Круговорот азота в природе — описание, этапы и значение процесса

Содержание:

В биогеохимические циклы Они понимают путь, по которому проходят различные питательные вещества или элементы, входящие в состав органических существ. Этот переход происходит внутри биологических сообществ, как в биотических, так и в абиотических объектах, составляющих его.

Питательные вещества — это строительные блоки, из которых состоят макромолекулы, и они классифицируются в зависимости от количества, которое требуется живому существу в макро и микроэлементах.

Жизнь на планете Земля насчитывает около 3 миллиардов лет, и один и тот же запас питательных веществ перерабатывается снова и снова. Запасы питательных веществ находятся в абиотических компонентах экосистемы, таких как атмосфера, камни, ископаемое топливо, океаны и другие. Циклы описывают пути прохождения питательных веществ из этих резервуаров через живые существа и обратно в резервуары.

Влияние человека не осталось незамеченным в транспортировке питательных веществ, поскольку антропогенная деятельность — особенно индустриализация и посевы — изменила концентрации и, следовательно, баланс циклов. Эти нарушения имеют важные экологические последствия.

Далее мы опишем прохождение и переработку самых выдающихся микро- и макроэлементов на планете, а именно: воду, углерод, кислород, фосфор, серу, азот, кальций, натрий, калий, серу.

Особенности распределения биомассы на Земле

Состав и распределение биосферы – один из интереснейших вопросов в биологии. 

Биосфера включает в себя огромное количество растений, животных и других форм жизни нашей планеты. Термин «ноосфера», предложенный Вернадским в начале 20-го столетия, получил широкое распространение. 

Биогенные вещества — созданные в процессе жизнедеятельности организмов соединения, например, природный газ, нефть, известняк.

Изучение биомассы крайне важно для понимания климатических сдвигов, путей передачи и трансформации углерода и других элементов. Разнообразие живых и неживых организмов, взаимодействующих между собой, обменивающихся веществами, называется экосистемой

Приспособленность видов к условиям существования происходит непрерывно. Биосфера имеет четкую структурную организацию и является глобальной экосистемой планеты. В.И. Вернадский создал учение о роли живых организмов, о воздействии живого на преобразование земной коры. Состав биосферы и свойства зависят от взаимодействия её биотического и абиотического компонентов.  Основной объем массы живой материи приходится на растительный мир, он составляет 80% от биомассы планеты. На втором месте, после растений, идут бактерии. Ученые, с использованием углеродного метода, определили, что все живые организмы содержат суммарно 550 миллиардов тонн углерода.  Биомасса суши составляет почти 99,9%. Это объясняется большой массой продуцентов на поверхности Земли. Наибольшая плотность жизни отмечается в тех зонах, где виды специфически приспособились к совместному существованию. К структурообразующим факторам биосферы относят свет, как условия формирования и усовершенствования жизни. Под воздействием микроорганизмов, растений и животных сформировался почвенный слой.  В почве обитает больше редуцентов. К ним относятся бактерии и грибы, которые разлагают останки живых существ до неорганических веществ. В почве происходит особый газообмен. Ночью, при охлаждении и сжатии газов, в неё проникает некоторое количество воздуха, его поглощают и перерабатывают почвенные организмы.  Почвенные микроорганизмы играют важную роль в круговороте веществ, в почвообразовании и формировании плодородного слоя. Большая биомасса почвы, в сочетании с высоким видовым разнообразием, обеспечивает сложность экосистем. Почвенные организмы включают в круговорот веществ биосферы важнейшие химические соединения. В морской биомассе содержится больше консументов, чем продуцентов. В состав океанической и морской воды входят минеральные соли. Микроорганизмы, живущие в океанических термальных источниках, являются хемотрофами, основными продуцентами океанического дна. Несмотря на многообразие водных обитателей, их можно поделить на 3 группы, с учетом мест обитания в воде. Между каждой группой организмов существуют тесные связи, они обмениваются веществом и энергией. В современном мире воздействие человека на биомассу океана огромно. Бентосные организмы в океане живут на дне и в грунте. Фитобентос: зеленые, бурые, красные водоросли встречаются на глубине до 200 м. Зообентос представлен животными. Воздушная среда характеризуется значительным количеством кислорода, солнечной энергии, но в ней, зачастую, не хватает влаги. Поэтому, обитатели засушливых мест имеют специальные приспособления для добычи, запасания и экономной траты драгоценной влаги. Разнообразие этой среды представлено разнообразием жизни в ней. Каждому наземному биогеоценозу присущи свои черты. Так, в экваториальных биоценозах сильно развита конкуренция за обладание местом обитания, пищей, светом и кислородом.

В современном мире огромное влияние на биомассу оказывает человек. Сокращаются площади, производящие живую массу.

Смотри также:

• Изменения в экосистемах под влиянием деятельности человека
• Агроэкосистемы, основные отличия от природных экосистем.
• Биологический круговорот и превращение энергии в биосфере, роль в нем организмов разных царств. Эволюция биосферы

Включение фосфора в живые существа

При подходящих географических и климатических условиях горные породы начинают процесс эрозии или износа. Благодаря дождю фосфаты начинают растворяться и могут быть поглощены корнями растений или другими первичными продуцирующими организмами.

Эта серия фотосинтезирующих организмов отвечает за включение фосфора в свои ткани. Начиная с этих основных организмов, фосфор начинает свой переход через трофические уровни.

В каждом звене цепи часть фосфора выделяется людьми, которые его составляют. Когда животные умирают, ряд специальных бактерий поглощает фосфор и возвращает его в почву в виде фосфатов.

Фосфаты могут идти двумя путями: снова поглощаться автотрофами или начать свое накопление в отложениях, чтобы вернуться в свое каменистое состояние.

Фосфор, присутствующий в океанических экосистемах, также попадает в отложения этих водоемов, и часть его может быть поглощена их обитателями.

Важные циклы [ править ]

Ниже приведены наиболее известные и важные биогеохимические циклы:

• Цикл углерода

• Азотный цикл

• Питательный цикл

• Кислородный цикл

• Цикл фосфора

• Серный цикл

• Рок-цикл

• Круговорот воды

Существует множество биогеохимических циклов, которые в настоящее время изучаются впервые, поскольку изменение климата и антропогенное воздействие резко изменяют скорость, интенсивность и баланс этих относительно неизвестных циклов. Эти недавно изученные биогеохимические циклы включают:

• ртутный цикл , и
• антропогенный цикл ПХД.

Биогеохимические циклы всегда связаны с состояниями горячего равновесия: баланс в круговороте элемента между компартментами. Однако общий баланс может включать в себя разделы, распределенные в глобальном масштабе.

Поскольку биогеохимические циклы описывают движение веществ на всем земном шаре, их изучение по своей сути является междисциплинарным. Углеродный цикл может быть связан с исследованиями в области экологии и атмосферных наук . Биохимическая динамика также связана с областями геологии и почвоведения .

Ссылки [ править ]

1. ^ Авелар, С., ван дер Воорт, Т.С. и Эглинтон, Т.И. (2017) «Актуальность запасов углерода в морских отложениях для национальных инвентаризаций парниковых газов в морских странах». Углеродный баланс и управление , 12 (1): 10. DOI : 10,1186 / s13021-017-0077-х . Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
2. ^ а б «Биогеохимические циклы» . Совет по экологической грамотности . Проверено 20 ноября 2017 года .
3. ^ a b c Baedke, Стив Дж .; Фихтер, Линн С. «Биогеохимические циклы: углеродный цикл» . Дополнительные лекции для Geol 398 . Университет Джеймса Мэдисона . Проверено 20 ноября 2017 года .
4. ^ «Цикл ртути в окружающей среде» . Центр водных наук штата Висконсин . Геологическая служба США. 10 января 2013 . Проверено 20 ноября 2017 года .
5. ^ Органические загрязнители, которые оставляют следы: источники, перенос и судьба . Ифремер. С. 22–23. ISBN 9782759200139.
6. Перейти ↑ McGuire, 1A. D .; Лукина, Н.В. (2007). «Биогеохимические циклы» . В Groisman, P .; Барталев С.А.; Группа разработки научного плана NEESPI (ред.). Инициатива партнерства по наукам о Земле Северной Евразии (NEESPI), Обзор научного плана . Глобальное планетарное изменение. 56 . С. 215–234 . Проверено 20 ноября 2017 года .
7. ^ «Распределенный центр активного архива биогеохимической динамики» . daac.ornl.gov . Национальная лаборатория Ок-Ридж . Проверено 20 ноября 2017 года .

Состав биосферы

Структура биосферы:

1. Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·1012 (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.
2. Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.
3. Косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых организмов.
4. Биокосное вещество — вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, , кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
7. Вещество космического происхождения.

История возникновения термина

Впервые в биологии термин «биосфера» ввел ученый из Австрии Эдуард Зюсс в 1875 году. Теперь вы знаете, в каком году появился термин. Но задолго до того, как термин «биосфера» был введен Зюссом, его принципы впервые применил и подробно сформулировал французский исследователь Жан Батист Ламарк. Правда, название термина у Ламарка было другим. Биосфера, что в переводе с греческого языка означает «сфера жизни», рассматривалась как система живых организмов, существующая в тесном контакте с минеральными элементами и подверженная их влиянию. И только советский академик и философ Вернадский учел факторы, оказывающие влияние на формирование всего окружающего мира.

Благодаря этому считается, что этот ученый – автор и создатель функционального учения о сущности биосферы, которое признано сегодня во всем мире. Он впервые ввел в науку многие определения, которыми пользуются ученые всего мира, в том числе и представление об иерархической структуре биосферы. Вернадский писал, что живое вещество оказывает заметное влияние на процесс преобразования планеты и ее строение. Он подробно описал состав и функции биосферы.

Обзор

Обобщенный биогеохимический цикл 

Энергия направленно течет через экосистемы, поступая в виде солнечного света (или неорганических молекул для хемоавтотрофов) и покидая их в виде тепла во время многочисленных переходов между трофическими уровнями. Однако вещества, из которых состоят живые организмы, сохраняются и перерабатываются. Шесть наиболее распространенных элементов, связанных с органическими молекулами — углерод, азот, водород, кислород, фосфор и сера — принимают различные химические формы и могут длительное время существовать в атмосфере, на суше, в воде или под поверхностью Земли. . Геологические процессы, такие как выветривание, эрозия, дренаж воды и субдукция континентальных плит, все играют роль в этой переработке материалов. Поскольку геология и химия играют важную роль в изучении этого процесса, переработка неорганического вещества между живыми организмами и окружающей их средой называется биогеохимическим циклом.

Шесть вышеупомянутых элементов используются организмами по-разному. Водород и кислород содержатся в воде и органических молекулах, которые необходимы для жизни. Углерод содержится во всех органических молекулах, тогда как азот является важным компонентом нуклеиновых кислот и белков. Фосфор используется для производства нуклеиновых кислот и фосфолипидов, из которых состоят биологические мембраны. Сера имеет решающее значение для трехмерной формы белков. Цикличность этих элементов взаимосвязана. Например, движение воды имеет решающее значение для вымывания серы и фосфора в реки, которые затем могут течь в океаны. Минералы циркулируют в биосфере между биотическими и абиотическими компонентами и от одного организма к другому.

Экологические системы ( экосистемы ) имеют множество биогеохимических циклов, действующих как часть системы, например водный цикл, углеродный цикл, азотный цикл и т. Д. Все химические элементы, встречающиеся в организмах, являются частью биогеохимических циклов. Помимо того, что эти химические элементы являются частью живых организмов, они также участвуют в круговороте абиотических факторов экосистем, таких как вода ( гидросфера ), земля ( литосфера ) и / или воздух ( атмосфера ).

Факторы жизни на планете в совокупности могут быть названы биосферой. Все питательные вещества, такие как углерод , азот , кислород , фосфор и сера, используемые в экосистемах живыми организмами, являются частью замкнутой системы ; поэтому эти химические вещества рециркулируются вместо того, чтобы теряться и постоянно пополняться, как в открытой системе.

На диаграмме справа показан обобщенный биогеохимический цикл. Основные части биосферы связаны потоком химических элементов и соединений. Во многих из этих циклов важную роль играет биота. Материя из недр Земли выбрасывается вулканами. Атмосфера быстро обменивается некоторыми соединениями и элементами с биотой и океанами. По сравнению с этим обмен материалами между камнями, почвой и океанами обычно происходит медленнее.

Поток энергии в экосистеме — это открытая система ; Солнце постоянно дает планете энергию в форме света, в то время как она в конечном итоге используется и теряется в виде тепла на трофических уровнях пищевой сети. Углерод используется для производства углеводов, жиров и белков, основных источников пищевой энергии . Эти соединения окисляются с выделением углекислого газа, который может улавливаться растениями с образованием органических соединений. Химическая реакция питаются от световой энергии солнца.

Солнечный свет необходим для объединения углерода с водородом и кислородом в источник энергии, но экосистемы в глубоком море , куда не может проникать солнечный свет, получают энергию из серы. Сероводород вблизи гидротермальных источников может использоваться такими организмами, как гигантский трубчатый червь . В круговороте серы сера может быть навсегда переработана в качестве источника энергии. Энергия может высвобождаться за счет окисления и восстановления соединений серы (например, окисления элементарной серы до сульфита, а затем до сульфата ).

Хотя Земля постоянно получает энергию от Солнца, ее химический состав по существу фиксирован, поскольку дополнительная материя лишь изредка добавляется метеоритами. Поскольку этот химический состав не восполняется, как энергия, все процессы, которые зависят от этих химикатов, должны быть переработаны. Эти циклы включают как живую биосферу, так и неживую литосферу, атмосферу и гидросферу.

Биогеохимические циклы можно противопоставить геохимическим циклам . Последний имеет дело только с коровыми и подкоровыми коллекторами, хотя некоторые процессы в обоих случаях перекрываются.

Типы биогеохимических циклов

Биогеохимические циклы в основном делятся на два типа:

• Газовые циклы – включают циклы углерода, кислорода, азота и воды
• Осадочные циклы – включают циклы серы, фосфора, горных пород и т. д.

Давайте кратко рассмотрим каждый из этих биогеохимических циклов:

Круговорот воды

Схема круговорота воды в природе

Вода из разных водоемов испаряется, охлаждается, конденсируется и снова падает на землю в виде дождя.

Этот биогеохимический цикл отвечает за поддержание погодных условий. Вода в различных формах взаимодействует с окружающей средой и изменяет температуру и давление атмосферы.

Есть еще один процесс, называемый эвапотранспирацией (т. е. пар, производимый листьями), который помогает круговороту воды. Это испарение воды из листьев, почвы и водоемов в атмосферу, которая снова конденсируется и выпадает в виде осадков.

Углеродный цикл

Схема круговорота углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива, человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу. Изображение: Wikimedia Commons

Это один из биогеохимических циклов, в котором углерод обменивается между биосферой, геосферой, гидросферой, атмосферой и педосферой.

Все зеленые растения используют углекислый газ и солнечный свет для фотосинтеза. Таким образом, углерод накапливается в растении. Умершие растения разлагаются и выделяют углекислый газ обратно в атмосферу.

Кроме того, животные, потребляющие растения в пищу, получают хранящийся в них углерод. Этот углерод возвращается в атмосферу после смерти животных. Углерод также возвращается в окружающую среду через клеточное дыхание животных.

Огромное количество углерода запасено в ископаемом топливе (уголь, нефть и т. п.) Когда заводы и фабрики используют это топливо в своей деятельность, при его сгорании углекислый газ попадает в атмосферу.

Азотный цикл

Схема круговорота азота в природе. Изображение: Translated by Stefan Parviainen, based on image by Johann Dréo (User:Nojhan) / Wikimedia Commons

Это биогеохимический цикл азота, в ходе которого азот преобразуется в несколько форм и циркулирует в атмосфере и различных экосистемах, таких как наземные и морские экосистемы.

Азот – важный элемент жизни. Азот из атмосферы фиксируется азотфиксирующими бактериями, присутствующими в корневых клубеньках бобовых, и поступает в почву и растения.

Бактерии, присутствующие в корнях растений, превращают этот газообразный азот в полезное соединение, называемое аммиаком. Аммиак также поступает в растения в виде удобрений. Этот аммиак превращается в нитриты и нитраты. Денитрифицирующие бактерии превращают нитраты в азот и возвращают его в атмосферу.

Кислородный цикл

Схема круговорота кислорода. Изображение: Eme Chicano / Wikimedia Commons

Биогеохимический цикл кислорода проходит через атмосферу, литосферу и биосферу. Кислород – это распространенный элемент на Земле. До 21% атмосферы состоит из кислорода.

Кислород выделяется растениями во время фотосинтеза. Люди и другие животные вдыхают кислород, выдыхают углекислый газ, который снова поглощается растениями. Они используют этот углекислый газ в фотосинтезе для производства кислорода, и цикл продолжается.

Цикл фосфора

Схема цикла фосфора. Изображение: Bonniemf / Wikimedia Commons

В этом биогеохимическом цикле фосфор перемещается через гидросферу, литосферу и биосферу. Фосфор выветривается из горных пород. Из-за дождей и эрозии фосфор попадает в почву и водоемы. Растения и животные получают этот фосфор из почвы и воды. Микроорганизмам также необходим фосфор для своего роста. Когда растения и животные умирают, они разлагаются, а накопленный фосфор возвращается в почву и водоемы, которые снова потребляются растениями и животными, и цикл продолжается.

