Структура и основные типы биогеохоимических циклов
Вещество в разном составе рециркулирует. Можно обозначить, что существуют характерные пути циркуляции элементов среды биологических систем. Эти более или менее замкнутые круговороты веществ называются биогеохимическим циклами. В них выделяют: резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, как правило, не биологической природы, подвижный фонд (обменный) – меньший по объему, но более быстрый обменом между организмами и их непосредственным окружением. Для биосферы в целом выделяют 2 основных типа биогеохимических циклов: круговорот газообразных веществ резервным фондом в атмосфере и гидросфере, осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Биогенные элементы
БЭ в отличие от энергии поддерживается в экосистеме. Обладает непрерывным круговоротом. Важное значение – доступность.
25.03.2010
Все циклы биогенных элементов замкнуты в той или иной степени и находятся в стационарном состоянии.
Некоторые из этих циклов существенно модифицируются антропогенной деятельностью, что приводит к нарушению замкнутости и нехватки.
Некоторые цикли в течение истории выходили из равновесия - например, углерод -- привело к накоплению многих полезных ископаемых.
Хотя все циклы рассматриваются отдельно, но они все взаимосвязаны.
Масса биосферы - ~1.8e12 тонн живого вещества
45кг\м2 - плотность биомассы в тропических лесах
0.003кг\м2 - плотность биомассы на поверхность океана
биогенные элементы делят на группы:
1) органогены (20-60% атомов биомассы, не считая воду) -- H, C, O -- основная часть биологических полимеров клеток -- основные источники питания
2) макроэлементы (0.12-2%) -- N -- входит в состав аминокислот и белков; Na -- катион внутренней жидкой среды организмы, основные процессы обмена информацией в клетках, потенциал на поверхности клеток благодаря Na вместе с K; Mg -- часть белковой молекулы, кофермент, входит в состав хлорофилла; P -- крайний дефицит со своеобразным циклом, входит в состав универсального аккумулятора энергии всех организмов -- АТФ; S -- жесткость структуры белковой молекулы, бисульфидные мостики; Cl -- анион жидких сред, вместе с натрием и калием создает необходимую концентрационную разность между внутренней и наружной средами клетки для формирования потенциалов (электрохимический, диффузионный, концентрационный); Ca -- входит в состав клеточных мембран и ферментов, является универсальным катионом регуляции мембранного транспорта различных веществ;
3) микроэлементы (следовые количества) -- B -- кофактор ферментов важен для растений для фотосинтеза; Si -- составная часть клеточных оболочек диатомовых водорослей, основа защитной оболочки некоторых моллюсков; V -- является важнейшим компонентом дыхательных белков многих низших животных, аналог гемоглобина в нашей крови; Mn -- кофактор ферментов, участвует в окислительно-восстановительных реакциях; Fe -- составная часть белка-гемоглобина; Co -- входит в витамин В12 и является необходимым элементов в процессе фиксации свободного азота у микроорганизмов, водорослей, низших растений и грибов; Cu -- кофактор ферментов в окислительно-восстановительных процессах; Zn -- кофермент, составная часть белков, крайне необходим в процессе синтеза инсулина; Mo -- входит в состав нитрогеназ (ферментов), важен для фиксации свободного азота; I -- входит в состав гормонов щитовидной железы.
другие элементы: золото и серебро ускоряют многие реакции, и ты ды...
В круговороте C, О, N, P, S главным компонентом является первичная продукция, создаваемая растениями. Na, K, Cl -- добываются организмами из почвы.
Основные формы: О2, СО2, Н2О, Fe2O3, CaCO3...
Таким образом, все вещества имеют разную доступность в зависимости от той формы, в которой это вещество находится.
Самый большой фонд - фонд кислорода.
Однако основная форма кислорода CaCO3 и живым организмам он недоступен.
Азот в форме N2 недоступен живым организмам, ассимилируется в форме нитратов или нитритов.
Пути круговорота биогенных элементов параллельны потокам энергии через сообщество -- в основном, эта фраза об органогенах.
Скорость потока вещества через каждый трофический уровень по сравнению с энергией замедлена.
На круговорот кислорода и водорода в экосистемах решающее влияние оказывает круговорот воды.
За время жизни каждой особи вода полностью обновляется от сотни до тысячи раз.
