Karbon, nitrojen ve fosforun biyojeokimyasal döngüleri. Biyojeokimyasal nitrojen döngüleri ve bunların bozulması Test soruları ve ödevleri

Ders 12 -2011

Biyojeokimyasal döngüler

Maddelerin biyolojik döngüsü kimyasal organizmaların canlı organizmalara girişi, yeni karmaşık bileşiklerin biyokimyasal sentezi ve elementlerin toprağa, atmosfere ve hidrosfere geri dönüşünün bir dizi sürecidir.

Abiojenik ve biyolojik döngüler yakından iç içe geçmiş olup, gezegensel bir jeokimyasal döngü ve yerel madde döngülerinden oluşan bir sistem oluşturur. Böylece, gezegenimizin milyarlarca yıllık biyolojik tarihi boyunca, biyosferin normal işleyişinin temelini oluşturan büyük bir biyojeokimyasal döngü ve doğadaki kimyasal elementlerin farklılaşması gelişmiştir. Yani gelişmiş bir biyosfer koşullarında madde döngüsü biyolojik ve jeolojik faktörlerin birleşik etkisiyle yönlendirilir. Aralarındaki ilişki farklı olabilir ama eylem ortak olmalı! Maddelerin biyojeokimyasal dolaşımı ve biyojeokimyasal döngüler terimleri bu anlamda kullanılmaktadır.

Biyolojik döngü tamamen dengelenmiş bir kapalı döngü değildir.

Süreçlerin biyojeokimyasal önemi ilk olarak V.V. Dokuchaev. V.I.'nin çalışmalarında daha da ortaya çıktı. Vernadsky, B.B. Polynova, D.N. Pryanishnikova, V.N. Sukacheva, L.E. Rodina, N.I. Bazilevich, V.A. Kovda ve diğer araştırmacılar.

Kimyasal elementlerin doğal biyolojik döngülerini incelemeye başlamadan önce en sık kullanılan terimlere aşina olmak gerekir.

Biyokütle - biriken canlı madde kütlesi şu anda zaman.

Bitki kütlesi (veya bitki biyokütlesi0 - herhangi bir belirli alanda veya bir bütün olarak gezegende belirli bir anda anatomik yapılarını koruyan bitki topluluklarının yaşayan ve ölü organizmalarının kütlesi.

Fitomas yapısı - Bitkilerin yer altı ve yer üstü kısımlarının yanı sıra bitkilerin yıllık ve çok yıllık, fotosentetik ve fotosentetik olmayan kısımlarının oranı.

Çürümek - Birim zamanda birim alan başına toprak üstü ve yer altı kısımlarında ölen bitkilerin organik madde miktarı.

Yavrulamak - değişen derecelerde mineralizasyona sahip çok yıllık bitki artıkları birikintileri.

Büyüme – Bir organizmanın veya organizma topluluğunun, birim zamanda birim alanda biriken kütlesi.

Gerçek Kazanç – büyüme miktarının birim alan başına birim zamandaki çöp miktarına oranı.

Birincil üretim – Ototrofların (yeşil bitkiler) birim zamanda birim alan başına oluşturduğu canlı madde kütlesi.

İkincil ürünler – heterotrofların birim zamanda birim alan başına oluşturduğu organik madde kütlesi.

Biyolojik döngünün kapasitesi – olgun bir biyosinozun (fitosenoz) kütlesinde bulunan kimyasal elementlerin sayısı.

Biyolojik döngünün yoğunluğu – birim zaman başına birim alan başına biyokütle büyümesinde bulunan kimyasal elementlerin miktarı.

Biyolojik devir oranı - Bir elementin canlı madde tarafından absorbe edilmesinden canlı maddeden salınmasına kadar geçen süre.

Alan. Rodina ve N.I. Bazilevich (1965), karadaki elementlerin biyolojik döngüsünün tam döngüsü aşağıdaki bileşenlerden oluşur:

Karbonun bitkiler tarafından atmosferden ve azot, kül elementleri ve suyun topraktan emilmesi, bitki organizmalarının vücutlarına sabitlenmesi, ölü bitkiler veya bunların parçaları ile toprağa girmesi, çöplerin ayrışması ve içerdiği elementlerin salınması onlara.

Bitkilerin bazı kısımlarının kendileriyle beslenen hayvanlar tarafından yenilmesi, bunların hayvanların vücutlarında yeni organik bileşiklere dönüştürülmesi ve bir kısmının hayvan organizmalarında sabitlenmesi, daha sonra hayvanların dışkıları veya cesetleri ile toprağa girmeleri, her ikisinin de ayrışması ve bunların içerdiği elementlerin salınması.

Bitkiler ve atmosfer (toprak havası dahil) arasındaki gaz değişimi.

Bazı elementlerin toprak üstü bitki organları ve kök sistemleri tarafından ömür boyu doğrudan toprağa salgılanması.

Biyosferin yapısı Genel görünüm birinci dereceden en büyük iki doğal kompleksi temsil eder - kıta ve okyanus. Modern çağda, kara bir bütün olarak elüvyon sistemi, okyanus ise birikimli bir sistemdir. Okyanus ve kara arasındaki "jeokimyasal ilişkinin" tarihi, kimyasal bileşim topraklar ve okyanus suları. Yaşamın temeli olan elementler (Si, Al, Fe, Mn, C, P, N, Ca, K) toprakta birikmekte ve H, O, Na, Cl, S, Mg ise toprağın kimyasal temelini oluşturmaktadır. okyanus.

Dünyadaki kara formunun bitkileri, hayvanları ve toprak örtüsü Kompleks sistem. Güneş enerjisini, atmosferik karbonu, nemi, oksijeni, hidrojeni, nitrojeni, fosforu, sülfürü, kalsiyumu ve diğer biyofilik elementleri bağlayıp yeniden dağıtan bu sistem, sürekli olarak yeni biyokütle oluşturur ve serbest oksijen üretir.

Okyanusta, gezegendeki aynı bağlayıcı işlevleri yerine getiren ikinci bir sistem (su bitkileri ve hayvanları) vardır. Güneş enerjisi, karbon, nitrojen, fosfor ve diğer biyofiller biyokütle oluşumu yoluyla atmosfere oksijen salar.

Bitkiler, besin zincirleri ve ilişkili hayvanlar ve bakteriler aracılığıyla dokularını birçok kimyasal element ve bunların bileşiklerini kullanarak oluştururlar. Bunların en önemlileri arasında H, O, N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Al, Mn gibi makro elementlerin yanı sıra I, Co, Cu, Zn, Mo vb. mikro elementler bulunur. Bu durumda Hafif izotopların seçici seçimi karbon, hidrojen, oksijen, nitrojen ve kükürtten ve daha az sıklıkla daha ağır olanlardan oluşur.

Karada, suda ve havada yaşayan canlılar, yaşamları boyunca ve hatta ölümden sonra bile çevreyle sürekli bir alışveriş halindedir. Aynı zamanda, organizmaların ve çevrenin (metabolitler) intravital metabolizma ürünlerinin toplam kütlesi, canlı maddenin biyokütlesinden birkaç kat daha fazladır.

Belirli bir kimyasal elementin bireysel önemi, bitki külündeki (ağırlıkça) element içeriğinin topraktaki (veya topraktaki) aynı elementin içeriğine oranıyla belirlenen biyolojik absorpsiyon katsayısı ile değerlendirilir. yerkabuğu).

1966'da V.A. Kovda, genel karbon döngüsünün ortalama süresini karakterize etmek için kaydedilen fitobiyokütlenin fitomadaki yıllık fotosentetik artışa oranının kullanılmasını önerdi. Bu katsayı, belirli bir alanda (veya genel olarak karada) biyokütlenin genel sentez-mineralizasyon döngüsünün ortalama süresini karakterize eder. Hesaplamalar bu döngünün aslında 300-400 ila 1000 yıllık bir süreye denk geldiğini göstermiştir. Buna göre bu ortalama hızda biyokütleye bağlı mineral bileşiklerin salınımı, toprakta humus oluşumu ve mineralizasyonu meydana gelir.

Biyosferdeki canlı maddenin mineral bileşenlerinin biyojeokimyasal öneminin genel bir değerlendirmesi için V.A. Kovda, biyokütledeki mineral madde rezervinin yanı sıra büyüme ve çöp yoluyla dolaşıma katılan yıllık mineral madde miktarını nehirlerin yıllık kimyasal akışıyla karşılaştırmayı önerdi. Bu değerlerin karşılaştırılabilir olduğu ortaya çıktı. Bu, nehir sularında çözünen maddelerin çoğunun, okyanus veya iç çöküntüler yönünde suyla göçüne katılmadan önce bitki-toprak sisteminin biyolojik döngüsünden geçtiği anlamına gelir.

