КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА

Земля - единственная планета с таким количеством кислорода. Кислород - необходимое условие существования живого. Весь свободный кислород имеет фотосинтетическое происхождение.

Растительный покров ежегодно выделяет в процессе фотосинтеза около 430-470 млрд.тонн кислорода.

Кислород входит во все биологические соединения. Он обеспечивает дыхание всему живому. В связи с тем, что кислород входит в состав очень многих неорганических (вода, углекислота, карбонаты...) и органических соединений ( в живом веществе в расчете на сырую массу кислород составляет около 70%) его круговорот достаточно сложен. Основные две ветви круговорота - образование при фотосинтезе и поглощение в процессе дыхания.

За счет кислорода образовался озоновый экран. (верхняя ветвь). Нижняя - участие кислорода в создании окислительно-восстановительных процессов, окисление окиси углерода появлявшегося в результате вулканической деятельности, накопление сульфатных осадочных пород и т.д. Везде участвует молекулярный кислород фотосинтеза.

В настоящее время наибольшее влияние на круговорот оказывает деятельность человека. Человечество ежегодно потребляет около 1.1010 т. молекулярного кислорода. Огромный расход кислорода происходит за счёт автомобилеё, автотранспорта, теплоходов и т.д.

Основные условия сохранения постоянства газового состава атмосферы - расширение площадей, занимаемых зеленой растительностью, повышение ее фотосинтетической деятельности и продуктивности.

КРУГОВОРОТ АЗОТА

Азот входит в состав большинства биологических важных органических вещества, всех живых организмов: белков, нуклеиновых кислот, мутопротеидов, ферментов, хлорофилла и т.д. Атмосфера состоит из 79% азота и все же его часто не хватает для живых организмов. Газообразная форма азота в биосфере химически малоактивна и не может непосредственно использоваться высшими растениями и животным миром. Растения усваивают азот из почвы в виде ионов аммония или нитратных ионов, т.е. используется так называемый фиксированный азот.

Поступление соединений азота в доступной форме для растений - осуществляется в результате небиологической фиксации азота (образование окислов азота и аммиака);

- в процессе ионизации атмосферы космическими лучами;

- при сильных электрических разрядах во время гроз;

В почву и водные бассейны аммонийный и нитратный азот попадает с атмосферными осадками, причем содержание нитратов в последних зависит от интенсивности и частоты гроз. Например, на экваторе, где достаточно часто происходят грозы, атмосферные осадки содержат около 2-3 мл/л азотной кислоты, в умеренных широтах -кислорода примерно в десять раз меньше. В атмосферных осадках может быть и нитратная и аммиачная формы азота. В среднем 1 км2. ЗП получает с атмосферными осадками за год около 1 тонны фиксированного азота.

И все же биологическая фиксация атмосферного азота значительно преобладает над небиологической природной фиксацией. Это прежде всего почвенные микроорганизмы и организмы живущие в симбиозе с высшими растениями.

Свободноживущие в почве азотфиксирующие аэробные бактерии способны осуществлять фиксацию молекулярного азота атмосферы за счет энергии, получаемой при окислении органических веществ почвы в процессе дыхания в конечном итоге связывая его с водородом и вводя в виде аминогруппы (-NН2) в состав аминокислот своего тела. Тоже способны делать анаэробные бактерии. Отмирая и те, и другие обогащают почву органическим азотом. Точных количественных данных нет, но считают, что в течение года на 1 км.кв. вносится от 0,2 до 2,5 т. фиксированного азота.

Наиболее эффективно фиксируют азот клубеньковые бактерии (в клубнях бобовых растений). Именно они снабжают растение – хозяина доступным азотом. А бобовых, как известно, 13 тыс., поэтому роль их в поддержании круговорота азота очень велика. Например, в посевах клевера, люцерны и др. бобовых содержание азота достигает 150-400 кг/га в год (15-40 т/км.кв).

Помимо бобовых это свойство характерно и для других растений (ольха, облепиха). Биологическая фиксация присуща и некоторым фотосинтезирующим организмам (сине-зеленым водорослям и фотосинтетическим бактериям). Сине-зеленые водоросли особую роль играют в обогащении азотом рисовых полей.

Большая роль в азотном балансе почв принадлежит промышленной фиксации атмосферного азота человеком.

Усваивая азот, растения используют его для построения своего тела. Через растения обогащается азотом весь животный мир и все человечество. После отмирания - этот азот используется в трофических цепях биопродуцентов. Конечный этап этоих цепей является деятельность аммонифицирующих микроорганизмов, которые разлагают азот, содержащий в органических веществах (аминокислоты, мочевина) с образованием аммиака.

Часть органического азота превращается в гумусовые вещества, битумы и компоненты осадочных пород.

Аммиак ( в виде аммонийного иона) снова поступает в корневую систему или может быть использован в процессах нитрофиксации. Микроорганизмы используют энергию окисления аммиака до нитритов и нитритов до нитратов для обеспечения всех процессов жизнедеятельности. Это окисление может быть представлено:

2NН3 +ЗО2 2НN02 + 2Н2 0 + 600 кдж(148 ккал)

2НN02 +02 2НN03 + 198 кдж (48 ккал)

Нитраты, образовавшиеся в процессах нитрификсации,вновь поступают в биологический круговорот, поглощаются из почвы или (если это воде) - фитопланктоном и фитобентосом.

В засушливых районах могут накапливаться много нитрата натрия как результат образуются солончаковые почвы,. Много нитратов имеется в птичьем помете, разлагаясь который образует гуано ; т.е. это и есть продукт разложения в условиях соответсвующего климата (Южная Америка, Карибское море и т.д.).

Есть организмы, способные восстанавливать нитраты и нитриты до молекулярного азота. Это - денитрификаторы. Они при недостатке кислорода (в почве или воде) используют кислород нитратов для окисления веществ:

5 С6 Н12 06 + 24 КN03 = 24КНСО3 + 6С02 + 12N2 + 18Н2 0+энергия

(глюкоза)

Но денитрификация имеет подчиненное значение в круговорот азота т.к.

Таким образом, живое вещество снова играет исключительную роль в круговороте. Жаль, что мы мало об этом знаем. А надо знать, т.к. человек оказывает все большое значение в круговороте этого вещества. Добиваясь увеличения с/х продукции, человечество должно принимать меры к сохранению равновесия азота.

КРУГОВОРОТ ФОСФОРА, СЕРЫ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ КАТИОНОВ

Углерод, кислород, водород и азот в биологических круговоротах образуют газообразные соединения. Следовательно, существуют значительные миграционные способности этих в атмосфере. Для всех остальных - кроме серы, нехарактерно образование газообразных образований. Миграция этих элементов происходит в основном в виде ионов и молекул, растворенных в воде.

Фосфор усваивается растениями в виде ионов фторофосфорной кислоты (РО4). Круговорот фосфора незамкнутый. После поглощения растениями фосфор по трофическим цепям в конечном итоге снова поступает в почву. Основное количество фосфора вновь поглощается корнями, но часто вымывается со стоками дождевых вод из почвы в водные бассейны.

В естественных условиях часто недостает фосфора, т.к. он в щелочной и окисленной среде находится в нерастворимых соединениях.

Большое количество фосфатов содержит ряд горных пород. Часть фосфора из них поступает в почву, часть перерабатывается на удобрения, а много выщелачивается и вымывается в гидросферу, где его влияние сказывается на фитопланктоне и других организмах.

В Мировом океане - потери фосфора идут за счет отложения органически остатков на больших глубинах. Т.к. фосфор мигрирует с водой из литосферы в гидросферу, возврат в литосферу осуществляется только биологическим путем: потребление рыбы морскими птицами (образование гуана), использование бентоса и рыбной муки в качестве удобрения и т.д. Фосфор считается дефицитным для растений.

Сера входит в состав серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метинина) и ряд других важных молекул. Эти аминокислоты поддерживают структуру белковых молекул.

Сера усваивается растениями только в окислительной форме в виде иона SО4. В растениях сера восстанавливается и входит в состав аминокислот в виде сульфгидрильных ( - SН) и дисульфидных (-S -S -) групп.

Животные организмы усваивают только восстанавливающую серу, включенную в состав органических веществ. После отмирания и тех и других происходит возврат серы в почву, где снова микроорганизмами идет ёё преобразование.

В аэробных условиях микроорганизмы окисляют органическую серу до сульфатов. А последние снова с помощью корней растений включаются в круговорот. Часть сульфатов включается в водную миграцию и выносится из почвы. В гумусовых образования или образованиях богатых гумусом сера находится в органических соединениях и не вымывается. В анаэробных условиях при разложении органических веществ образуется сероводород. При наличии сульфатов и органических веществ в бескислородной среде активизируется деятельность сульфатредуцирующих бактерий. Они используют кислород сульфатов для окисления органических веществ и получают необходимую энергию:

2СН2 0+2Н+ + S04 = Н2 S + 2СО2 + 2Н2 О + 58 кдж (14 ккал).

Сульфатредуцирующие бактерии распространены в подземных водах, илах и застойных морских водах. Сероводород - яд для живых организмов, поэтому в таких средах почти нет жизни. Это, например, Черное море ниже 200 м. Поэтому хорошо, когда идет окисление сероводорода до сульфатных ионов, т.е. сера переходит в доступную форму (сернокислых солей). Это осуществляется в природе за счет серобактерий (бесцветных, зеленых и пурпурных). Таким образом, в превращении серы огромная роль также принадлежит живым организмам.

Мировой океан - главный накопитель серы т.к. в него из почвы непрерывно поступают сульфатные ионы. Часть ее возвращается на сушу через атмосферу. Это происходит так:(механизм) поступление в воздух, окисление его до двуокиси серы, растворение последней в дождевой воде с образованием серной кислоты и сульфатов и попадание в почву.

Хозяйственная деятельность человека усиливает круговорот серы в биосфере. Человек извлекает из литосферы и гидросферы значительное количество сульфатов для промышленности и с/х. Добывает элементарную серу и сульфиды.

При сжигании каменного угля, нефтепродуктов, переработки серы - в воздух идет окись серы. Это вредно для всего т.к. окись серы при окислении и растворении превращается в серную кислоту. Идет обогащение почв сульфатами и одновременно коррозия и др. Как важный экологический вывод - необходимость совершенствования производственных процессов.

Среди других макро - микроэлементы необходимы для осуществления жизненных процессов (кроме уже названных) необходимо отметить неорганические .

В водной среде растения получают катионы металлов из окружающей среды. На суше главным источником неорганических катионов служит почва, которая получила их от разрушения материнских пород. Идет передвижение катионов в листья и другие органы. Некоторые (магний, железо, медь и др.) входят в состав биологически важных молекул (хлорофилла, ферментов); другие оставаясь в свободном виде, участвуют в поддержании необходимых коллоидных свойств протоплазмы клеток и выполняют иные разнообразные функции.

При отмирании неорганические катионы в процессе минерализации органических веществ возвращаются в почву. Но эти процессы не непрерывны из-за выщелачивания и выноса катионов металлов с дождевыми водами, за счет отторжения и выноса органического вещества человеком при возделывании с/х растений, рубке леса, скатывании трав и т.д.

Выщелачивание особенно интенсивно происходит во влажных районах жаркого пояса из-за обильных дождей и низкой поглотительной способности почв (мало гумуса) и здесь равновесие этих элементов поддерживать трудно. В умеренных широтах - где много гумуса и меньше осадков, выщелачивание происходит слабее.

Экологически важный вывод - требуется рациональное хозяйствование для поддержания баланса неорганических катионов.

Таким образом рассматриваемые круговороты очень сложны. Многие механизмы до сих пор ясны не в полной мере. Все круговороты тесно взаимосвязаны и образуют сложную, неделимую систему - единый биологический круговорот веществ планеты -Земля. Она охватывает всю биосферу и даже выходит за ее пределы, т.к. в нем участвуют вещества из участков атмосферы и литосферы, лежащих за пределами самой биосферы.