Круговорот воды
больщая часть воды через экосистему в процессе круговорота связана с:
1) испарением,
2) транспирацией (пассивный транспорт засчет капиллярных эффектов в растениях) (пассивная и эвапотранспирация -- активное всасывание воды с затратами энергии),
3) выпадением осадков,
4) стоком воды с континентов.
90-95% воды на нашей планете химически связаны в горных породах
осадки на поверхности суши превышают испарения в наземных сообществах
над поверхность океанов - наоборот
эти процессы уравновешиваются стоком с поверхности суши
конденсация и осадки на морях - 410е12 тонн в год
испарения с моря - 456е12 тонн в год
осадки на суше - 102е12 тонн в год
эвапотранспирация - 62е12 тонн в год
сток и перенос на сушу - 46е12 тонн в год
в атмосфере содержится 0.001% от всей воды
остальная вода - океаны и ледники
полное время возобновления воды в атмосфере 9 суток -- время круговорота
для почвы время возобновленя от 7 дней до 1 года
для морей и океанов - 120-3000 лет
первичная продукция 1.1е17 г сухого вещества
на каждый грамм расходуется 0.5 литра воды
следовательно, общая транспирация воды 55е18 грамм воды
при удалении растительности с любой территории сток воды увеличивается на 200 и более % с поверхности суши
сток растворенных веществ с поверхности земли в океан 2.73е9 тонн\год
9300 тонн\год - взвешанных частиц
в результате интенсивной обработки почв совокупный сток растворенных и взвешанных частиц - ~24е9 тонн\год. (то есть увеличилось в десять раз)
для испарения 1грамма воды нужна энергия порядка 0.536 ккал
суммарное годовое испарение 378е18 грамм
итого: ~1/5 часть всей поступающей энергии идет на испарение воды
Сопутствующие циклы органогенов: кислорода, водорода и углерода
у каждого цикла всегда есть 2 компоненты: биохимическая и глобальный поток веществ
Кислород - в атмосфере его ~21%, по весу - 1.1е21 грамм
посколько входит в состав углеводов, то важно учесть, сколько его образуется при разложении углеводов и возвращается в процессе фотосинтеза
в процессе фотосинтеза на каждый атом углерода высвобождается 2 атома кислорода
зеленые растения ежегодно высвобождают порядка 2.7е17 грамм кислорода ~ 1\2500 часть его общего содержания в атмосфере,
то есть время круговорота кислорода - 2500 лет.
---схемка---
Для характеристики цикла кислорода: за время стационарного состояния (~миллионы лет) содержание кислорода в атмосфере практически не изменлось несмотря на антропогенное вмешательство
с 1910 года содержание кислорода уменьшилось на 0.005%
Водород: отдельно цикла как такого нет;
--еще однак схемка---
Углерод: ---еще одна схемка---
полностью ассимелированный углерод (из СН2О) полностью переходит в углекислый газ и обратно
Глобальный цикл углерода:
в глобальном цикле углерода участвуют только органические соединения и двуокись углерода, при этом фотосинтез и дыхание полностью комплементарны
весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания весь органический углерод превращается в двуокись углерода
фонды неорганического углерода участвуют в круговороте в разной степени
---схемка---
с 1910 года содержание со2 засчет сжигания увеличилось на 1%
с учетом того, что растения и животные пропускают через себя ~0.3% углерода активного обменного фонда, полный круговорот углерода составляет 300-400 лет.
30.03.2010
Азот: 3,85Е21.
Основное общие характеристики этого цикла:
большинство организмов не могут ассимилировать, т.е. потреблять в этой форме
не принимает участие в высвобождении энергии при дыхании
биологическое разложение органических соединений с высвобождением азота складывается из ряда стадий. В разных случая по разному. Т.к. есть специфика биологического разложения азота. При этом каждая стадия разложения сопровождается специализированными организмами.
все процессы с высвобождением азота происходят в почве с растворением разложенных органических соединений, т.е. усваиваемая форма азота в растворенном виде – нитриты и нейтраты. Т.е. в почве основной азот содержится в форме нитритов, нейтратов, детритов.
