Биогеохим.циклы

Биогеохимия изучает обмен веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы. По степени участия живого вещества разл.круговороты:

o биол – отток веществ из одних органов в другие через биолиты.

o биогенный – круговорот внутри структуры подразделения биосферы.

В зависимости от соотношения биотических и косных факторов внутри такого круговорота выделяют следующие круговороты:

o биогеоцентрический

o биогеохимический

o геохимический

o геологический – круговорот хим.элементов в процессе метаморфизации пород земной коры.

В каждом круговороте веществ различают 2 части:

Ø резервный фонт (медленнодвиж.в-ва; обычно небиолог.природы)

Ø Подвижный, обменный фонд (быстрый обмен между орг и ОС)

Для оценки антроп.деятельности важны сравнительные объемы резервн.фондов.

С точки зрения существ.биосферы биогеохим.циклы делят на круговорот газообразных в-в с резервн.фондом в атм или гидросф. и осадочный цикл с резервным фондом в земн.коре.

1) Круговорот газообр.в-в с их большим атм.фондами в глоб.масштабе хорошо забуферены, в этом отнош. явл-ся саморегулир-ся системой.

2) В осадочн.циклах в кот.учавствуют такие элементы, как P, Fe механизмы саморегул.работают хуже.

Основная m веществ в осадочн.цикле находится в малоподвижном резервном фонде в земной коре. Большинство элементов и соедин.входят в общий осад.цикл, циркуляц.кот.осуществляется за счет эррозионных процессов, а также осадкообразования, горообразования, вулкан. деятельности и биол.переноса.

Круговорот углерода:

Цикл состоит из 2 составляющих: атмосфера и океан. Длительность круговорота – 5 тыс.лет. Цикл замкнутый, хотя может длиться длительное время.

Работа экосистемы по выводу отработанных углеродистых веществ в геолог.круговорот за 1 цикл – 650 тыс.лет. Всего за 600 млн.лет фанерозоя ~ 100 тыс.циклов C, что привело к образованию 10¹⁶-10¹⁷ т.C в стратосфере (осадочные отложения).

Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Двуокись углерода, растворенная в морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют при дыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается двуокись углерода, усвоенная фитопланктоном.

Круговорот кремния:

Магма, которая состоит в основном из оксидов кремния, выливается на поверхность Земли и застывает-получается магматическая порода. Постепенно она выветривается — этому способствуют химические, физические и биологические факторы, а воды сносят кремнезем в пониженные места, большей частью в моря и о к е аны. Образуются мощные слои осадочных пород, которые со временем

погружаются на большие глубины и там, при повышенных давлениях и температурах, частично переплавляются и превращаются снова в магму. А потом круговорот повторяется, поскольку магма снова стремится в верхние горизонты земной коры.

Круговорот Азота:

Азотфиксация – ахот в составе хим.соединений, доступны для использ раст, жив. Может использ только в биодоступн. форме.

Атмосферная ахотфиксация – процесс, который инициируется косм.лучами, молниями, электр.зарядами, сгорающими метеоритами которые необходимы для синтеза оксида азота из 2-х атм.газов: N₂+O₂ ->NO_x

Биогеохимическая азотфиксация: самый крупный поставщик – почвен.МО, а также симбиотич.ассоциации между МО и раст. В примитив.атм.в раннем протерозое NH3 содержится в воздухе и долгое время азотфиксац.не была необходима.

МО – фиксаторы N: самост (использ.непосредственно светов.энергию (с-з водор), или же получ. энергию косвенно от раст); живущие в симбиозе.

В экосистеме где нет раст, фиксир N, источником его явл.бактерии. 350кг/га производят бобовые. В качестве окислителя в примит.азотфиксации выступ.АТФ, нитрогеназа, ферродоксин. У азотбактеров, у аэроб.свободноживущих симбиотических бактерий этот N образуется в ходе угл.обмена. Азотфиксация – единственная реакция с затратой энергии.

