Круговорот веществ и энергии в географической оболочке

Растительные белки употребляются  животными и человеком в пищу. В их организмах белки расщепляются до аминокислот и мочевины, выделяющейся затем во внешнюю среду. После  отмирания организмов гнилостные (аммонифицирующие) бактерии разлагают азотсодержащие соединения до аммиака, а хемосинтезирующие (нитрифицирующие) бактерии переводят аммиак в соли азотистой и азотной кислот, которые вновь могут быть усвоены растениями. Эти реакции идут с выделением энергии, которая используется нитрификаторами для образования АТФ и синтеза органических соединений. Поэтому процессы нитрификации иногда называют "азотным дыханием".

Процесс связывания молекулярного азота живыми организмами  называется азотфиксацией, а организмы, способные его усваивать - азотфиксирующими, или азотфиксаторами. Нитрификаторы - группы бактерий, которые переводят аммиак в нитриты и нитраты. Бактерии денитрификаторы разрушают белки и другие азотсодержащие вещества до молекулярного азота, который возвращается в атмосферу.

Денитрифицирующие бактерии разлагают аммиак до свободного азота. Результатом является обеднение  почвы и воды соединениями азота  и пополнение молекулярным азотом атмосферы. Некоторое количество соединений азота оседает в глубоководных отложениях и надолго (миллионы лет) выключается из круговорота. Эти потери компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами. Так замыкается круговорот азота.

Деятельность азотфиксирующих  и денитрифицирующих бактерий взаимно  уравновешивает друг друга. Поэтому  количество атмосферного азота, связываемого азотфиксаторами, приблизительно равно  его количеству, возвращаемому денитрификаторами в атмосферу, что позволяет поддерживать запасы азота в биосфере на постоянном уровне. Период круговорота всего запаса азота в биосфере оценивается приблизительно в 1000 лет.

Сельскохозяйственная деятельность человека, направленная на получение  высоких урожаев сельскохозяйственных культур, изменяет баланс азота в  биогеоценозе за счет внесения в почу азотных удобрений. Это могут быть как органические удобрения - торфокрошка, перегнившая листва, продукты жизнедеятельности живых организмов (гуано - экскременты птиц), так и минеральные удобрения (суперфосфат, аммиачная селитра и др.), промышленное производство которых постоянно растет.

Широкое и в ряде случаев  неправильное применение минеральных  удобрений (азотных, фосфорных, калийных) в сельском хозяйстве приводит к  вымыванию их атмосферными осадками и грунтовыми водами из почвы в  водоемы. Особенно большое количество соединений азота накапливается  в стоячих водоемах - прудах, малопроточных  озерах, а также в колодцах, берущих  воду из самого верхнего водоносного  слоя, повышая предельно допустимую концентрацию азота в питьевой воде.

Эвтрофикация (эвтрофирование) - увеличение продуктивности водных экосистем в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или природных факторов

Повышение содержания биогенных  элементов в водоеме приводит к их эвтрофированию, интенсивному развитию в них автотрофных организмов, в первую очередь планктонных водорослей. Ее наглядным примером является цветение водоемов, что имеет такие неприятные последствия, как снижение рекреационных свойств водоемов, ухудшение качества воды, гибель многих видов водных организмов, в том числе рыб. Поэтому в последние годы разрабатываются нетрадиционные методы увеличения содержания азота в почве:

• Налажено выращивание ряда штаммов азотфиксирующих бактерий на заводах белково-витаминных препаратов. Их концентрированную культуру в сочетании с минеральными удобрениями вносят в почву или добавляют в корм скоту.
• Делаются эксперименты по внедрению генов азотфиксирующих бактерий, которые регулируют фиксацию азота, в другие виды почвенных бактерий.
• Проводятся исследования по выведению штаммов азотфиксирующих бактерий, которые могли бы развиваться на корнях культурных растений, например, злаковых, и крестоцветных и пасленовых.

Круговорот воды.   В количественном отношении вода самая распространённая неорганическая составляющая живой материи. В трех агрегатных состояниях она присутствует во всех составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере и литосфере. Если воду, находящуюся в различных гидрогеологических формах, равномерно распределить по соответствующим областям земного шара, то образуются слои следующей толщины:

• для Мирового океана 2700 м,
• для ледников 100 м,
• для подземных вод 15 м,
• для поверхностных пресных вод 0,4 м,
• для атмосферной влаги 0,03 м.

Круговорот воды - это  замкнутый цикл, который может  совершаться и в отсутствии жизни, но живые организмы видоизменяют его.

Основную роль в циркуляции и биогеохимическом круговороте  воды играет атмосферная влага, несмотря на относительно малую толщину её слоя. Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоемов и воздушными течениями переносится  на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она расходуется на просачивание (инфильтрацию), испарение и сток.

Просачивание особенно важно  для наземных экосистем, так как  способствует снабжению почвы водой  и, способствуя разрушению горных пород, делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и  животных. В процессе инфильтрации вода, размывая верхний почвенный слой, вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами, поступает в водоносные горизонты, подземные реки, моря и океаны.

Испарение воды происходит двояким способом: значительное количество воды выделяют сами растения своей  листвой после извлечения ее из почвы; другая часть воды испаряется с поверхности  почвы. Суммарное испарение (деревья  и почва) играют главную роль в  круговороте воды на континентах.

