5) Круговорот кислорода

Круговорот кислорода – планетарный процесс, связывающий атмосферу, гидро- и литосферу через совокупную деятельность живых организмов.

Основные этапы круговорота:

1. производство кислорода при фотосинтезе фотоавтотрофами суши и океана;

2. производство кислорода при диссоциации Н2О и О3 в верхних слоях атмосферы под действием ионизирующего и ультрафиолетового излучения (незначительное количество);

3. потребление О2 при дыхании живых организмов;

4. потребление кислорода при почвенном дыхании (окислении органики почвенными микроорганизмами);

5. потребление О2 при горении и других формах окисления (извержение вулканов);

6. потребление кислорода на производство О3 в стратосфере;

7. участие в океанических преобразованиях гидрокарбонатов в составе СО2 и Н2О:

Весь О2 полностью проходит через живые организмы за 2 000 лет. Ежегодное производство кислорода фотосинтетиками Земли примерно 240 млрд. т. В океане кислорода в растворенном виде так же, как и СО2 гораздо больше, чем в атмосфере (от 2 до 8 г/л). Часть органического вещества захороняется, поэтому часть кислорода выводится из цикла.

6) Круговорот воды

Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека – по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны.

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса (рис. 1.3):

• Перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это – физическое испарение;

• Транспирация – биологическое испарение воды растениями, но не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т. е. экосистемная. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

• Инфильтрация – просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллодоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

• Сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

 

 

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.

7) Круговорот азота

Это пример сложного и хорошо забуференного круговорота газообразных веществ. На рисунке 2.4 представлены два способа изображения сложного круговорота азота, каждый из которых иллюстрирует какую-то общую особенность или движущую силу. В круговороте азота ключевую роль играют микроорганизмы. Именно они осуществляют основные типы обмена между организмами и средой.

Рис 2.4. Два способа изображения биогеохимического круговорота азота (по Ю. Одуму, 1975): А – циркуляция азота между микроорганизмами и окружающей средой при участии микроорганизмов, отвечающих за ряд ключевых этапов; Б – те же основные этапы, но расположенные таким образом, что соединения, богатые энергией, находятся вверху; это позволяет отличить этапы, требующие затрат энергии, от процессов, протекающих с высвобождением энергии

На схеме А показано, что азот протоплазмы переводится из органической в неорганическую форму в результате деятельности бактерий-редуцентов, каждый вид которых выполняет определенную работу. Часть азота в конечном счете переводится в аммиачную и нитратную формы, доступные для питания растений. Как известно, воздух почти на 79 % состоит из азота и представляет собой одновременно крупнейший резервуар и буфер системы. Благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий азот постоянно поступает атмосферу, а под действием азотофиксирующих бактерий возвращается в круговорот.

Схема Б иллюстрирует процессы, из которых складывается круговорот азота: фиксацию, ассимиляцию, нитрификацию, денитрификацию, разложение, выщелачивание, вынос, выпадение с осадками, и другие, а также оценки двух потоков, непосредственно связанных с деятельностью человека: выбросов в атмосферу и промышленной фиксации азота, соединения которого используются главным образом в качестве удобрений.

Так как содержание N2 в атмосфере резко не меняется, можно предположить, что приток и отток в целом уравновешивают друг друга.

На схеме Б представлены энергетические взаимоотношения в круговороте азота. Ступенчатый процесс разложения белков до нитратов служит источником энергии для организмов, принимающих участие в его разложении, а для обратного процесса требуются другие источники энергии – органическое вещество или солнечный свет. Например, хемосинтезирующие бактерии Nitrosomonas, превращающие аммиак в нитрит, получают энергию за счет разложения, а денитрифицирующие и азотофиксирующие – используют другие источники.

Однако ни животные, ни человек, ни растения потреблять молекулярный азот не могут. Огромное количество молекулярного азота в атмосфере в чрезвычайно малой степени затрагиваются биологическим круговоротом: общее отношение связанного азота к его количеству в природе составляет 1: 1000000 (Акимова, Хаскин, 1998). Несмотря на громадное количество молекулярного азота в атмосфере, он является одним из наиболее лимитирующих биогенных элементов. Столб воздуха над одним гектаром земной поверхности составляет 80000 т молекулярного азота. Если бы растения могли усваивать молекулярный азот, то такого его количества хватило бы для получения урожая 30 ц/га на полмиллиона лет. Однако растения могут использовать только азот минеральных соединений. Поэтому, буквально «купаясь» в молекулярном азоте, они испытывают его нехватку.

Из растений фиксировать азот могут только представители семейства бобовых, на корнях которых образуются клубеньки, состоящие из азотофиксирующих бактерий. Однако и среди бобовых далеко не все виды могут фиксировать атмосферный азот. Всего семейство бобовых насчитывает 13000 видов, а наличие клубеньковых бактерий обнаружено у 1300. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1 млрд. т азота в год, промышленная его фиксация составляет около 90 млн. т.