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. Весь кислород атмосферы проходит через живое вещество примерно за 2000 лет. Полный круговорот воды, являющийся источником кислорода, осуществляется в биосфере примерно за 2 млн.лет. Таким образом, вся вода планеты, весь кислород и водород прошли уже много циклов фотосинтетических превращений и обратных процессов - окисления органического вещества свободным кислородом. Только после появления фотосинтезирующих организмов жизнь смогла выйти на сушу (накопилось достаточно свободного кислорода и образовался озоновый экран).

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. происходит она в почвах, где есть большое количество органического вещества и резко ограниченное поступление кислорода.

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.