Участие биосферы в круговороте углерода

Углерод в биосфере суши

По оценкам, суша Земли состоянии обменивается с атмосферой углеродом в количестве около 60 ГтС (гигатонны рассчитаны на углерод; 1 Гт = 109 т = 1015 г) в год. Это сбалансированный двусторонний поток, в котором каждый год 60 ГтС переносится с суши в воздух и такое же количество поступает в обратном направлении. Однако это среднегодовая величина, — в умеренных и полярных областях потоки не одинаковы по сезонам. В таких областях весной и летом, когда растения активно поглощают СО₂ из атмосферы в процессе фотосинтеза, суммарный поток направлен из воздуха на землю. Наоборот, осенью и зимой, когда процессы дыхания и разложения растений доминируют над фотосинтезом, суммарный поток направлен в воздух. В тропиках, где сезонность в биологических процессах выражена слабее, потоки вверх и вниз приблизительно сбалансированы в течение года. Однако следует отметить, что в тропиках, как и на высоких широтах, потоки имеют значительную пространственную изменчивость (пятнистость).

Сезонная асимметричность потоков СО₂ вверх и вниз в средних и высоких широтах дает объяснение сезонному циклу атмосферного СО₂, показанному на рис. 5. Амплитуда такого сезонного рисунка изменяется с широтой, будучи наименьшей на полюсах и экваторе вследствие пониженной биологической активности и сезонных изменений соответственно.

Поскольку человечество уже в течение многих сотен лет превращает леса в обедненные углеродом ландшафты, считается, что этот процесс является существенным источником СО₂ в атмосферу как в прошлом, так и в настоящее время. Однако определить размер этого источника сложно.

Важнейшие процессы в биосфере - формирование органического вещества из неорганического при участии солнечной энергии (фотосинтез), расходование органического вещества в процессах аэробной и анаэробной жизнедеятельности биоты и деструкция органического вещества.

В биосфере осуществляются два процесса, связанных с выделением и поглощением углекислого газа: 1) фиксация СО₂ и 2) минерализация органических веществ с выделением СО₂.

Первый процесс осуществляестя за счет фотосинтеза высшими растениями, водорослями и цианобактериями и за счет хемосинтеза хемоавтотрофами (некоторыми бактериями). Он обеспечивает перевод окисленной формы углерода (СО₂) в восстановленную (в этой форме углерод находится в органических веществах).

Фотосинтез протекает в две стадии. В световую фазу электроны хлорофилла поглощают свет, приобретают избыток энергии (возбуждаются, переходят на более высокий энергетический уровень) и покидают молекулу хлорофилла. Хлорофилл отнимает электроны от воды, при этом происходит фотолиз воды – распад ее на протоны, электроны и атомы кислорода. Электроны движутся по цепи переноса электронов внутренней мембраны, при этом выделяется энергия, которая тратится на синтез АТФ. Протоны соединяются с электронами, «выбитыми» из хлорофилла, с образованием «атомарного водорода» в виде НАДФН₂ (2Н⁺ + 2е^- + НАДФ → НАДФН₂). Из атомов кислорода образуется молекулярный кислород.

В темновую фазу происходит фиксация углекислого газа (присоединение СО₂ к пятиуглеродному сахару), синтез глюкозы из полученных продуктов и восстановление полученных веществ с участием НАДФН₂ и АТФ.

Таким образом суммарное уравнение фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О + hν → С₆Н₁₂O₆ + 6O₂

Рис. 6. Схема фотосинтеза

Процесс фиксации углекислого газа может осуществляться за счет энергии окисления неорганических веществ (вместо кислорода), такой процесс получил название хемосинтез. Механизм фиксации и восстановления СО₂ такой же как при фотосинтезе.

В зависимости от окисляемого элемента (N, Fe, S пли Н) различают:

1. Нитрифицирующие бактерии: NH₃ + О₂ → HNО₂ (+Н₂О) + О₂ → HNО₃

2. Железобактерии: Fe²⁺ + О₂ + Н₂О → Fe³⁺ +ОН^-

3. Серобактерии: H₂S + О₂ → Н₂О + S⁰

4. Водородные бактерии: Н₂ + О₂ → Н₂О[8]

У некоторых бактерий, например, метанообразующих, углекислый газ ассимилируется другим путем. Обсуждается возможность отнесения к автотрофным организмам бактерий, использующих в качестве источника углерода метан. Основным путем образования метана является окисление молекулярного водорода углекислотой — "карбонатное дыхание":

4Н₂ + СО₂ →СН₄ + 2Н₂О.