Схема фиксации N:

N₂ ---------à2N – 160 ккал/моль

2N +3H₃ --------------àNH₃+12,8 ккал/моль

АТФ --------à N₂---(нитрогеназа)---àNH₃ß-(+N₂)—ред-окс сист(ферродоксин, фееридоксин)

N₂+6Fe²⁺+6H⁺+12АТФ----(нитрогеназа)----à2NH₃+6Fe³⁺+12АТФ+12Ф

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:

2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют бактерии, которые при.недостаточном доступе воздуха могут отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.

Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам относятся, прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

Круговорот кислорода:

Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров. Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

Круговорот фосфора: заслуживает самого детального рассмотрения в связи с тем, что его роль в истории развития жизни на Земле трудно переоценить. Будучи относительно редким элементом, фосфор лежит в основе снабжения организмов энергией. Главный источник энергии живых организмов – молекула АТФ, имеющая высокоэнергетические фосфодиэфирные связи. Роль АТФ в жизни клетки можно сравнить с ролью денег в экономике. Клетка «расплачивается» этим соединением за все, что ей необходимо: движется, вырабатывает теплоту, синтезирует новые вещества, избавляется от отходов…

Главными резервуарами фосфора служат горные породы прошлых геологических эпох. К растениям фосфор попадает в виде фосфатов. Соединения фосфора растворимы лишь в кислой среде или в бескислородных средах, и только в таком виде и пригодны для усвоения растений. В щелочных растворах и в кислородной среде фосфор связан в нерастворимые соединения с кальцием (апатиты, фосфориты). Поток фосфора в основном идет в одном направлении – из наземных горных пород на дно моря. Часть фосфора возвращается на сушу благодаря рыболовству и с экскрементами морских птиц (залежи гуано на побережьях Южной Америки). Но в целом круговорот фосфора незамкнут, а деятельность человека, ведущая к усиленной потере фосфора на суше, только усугубляет этот процесс. По данным американского эколога Дж.Хатчинсона, вылов морской рыбы не компенсирует в настоящее время смыва и выключения из круговорота того фосфора, который добывается человеком на удобрения. Важность сбалансированного круговорота фосфора сильно возрастет в будущем, так как фосфор станет одним из самых дефицитных химических элементов в доступных резервуарах на поверхности Земли. Фосфор уже выступает как лимитирующий фактор во многих экосистемах.

Круговорот серы:

Не до конца изучен, не вполне ясен. Резервуары S: почва и отложения. Они довольно обширны+небольшие фонты в атмосфере.

Осн.источник – горн.породы, минералы (сульфиды, пирит, халькопирид Cu₂S, киноварь и др), сульфатные – ангидрит CaSO₄, гипс CaSO₄. Самородная сера; сера в виде примесей в углях, в составе нефти. В живом веществе: сульфат – ионы с поверхн.стоком поступ в водоемы -> животные.

Ассимиляционная сульфат редкуция:

AC:SO₄^2------àH₂SàRSH, R-орган.остаток, SH-сульфгидрильная группа.

В этом проц.учавств.зел.водоросли, МО. Это ОВП, протек с участием энергии макроэргической связи АТФ. При этом участв.сист:

*АТФ-сульфирилаза,*АФС-киназа.*Пирофосфотаа.

Основной путь включения S в органз соед – образование аминокислот. Их всего 2:

NH₂ NH₂

| |

Цистилин HS-CH₂-CH Метионин CH₃-S-CH-CH₂-CH

| |

COOH COOH

Животные не способны образовывать цистилин, они исп.готовые орг.соединения (раст)

После отмирания жив.и раст.организма в аэробн.условиях с участием ферментов образуются сульфат – ионы – они возвращаются в минеральный цикл.

Сера является важным составным элементом живого вещества. Большая часть ее в живых организмах находится в виде органических соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ: витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты. Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от окислительно-восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше 420 минералов.

В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных минералов: пирита, пирронита, халькопирита, в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические соединения. В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан. Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные.