Круговорот углерода совершается по большому и малому циклам.
Биологический круговорот углерода – составная часть большого круговорота, который связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод, содержащийся в виде СО2 в атмосфере (23,5∙1014 кг, или 0,035% по объему), служит сырьем для фотосинтеза растений, а затем вместе с их органическим веществом потребляется консументами разных трофических уровней.
Один из источников поступления СО2 в атмосферу – результат дыхания живых организмов, другой, менее мощный его источник – выделение по трещинам земной коры из осадочных пород в результате химических процессов, совершающихся под действием высоких температур. Этот источник также имеет биогенное происхождение. Часть углекислого газа поступает в атмосферу из абиогенного источника при вулканических извержениях. Эта часть составляет лишь 0,01% количества СО2, выделенного живыми организмами.
Определенная часть углерода накапливается в виде мертвой органики, переходя в состояние ископаемого. Так, залежи каменного угля или торфа – это и есть органическое вещество – продукт процесса фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.
Так как человек интенсивно высвобождает солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, сжигая это топливо, возникает так называемый биолого-технический круговорот углерода. Результатом этого процесса является увеличение содержания СО2 в атмосфере с начала промышленной революции.
Основная масса углерода (1,3∙1019 кг) аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана, и именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте.
Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшими количествами углерода, содержащегося в растительных тканях (5∙1014 кг) и тканях животных (5∙1012 кг) и участвующего в малом круговороте. Таким образом, углекислый газ, содержащийся в воздухе и в воде, составляет бо́льшую, причем мобильную часть запаса углерода, который участвует в создании органического вещества.
10.3. Круговорот азота
Круговорот азота в целом следует за круговоротом углерода, вместе с которым участвует в образовании белковых структур. Однако в силу химической специфики элементов эти круговороты имеют некоторые различия.
Основной источник азота – атмосфера, в которой его содержится 75%, или 3,8∙1018 кг. Если углекислый газ из атмосферы могут потреблять все виды фотосинтезирующих организмов, то усваивать атмосферный азот способны только некоторые вида азотофиксирующих организмов (некоторые сине-зеленые водоросли, азотофиксирующие бактерии, симбиотические бактерии бобовых растений). После их смерти азот переходит в соединения, доступные растениям, и включается в цепи питания и разложения.
Во всей биосфере в результате процессов биологической фиксации за год образуется 92 млн. т связанного азота, в то время как потери его вследствие денитрификации составляют 83 млн. т. Таким образом, увеличение содержания азота составляет 9 млн. т в год.
Это то количество азота, которое задерживается в почве, реках, озерах, прудах и океанах.
Органические соединения азота после гибели организмов, при экскреции, образовании остатков пищи подвергаются (при участии бактерий) процессам аммонификации, нитрификации с последовательным образованием аммиака, нитритов и нитратов. Нитриты и нитраты частично вновь ассимилируются растениями, частично подвергаются восстановлению (денитрификации) до оксида азота NO и азота. Свободный азот почвы также способен усваиваться растениями, но не корнями, а опосредованно, с помощью так называемых клубеньковых бактерий.
Примечание: соли азотистой кислоты HNO2 называются нитритами, а соли азотной кислоты HNO3 – нитратами.
Аммонификация – разложение азотосодержащих органических веществ с выделением аммиака NH3, которое осуществляется в почве гнилостными бактериями и грибами.
Нитрификация – окисление в почве аммиака до азотной кислоты бактериями, процесс, переводящий азот в форму, усваиваемую высшими растениями.
Денитрификация – процесс, обратный нитрификации, осуществляемый денитрифицирующими бактериями в анаэробных условиях почв и представляющий собой разрушение солей азотной кислоты (нитратов) до нитритов, молекулярного азота или аммиака. Денитрификация уменьшает в почвах содержание азота, но является одним из факторов, формирующих их.