Цикл серы

Схема цикла серы. Изображение: Pashute / Wikimedia Commons

Этот биогеохимический цикл проходит через горные породы, водоемы и живые системы. Сера выбрасывается в атмосферу в результате выветривания горных пород и превращается в сульфаты. Эти сульфаты поглощаются микроорганизмами и растениями и превращаются в органические формы. Органическая сера потребляется животными с пищей. Когда животные умирают и разлагаются, сера возвращается в почву, которую снова используют растения и микробы, и цикл продолжается.

Мне нравится3Не нравится

Где происходит кислородный цикл?

Производство и круговорот кислорода, как мы упоминали ранее происходит в четырех основных сферах Земли:

• Атмосфере (воздух) – процессе фотолиза образуется кислород, который затем формирует озоновый слой, защищающий планету от вредного солнечного излучения.
• Биосфера (глобальная экосистема Земли) – это место, где живут люди, растения и животные, и именно здесь производится наибольшее количество кислорода в процессе фотосинтеза.
• Гидросфере – фитопланктон, обитающий на поверхности океанов и морей, также использует фотосинтез для производства кислорода.
• Литосфера – крупнейший резервуар, где содержится больше всего кислорода. Кислород находится внутри горных пород и минералов, поэтому у нас нет доступа к нему. Но некоторые растения и животные могут извлекать минералы из горных пород, что позволяет выделять кислород.

Углерод

– основной элемент жизни – содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных водах Земли углерод находится в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат-иона НСО3–, карбонат иона СО32– и растворенного диоксида углерода СО2. Большое количество углерода сосредоточено в виде органических соединений в животных и растениях. Много «неживого» органического вещества имеется в почве. Углерод литосферы содержится также в карбонатных минералах (известняк, доломит, мел, мрамор). Часть углерода входит в состав нефти, каменного угля и природного газа.

Также по теме:

ВОДОРОД

Связующим звеном в природном круговороте углерода является диоксид углерода (рис. 1).

Рис. 1. УПРОЩЕННАЯ СХЕМА

глобального цикла углерода. Числа в рамках отражают размеры резервуаров в миллиардах тонн – гигатоннах (Гт). Стрелки показывают потоки, а связанные с ними числа выражены в Гт/год.

Самыми крупными резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше. Однако бoльшая часть этого вещества не взаимодействует с атмосферой, а подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах. Поэтому эти резервуары играют лишь второстепенную роль в сравнительно быстром цикле углерода, протекающем с участием атмосферы. Следующим по величине резервуаром является морская вода. Но и здесь глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода, не взаимодействует с атмосферой так быстро, как их поверхность. Самыми маленькими резервуарами являются биосфера суши и атмосфера. Именно небольшой размер последнего резервуара делает его чувствительным даже к незначительным изменениям процентного содержания углерода в других (больших) резервуарах, например, при сжигании ископаемых топлив.

Современный глобальный цикл углерода состоит из двух меньших циклов. Первый из них заключается в связывании диоксида углерода в ходе фотосинтеза и новом образовании его в процессе жизнедеятельности растений и животных, а также при разложении органических остатков. Второй цикл обусловлен взаимодействием диоксида углерода атмосферы и природных вод:

СО2 + Н2О Н2СО3

Н2СО3 НСО3–+ Н+

НСО3– СО32–+ Н+

СО32–+ Са2+ = СаСО3Ї

В последнее столетие в углеродный цикл существенные изменения внесла хозяйственная деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива – угля, нефти и газа – привело к увеличению поступления диоксида углерода в атмосферу. Это не очень сильно влияет на распределение масс углерода между оболочками Земли, но может иметь серьезные последствия из-за усиления парникового эффекта. См. также

УГЛЕРОД.

Осадочные и атмосферные

Не все питательные вещества находятся в одинаковом количестве или легко доступны для организмов. И это зависит — в основном — от того, что является его источником или абиотическим резервуаром.

Некоторые авторы классифицируют их по двум категориям, в зависимости от подвижности элемента и резервуара: осадочные и атмосферные циклы.

В первом случае элемент не может подняться в атмосферу и накапливается в почве (фосфор, кальций, калий); а последние включают газовые циклы (углерод, азот и т. д.)

В атмосферных циклах элементы размещаются в нижнем слое тропосферы и доступны людям, составляющим биосферу. В случае осадочных циклов высвобождение элемента из резервуара требует воздействия факторов окружающей среды, таких как солнечная радиация, действие корней растений, дождь и другие.

В определенных случаях одна экосистема может не иметь всех необходимых элементов для выполнения полного цикла. В этих случаях другая соседняя экосистема может быть поставщиком недостающего элемента, таким образом соединяя несколько регионов.