Геохимический цикл углерода: схема, описание процесса и значение

Понятие «круговорот» в биологии

Голубой углерод — это термин, обозначающий углерод, улавливаемый мировым океаном и прибрежными экосистемами. Морские травы, мангровые заросли, солончаки и другие системы вдоль побережья очень эффективны в хранении CO2. Эти районы также поглощают и накапливают углерод гораздо более быстрыми темпами, чем другие районы, такие как леса, и могут продолжать делать это в течение миллионов лет.

Углероду, содержащемуся в прибрежной почве, часто тысячи лет. Когда эти системы повреждаются или нарушаются в результате деятельности человека, огромное количество углерода выбрасывается обратно в атмосферу, способствуя изменению климата.

Углеродный цикл описывает процесс, при котором атомы углерода непрерывно перемещаются из атмосферы на Землю, а затем обратно в атмосферу. Поскольку наша планета и ее атмосфера образуют замкнутую среду, количество углерода в этой системе не меняется. Местонахождение углерода — в атмосфере или на Земле — постоянно меняется.

На Земле большая часть углерода хранится в горных породах и отложениях, в то время как остальная часть находится в океане, атмосфере и в живых организмах. Это резервуары или поглотители, через которые проходит углерод.

Углерод выбрасывается обратно в атмосферу, когда организмы умирают, извергаются вулканы, вспыхивают пожары, сжигается ископаемое топливо и с помощью множества других механизмов.

Углеродный обмен происходит также между поверхностными водами океана и атмосферой, или он накапливается в течение длительных периодов времени в океанских глубинах.

Люди играют важную роль в круговороте углерода посредством таких видов деятельности, как сжигание ископаемого топлива или освоение земель. В результате количество углекислого газа в атмосфере быстро растет; оно уже значительно больше, чем когда-либо за последние 800 000 лет.

Общее описание

Углерод – шестой элемент периодической таблицы Менделеева с относительной атомной массой 12. Углерод находится в четвертой группе и проявляет постоянную валентность IV. Это активное вещество, вступающее в реакцию с металлами, неметаллами, оксидами, кислотами.

В природе встречается в виде твёрдых веществ в составе горных пород. Элемент имеет несколько аллотропных модификаций – графит, алмаз, сажа, уголь. Большая часть газообразного углерода находится в атмосфере. Соединяясь с кислородом, образует угарный и углекислый газы.

Рис. 1. Аллотропные модификации углерода.

Угарный газ (СО) – ядовитое вещество без цвета, запаха, вкуса. Соединяясь с гемоглобином крови, нарушает клеточное дыхание, что приводит к удушению.

Описание процесса

Оборот N2 представляет собой цепочку связанных между собой замкнутых каналов, через которые осуществляется циркуляция элемента в биологической оболочке планеты.

Находящийся в атмосфере инертный газ нитроген является стойким молекулярным соединением.

Последовательность этапов круговорота атмосферного азота происходит в результате различных процессов, способствующих связыванию его молекул.

Фиксация N2 осуществляется под воздействием трёх факторов:

• Микроорганизмы — основной поставщик азота. Их жизнедеятельность превращает нитроген в связанное состояние, в котором он используется живой природой.
• Электрические разряды, производимые молниями. Во время грозы происходит расщепление молекул и соединение их с кислородом. Полученный оксид вместе с дождевой водой попадает в грунт и поглощается корнями растений.
• Хозяйственная деятельность человека. Создание и применение удобрений, содержащих нитраты, способствуют образованию и попаданию нитрогена в биосферу.

Связывание элемента начинается в водных и почвенных экологических системах с помощью различных бактерий. Они выделяют специальный фермент, фиксирующий атмосферный N2, в результате чего происходит его превращение в нитрат и аммоний. Образовавшиеся соединения питают растительность, а она обеспечивает микроорганизмы углеводами.

Растительность в виде белков попадает в организм травоядных животных, а от них к хищникам. После гибели организма элемент вновь проникает в почву, повторяя цикл азота в биосфере. При этом часть N2 высвобождается под воздействием бактерий, а другая остаётся в составе неорганических веществ. Этот процесс занимает длительный отрезок времени и выглядит следующим образом:

• поглощение и переработка микроорганизмами;
• переход в связанное состояние;
• усвоение растительностью:
• попадание в организм травоядных животных;
• денитрификация элемента бактериями.