Biyojeokimyasal döngü indeksleri farklı iklim koşullarında, farklı bitki topluluklarının örtüsü altında, farklı doğal drenaj koşulları altında büyük farklılıklar gösterir, bu nedenle N.I. Bazilevich ve L.E. Rodin, fitomas ayrışmasının ek endekslerini hesaplamayı önerdi - çöpün ayrışmasının yoğunluğunu ve belirli bir biyojeosinoz koşullarında çöpün korunma süresini karakterize eden, çöp kütlesinin yıllık çöp kütlesine oranına eşit bir katsayı. Bu araştırmacılara göre, en yüksek değerleri kuzeydeki tundra ve bataklıklarda, en düşük değerleri ise (yaklaşık 1) bozkır ve yarı çöllerdedir.

B.B. Polynov, su göç indeksinin, buharlaşan nehir veya yeraltı suyundaki mineral kalıntısındaki bir element miktarının, aynı kimyasal bileşenin içeriğine oranına eşit olarak hesaplanmasını önerdi. kayalar(veya yer kabuğu). Su göç endekslerinin hesaplanması, biyosferdeki en hareketli göçmenlerin klor, kükürt, bor, brom, iyot, kalsiyum, sodyum, magnezyum, flor, stronsiyum, çinko, uranyum ve molibden olduğunu gösterdi. En az hareketli olanlar silikon, alüminyum, demir, potasyum, fosfor, baryum, manganez, rubidyum, bakır, nikel, kobalt, arsenik, lityumdur.

Bozulmamış biyojeokimyasal döngüler neredeyse daireseldir; neredeyse ayrılmış karakter. Doğadaki döngülerin çoğalma (tekrarlanma) derecesi çok yüksektir (V.A. Kovda'ya göre -% 90-98). Böylece döngüde yer alan bileşenlerin bileşimi, miktarı ve konsantrasyonunda belirli bir sabitlik korunur. Ancak biyojeokimyasal döngülerin tam olarak kapanmaması, daha sonra göreceğimiz gibi, çok önemli bir jeokimyasal öneme sahiptir ve biyosferin evrimine katkıda bulunur. Bu nedenle atmosferde biyojenik oksijen birikimi, yerkabuğunda karbon bileşiklerinin (petrol, kömür, kireç taşları) biyojenik ve kemojenik birikimi vardır.

Elementlerin genel biyojeokimyasal döngüsü, bireysel kimyasal elementlerin biyojeokimyasal döngülerini içerir. Biyosferin bir bütün olarak işleyişinde ve daha düşük bir sınıflandırma seviyesindeki bireysel jeosistemlerde en önemli rol, canlı madde ve fizyolojik süreçlerin bileşimindeki rolleri nedeniyle canlı organizmalar için en gerekli olan çeşitli kimyasal elementlerin döngüleri tarafından oynanır. . Bu en önemli kimyasal elementler arasında karbon, oksijen, nitrojen, kükürt, fosfor vb. bulunur.

ÖNEMLİ KİMYASAL ELEMENTLERİN BİYOJEOKİMYASAL DÖNGÜLERİ:
KARBON, OKSİJEN, AZOT, KÜKÜRT, FOSFOR, POTASYUM, KALSİYUM,
SİLİKA, ALÜMİNYUM, DEMİR, MANGAN VE AĞIR METALLER

Karbon

Dünya atmosferinin karbon içeriği karbondioksit formunda %0,046, metan formunda ise %0,00012'dir. Yerkabuğunun ortalama içeriği %0,35, canlı maddelerde ise yaklaşık %18'dir (Vinogradov, 1964). Biyosferin ortaya çıkışı ve gelişmesinin tüm süreci karbonla yakından ilgilidir, çünkü Gezegenimizdeki protein yaşamının temeli karbondur, yani. Karbon canlı maddenin en önemli kimyasal bileşenidir. Kendi atomları ile diğer atomlar arasında polimerleşme ve güçlü bağlar oluşturma yeteneğinden dolayı, yapılarında enerjiyi maksimum düzeyde bağlayan tüm yüksek moleküllü organik bileşiklerin temeli bu kimyasal elementtir.

Toprakların yerkabuğuna göre, bitkilerin ise toprağa göre biyojenik zenginleşme indeksi karbon için sırasıyla 100 ve 1000'dir (Kovda, 1985).

Bu elementin canlı organizmalar tarafından organik maddenin sentezi için ödünç alındığı biyosferdeki ana karbon deposu atmosferdir. Karbon, esas olarak CO2 dioksit formunda bulunur. Diğer gazların - CO ve çeşitli hidrokarbonların, özellikle metan CH4'ün bileşimine küçük bir oranda atmosferik karbon dahildir. Ancak oksijen atmosferinde kararsızdırlar ve sonuçta aynı CO2'nin oluşumuyla kimyasal etkileşimlere girerler.

Karbon, fotosentez işlemi sırasında ototrofik üreten organizmalar (bitkiler, bakteriler, siyanobiyontlar) tarafından atmosferden emilir ve bunun sonucunda suyla etkileşime bağlı olarak organik bileşikler - karbonhidratlar oluşur. Ayrıca sulu çözeltilerle sağlanan maddeleri içeren metabolik süreçlerin bir sonucu olarak organizmalarda daha karmaşık organik maddeler sentezlenir. Sadece bitki dokularının oluşumu için kullanılmazlar, aynı zamanda trofik piramidin bir sonraki halkalarını (tüketiciler) işgal eden organizmalar için bir beslenme kaynağı olarak da hizmet ederler. Böylece karbon, trofik zincirler aracılığıyla çeşitli hayvanların organizmalarına geçer.

Karbon çevreye iki şekilde geri verilir. İlk olarak, nefes alma sürecinde. Solunum süreçlerinin özü, fizyolojik süreçler için enerji sağlayan oksidatif kimyasal reaksiyonların organizmalar tarafından kullanılmasıdır. Suda atmosferik veya çözünmüş oksijen kullanılarak organik bileşiklerin oksidasyonu, karmaşık organik bileşiklerin (gıda) CO2 ve H2O oluşumuyla ayrışmasıyla sonuçlanır. Sonuç olarak, CO2'deki karbon, oksijene geri döner. atmosfer ve döngünün bir kolu kapalı.

Karbonu geri döndürmenin ikinci yolu organik maddenin ayrışması - mineralizasyondur. Biyosfer koşulları altında, bu işlem esas olarak oksijen ortamında meydana gelir ve ayrışmanın son ürünleri aynı CO2 ve H2O'dur. Ancak karbondioksitin çoğu doğrudan atmosfere girmez. Organik maddenin ayrışması sırasında açığa çıkan karbon çoğunlukla toprakta, yüzey altında ve toprakta çözünmüş halde kalır. yüzey suları. Ve ayrıca çözünmüş karbondioksit formunda veya çözünmüş karbonat bileşiklerinin bir parçası olarak - HCO3 - veya CO32- iyonları formunda. Az çok uzun bir göçten sonra kısmen atmosfere geri dönebilir, ancak daha büyük veya daha küçük bir kısmı her zaman karbonat tuzları şeklinde çökelir ve litosferde bağlanır.

Atmosferdeki karbonun bir kısmı atmosferden doğrudan hidrosfere girerek suda çözünmektedir. Esas olarak karbondioksit atmosferden emilir ve Dünya Okyanusunun sularında çözülür. Kara sularında şu veya bu şekilde çözünmüş karbonun bir kısmı da buraya gelir. Deniz suyunda çözünen CO2, deniz organizmaları tarafından karbonat iskeleti (kabuklar, mercan yapıları, derisi dikenli kabuklar vb.) oluşturmak için kullanılır. Biyojenik kökenli karbonat kaya katmanlarının bir parçasıdır ve dolayısıyla biyosfer döngüsünün aşağı yukarı uzun bir süre "düşmesidir".

Oksijensiz ortamlarda, son ürün olarak karbondioksitin oluşmasıyla birlikte organik maddenin ayrışması da meydana gelir. Burada kemosentetik bakterilerin mineral maddelerden aldıkları oksijen nedeniyle oksidasyon meydana gelir. Ancak bu koşullar altında süreç daha yavaş ilerler ve organik maddenin ayrışması genellikle eksik olur. Sonuç olarak, karbonun önemli bir kısmı tamamen ayrışmamış organik maddenin bileşiminde kalır ve yer kabuğunun kalınlığında bitümlü siltlerde, turba bataklıklarında ve kömürlerde birikir.

