Круговорот углерода в природе.
круговорот углерода, – циклическое перемещение углерода между миром живых существ и неорганическим миром атмосферы, морей, пресных вод, почвы и скал. Это один из важнейших биогеохимических циклов, включающий множество сложных реакций, в ходе которых углерод переходит из воздуха и водной среды в ткани растений и животных, а затем возвращается в атмосферу, воду и почву, становясь снова доступным для использования организмами. Поскольку углерод необходим для поддержания любой формы жизни, всякое вмешательство в круговорот этого элемента влияет на количество и разнообразие живых организмов, способных существовать на Земле.
Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:
- углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO2;
- растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);
- растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.
В случае же растворения исходной молекулы CO2 в морской воде:
- углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);
- углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.
Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием CO2 на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы. Составной частью этих поисков является установление количества CO2, находящегося в тканях растений (например, в только что посаженном лесу) — ученые называют это стоком углерода. Поскольку правительства разных стран пытаются достичь международного соглашения по ограничению выбросов CO2, вопрос сбалансированного соотношения стоков и выбросов углерода в отдельных государствах стал главным яблоком раздора для промышленных стран. Однако ученые сомневаются, что накопление углекислого газа в атмосфере можно остановить одними лесопосадками.
Совершается по большому (геологическому) и малому (биотическому) циклам
Схема большого круговорота углерода:
18. Роль почвы в круговороте веществ в природе и жизни человека. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, на Земле постоянно должен проходить круговорот биологически важных веществ, т.е. после использования они должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму.
Солнечная энергия обеспечивает два круговорота веществ – геологический (большой – напр. Круговорот воды) и биологический (малый – напр. Органического вещества).
Большой происходит в течение сотен тысяч лет он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские пласты и лишь частично возвращаются на сушу с осадками.
Малый круговорот является частью большого. Сущность малого круговорота в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.
Солнечная энергия обеспечивает два круговорота веществ –геологический (большой – напр. Круговорот воды) и биологический (малый – напр. Органического вещества)
Круговорот фосфора
Основной фон фосфора содержится в горных породах, включая вулканический апатит, который подвергается эрозии. В результате эрозии образуются растворенные фосфаты, которые частично осаждаются в почве, а частично – в воду. Возврат фосфора в почву или в поверхностные воды происходит различными путями. В атмосфере фосфор практически отсутствует. И поэтому перенос фосфора происходит только в системе почва вода.
Углерод.
При определенных условиях разложения и сгорания созданных живыми организмами веществ не происходит, что ведет к накоплению углеродсодержащих соединений. Так, например, древесина живых деревьев может быть на 3–4 тысячелетия надежно защищена от микробного разложения и от пожара корой, способной противостоять действию микробов и огня. Древесина же, попавшая в торфяное болото, сохраняется еще дольше. В обоих случаях связанный в ней углерод оказывается как бы в ловушке и надолго выводится из круговорота. В условиях, когда органическое вещество оказывается захороненным и изолированным от воздействия воздуха, оно разлагается только частично и содержащийся в нем углерод сохраняется. Если впоследствии в течение миллионов лет эти органические остатки подвергаются давлению вышележащих отложений и нагреванию за счет земного тепла, значительная часть его превращается в ископаемое топливо, например в каменный уголь или нефть. Ископаемое топливо образует природный резерв углерода. Несмотря на интенсивное его сжигание, начавшееся с 1700-х годов, неизрасходованными еще остаются примерно 4,5 трлн. т.
Основная часть С аккумулирована в карбонатных отложениях на дне океанов, в каменном угле, нефти. Именно этот С принимает участие в медленном экологическом обороте.
Залежи каменного угля или торфа – органическое вещество, продукт процесса фотосинтеза прошлых геологических отложений
Схема большого круговорота:
Круговорот СО2
|
 | |||
 | |||
хим-ое выветривание
|
вынос в океан
| |||
| |||
всевозможные изменения
Азот. Схемы малого круговорота:
1. Круговорот азота N2:
 |
От растений продуцентов азотосодержащие соединения переходят к консументам, от которых после отщепления аминов в органических соединениях азота выделяется виде NH3 или мочевины. Причем мочевина так же превращается в аммиак в результате гидролиза. В дальнейшем в процессе окисления аммиака образуются нитраты способные оссимил. растения. Часть нитридов и нитратов в процессе верификации восстанавливаются до молекул азота поступают в атмосферу. Все эти химические превращения возможны в результате жизнедеятельности почвенных организмов
2. Круговорот фосфора:
| |||
| |||
Ассимиляция, синтез протоплазмы
У живых организмов фосфор входит в состав нуклеотидных кислот, клеточных мембран, системы переноса энергии, косных тканей. Основной фон фосфора содержится в горных породах, включая вулканический апатит, который подвергается эрозии. В результате эрозии образуются растворенные фосфаты, которые частично осаждаются в почве, а частично – в воду. Возврат фосфора в почву или в поверхностные воды происходит различными путями. В атмосфере фосфор практически отсутствует. И поэтому перенос фосфора происходит только в системе почва вода.
3. Круговорот кислорода:
|
|
СО2 О2
Скорость круговорота кислорода 2 тыс. лет. Именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле – зеленые растения. Главный потребитель кислорода – животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, т.к. он содержится в очень многих химических соединениях.