Движение нитрогена в природе можно представить в виде постоянного перехода через 2 резервуара, имеющих разный объём и соединённых узким каналом. В большой ёмкости находится атмосферный N2, а в малой — связанный различными процессами элемент.

Круговорот элемента в природе

Все соединения в окружающей среде можно разделить на живые (органические) и мертвые (неорганические). К первой группе принадлежат вещества биологического происхождения, например, липиды, протеины

В состав их структуры входит ряд микроэлементов, имеющих важное значение для живого организма. Неорганические соединения образуются в результате химических реакций

К их числу принадлежат газы, соли, металлы и т.д.

Кратко схема круговорота углерода в природе можно описать следующим образом:

1. Водная среда, атмосфера и суша заполнены неорганическими соединениями, которые попадают в пищеварительную систему простейших существ.
2. Последние активно поглощаются высшими животными.
3. После гибели простейших организмов их останки снова перерабатываются до состояния металлов и солей.

Это общее описание принципа оборота углекислого газа (СО2) в природе, приведенного на рисунке.

Дыхательный обмен

Углекислый газ присутствует в воздухе, земле и воде. Он образуется вследствие дыхания живых существ, горения, а также гниения. Растения обладают способностью усваивать углерод, входящий в состав СО2. После этого они перерабатывают его в органические соединения. Этот процесс называется фотосинтезом, а протекает он в листьях.

Деятельность микроорганизмов

Простейшие организмы являются началом и концом любой пищевой цепи. Именно благодаря их работе растения и животные получают необходимую для жизни энергию. Погибшие представители флоры и фауны оказываются в структуре почвы и морского дна. После этого в работу включаются микроорганизмы, перерабатывающие их плоть в простые химические соединения. Этот процесс сопровождается выделением CO2.

В результате образуются питательные ресурсы, необходимые для жизни растений и животных, а круговорот элементов начинается с самого начала. При этом некоторым простейшим для расщепления мертвой структуры не требуется кислород. Например, в воде обитают анаэробные бактерии. Они обладают способностью производить сернистое черное железо. Именно это вещество придает болотам и рекам характерный цвет.

Частью углеродного цикла является симбиоз, представляющий собой выгодное взаимодействие двух организмов. Не все животные способны расщеплять сложную растительную клетчатку. Однако в их желудках обитают бактерии, расщепляющие целлюлозу на простые элементы, которые легко усваиваются организмом парнокопытных. Можно привести много примеров такого сотрудничества.

Углерод в воде и на суше

Атмосфера содержит около 30 % всего углерода планеты. Этого количества элемента достаточно для растений, являющихся главным элементом пищевой цепи высших животных. Благодаря фотосинтезу флора получает требуемую для роста энергию из углерода. Травоядные животные употребляют растения, обеспечивая себя пищей. В свою очередь, хищные представители фауны поедают слабейших травоядных.

Взаимодействие элементов в водной среде является более сложным процессом. Углекислый газ сначала должен раствориться в воде. Только после этого он может быть переработан планктоном. Эти микроорганизмы обитают в верхних слоях воды и находятся в начале пищевой цепи.

Роль людей

Человек уже давно стремится перестроить окружающую среду под свои нужды. К сожалению, это оказывает негативное влияние на природу. Злоупотребление ресурсами приводит к следующим отрицательным последствиям:

• быстро уменьшается количество растений, в первую очередь деревьев, что приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере;
• фабрики и заводы сжигают ископаемые ресурсы, вызывая тем самым дисбаланс химических элементов.

Активная деятельность человека привела к появлению глобального потепления. Из-за большого количества парниковых газов в атмосфере, процесс отдачи инфракрасного излучения планетой в космическое пространство замедлился. В результате наблюдается таяние льдов на полюсах, что привело к увеличению уровня Мирового океана и гибели некоторых представителей биосферы.

Углерод в ископаемом топливе и деревьях

Некоторое количество углерода в нашем мире находится в подвешенном состоянии сотни или даже миллионы лет. Углерод задерживается в ископаемом топливе, таком как уголь и нефть. Ископаемое топливо состоит из трансформированных останков живых организмов и содержит много энергии. Мы сжигаем ископаемое топливо для получения энергии, и в этом процессе углерод возвращается в атмосферу в форме CO2.