Karbonun akümülatörleri ve depolayıcıları canlı biyokütle, humus, kireç taşları ve kostobiyolitlerdir. Volkanik nefes vermelere ek olarak doğal karbondioksit kaynakları, organik maddenin ayrışması, hayvanların ve bitkilerin solunumu ve organik maddenin toprakta ve diğer doğal ortamlarda oksidasyonu süreçleridir. Teknolojik karbondioksitin miktarı 20x109 ton olup, bu miktar hala atmosfere doğal salınımından çok daha azdır. Dünya üzerinde yaşamın ortaya çıkışından bu yana geçen milyarlarca yıl boyunca, atmosferdeki ve hidrosferdeki tüm karbon, defalarca canlı organizmaların içinden geçmiştir. Canlı organizmalar yalnızca 3-4 yıl içinde atmosferde bulunan karbon miktarını emer. Sonuç olarak, bu dönemde atmosferin karbon bileşimi tamamen yenilenebilir ve şartlı olarak atmosferik karbonun bu dönemde döngüsünü tamamladığını varsayabiliriz. Karbonun biyosferdeki rolü, döngü diyagramında açıkça gösterilmektedir (Şekil 3.5.1).

Pirinç. 3.5.1. Biyojeokimyasal karbon döngüsünün şeması

Bu diyagram, fotosentez mekanizmasını kullanan bitkilerin oksijen üreticisi olarak hareket ettiğini ve karbondioksitin ana tüketicileri olduğunu açıkça göstermektedir. Yeşil bitkilerin yakl. 220 milyar ton CO2.

Ancak biyolojik karbon döngüsü kapalı değildir. Bu bizim için de dahil olmak üzere çok önemli. Bu element genellikle karbonat kayaları, turbalar, sapropeller, kömürler ve humus şeklinde jeokimyasal döngüden uzun bir süre boyunca çıkarılır. Böylece karbonun bir kısmı sürekli olarak biyolojik döngünün dışına çıkar ve çeşitli kayaların bir parçası olarak litosfere bağlanır. O halde neden atmosferde karbon açığı yok? Bunun nedeni, volkanik aktivitenin bir sonucu olarak atmosfere sürekli CO2 akışı ile kaybının telafi edilmesidir. Yani atmosfere sürekli derin karbondioksit ve karbon monoksit giriyor. Bu, gezegenimizin biyosferindeki karbon dengesini korumamızı sağlar.

İnsan ekonomik faaliyeti biyolojik karbon döngüsünü yoğunlaştırır ve birincil ve dolayısıyla ikincil üretkenliğin artmasına yardımcı olabilir. Ancak teknolojik süreçlerin daha da yoğunlaşmasına atmosferdeki karbondioksit konsantrasyonundaki artış eşlik edebilir. Karbondioksit konsantrasyonunun %0,07'ye yükselmesi, insanların ve hayvanların solunum koşullarını keskin bir şekilde kötüleştirir. Hesaplamalar, fosil yakıtların mevcut çıkarım ve kullanım seviyesinin korunması koşuluyla, Dünya atmosferinde böyle bir karbondioksit konsantrasyonuna ulaşmanın 200 yıldan biraz daha uzun süreceğini gösteriyor. Bazı büyük şehirlerde bu tehdit halihazırda oldukça gerçektir.

Oksijen

Oksijen yalnızca yer kabuğunun (clarke değeri 47) değil, aynı zamanda hidrosferin (%85,7) ve canlı maddelerin (%70) en yaygın elementidir. Bu element aynı zamanda atmosferin bileşiminde de önemli bir rol oynar (%20'den fazla). Olağanüstü yüksek kimyasal aktivitesi nedeniyle oksijen biyosferde özellikle önemli bir rol oynar. Çözeltilerin ve eriyiklerin redoks ve alkali asit koşullarını belirler. Çözeltilerde hem iyonik hem de iyonik olmayan göç biçimleriyle karakterize edilir.

Dünyadaki jeokimyasal süreçlerin evrimine oksijen içeriğindeki istikrarlı bir artış eşlik ediyor. Şu anda atmosferdeki oksijen miktarı 1,2 x 10 15 tondur. Yeşil bitkilerin oksijen üretim ölçeği o kadar büyüktür ki, bu miktar 4000 yılda iki katına çıkarılabilir. Ancak fotosentez sonucu oluşan yaklaşık aynı miktarda organik madde yıl içinde ayrıştığı için bu gerçekleşmez. Bu durumda açığa çıkan oksijenin neredeyse tamamı emilir. Ancak biyojeokimyasal döngünün açıklığı nedeniyle organik maddenin bir kısmının korunması ve serbest oksijenin atmosferde yavaş yavaş birikmesi nedeniyle.

Gezegenimizdeki oksijen üretiminin ana "fabrikası" yeşil bitkilerdir, ancak yer kabuğunda da çeşitli kimyasal reaksiyonlar meydana gelir ve bunun sonucunda serbest oksijen açığa çıkar.

Serbest oksijenin başka bir göç döngüsü, doğal su - troposfer sistemindeki kütle değişimiyle ilişkilidir. Okyanus suyu 3x10 9 ila 10x10 9 m3 arasında çözünmüş oksijen içerir. Yüksek enlemlerdeki soğuk su oksijeni emer ve okyanus akıntılarıyla tropik bölgelere doğru giderken onu atmosfere salar. Oksijenin emilmesi ve salınması, yılın mevsimleri değiştiğinde ve su sıcaklığındaki değişikliklerle birlikte meydana gelir.

Oksijen, çoğu biyokimyasal nitelikte olan çok sayıda oksidatif reaksiyonda tüketilir. Bu reaksiyonlar fotosentez sırasında emilen enerjiyi serbest bırakır. Toprakta, siltlerde ve yeraltı sularında, organik bileşikleri oksitlemek için oksijeni kullanan mikroorganizmalar gelişir. Gezegenimizdeki oksijen rezervleri çok büyük. Minerallerin kristal kafeslerinin bir parçasıdır ve onlardan canlı madde tarafından salınır.

Böylece, genel şema Biyosferdeki oksijen döngüsü iki koldan oluşur:

fotosentez sırasında serbest oksijen oluşumu;

Oksidatif reaksiyonlarda oksijenin emilimi

J. Walker (1980)'in hesaplamalarına göre dünya karalarının bitki örtüsünün açığa çıkardığı oksijen yılda 150x10 15 tondur; okyanusun fotosentetik organizmalarının atılımı - yılda 120x10 15 ton; aerobik solunum süreçlerinde emilim – yılda 2 10 x 10 15 ton; biyolojik nitrifikasyon ve organik maddenin diğer ayrışma süreçleri - yılda 70x10 15 ton.

Biyojeokimyasal döngüde, biyosferin bireysel bileşenleri arasındaki oksijen akışı ayırt edilebilir (Şekil 3.5.2).

Pirinç. 3.5.2. Biyojeokimyasal oksijen döngüsünün şeması

Modern koşullar altında biyosferde oluşan oksijen akışı teknolojik göçler nedeniyle bozulmaktadır. Birçok kimyasal bileşikler Endüstriyel işletmeler tarafından doğal sulara boşaltılan, suda çözünmüş oksijeni bağlar. Her şey atmosfere salınır büyük miktar karbondioksit ve çeşitli aerosoller. Toprak kirliliği ve özellikle ormansızlaşma ve geniş alanlardaki arazilerin çölleşmesi, kara bitkilerinin oksijen üretimini azaltır. Yakıt yakarken büyük miktarda atmosferik oksijen tüketilir. Bazı sanayileşmiş ülkelerde fotosentez yoluyla üretilenden daha fazla oksijen yakılır.

Hidrojen

Serbest hidrojen yer kabuğunda kararsızdır. Hızla oksijenle birleşerek su oluşturur ve diğer reaksiyonlara da katılır. Ayrıca ihmal edilebilir atom kütlesi nedeniyle uzaya buharlaşma (dağılma) yeteneğine sahiptir. Volkanik patlamalar sırasında önemli miktarda hidrojen Dünya yüzeyine ulaşır. Hidrojen gazı, belirli kimyasal reaksiyonlar sonucunda ve ayrıca anaerobik koşullar altında organik maddeyi parçalayan bakterilerin yaşamı boyunca sürekli olarak oluşur.