Растения ежегодно на всей планете ассимилируют 86Е14 г азота, т.е. потребляют. Это приблизительно, 1% активного фонда. Следовательно, цикл круговорота 100 лет, т.е. весь азот в активном фонде обновляется. Самый доступные формы азота – аммиак и аммоний, это с точки зрения затрата энергии, т.е. минимальное количество ее за потребление. Понятно, что при больших концентрациях аммоний становиться токсичным, эта форма при нормальных условиях газообразная, поэтому в количественном отношений, не смотря на наилучшую доступность, эта форма не является основной для потребления организмами.
Органические соединения, которые разлагаются, в основном претерпевают следующие изменения: CO(NH2)2(мочевина, точнее пептидная связь белков СO-NH)+H2O->2NH3+CO2 – разложение органики. Метановый газ с болот поднимается.
Процесс трансформации азота в доступные формы – процесс нитрификации. ПН требует энергетики в образовании этой реакции одну молекулу C6H12O6 на 8 атомов азота, т.е. энергетика по разложению глюкозы (сахарозы) на углекислый газ и воду приводит к образованию 8 частей доступных атомов азота. Основная функция в трансформации азота в NO3, NO2 – биологическая. Какие организмы осуществляют эту функцию? Например, азотобактеры – микроорганизмы или азотофиксирующие бактерии, типичный пример этих микроорганизмов, которые можно идентифицировать визуально, клубеньковые бактерии.
При разложении высвобождается много белка, выделяется азот. Клубеньки - следствие жизнедеятельности азотобактеров, которые приводят к утолщению корневой системы.
Они связывает свободный азот в почве, приводя его в пептидную форму. Отсюда его активность существенно повышается. Другие организмы, участвующие в преобразовании азота – простейшие папоротниковые, есть так называемые плавающие папоротники, которые специально выращивают специально. Еще диатомовые водоросли, находящиеся в водной среде, грибы (лишайник – контролирующий паразитизм).
ОСНОВНЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПУТИ ТРАНСФОРМАЦИИ АЗОТА
Нитрат NO2_ -> N2O->N2 – фиксация азота (нитрат), образуется закись азота, из которой образуется свободный азот. И биохимический цикл замыкается следующим видом микроорганизмов. Процесс фиксации азота. Все эти биохимические преобразование даны в структурных формулах. Понятно, что ассимиляция гораздо сложнее. Например, самый энергоемкий процесс среди технологических – по искусственному преобразованию азота в усваиваемую форму – нитрит-нейтратные азотные удобрения - Процесс Хабера.
Деструкторы – низшие организмы, микроорганизмы. Преобразуют органическую мертвую продукцию в аммоний или аммиак. Этот процесс также является следствие работы бактерий. Процесс денитрификации также осуществляется бактериями. Важно, что процесс трансформации азота привязан к почвенному, водному слоям и сезонным осадкам. Это позволяет растениям и низшим организмам усваивать его на прямую. Важной компонентной на данном этапе является то, что деятельность человека, сжигающего топливо, существенно меняет количество закиси азота в атмосфере. Последствие это процесса – кислотные дожди. Негативный экологический фактор.
Парниковый газ: его роль связана с изменением климата как локально, так и глобально. В основном человек использует азот для повышения урожайности растительных организмов, и этот процесс сопровождается большим количеством удобрений. Например, 1978г – добывалось порядка 48 млн. тонн в год. Важно то, что всего при увеличении населения на 6 млн. требуется новый завод по производству удобрений с производительностью 1 тонна аммиака в день.
Самый существенным негативным следствием внесения азотных удобрений является то, что 2\3 вымывается, а лишь 1\3 попадает в продукцию. Это приводит к тому, что происходит процесс эвтрофикации водоемов, т.е. загрязнение, цветение водоемов. Вымирание животных, пищевые циклы не замкнуты, гниение растений. В естественных условиях эвтрофикации не бывает. Для процесса азотофиксации можно привести цифры: биологическая фиксация азота – 126 млн. тонн в год, абиогенная фиксация - 26 млн. тонн. При этом растения потребляют в 35 раз больше азота, чем фиксируют.
ЦИКЛЫ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
ЦИКЛ СЕРЫ
Из общей характеристики: содержится в белковых полимерах, 99% диоксида серы в атмосфере антропогенного происхождения. При этом источником является процесс сжигание угля и нефти. В основном кислотные дожди связаны с трансформацией диоксида серы.