Сток воды - процесс стекания дождевых, талых и подземных вод  в водоемы происходящий по земной поверхности (поверхностный сток) и  в толще земной коры (подземный  сток). Сток также является составным  звеном влагооборота на Земле и состоит из трех фаз: половодье, паводки, межень. Особенностью стока является его изменчивость в пространстве и во времени. Различают русловой и склоновый стоки. При уменьшении плотности растительного покрова сток становится основной причиной эрозии почвы.

Вода участвует и в  биологическом цикле, являясь источником кислорода, который поступает в  атмосферу и водорода, который  фиксируется в виде органических соединений. Однако фотолиз воды в  клетках растений при фотосинтезе  не играет существенной роли в процессе круговорота. Также не играет существенной роли потребяемая животными вода, которая выделяется во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.

Круговорот серы.

Содержание
в органической природе	в неорганической природной среде
в составе белков, витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты	в изверженных горных породах в виде сульфидных минералов: пирита, пирронита, халькопирита в осадочных породах (глинах) и глубоководных отложениях в виде гипсов в ископаемых углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов в почве находится преимущественно в форме сульфатов в нефти встречаются органические соединения серы Среднее содержание серы в  земной коре оценивается в 0,047 %. В  природе этот элемент образует свыше 420 минералов.
Сера представляет собой  исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует  в разных валентных состояниях в  зависимости от окислительно-восстановительных условий среды.

Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде сероводорода, диоксида серы и частиц сульфатных солей. Техногенные выбросы  серы в атмосферу (в основном в  виде оксилов) происходят при сгорании органического топлива. В атмосфере протекают реакции, приводящие к кислотным осадкам:

2SO₂ + O₂ --> 2SO₃ ,  
SO₃ + H₂O --> 2H⁺ + SO₄^2-.

Со стоками воды сера попадает в Мировой океан и поглощается  морскими обитателями. Особенно много  серы накапливается в моллюсках. Круговорот серы в морях происходит благодаря сульфатредуцирующим  бактериям. Некоторые из них накапливают  серу в своих организмах, а после  гибели бактерии вся сера остается на дне океана.

На континентах круговорот серы происходит благодаря растениям. Хемосинтезирующие бактерии, способные получать энергию путем окисления восстановленных соединений серы, переводят серу в доступную для усвоения растениями форму. В растениях синтезируются серосодержащие аминокислоты – цистеин, цистин, метионин, поступающие в пищу. При отмирании растений сере вновь переходит в почву, где бактериями органическая серы восстанавливается до мнеральной, а затем вновь окисляется до сульфатов, которые поглощаются корнями растений. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода (рис. 77).

Круговорот фосфора.

Содержание фосфора
в органической природе	в неорганической природной среде
в составе нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), жиров, костей и зубов	в изверженных, горных и осадочных породах
Запасы фосфора, доступные  живым существам, полностью сосредоточены  в литосфере и не превышают 1%, что лимитирует продуктивность экосистем.

Из пород земной коры неорганический фосфор частично вымывается осадками и попадает в речные системы, моря и океаны, а частично поглощается  растениями, которые при его участии  синтезируют различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. По пищевым  цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. Затем органические фосфаты вместе с выделениями или трупами  возвращаются в землю, где снова  подвергаются воздействию микроорганизмов  и превращаются в формы, употребляемые  зелёными растениями. Круговорот здесь  проходит в естественных оптимальных  условиях с минимумом потерь.

В водных источниках, в связи  с постоянным оседанием органических веществ, часть фосфора оседает  в глубоководных отложениях и  выключается из круговорота до тектонических  подвижек, способных поднять осадочные  породы к поверхности. Другая часть  фосфора включается в круговорот, способствует развитию фитопланктона  и живых организмов и благодаря  вылову рыбы в незначительных количествах  возвращается на сушу.

Кроме того, большое влияние  на кругооборот фосфора оказывает  деятельность человека. Добыча большого количества фосфатных руд для  минеральных удобрений приводит к уменьшению количества фосфора в одном биогеоценозе и увеличивает в другом. Стоки с полей, ферм и коммунальные отходы, содержащие фосфор из моющих средств, приводят к увеличению фосфат-ионов в водоемах, к резкому росту водных растений и нарушению равновесия в водных экосистемах.

Круговорот радиоактивных  веществ

С 1944 года человек начал  вводить в биогеохимический круговорот радиоактивные вещества. Значение некоторых  из них можно проиллюстрировать  на примере стронция-90. В цикле  образования и эрозии осадков  стронций перемещается вместе с кальцием. Кальций составляет 7% материала, переносимого реками. Стронций попадает вместе с  кальцием в систему биологического круговорота. На Крайнем Севере, где  выпадало большое количество радиоактивных  осадков, лишайники поглощают почти 100% радиоактивных частиц, падающих на землю. Северные олени, питающиеся лишайниками, концентрируют стронций в своем  организме, а затем он накапливается  в тканях людей, употребляющих в  пищу мясо этих животных; в организме  некоторых людей уже сейчас содержится 1/3-1/2 допустимой дозы стронция. Эта  проблема существует и в других районах. В Европе и Северной Америке отмечено неуклонное повышение содержания стронция в костях у детей и взрослых, получивших его с молоком от коров, которые в свою очередь получили его от растений. Накопление радиоактивных  изотопов в организмах часто используют для определения трофических  связей организмов в сообществах.