Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Биогеохимические циклы основных биофильных элементов

Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Достигающее биосферы излучение несет энергии около 3*1024 Дж в год. Только около 0.3% этой энергии непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ и только 0.1% оказывается заключенной в чистой первичной продукции. Дальнейшая судьба этой энергии обусловлена передачей органического вещества пищи по каскадам трофических уровней гетеротрофов.

В соответствии с законом пирамиды энергий с каждого ее уровня на последующий переходит приблизительно 10% энергии (правило 10%). Но участие разных групп гетеротрофов в деструкции органики тоже имеет похожую последовательность: около 90% энергии освобождают микроорганизмы и грибы, менее 10% -- беспозвоночные животные и не более 1% -- позвоночные животные конечные консументы. В соответствии с последней цифрой сформулировано правило 1%, согласно которому указанное соотношение и особенно вклад конечных консументов в деструкцию является важным условием стабилизации биосферы. Другими словами, для биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выражении не должна превышать одного процента.

Поток солнечной энергии образует глобальные физические круговороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (ветры, волны, течения) обусловливают аэрогенную миграцию веществ, в первую очередь газов, паров воды и пылевых частиц, аэрозоле разного состава. Под действием солнечной радиации и грозовых разрядов в атмосфере происходят различные фотохимические и электрохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, окислов и кислотных осадков, образование углеводородных смогов и др.

 

Рис. Схема биогеохимического круговорота веществ на суше (по Р. Кашанову, 1984)

Цикл углерода. Биогеохимическая машина планеты представляется системой взаимосвязанных циклов элементов. Определяющим для биосферы служит цикл органического углерода, полностью преобразовавший состояние поверхностных оболочек земли, движущей силой которого служит энергия Солнца, использованная фотоавтотрофами. Система биогеохимических циклов определяется ведущим циклом органического углерода Сорг и сопряженными с ним в эквимолекулярном отношении 1:1:1 циклами углекислоты СО2 и кислорода О2. Цикл органического углерода обусловлен, во-первых, первичной продукцией за счет использования внешней солнечной энергии фотоавтотрофными оксигенными организмами: цианобактериями, водорослями, растениями и в небольшой степени хемоавтотрофами за счет поступления эндогенного водорода в газогидротермах и, во-вторых, деструкцией органотрофными организмами, аэробными и анаэробными. Резервуары органического углерода определяются динамическим резервуаром биомассы, суммирующим биомассу продуцентов и деструкторов; резервуаром мортмассы, которая не успела еще разложиться под действием деструкторов; резервуаром остаточного органического вещества трудно поддающегося разложению. Динамический резервуар биомассы различен для организмов с коротким жизненным циклом и длительным циклом, как у деревьев.

 

Рис. Круговорот углерода (по Smith, 1971)

 

Цикл азота сопряжен с циклом органического углерода соотношением Сорг: Nорг = 6: 1 для синтеза биомассы; в нем происходят также превращения неорганических форм азота. Цикл азота с его этапами: азотфиксацией, аммонификацией, нитрификацией, денитрификацией – целиком определяются деятельностью бактерий. Продукция определяется наличием резервуара доступного азота, который пополняется только за счет азотфиксации и уменьшается за счет денитрификации и экспортной продукции мортмассы, выводимой из цикла. Способность к азотфиксации широко распространена среди бактерий, особенно анаэробных, но связана с большой затратой энергии.

 

Рис. Оценка количества фиксированного азота, теряемого и приобретаемого биосферой в различных процессах (по Дювиньо, Тангу, 1968)

 

Цикл серы сопрягается с циклом органического углерода в реакциях сульфидогенеза, катализируемых только прокариотами, сульфат- и сероредуцирующими организмами. В биогеохимическом цикле серы участвуют следующие формы соединений серы, создающие значительные резервуары: 1) сульфаты, преимущественно сульфаты моря; 2) сульфиды в виде растворенного H2S и нерастворимых сульфидов металлов, частично эндогенного (вулканического) и в основном экзогенного (биогенного) происхождения; 3) сера, в значительной части эндогенного происхождения. Разнообразные промежуточные соединения неполного окисления серы, как тиосульфат или SO2, появляются в транзитных формах и незначительной концентрации, не образуя резервуары. Подобно тому как конечным результатом сопряженных циклов углекислоты, органического углерода, кислорода оказывается накопление кислорода атмосферы, конечным продуктом серного цикла оказываются сульфаты океана.

 

 

Рис. Круговорот серы (по Ю.Одуму, 1975). «Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановление (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата (S04) и фондом сульфидов железа, находящихся глубоко в почве и в осадках

 

Цикл фосфора связан с циклом органического углерода в отношении С: Р ≥ 100: 1 в реакциях анаболизма.. В цикле фосфора, в отличие от других биогенных элементов, отсутствует стадия воздушной миграции, обеспечивающая равномерное распределение по всему земному шару. Первичным источником пополнения доступного фосфора служит его выщелачивание из изверженных пород и поступление в состав Рорг биомассы. Из мортмассы в результате деструкции фосфор поступает в регенерационный цикл, частично захоранивается с мортмассой, частично переходит в неусвояемые соединения, прежде всего фосфаты кальция. Содержащие фосфаты осадки переходят в осадочные породы, из которых фосфор может быть мобилизован микроорганизмам либо поступает в геологический рецикл. В результате фосфор в большей степени, чем азот, служит лимитирующим биогеном, ограничивая развитие живых организмов.

Рис. Круговорот фосфора в биосфере (по П. Дювиньо, М. Тангу, 1973; с изменениями)

 

Цикл железа сопрягается с циклом кислорода деятельностью аэробных железобактерий. Цикл железа связан с циклом серы через образование сульфидов железа и их окисление бактериями. В геологическом прошлом цикл железа играл гораздо большую роль, приведя в раннем протерозое к формированию значимых для баланса кислорода мощных отложений окислов железа.

 

Цикл кальция тесно связан с циклом фосфора образованием фосфатов кальция, но в гораздо большем масштабе он имеет значение для цикла неорганического углерода. Современный цикл кальция определяется прежде всего биологически опосредованными реакциями растворения (выщелачивания) и осаждения карбонатов, а также биоминералогией образования скелета протистами и макроорганизмами. Первичное поступление кальция и магния в биологические циклы связано с выщелачиванием силикатных изверженных пород и циклом кремния в биологически опосредованных процессах. Выщелачивание обусловливает попутное поступление в водную фазу микроэлементов. Цикл кремния в фанерозое обусловлен его использованием как скелетного материала диатомовыми водорослями, радиоляриями и губками. В результате кремний ведет себя в океане как биогенный элемент, и это связано с появлением скелетной функции у эукариот.

 


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
 | Экологические ниши человека
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 1527; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.018 сек.