Реферат: Роль геохимических циклов в биосфере

Круговорот воды в геологическом времени не замкнут. Большие массы воды поступают в биосферу при вулканических извержениях, а также из зоны метаморфизма в результате отжатия воды при уплотнении глинистых пород, превращения их в сланцы.

С другой стороны, в биосфере протекают многочисленные процессы гидратации, связывающие воду в составе различных глинистых и прочих минералов. При прогибании земной коры в геосинклинальных зона эти гидратированные толщи оказываются на больших глубинах вне биосферы, и воды надолго изымаются из круговорота.

Круговорот воды

7. Геохимический цикл азота

В круговороте соединений азота чрезвычайно большую роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы. Все остальные организмы влияют на цикл азота только после ассимиляции его в состав своих клеток.

Бобовые и представители некоторых родов других сосудистых растений, например ольха (Alnus), казуарина (Casuarina), араукария (Araucaria), гинкго (Ginkgo), лох (Eleganus), фиксируют азот только с помощью бактерий-симбионтов. Подобным же образом некоторые лишайники фиксируют азот с помощью симбиотических сине-зеленых водорослей.

Таким образом, биологическая фиксация молекулярного азота свободноживущими и симбиотическими микроорганизмами происходит и в автотрофном, и гетеротрофном ярусах экосистем.

Для круговорота азота необходим микроэлемент молибден, входящий в состав системы азотфиксирующих ферментов. В некоторых условиях молибден служит лимитирующим фактором. Фиксировать азот способны лишь немногие роды микроорганизмов, весьма широко распространенных в природе: свободноживущие аэробные бактерии рода азотобактер (Azotobacter) и анаэробные виды рода клостридиум (Clostridium); симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений (Rhizobium); сине-зеленые водоросли: виды родов анабена (Anabaena) и носток (Nostoc). Азот фиксируют также пурпурные и зеленые фотосинтезирующие бактерии, различные почвенные бактерии.

Общее количество азота в атмосфере оценивается приблизительно в 3,8∙10¹⁵ т., тогда как в водах Мирового океана – в 2,0∙10¹³ т. Азотфиксирующие организмы суши ежегодно улавливают около 4,4∙10⁹ т., а в водной среде ежегодная биологическая фиксация составляет 1,0∙10⁹ т. Надо отметить, что количество ежегодно фиксируемого живыми организмами азота в океане и на суше различается лишь в 4 с небольшим раза. В то же время содержание азота в наземных организмах (моментальная масса) составляет 1,22∙10¹⁰ т. а в донных организмах – всего 0,025∙10¹⁰ т. (в 50 раз меньше). В биосфере в целом фиксация азота из воздуха составляет в среднем за год 140-700 мг/ м² . В основном это биологическая фиксация, а лишь небольшое количество азота (в умеренных областях не более 35 мг/ м² в год) фиксируется в результате электрических разрядов и фотохимических процессов.

Круговорот азота в биосфере

В фотической зоне небольших озер фиксация азота происходит со скоростью 1-50 мкг/ л в день; высокая интенсивность фиксации отмечена также в некоторых загрязненных озерах с множеством сине-зеленых водорослей. В океане, где продуктивность ниже, интенсивность фиксации азота в расчете на 1 м2 меньше, чем на суше, однако общее количество фиксированного азота является значительным и весьма важным для глобального круговорота.

В круговороте азота из огромного запаса этого элемента в атмосфере и осадочной оболочке литосферы принимает участие только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана. В эту категорию азота обменного фонда входят: азот годичной продукции биомассы, азот биологической фиксации бактериями и другими организмами, ювенильный (вулканогенный) азот, атмосферный (фиксированный при грозах) и техногенный.

На огромных массивах, где деятельность человека почти отсутствует, растения берут необходимый им азот из вносимого в почву азота извне (нитратов с дождями, аммиака из воздуха), из возвращаемого в почву азота (остатков животных, растений, экскрементов животных), а также из разнообразных азотфиксирующих организмов. Особое внимание привлекают несимбиотические свободноживущие так называемые олигонитрофильные микроорганизмы, способные расти при ничтожно малом содержании связанного азота в среде. Многие исследователи находят их в почве и ризосфере в довольно больших количествах. Например, в почве и ризосфере растительных сообществ сухопутной и пустынно-степной подзон Центрального Казахстана и МНР содержится достаточно много олигонитрофильных микроорганизмов. При анализе почв создается впечатление о значительном преобладании олигонитрофильных бактерий над другими в засушливые периоды, что свидетельствует о высокой устойчивости их к недостатку влаги.