Еще одно место, где углерод задерживается на долгое время — это деревья. Поскольку деревья живут очень долго, углерод не циркулирует, пока дерево не умрет или не сгорит. Затем CO2 выпускается обратно в атмосферу, и цикл продолжается, поскольку этот углерод снова используется растениями для создания пищи.

Значение круговорота Nдля биосферы

Для того чтобы дать описание и схему круговорота азота в природе, нужно помнить, что этот элемент — важная часть белков и ДНК. Без него жизни, какой её знает человечество, могло и не быть. Но биологические существа способны усвоить его только в определённом виде. В результате различных геологических процессов этот элемент принимает ту форму, которой могут воспользоваться организмы. Обмен элементами между живыми существами, воздухом, водой и земной корой получил название биогеохимических циклов.

Таким образом, микроэлементы, являющиеся частью биологического организма, возвращаются в природу. В этом процессе частицы постоянно перемещаются между воздухом, водой и живыми организмами, в противном случае жизнь давно бы истратила свои ресурсы.

N2 входит в состав всего живого. Это один из самых популярных в природе элементов. Атмосфера земли на 78% состоит из N2. Он также содержится в воде и почве и входит в состав белков.

Этот элемент включается в синтез важнейших органических молекул, белков и нуклеиновых кислот. Азот в виде газа, содержащийся в атмосфере, довольно инертен и немногие организмы способны получать его из воздуха. Растения могут поглощать лишь связанный микроэлемент, то есть в составе химических соединений.

Связывание или фиксация происходит тремя способами:

• За счёт электрических разрядов молний. Они расщепляют молекулы, позволяя вступать в соединения с кислородом. Образованный таким способом оксид азота растворяется в дождевой воде и поступает в почву, откуда его поглощают растения. Именно вспышки молний играют важную роль в развитии жизни на нашей планете.
• Человек — ещё один источник. Человеческая деятельность значительно увеличила его количество в природе. Сегодня треть этого связанного азота попадает в биосферу, благодаря широкому применению искусственных удобрений, содержащих нитраты. В промышленности связывание этого элемента с водородом происходит при температуре от 400 до 600 градусов по Цельсию и давлении до 1 тысячи атмосфер.
• В природе основными азотфиксаторами являются бактерии, особенно те из них, которые образуют симбиоз с корнями бобовых растений. Горох, фасоль, соя, клевер — все они относятся к данному типу. Благодаря симбиозу, они могут жить на очень бедных почвах, обогащая их. У этих растений есть механизм, который позволяет им совместно с клубеньковыми бактериями усваивать вещество из воздуха.

Для того чтобы понять, какие организмы принимают участие в круговороте азота, надо вспомнить класс биологии. Существуют важнейшие азотфиксаторы цианобактерии. Они играют важную роль в водных экосистемах. N2 также свободно фиксируется свободноживущими почвенными бактериями. При помощи специального фермента бактерии фиксируют атмосферный азот, синтезируя аммиак и нитраты. Получается взаимовыгодное существование. Микроорганизмы обеспечивают растения азотом, а растения питают бактерии сахарами.

Большинство видов растений получает нитраты из почвы. Растительные белки становятся частью травоядных животных, а затем хищников. В круговороте бактерии играют важнейшую роль, разлагая сложные азотсодержащие соединения, чтобы их усвоили растения. В условиях недостатка кислорода некоторые бактерии разлагают органические вещества до получения газообразного азота. Он возвращается в атмосферу и весь цикл повторяется вновь.

Это интересно: Что в географии называют равниной? Определение, примеры и типы

Круговорот свинца

Несмотря на то что свинца в земной коре содержится всего 0,0016%, он присутствует во всех компонентах природной среды. Важнейшим в круговороте свинца является его атмосферно-гидросферный перенос. Находящийся в атмосфере свинец вместе с пылью осаждается атмосферными осадками и начинает концентрироваться в почвах. Растения получают свинец из почв, природных вод и атмосферных выпадений, а животные — при потреблении растений и воды. В организм человека свинец попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основными источниками загрязнения биосферы свинцом являются разнообразные двигатели, выхлопные газы которых содержат тетраэтилсвинец, теплоэнергетические установки, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленность. Значительное количество свинца вносится в почву сточными водами.

