходит в осадочные породы: карбонаты, сульфаты. Однако эти процессы идут весьма медленно и в целом не влияют на главный круговорот атмосферного кислорода. Опасность представляет антропогенный фактор. Так, за последние 100 лет человеком при сжигании топлива изъято из атмосферы около 250 млрд т кислорода и добавлено около 380 млрд т СО2. Ежегодный прирост расхода кислорода человеком около 5%.

Круговорот воды

Воды на Земле много — 1,5 млрд км3, но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды — 29 млн км3 (75%) — находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около 13 млн км3 — в атмосфере, 1 млн км3 — в живых организмах. Лишь всего 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км3, представляют объем ежегодно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40-45 тыс. км3)

  1. испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца;

  2. перенос паров воды с воздушными массами;

  3. выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега;

  4. поглощение воды растениями и почвой,

  5. сток воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны. Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Земле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды — основы жизни, но и тепла, поглощающегося при испарении воды и выделяющегося при ее конденсации.

Круговорот воды в экосистемах

Здесь различают 4 фазы:

  1. перехват, т.е. поглощение воды листьями, кроной, до того как она достигнет почвы;

  2. эвапотранспирация: (лат. evaporatio — испарение, transpirere — испарение растениями) — отдача воды экосистемой в атмосферу за счет ее биологического испарения растениями и испарения с поверхности почвы;

  3. инфильтрация — просачивание воды в почву, затем перенос грунтовых вод и испарение;

  4. сток — потеря воды экосистемой за счет ее стока в ручьи, реки и затем в моря, океаны.

Величина эвапотранспирации — это сумма биологической тран-спирации воды растениями и испарения ее с поверхности почвы. В Европе она оценивается как 3-7 тыс. т/га в год, из них около 1 тыс. т/га за год воды испаряется с поверхности почвы.

Велика биологическая транспирации воды растениями, что необходимо для извлечения питательных веществ и поддержания температурного режима тканей. Так, за день одна береза испаряет 75 л воды, бук — 100 л, липа — 200 л, 1 га леса — 50000 л.

Коэффициент транспирации — количество воды, транспирируемое растением в сезон для создания 1 кг сухого вещества. Он весьма велик и составляет от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 т воды.

Пример схемы круговорота воды

Рассмотрим типичное распределение осадков, количество которых составило 770 мм/год.

Эвапотранспирация воды идет в объеме 400 мм/год и слагается из следующих видов (мм/год): перехват кронами — 10, транспирация растениями — 290, испарение с поверхности почвы — 100.

Поверхностный сток воды, равный испарению воды с поверхности моря, составляет 370 мм/год. Его слагаемые (мм/год):

  • подземный сток — 80

  • физическое испарение — 265

  • нужды человека — 25

Как видно из примера, растениями транспирируется почти 40% воды [« (290 / 770)-100%]. Однако на формирование биомассы используется лишь около 1% воды [« (10 / 770)-100%].

На бытовые нужды человеком расходуется порядка 3% воды.

В отличие от углерода, азота и фосфора вода проходит через экосистемы почти без потерь.

Статьи из той же категории