Organizmalar gezegenin biyosferindeki hidrojeni sabitler, onu yalnızca organik maddeye bağlamakla kalmaz, aynı zamanda toprağın mineral maddesinde hidrojenin sabitlenmesine de katılır. Bu, H+ iyonunun salınmasıyla asidik metabolik ürünlerin ayrışması sonucu mümkün olur. İkincisi, kural olarak, bir hidrojen bağı yoluyla bir su molekülü ile bir hidronyum iyonu (H3O+) oluşturur. Hidronyum iyonları bazı silikatlar tarafından emildiğinde kil minerallerine dönüşür. Böylece, V.V. Dobrovolsky'ye göre asidik metabolik ürünlerin üretim yoğunluğu, kristal kayaların hiperjen dönüşümünde ve ayrışma kabuğunun oluşumunda önemli bir faktördür.

Hidrojenin katıldığı Dünya yüzeyindeki döngüsel süreçlerden en güçlülerinden biri su döngüsüdür: her yıl atmosferden 520 bin metreküpten fazla nem geçmektedir. V.V.'ye göre, insan müdahalesinden önce var olan dünya kara kütlesinin fitokütlesini oluşturmak. Dobrovolsky (1998) yaklaşık 1.8x1012 ton suyun parçalandığını ve buna bağlı olarak 0.3x1012 ton hidrojenin bağlandığını belirtmiştir.

Biyosferdeki su döngüsü sırasında hidrojen ve oksijenin izotopları ayrılır. Buharlaşma sırasında su buharı hafif izotoplar açısından zenginleşir; dolayısıyla atmosferik yağış, yüzey ve yeraltı suları, sabit izotopik bileşime sahip okyanus sularına kıyasla hafif izotoplar açısından da zenginleşir.

Azot, şok gazdan arındırma sürecinde zaten Dünya'nın oluşumu aşamasında gaz fazında ayrılan elementlerden biridir. Daha sonra, volkanik patlamalar, hidrotermlerin ve gaz jetlerinin uzaklaştırılması sırasında gaz halindeki nitrojen bileşiklerinin Dünya'nın iç kısmından salınması devam etti. Gaz halindeki moleküler nitrojen, kimyasal inertliğinden dolayı bu elementin en kararlı şeklidir. Bu nedenle, N2, klor gibi okyanus suyunda çözünmüş bileşikler veya karbonat katmanlarındaki karbon gibi okyanus çökeltilerinde çözünmeyen bileşikler olarak konsantre olmak yerine, başlangıçta atmosferde birikti. Şu anda, Dünya'nın bağırsaklarından atmosfere gaz halindeki nitrojen bileşiklerinin yıllık arzı 1.0 × 10 6 tondur.Okyanusta nitrojen, çözünmüş ve partikül halindeki askıda organik maddenin bir parçası olarak çözünmüş iyonlar formunda bulunur. Çözünmüş iyonlar NH4 +, NO2 -, NO3 - formundaki nitrojen kütlesi 685 × 10 9 tondur.Yer kabuğunun granit tabakasında nitrojen konsantrasyonu% 0,002'dir ve toplam kütle Elementin miktarı 165 × 10 12 tondur.Sedimanter kabukta nitrojen organik maddeye sabitlenir. Sedimanter kabuktaki nitrojen kütlesi yaklaşık 0,6 x 10 15 tondur, yani tortul kabukta üç kat daha fazla nitrojen ve atmosferde, Dünya'nın granit katmanına göre 23 kat daha fazla nitrojen bulunur.

Yani, biyosfere nitrojenin ana tedarikçisi Dünya'nın bağırsaklarıdır, ana depolama atmosferdir, daha doğrusu troposferdir. Atmosfer gazının bileşimi sürekli olarak güncellenmektedir. döngüsel süreçler Atmosferi dünyanın kara kütlesi, pedosferi, okyanusu ve çökeltileri ile bağlayan kütle değişimi.

Küresel nitrojen kütle transfer döngüsünün modern yapısı çok karmaşıktır ve birbirine bağlı birkaç döngüden oluşur (Şekil 32).

Azotun dikkat çekici özelliği güçlü polivalansı. Organizmalar hayati fonksiyonları için enerji alırlar. Azotun bir formdan diğerine aktarılması, farklı koşullar altında değerinin değiştirilmesi. Bu durumun etkisi olmadan nitrojenin proteinlerin gerekli bir bileşeni olması mümkündür.

Kimyasal olarak aktif olmayan moleküler nitrojeni aktive edebilen ve onu kimyasal bileşiklere bağlayabilen bazı bakteri türleri vardır. Bu süreç denir nitrojen fiksasyonu.

Azot fiksasyonu, Azotobacteracea familyasının bireysel özel bakterileri ve belirli koşullar altında mavi-yeşil algler tarafından gerçekleştirilir. En üretken olanlar, baklagil bitkileri ile simbiyoz oluşturan nitrojeni sabitleyen nodül bakterilerdir.

Pirinç. 32. Şematik diyagram nitrojen döngüsü

Daha önce toprak bakterileri tarafından havadan sabitlenen azot kütlesi ekonomik aktivite kişi başı yıllık (30-40)∙10 6 ila 200×10 6 ton arasında değişmektedir.Şu anda bu da eklenmektedir yapay biyolojik sabitleme baklagilli tarım bitkilerinden (yaklaşık 20 × 10 9 ton) ve ayrıca endüstriyel nitrojen fiksasyonu havadan 60×10 6 tonu aştı.

Toprakta meydana gelen birbiriyle ilişkili ilk bakteriyel süreç amonifikasyon Azotun organik bileşiklerden (esas olarak amino asitler) amonyum iyonuna veya amonyağa mikrobiyolojik dönüşümü. Organik maddenin ayrışma süreci aerobik koşullar altında gerçekleşir ve buna aktif CO2 oluşumu eşlik eder. Amonyum aşağıdaki dönüşüm sürecinden geçer. İÇİNDE aerobik koşullar oluyor nitrifikasyon: Amonyağın bazı bakteriler tarafından nitrit iyonuna, bazıları tarafından ise nitrat iyonuna dönüştürülmesi. İÇİNDE anaerobik koşullar süreçler gelişiyor denitrifikasyon Bunun sonucunda nitratlar ve nitritler nitröz okside veya gaz halindeki moleküler nitrojene indirgenir. Azot oksit miktarı, bakteriler tarafından sabitlenen N2 kütlesinden birkaç kat daha azdır. Sonuç olarak moleküler nitrojen çeşitli biyokimyasal dönüşümlerden sonra atmosfere geri döner. Bakteriyel fiksasyon ve daha fazla dönüşümün neden olduğu nitrojen döngüsü, bu elementin bir başka güçlü döngüsüyle yakından ilişkilidir. Pedosferden, fotosentetik bitkilerin ve yok eden mikroorganizmaların aktivitesi nedeniyle oluşan biyolojik döngüye büyük miktarda nitrat ve amonyum nitrojen yakalanır. bitki kalıntıları . Azotun bir kısmı biyolojik döngüden çıkarılır ve ölü organik maddede birikir. Orman çöpü, turba ve toprak humusundaki bu eşsiz nitrojen kaynağı, pedosferde sürekli olarak muhafaza edilir ve karadaki biyolojik döngünün bir miktar engellendiğini gösterir. Nitrojen oksitlerin atmosfere yıllık salınımına önemli bir katkı, 10x10 6 ila 200x10 6 ton nitrojenin atmosfere girmesi nedeniyle orman yangınları tarafından sağlanmaktadır.

Okyanusta, nitrojen bileşiklerinin dönüşüm ve göç süreçleri karadakiyle aynı şekilde meydana gelir, ancak bu süreçlerin oranı farklıdır. Okyanustaki fotosentetik organizmaların yaşam döngüleri karadakilerden çok daha hızlı ilerler.

Atmosferdeki yıldırım deşarjları sırasında az miktarda atmosferik nitrojen oksijene bağlanır ve daha sonra yağmurla birlikte toprak yüzeyine düşer.

Şekil 32'yi analiz ettikten sonra, canlı organizmaların nitrojen fonksiyonunun aşamalarını vurgulayın...

1) biyolojik nitrojen fiksasyonu; 2) amonifikasyon; 3) nitrifikasyon; 4) denitrifikasyon;

1) nitrifikasyon; 2) amonifikasyon; 3) protein sentezi; 4) fotokimyasal bağlanma;

1) fotosentez; 2) bakteriler tarafından ayrışma; 3) nitrojen fiksasyonu; 4) amonifikasyon;

1) amonifikasyon; 2) nitrifikasyon; 3) denitrifikasyon; 4) elektrokimyasal bağlanma.