У жителей промышленно развитых стран содержание свинца в организме в несколько раз больше, чем у жителей аграрных стран, а у горожан выше, чем у сельских жителей. Увеличение концентрации свинца в природных средах приводит к необратимым процессам в костях и печени людей.

Биосфера — это область распространения живого вещества. В ее истории имеются важнейшие рубежи, свидетельствующие о влиянии на ее развитие и эволюцию различных геосферных факторов. Живое вещество обладает весьма своеобразными экологическими функциями

Важное геоэкологическое значение имеют энергетическая, газовая, почвенно-элювиальная, водоочистная, водорегулирующая, концентрационная, транспортная и деструктивная функции. Биосфера многолика в результате исключительно огромного таксономического разнообразия

Каждый организм или группа организмов в силу своих физиологических особенностей и условий существования способны служить инструментом индикации загрязненности природной среды. В биосфере существует круговорот веществ, которому предшествует геологический круговорот, подготовляющий вещества для жизнедеятельности организмов. Более низкий уровень биосферного круговорота составляет биологический круговорот. В природе существуют круговороты углерода, азота, фосфора, серы, ртути, свинца и других химических элементов и соединений.

Азот в живой природе

Роль азота в природе ещё не изучена до конца. Любая экологическая система усваивает небольшое количество вещества. Поэтому при производстве удобрений нарушается баланс между газом из органических соединений, вернувшимся в атмосферу, и элементами из воздушной среды.

Было отмечено, что его состояние может переходить из техногенного потока в природный. Лишнее количество газа накапливается в природе и вызывает отрицательные последствия. Выявлена закономерная связь между сельским хозяйством, например, применением различных добавок, и загрязнением окружающей среды.

Приблизительно 36% азота, который проникает в землю с удобрениями, просачивается в сточные воды. В них оказывается большое количество нитратов азота, которые, попадая в реки и озёра, вызывают усиленное размножение растений.

Этот процесс получил название эвтрофикация, то есть загрязнение водных ресурсов водорослями. Это одно из самых важных экологических последствий в применении этого вещества. Молекулы служат питательной средой для водяных растений. Путём накапливания они разрастаются очень быстро, затемняют водоём и не дают развиваться другим растениям. Со временем водоросли отмирают. Для их разложения необходимо очень большое количество воздуха.

Ещё одной причиной загрязнения являются фермы. Есть три фактора:

1. Навоз оставляют на замёрзшей земле.
2. Избыточное количество химических веществ.
3. Не заделывают удобрения в почву.

При этом в воздух попадает аммиак. На расстоянии двух километров от ферм наблюдается его распространение и загрязнение воздуха. В результате близлежащие водоёмы оказываются загрязнены. Для предотвращения этого ниже по склону устраиваются пруды. А площадки откорма скота обязательно проектируются с учётом отметки грунтовых вод.

Последствием нарушения баланса азота в атмосфере является увеличение количества нитратов в продуктах питания. В культурах, которые выращивают в сельском хозяйстве, могут содержаться большие дозы нитратного азота. Его образование возможно при неправильной транспортировке, а также при помощи бактерий. При попадании в организм и взаимодействии с гемоглобином они нарушают проникновение кислорода в кровь. Это серьёзно отражается на здоровье человека.

Окислы также входят в состав азотного соединения. Соединения образуются и оказываются в атмосфере путём сжигания газа, выделяются при использовании автомобиля или турбинных самолётов. Они не причиняют вреда только в том случае, если не окисляются озоном до двуокиси азота. Нахождение большой концентрации в организме приводит к тяжёлым заболеваниям.

Особенности кругооборота воды и некоторых веществ в биосфере

Эта энергия оказывается Солнцем. Таким образом, жизнь на Земле зависит от циклических химических процессов, возможных благодаря попаданию солнечной энергии.

Применение кислорода обусловлено его химическими свойствами. Кислород широко используется как окислитель. Его применяют для сварки и резки металлов, в химической промышленности — для получения различных соединений и интенсификации некоторых производственных процессов.

В космической технике кислород применяется для сжигания водорода и других видов топлива, в авиации — при полетах на больших высотах, в хирургии — для поддержания больных с затрудненным дыханием.

Биологическая роль кислорода обусловлено его способностью поддерживать дыхание.

Человек при дыхании в течение одной минуты в среднем потребляет 0,5 дм3 кислорода, в течение суток — 720 дм3, а в течение года — 262,8 м3 кислорода.