8. Круговорот фосфора

Геохимический цикл фосфора в большой мере отличается от циклов углерода и азота. Кларк этого элемента в земной коре равен 0,093%. Это в несколько десятков раз больше кларка азота, но в отличие от последнего фосфор не играет роли одного из главных элементов оболочек Земли. Тем не менее его геохимический цикл включает в себя разнообразные пути миграции в земной коре, интенсивный биологический круговорот и миграцию в гидросфере.

Фосфор является одним из главных органогенных элементов. Органические соединения фосфора играют важную роль в процессах жизнедеятельности всех растений и животных, входят в состав нуклеиновых кислот, сложных белков, фосфолипидов мембран, являются основой биоэнергетических процессов. Фосфор концентрируется живым веществом, где его содержание примерно в 10 раз больше, чем в земной коре.

На поверхности суши протекает интенсивный круговорот фосфора в системе почва → растения → животные → почва. В связи с тем, что минеральные соединения фосфора труднорастворимы и содержащийся в них элемент почти недоступен растениям, последние преимущественно используют его легкорастворимые формы, образующиеся при разложении органических остатков. Круговорот фосфора происходит и в системе суша → Мировой океан, основой которого является вынос фосфатов с речным стоком, взаимодействие их с кальцием, образование фосфоритов, залежи которых со временем выходят на поверхность и снова включаются в миграционные процессы.

Круговорот фосфора в биосфере

9. Круговорот серы

В биосфере существует хорошо развитый процесс циклических превращений серы и ее соединений. На рисунке приведена схема биогеохимического круговорота серы.

Круговорот серы в биосфере

Здесь хорошо видны многие основные черты круговорота, например, обширный резервный фонд в почве и отложениях и меньший – в атмосфере. Основную роль в обменном фонде серы играют специализированные микроорганизмы, каждый вид которых выполняет определенную реакцию окисления или восстановления. На схеме представлена также микробная регенерация серы из глубоководных отложений, в результате которой к поверхности перемещается сероводород (H₂ S); взаимодействие геохимических и метеорологических процессов (эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, адсорбция, десорбция и т.д.); биологические процессы (продукция биомассы и ее разложение); взаимосвязь воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота серы в глобальном масштабе. Сульфат (SO^2- ₄ ) аналогично нитрату и фосфату – основная доступная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки (сера входит в состав ряда аминокислот).

На круговоротах азота и серы все больше сказывается промышленное загрязнение воздуха. Сжигание ископаемого топлива значительно увеличило содержание летучих окислов азота (NO и NO2) и серы (SO2) в воздухе, особенно в городах; концентрации их уже становятся опасными для биотических компонентов экосистем.

10. Эпилог

Иногда, когда удается отвлечься от мирских забот и проблем, всего лишь на миг выпрыгнуть из бесконечного круговорота жизни, то задумываешься над тем как ничтожна частичка единого целого по сравнению с ним самим: как мал человек по сравнению с человечеством, как мал химический элемент по сравнению со всем, что имеет его в своем составе, как мала планета по сравнению со вселенной. В итоге приходишь к выводу о бесполезности одной человеческой жизни. Тогда начинает казаться, что стоит выпасть один раз из бесконечной жизненной карусели, как окажешься не у дел, и мир благополучно забудет о твоем существовании. Конечно останутся связанные с тобой частички – родственники, друзья, знакомые, но карусель не остановится и "Life goes on", как пели легендарные Beatles.

Поразительно, как много страховочных тросов протянула природа в своем мире. Везде, где только можно существует определенный запас прочности: человек может жить и без руки или ноги, на подстриженном газоне вырастет новая трава, река может течь и по измененному руслу. Наш Творец устроил все до гениального просто и одновременно чрезвычайно сложно. Извлеки одну шестеренку из механизма и на ее место найдется другая. Мир просто нельзя разрушить, уничтожив какие-то простейшие его элементы.

С другой стороны, все в природе построено на простейших элементах, уничтожив которые можно разрушить целую экосистему. Понимание того, что и как происходит в жизни "простейших", человек скапливал и анализировал веками. Жаль, что поняв законы природы или, хотя бы малую их часть он не всегда следовал им, ломая прочную и одновременно хрупкую структуру биосферы.

Данный реферат имел своей целью лишь немного показать значимость и сложность геохимических циклов, являющихся одними из центральных глобальных процессов в биосфере, нарушив которые можно серьезно испортить природный карточный домик, а возможно и запустить цепную реакцию, конечной целью которой будет Глобальная экологическая катастрофа.

11. Список используемой литературы