Canlı maddenin işlevlerinin uygulanması, maddelerin dolaşımı sürecinde, yani biyojeokimyasal döngülerde atomların ve moleküllerin göçü ile ilişkilidir. Biyosferde suyun ve canlı organizmaları oluşturan tüm kimyasal elementlerin sürekli bir döngüsü vardır.

Suyun biyojeokimyasal döngüsü (31.4). Su, biyosferdeki en yaygın kimyasal bileşiktir. Dünyadaki toplam rezervleri 1500000000 km3'tür. Su buharı, su kütlelerinin yüzeyinden buharlaşma, bitkilerin terlemesi, solunum vb. yoluyla atmosfere girer; Havanın bir parçası olarak rüzgar tarafından hareket ettirilir. Su, atmosferden yağmur veya kar olarak düşer. Denizlerde ve okyanuslarda nehir akışı ve yağış sayesinde arzı yenilenir. Deniz akıntıları, farklı sıcaklıklardaki suyu önemli mesafelere taşıyarak dünya yüzeyinin belirli bölgelerinin iklimini etkiler. Su, maddelerin sızması, taşınması ve birikmesi gibi jeolojik olaylara neden olur. Su canlılar tarafından emilir ve metabolizmalarına dahil edilir. Organizmalar, solunum, buharlaşma ve benzerleri sırasında atık ürünler yoluyla suyu dışarı atarlar.

Biyojeokimyasal oksijen döngüsü. Canlılar, solunum sırasında moleküler oksijeni (02) absorbe ederek enerji ihtiyacını karşılar. Suda çözünmüş atmosferik oksijen ve oksijen, organik kalıntıların yanı sıra Dünya kabuklarının inorganik bileşiklerini oksitleyebilir. Atmosferdeki oksijenin bir kısmı, ultraviyole güneş ışığının ve elektrik deşarjlarının etkisi altında ozona (03) dönüştürülür. Alt atmosferdeki oksijen içeriği yaklaşık %21'dir ve rakım arttıkça azalır.

Biyojeokimyasal karbon döngüsü (31.5). Karbon, canlı organizmaların bileşiminin ve biyokimyasal süreçlerinin temeli olan tüm organik bileşiklere dahildir. Ototroflar karbondioksiti (CO2) sabitler ve ışık enerjisini (fototroflar) veya kimyasal reaksiyonların enerjisini (kemotroflar) kullanarak çeşitli organik bileşikleri sentezler. Bu maddeler daha sonra besin zinciri yoluyla heterotroflara ulaşır. Canlı organizmalardaki karbon, organik bileşikler ve karbonatlar şeklinde ve bunların dışında topraktaki organik maddede, karbondioksitte ve çeşitli tortul kayaçlarda (mermer, kireçtaşı, tebeşir vb.) bulunur. Bir süreliğine bu bileşiklerin içerdiği karbon biyokimyasal döngülerden uzaklaştırılır, ancak daha sonra canlı organizmaların hayati aktivitesinin (solunum, boşaltım vb.) bir sonucu olarak ölü organik maddenin biyojenik programı (örneğin mineralizasyon) gerçekleşir. süreçler, fermantasyon), tortu kayaçlarının kimyasal dönüşümleri (ayrışma, çözünme), yine biyojeokimyasal süreçlerden etkilenir.

Biyojeokimyasal nitrojen döngüsü. Atmosferdeki serbest nitrojen gazı (N2) içeriği yaklaşık %79'dur. Atmosferden belirli bir miktarı, kozmik ışınların, yıldırım deşarjlarının vb. etkisi altında oluşan esas olarak nitrojen (II) oksit (N02) ve amonyak (NH3) formunda suya ve toprağa girer. nitrojen bileşikleri, atmosferik nitrojenin prokaryotlar (azot sabitleyen bakteriler, bazı siyanobakteriler vb.) tarafından sabitlenmesi nedeniyle toprağa ve suya girer. Bileşimdeki azot kimyasal maddeler Canlı organizmalar tarafından asimile edilebilenlere sabit denir. Doğrudan yeşil bitkiler tarafından veya nodül nitrojen sabitleyici bakterilerle karşılıklı olarak bir arada bulunma yoluyla topraktan alınabilir. Bitkiler, nitrojen bileşiklerinden proteinleri, nükleik asitleri vb. oluşturan amino asitleri sentezler. Azot içeren organik bileşikler daha sonra besin zincirleri boyunca aktarılır. Disimilasyonun bir sonucu olarak, organizmalardaki karmaşık nitrojen bileşikleri, basit bileşiklere (amonyak, üre, ürik asit, guanin vb.) ayrışır ve nefes verildiğinde ter, idrar, dışkı vb. yoluyla çevreye salınır. Proteinler ve diğer organikler Azot bileşikleri organizma kalıntılarıyla çevre ortamına girer. nitritleri (nitröz asit HN02 tuzları) veya nitratları (tuzları) azaltma işlemi olan denitrifikasyon gerçekleştiren ayrıştırıcılar tarafından düzenlenirler. Nitrik asit HN03) moleküler nitrojene veya nitrojen (II) okside. Diğer mikroorganizmalar, amonyum iyonlarının (NH4 +) nitritlere ve nitritlerin nitratlara oksitlenmesi nedeniyle nitrifikasyon reaksiyonları sağlar.

Ekosistemde bir döngü oluşturan her kimyasal element kendi özel yolunu izler, ancak tüm döngüler enerji tarafından yönlendirilir ve bunlara katılan elementler dönüşümlü olarak organikten inorganik forma ve geri döner. Bazı kimyasal elementlerin döngülerini, döviz fonundan yedek fona alınışlarının ve döviz fonuna geri dönüşlerinin özelliklerini dikkate alarak ele alalım.

Nitrojen döngüsü. Elbette bu en karmaşık ve aynı zamanda en savunmasız girdaplardan biridir (Şekil 11.5).

Çok sayıda organizmanın dahil olmasına rağmen döngü, çeşitli ekosistemlerde nitrojenin hızlı dolaşımını sağlar. Kural olarak, niceliksel olarak nitrojen, birlikte protein bileşiklerinin oluşumuna katıldığı karbonu takip eder. Proteinlerin ve diğer azot içeren bileşiklerin bir parçası olan azot, bir dizi kemotrofik bakterinin aktivitesi sonucu organikten inorganik forma dönüştürülür. Her bakteri türü, amonyumu nitritlere ve daha sonra nitratlara oksitleyerek işin üzerine düşeni yapar. Bununla birlikte, bitkilerin kullanabileceği nitratlar, nitratları moleküler nitrojene indirgeyen denitrifikasyon bakterilerinin aktivitesinin bir sonucu olarak onlardan "kaçar".

Azot döngüsü, atmosferdeki geniş bir rezerv fonu ile karakterize edilir. Hacimce havanın neredeyse %80'i molekülerden oluşur.

Pirinç. 11.5.

nitrojen (N 2) ve bu elementin en büyük rezervuarını temsil eder. Aynı zamanda topraktaki yetersiz nitrojen içeriği çoğu zaman tek tek bitki türlerinin ve bir bütün olarak ekosistemin verimliliğini sınırlar. Tüm canlı organizmalar, proteinler ve nükleik asitler oluşturmak için çeşitli formlarda kullanılan nitrojene ihtiyaç duyar. Ancak atmosferdeki nitrojen gazını yalnızca birkaç mikroorganizma kullanabilir. Neyse ki nitrojeni sabitleyen mikroorganizmalar moleküler nitrojeni bitkilerin kullanabileceği amonyum iyonlarına dönüştürür. Ayrıca atmosferde inorganik yollarla sürekli olarak nitratlar oluşuyor, ancak bu olay nitrifikasyon organizmalarının aktivitesiyle karşılaştırıldığında yalnızca destekleyici bir rol oynuyor.

Fosfor döngüsü. Fosfor en önemli biyojenik elementlerden biridir. Nükleik asitlerin, hücre zarlarının, enzimlerin, kemik dokusunun, dentin vb.'nin bir parçasıdır. Nitrojenle karşılaştırıldığında nispeten daha az sayıda kimyasal formda bulunur.

Fosfor, değişim fonuna iki şekilde girer (Şekil 11.6). Birincisi, tüketicilerin birincil atılımı nedeniyle ve ikincisi, fosforu organik formdan çözünebilir fosfatlara dönüştüren fosfat indirgeyici bakteriler tarafından ölü organik maddenin yok edilmesi sürecinde: PO^ -, HPO^ - ve HjPO^" Böylece ayrıştırıcılar fosforu oksitlemeden organik formdan inorganik forma dönüştürürler.

Pirinç. 11.6. Fosforun biyojeokimyasal döngüsü: I - değişim fonu; II - rezerv fonu

Fosforun biyojeokimyasal döngüsünün özelliği, nitrojen ve karbondan farklı olarak rezerv fonunun atmosfer değil, geçmiş jeolojik çağlarda oluşan kayalar ve çökeltiler olmasıdır. Bu bağlamda, maddenin büyük bir kısmı yer kabuğuna gömülü aktif olmayan ve aktif olmayan rezerv fonunda yoğunlaştığından fosfor dolaşımı kolayca bozulur. Fosforun biyojeokimyasal döngüsünün kusuru, derin çökeltilere sızıntı nedeniyle bu elementin kullanılabilirliğinin sınırlı olmasıdır.

Kükürt döngüsü. Kükürt, yer kabuğunda geniş bir rezerv fonu ve atmosferde ve hidrosferde daha küçük bir rezerv fonu ile karakterize edilir (Şekil 11.7). Borsa ve rezerv fonlarının bu tutarlılığının bir sonucu olarak kükürt sınırlayıcı bir faktör değildir. Organizmaların kullanabileceği ana kükürt kaynağı her türlü sülfattır. Birçok sülfatın sudaki iyi çözünürlüğü, inorganik kükürtün ekosistemlere erişimini kolaylaştırır. Bitkiler, sülfatları emerek onları onarır ve kükürt içeren amino asitler (metiyonin, sistein, sistin) üretir. Bu amino asitlerin, polipeptit zincirinin farklı kısımları arasında disülfit köprüleri oluşturarak proteinlerin üçüncül yapısının oluşumunda önemli rol oynadığı bilinmektedir.

Pirinç. 11.7.

I - değişim fonu; II, III - rezerv fonları

Nitratlara ve fosfatlara benzer şekilde, bitkilerin kullanabileceği ana kükürt formu olan sülfatlar, ototroflar tarafından indirgenir ve proteinlere dahil edilir. Hayvanların ve bitkilerin organik kalıntıları mineralize olur ve bileşimlerinde bulunan indirgenmiş kükürt, aerobik ayrışma sırasında enzimatik olarak oksitlenir. çeşitli gruplar kemotrofik mikroorganizmalar. Su kütlelerinde de benzer süreçler gerçekleşir.

Heterotrofik bakteriler toprakta bulunan sülfoproteinlerden hidrojen sülfit üretir. Öte yandan, hidrojen sülfiti yeniden sülfatlara oksitleyebilen çeşitli kemotrofik bakteri grupları da vardır ve bu da üreticilerin kullanabileceği kükürt arzını bir kez daha artırır. Bu tür bakterilerin ışığa ihtiyacı yoktur. Örneğin kemotrofik bakteriler Tiyobasillius Sonsuz karanlığın hüküm sürdüğü bir ortamda hidrojen sülfürün sülfatlara oksidasyonu sırasında elde edilen enerji sayesinde organik maddeleri sentezler.

Kükürt döngüsünün son aşaması tamamen tortuldur. Bu elementin anaerobik koşullar altında demir varlığında çökeltilmesinden oluşur. Çeşitli aşamalar Bu süreç, özellikle de tersine çevrilebilir olanlar, tortul kaya rezervlerinin kullanılmasına da olanak sağlar. Böylece süreç, derinlerde bulunan tortul kayalarda yavaş ve kademeli olarak kükürt birikmesiyle sona erer.

Karbon döngüsü. Karbon temeldir inşaat malzemesi yaşam için önemli olan organik bileşik molekülleri (karbonhidratlar, yağlar, proteinler, nükleik asitler vb.). Bu biyoelement, atmosferdeki küçük ama hareketli bir rezerv fonuyla (Şekil 11.8) bir döngüye katılır ve bitkiler onu karbondioksit formunda alır. Fotosentez sırasında canlı bir hücreyi oluşturan tüm organik bileşiklerin üretildiği tek inorganik karbon kaynağı olan, atmosferik ve suda çözünmüş karbondioksittir. Karbonun bir ekosistemin besin zincirleri boyunca hareketi, enerji aktarımıyla yakından ilişkilidir; yaşamın son ürünlerinin karbondioksit ve su olması boşuna değildir.

Toprakta karbon döngüsü sıklıkla yavaşlar. Organik maddeler tamamen mineralize edilmez, ancak humus adı verilen koyu renkli bir kütle oluşturan karmaşık bir organik asit türevleri kompleksine dönüştürülür. Hiçbir koşulda organik kompleks aerobik olarak tamamen mineralize edilemez ve bu nedenle çeşitli tortul kayalarda birikir. Daha sonra karbon döngüsünde durgunluk veya blokaj meydana gelir - bunun bir örneği kömür, petrol ve diğer hidrokarbon minerallerinin birikmesidir.

Pirinç. 11.8.

I - değişim fonu; II - rezerv fonu

Üreticiler karbonun katı formlarını özümseyemezler, dolayısıyla bitkiler için tek kaynak atmosferik havadır. Şu anda atmosferdeki CO2 formundaki karbon rezervleri nispeten küçüktür. Deniz karbonat döngüsünün tampon sistemi sayesinde karbon döngüsü stabil hale gelir ancak rezerv fonunun küçük hacmi nedeniyle hala savunmasızdır.

Döngülere sadece besinler değil, birçok kirletici de katılıyor. Bazıları çevrede dolaşır ve organizmalarda birikme eğilimindedir. Bu gibi durumlarda, organizmalarda bulunan herhangi bir kirletici maddenin konsantrasyonu yukarı doğru geçtikçe artar. besin zinciriÇünkü organizmalar kirleticileri dışarı attıklarından daha hızlı emerler. Örneğin cıva, suda ve dip çamurunda nispeten zararsız konsantrasyonlarda bulunabiliyorken, kabuklu veya kabuklu su hayvanlarının vücudundaki içeriği onlar için öldürücü olacak düzeye ulaşabiliyor. DDT gibi pestisitlerin etkisi de benzer bir prensibe dayanmaktadır: sudaki içerikleri o kadar önemsiz olabilir ki bunları tespit etmek pratik olarak imkansızdır, ancak belirli bir organizmanın bulunduğu trofik seviye ne kadar yüksek olursa, o kadar büyük olur. pestisitin dokularındaki konsantrasyonu. Bu olay biyolojik amplifikasyon veya biyolojik birikim olarak bilinir.

Yaşamın devam edebilmesi için, kimyasal elementlerin sürekli olarak dış ortamdan canlı organizmalara geçip geri dönmesi, bazı organizmaların sitoplazmasından diğer organizmalar tarafından asimile edilecek bir forma geçmesi gerekir. Ekosistemlerdeki akışların en önemli özelliği döngüsel olmalarıdır. Ekosistemlerdeki maddeler neredeyse tam bir döngüden geçerek önce organizmalara, sonra abiyotik çevreye girip tekrar organizmalara geri dönerler.

Biyojeokimyasal döngülerin kritik anları, maddelerin fiziksel ortamdan yakalanması (üretici seviyesi) ve geri dönüşüdür (ayrıştırıcı seviyesi). Bu noktalar indirgeme ve oksidasyon reaksiyonlarıyla ilişkilidir. Kimyasalların indirgenmesi sonuçta güneş ışınımının enerjisi kullanılarak gerçekleştirilir. Enerji transferinin her aşamasında, elementleri üreticiler tarafından zaten yakalanabilecekleri bir duruma oksitleyen ayrıştırıcılar seviyesinde biten bir dağılma meydana gelir. Genel olarak, değişim fonu düzeyinde, biyojeokimyasal döngü, her biri içinde oksidasyon sürecinin kendi kısmının meydana geldiği bir adımlar sistemi ile temsil edilebilir (Şekil 11.9).

Pirinç. 11.9.

Tüketicilerden üreticilere giden yolda, biyojenik elementlerin bileşiklerini üreticilerin kullanabileceği formlara oksitleyen, çeşitli kemotrofik bakteri grupları tarafından temsil edilen ayrıştırıcılar etki eder. Bu aşamadaki nitrojen ve kükürt döngüsüne heterotrofik bakteriler dahil edilerek bileşikler indirgenir ve böylece bitkiler için erişilemez hale gelir. Sülfür döngüsünde, heterotrofik bakterilerin aktivitesi, çeşitli aerobik ve anaerobik kemotrof gruplarının aktivitesi ile dengelenir. Azot döngüsünde, nitrojeni sabitleyen mikroorganizmaların aktivitesi nedeniyle enerji bariyeri dengelenir.

Denitrifikasyon bakterileri oksijen kaynağı olarak nitratları kullanır.

Biyosferdeki maddelerin dolaşımı, bazı kimyasal elementlerin Güneş enerjisi sayesinde canlı organizmaların besin zinciri boyunca “yolculuğudur”. “Yolculuk” sırasında, çeşitli nedenlerden dolayı bazı unsurlar düşer ve kural olarak yerde kalır. Onların yerini genellikle atmosferden gelenler alır. Bu, Dünya gezegeninde yaşamı neyin garanti ettiğinin en basitleştirilmiş tanımıdır. Böyle bir yolculuk herhangi bir nedenle kesintiye uğrarsa tüm canlıların varlığı sona erecektir.

Biyosferdeki maddelerin döngüsünü kısaca anlatmak için birkaç başlangıç noktası koymak gerekir. Birincisi, doğada bilinen ve bulunan doksandan fazla kimyasal elementten yaklaşık kırk tanesi canlı organizmalar için gereklidir. İkinci olarak bu maddelerin miktarı sınırlıdır. Üçüncü, Hakkında konuşuyoruz sadece biyosfer hakkında, yani dünyanın yaşamı içeren kabuğu ve dolayısıyla canlı organizmalar arasındaki etkileşimler hakkında. Dördüncüsü, döngüye katkı sağlayan enerji Güneş'ten gelen enerjidir. Çeşitli reaksiyonlar sonucunda Dünya'nın bağırsaklarında üretilen enerji, söz konusu süreçte yer almamaktadır. Ve son bir şey. Bu “yolculuğun” başlangıç noktasının önüne geçmek gerekiyor. Şartlıdır, çünkü bir döngünün sonu ve başlangıcı olamaz, ancak süreci anlatmak için bir yerden başlamak için bu gereklidir. Trofik zincirin en alt halkası olan ayrıştırıcılar veya mezar kazıcılarla başlayalım.

Kabuklular, solucanlar, larvalar, mikroorganizmalar, bakteriler ve diğer mezar kazıcılar, oksijen tüketen ve enerji kullanan, inorganik kimyasal elementleri, canlı organizmaları beslemeye ve besin zinciri boyunca daha fazla hareket etmeye uygun organik bir maddeye dönüştürür. Ayrıca, halihazırda organik olan bu maddeler, yalnızca hayvanları, kuşları, balıkları ve benzerlerini değil aynı zamanda bitkileri de içeren tüketiciler veya tüketiciler tarafından yenir. İkincisi üreticiler veya üreticilerdir. Bu besinleri ve enerjiyi kullanarak, gezegendeki tüm canlıların soluyabileceği temel element olan oksijeni üretirler. Tüketiciler, üreticiler ve hatta ayrıştırıcılar ölür. Kalıntıları, içlerindeki organik maddelerle birlikte mezar kazıcıların eline "düşüyor".

Ve her şey bir kez daha tekrarlanıyor. Örneğin biyosferde bulunan oksijenin tamamı devrini 2000 yılda, karbondioksit ise 300 yılda tamamlar. Böyle bir döngüye genellikle biyojeokimyasal döngü adı verilir.

Bazı organik maddeler “yolculukları” sırasında diğer maddelerle reaksiyonlara ve etkileşimlere girerler. Sonuç olarak, mevcut haliyle ayrıştırıcılar tarafından işlenemeyen karışımlar oluşur. Bu tür karışımlar toprakta “depolanmış” kalır. Mezar kazıcıların “masasına” düşen tüm organik maddeler onlar tarafından işlenemez. Bakterilerin yardımıyla her şey çürümez. Bu tür çürümemiş kalıntılar depoya gider. Depoda veya yedekte kalan her şey süreçten çıkarılır ve biyosferdeki madde döngüsüne dahil edilmez.

Böylece biyosferde maddelerin döngüsü itici güç Canlı organizmaların aktivitesi olan iki bileşene ayrılabilir. Biri - rezerv fonu - maddenin canlı organizmaların faaliyetleriyle ilişkili olmayan ve şimdilik dolaşıma katılmayan bir kısmıdır. Ve ikincisi döner sermaye. Canlı organizmalar tarafından aktif olarak kullanılan maddenin yalnızca küçük bir kısmını temsil eder.

Dünyadaki yaşam için hangi temel kimyasal elementler çok gerekli? Bunlar: oksijen, karbon, nitrojen, fosfor ve diğerleri. Bileşiklerden dolaşımdaki ana madde sudur.

Oksijen

Biyosferdeki oksijen döngüsü, milyarlarca yıl önce ortaya çıktığı fotosentez süreciyle başlamalıdır. Güneş enerjisinin etkisi altında bitkiler tarafından su moleküllerinden salınır. Oksijen ayrıca, kimyasal bileşiklerin etkisi altında ayrıştığı su buharındaki kimyasal reaksiyonlar sırasında atmosferin üst katmanlarında da oluşur. Elektromanyetik radyasyon. Ancak bu küçük bir oksijen kaynağıdır. Bunlardan en önemlisi fotosentezdir. Oksijen suda da bulunur. Atmosferdekinden 21 kat daha az olmasına rağmen.

Ortaya çıkan oksijen canlı organizmalar tarafından solunum için kullanılır. Aynı zamanda çeşitli mineral tuzları için oksitleyici bir maddedir.

Ve kişi oksijen tüketicisidir. Ancak bilimsel ve teknolojik devrimin başlamasıyla birlikte, insan yaşamı boyunca ev ve diğer ihtiyaçların karşılanması için çok sayıda endüstriyel üretim, ulaşım işlemi sırasında oksijen yakıldığı veya bağlandığı için bu tüketim kat kat arttı. Atmosferdeki daha önce var olan sözde oksijen değişim fonu, toplam hacminin% 5'i kadardı, yani fotosentez sürecinde tüketildiği kadar oksijen üretildi. Şimdi bu hacim felaket derecede küçülüyor. Oksijen, tabiri caizse acil durum rezervinden tüketilir. Oradan, onu ekleyecek kimsenin olmadığı yer.

Bu sorun, organik atıkların bir kısmının işlenmemesi ve çürütücü bakterilerin etkisi altına girmemesi, ancak tortul kayalarda kalması, turba, kömür ve benzeri mineraller oluşturması nedeniyle biraz hafifletilmektedir.

Fotosentezin sonucu oksijen ise hammaddesi karbondur.

Azot

Biyosferdeki nitrojen döngüsü, proteinler, nükleik asitler, lipoproteinler, ATP, klorofil ve diğerleri gibi önemli organik bileşiklerin oluşumuyla ilişkilidir. Azot moleküler formda atmosferde bulunur. Bu, canlı organizmalarla birlikte Dünya'daki tüm nitrojenin yalnızca %2'sidir. Bu haliyle yalnızca bakteriler ve mavi-yeşil algler tarafından tüketilebilir. Bitki dünyasının geri kalanı için, moleküler formdaki nitrojen gıda olarak kullanılamaz, yalnızca inorganik bileşikler formunda işlenebilir. Bu tür bileşiklerin bazı türleri fırtınalar sırasında oluşur ve yağışla birlikte suya ve toprağa düşer.

Nitrojen veya nitrojen fiksatörlerinin en aktif “geri dönüştürücüleri” nodül bakterileridir. Baklagil köklerinin hücrelerine yerleşerek moleküler azotu bitkilere uygun bileşiklerine dönüştürürler. Öldükten sonra toprak da azotla zenginleştirilir.

Paslandırıcı bakteriler nitrojen içeren organik bileşikleri amonyağa parçalar. Bir kısmı atmosfere karışıyor ve geri kalanı diğer bakteri türleri tarafından nitrit ve nitratlara oksitleniyor. Bunlar da bitkilere besin olarak sağlanır ve nitrifikasyon bakterileri tarafından oksitlere ve moleküler nitrojene indirgenir. Hangisi atmosfere yeniden giriyor?

Dolayısıyla nitrojen döngüsünde çeşitli bakteri türlerinin ana rolü oynadığı açıktır. Ve eğer bu türlerden en az 20 tanesini yok ederseniz, o zaman gezegendeki yaşam sona erecek.

Ve yine kurulan devre insan tarafından bozuldu. Mahsul verimini artırmak için azot içeren gübreleri aktif olarak kullanmaya başladı.

Karbon

Biyosferdeki karbon döngüsü, oksijen ve nitrojenin dolaşımıyla ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır.

Biyosferde karbon döngüsü şeması, yeşil bitkilerin yaşam aktivitesine ve karbondioksiti oksijene, yani fotosenteze dönüştürme yeteneklerine dayanmaktadır.

Karbon diğer elementlerle etkileşime girer Farklı yollar ve hemen hemen tüm organik bileşik sınıflarının bir parçasıdır. Örneğin karbondioksit ve metanın bir parçasıdır. İçeriğinin atmosferdekinden çok daha yüksek olduğu suda çözünür.

Karbon yaygınlık açısından ilk on arasında yer almasa da canlı organizmalarda kuru kütlenin %18 ila %45'ini oluşturur.

Okyanuslar karbondioksit seviyelerinin düzenleyicisi olarak görev yapar. Su, havadaki payı arttıkça karbondioksiti emerek pozisyonları dengeler. Okyanustaki bir diğer karbon tüketicisi de onu kabuk oluşturmak için kullanan deniz organizmalarıdır.

Biyosferdeki karbon döngüsü, bir nevi değişim fonu olan atmosferde ve hidrosferde karbondioksitin varlığına dayanmaktadır. Canlı organizmaların solunumu ile yenilenir. Topraktaki organik kalıntıların ayrışma sürecinde yer alan bakteriler, mantarlar ve diğer mikroorganizmalar da atmosferdeki karbondioksitin yenilenmesine katılır Karbon, mineralize, çürümemiş organik kalıntılarda "korunur". Kömür ve kahverengi kömür, turba, bitümlü şist ve benzeri yataklarda. Ancak ana karbon rezerv fonu kireçtaşı ve dolomittir. İçerdikleri karbon, gezegenin derinliklerinde "güvenli bir şekilde gizlenir" ve yalnızca tektonik kaymalar ve patlamalar sırasında volkanik gaz emisyonları sırasında açığa çıkar.

Karbon salınımı ile solunum süreci ve emilimi ile fotosentez süreci canlı organizmalardan çok hızlı geçtiği için, döngüye gezegenin toplam karbonunun yalnızca küçük bir kısmı katılıyor. Eğer bu süreç karşılıklı olmasaydı, suşi bitkileri tek başına tüm karbonu sadece 4-5 yıl içinde tüketirdi.

Şu anda, insan faaliyetleri sayesinde, sebze dünyası karbondioksit sıkıntısı yok. İki kaynaktan anında ve eş zamanlı olarak yenilenir. Sanayi, üretim ve taşımacılığın işleyişi sırasında ve ayrıca bu tür insan faaliyetlerinin çalışması için bu “konserve ürünlerin” (kömür, turba, şist vb.) Kullanımıyla bağlantılı olarak oksijen yakılarak. Atmosferdeki karbondioksit içeriği neden %25 arttı?

Fosfor

Biyosferdeki fosfor döngüsü, ATP, DNA, RNA ve diğerleri gibi organik maddelerin senteziyle ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır.

Toprak ve sudaki fosfor içeriği çok düşüktür. Ana rezervleri uzak geçmişte oluşan kayalardadır. Bu kayaların aşınmasıyla fosfor döngüsü başlar.

Fosfor bitkiler tarafından yalnızca ortofosforik asit iyonları formunda emilir. Bu esas olarak organik kalıntıların mezar kazıcılar tarafından işlenmesinin bir ürünüdür. Ancak topraklarda yüksek alkali veya asidik faktör varsa, fosfatlar pratikte içlerinde çözünmez.

Fosfor, çeşitli bakteri türleri için mükemmel bir besindir. Özellikle fosfor içeriğinin artmasıyla hızla gelişen mavi-yeşil algler.

Ancak fosforun çoğu nehir ve diğer sularla okyanuslara taşınıyor. Orada fitoplanktonlar ve onunla birlikte deniz kuşları ve diğer hayvan türleri tarafından aktif olarak yenir. Daha sonra fosfor okyanus tabanına düşerek tortul kayaçları oluşturur. Yani sadece deniz suyu tabakasının altında yere geri döner.

Gördüğünüz gibi fosfor döngüsü spesifiktir. Kapalı olmadığı için buna devre demek zordur.

Kükürt

Biyosferde amino asitlerin oluşumu için kükürt döngüsü gereklidir. Proteinlerin üç boyutlu yapısını oluşturur. Enerjiyi sentezlemek için oksijen tüketen bakteri ve organizmaları içerir. Sülfürü sülfatlara oksitlerler ve tek hücreli nükleer öncesi canlı organizmalar sülfatları hidrojen sülfite indirger. Bunlara ek olarak, tüm kükürt bakteri grupları, hidrojen sülfürü kükürde ve daha sonra sülfatlara oksitler. Bitkiler yalnızca topraktaki kükürt iyonunu (SO 2-4) tüketebilir.Bu nedenle, bazı mikroorganizmalar oksitleyici ajanlar iken diğerleri indirgeyici ajanlardır.

Biyosferde kükürt ve türevlerinin biriktiği yerler okyanuslar ve atmosferdir. Kükürt, sudan hidrojen sülfürün salınmasıyla atmosfere girer. Ayrıca fosil yakıtlar üretimde ve evsel amaçlarla yakıldığında kükürt dioksit formunda atmosfere girmektedir. Başta kömür. Orada oksitlenir ve dönüşür sülfürik asit yağmur suyuyla birlikte yere düşer. Asit yağmuru, tüm bitki ve hayvan dünyasına önemli zararlar verir ve ayrıca fırtına ve eriyen sularla nehirlere girer. Nehirler kükürt sülfat iyonlarını okyanusa taşır.

Kükürt ayrıca kayalarda sülfür formunda ve gaz halinde - hidrojen sülfür ve kükürt dioksit halinde bulunur. Denizlerin dibinde doğal kükürt yatakları vardır. Ama bunların hepsi “yedek”.

su

Biyosferde artık yaygın bir madde yok. Rezervleri çoğunlukla deniz ve okyanus sularının tuzlu-acı formundadır - yaklaşık% 97'si. Dinlenmek tatlı sular, buzullar ve yeraltı ve yeraltı suları.

Biyosferdeki su döngüsü geleneksel olarak rezervuarların ve bitki yapraklarının yüzeyinden buharlaşmasıyla başlar ve yaklaşık 500.000 metreküp miktarına ulaşır. km. Doğrudan su kütlelerine düşen veya toprak ve yeraltı sularından geçerek yağış şeklinde geri döner.

Suyun biyosferdeki rolü ve evrim tarihi öyledir ki, ortaya çıktığı andan itibaren tüm yaşam tamamen suya bağımlıdır. Biyosferde su, canlı organizmalar aracılığıyla birçok kez ayrışma ve doğum döngülerinden geçmiştir.

Su döngüsü büyük oranda fiziksel süreç. Ancak bunda hayvan dünyasının ve özellikle bitki dünyasının önemli bir payı var. Ağaç yapraklarının yüzey alanlarından suyun buharlaşması, örneğin bir hektar ormanın günde 50 tona kadar suyun buharlaşmasına neden olur.

Suyun rezervuarların yüzeylerinden buharlaşması dolaşımı için doğal ise, o zaman orman bölgelerine sahip kıtalar için böyle bir süreç onu korumanın tek ve ana yoludur. Burada dolaşım sanki kapalı bir döngüdeymiş gibi gerçekleşiyor. Yağış toprak ve bitki yüzeylerinden buharlaşmayla oluşur.

Fotosentez sırasında bitkiler, yeni bir organik bileşik oluşturmak ve oksijeni serbest bırakmak için su molekülünde bulunan hidrojeni kullanır. Ve tam tersi, nefes alma sürecinde canlı organizmalar oksidasyon sürecine girer ve yeniden su oluşur.

Devrenin tanımlanması çeşitli türler kimyasallar, bu süreçler üzerinde daha aktif bir insan etkisi ile karşı karşıyayız. Şu anda doğa, milyarlarca yıllık hayatta kalma geçmişi nedeniyle, bozulan dengelerin düzenlenmesi ve onarılmasıyla uğraşmaktadır. Ancak “hastalığın” ilk belirtileri zaten mevcut. İşte bu da “sera etkisi”. İki enerji olduğunda: güneş enerjisi ve Dünya tarafından yansıtılan enerji, canlı organizmaları korumaz, aksine birbirini güçlendirir. Bunun sonucunda sıcaklık artıyor çevre. Böyle bir artışın, buzulların hızla erimesi ve suyun okyanus, kara ve bitki yüzeyinden buharlaşması dışında ne gibi sonuçları olabilir?