В некоторых случаях могут быть использованы соли муравьиной и уксусной кислот, метиловый спирт и метиламины. Метанобразующие археи широко распространены, 1,0—1,5% углерода, участвующего в круговороте углерода в биосфере, проходит через стадию метана. Образование метана происходит в осадках морей и пресноводных водоемов, болотах, почвах тундры и рисовых полей. Метанобразующие археи входят в состав кишечной микрофлоры, в частности, они развиваются в отделе желудка — рубце жвачных животных[9].

Примерные подсчеты показывают, что годовая продукция органического вещества на Земле достигает 33-10 т. Основную массу этого вещества составляют соединения растительного происхождения. Химический состав растительных остатков весьма сложен: имеются разнообразные органические вещества — белки, аминокислоты, углеродсодержащие соединения (клетчатка, лигнин, гемицеллюлозы), а также жиры, воска и многие другие. Преобладают по массе целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. Количество и качество клетчатки, гемицеллюлоз и лигнина, образуемых в растительных ассоциациях, может быть весьма различно, что связано с определенными растительными сообществами и геоклиматическими зонами.

В процессе фотосинтеза органических веществ и роста тканей растений, т.е. жизнедеятельности продуцентов, используются энергия Солнца, вода и минеральные вещества. Часть биомассы продуцентов, вода, кислород, некоторые минеральные вещества обеспечивают жизнедеятельность консументов 1 порядка – травоядных животных. Последние, вместе с рядом неорганических веществ – источник жизни консументов 2 порядка –хищников.

После гибели живых организмов их органические вещества попадают обратно в природную среду. В нем участвуют представители разнообразных групп животного и растительного мира, начиная от микроорганизмов и кончая высшими позвоночными животными. Известны два основных типа распада: фитогенный и зоогенный.

Важно отметить, что путь преобразования отмершей биоты - минерализация или гумификация - зависит преимущественно от почвенно-климатических условий. В теплом и влажном климате процессы окисления происходят очень быстро и почти весь растительный опад минерализуется, а гумус в почве не накапливается. В холодном климате трансформация опада замедлена, да и количество его невелико, и содержание гумуса в почве мало. Оптимальные условия для гумификации и сохранения гумусовых веществ в почвах - умеренный климат без переувлажнения[10].

Процесс минерализации идет с поглощением кислорода и прямо или косвенно связан с восстановлением молекулярного кислорода и образованием субстратов для кислородного фотосинтеза — СО₂ и Н₂О.. Биогеохимические циклы носят круговой, примерно на 99% замкнутый характер. Иными словами они почти не имеют отходов. Один процент - это соединения углерода в земной коре (известняк, нефть, уголь), дополнительный кислород в воздухе⁷.

Была проанализирована роль различных биоценозов в долговременном извлечении СО₂ из атмосферы. Вопреки достаточно распространенному мнению, что "лес – легкие планеты", оказалось, что роль биоценозов лесов в долговременном связывании СО₂ крайне мала, поскольку практически весь связанный благодаря фотосинтезу углерод возвращается в атмосферу в виде СО₂ вследствие процессов дыхания, гниения отмирающих листьев и древесины, а также лесных пожаров.

Для долговременного извлечения СО, из атмосферы необходимо, чтобы значительная часть связанного в результате процессов фотосинтеза углерода оказывалась недоступна для процессов окисления. Такие условия существуют только в биоценозах болот и биоценозах тропических морей.

В биоценозах болот отмирающая растительность попадает в стоячую воду с крайне низким содержанием растворенного кислорода и накапливается там, практически не разлагаясь (частичное анаэробное разложение с образованием метана не меняет общей картины). Накапливающиеся в болотах частично разложившиеся остатки растительности образуют торфяные пласты, из которых впоследствии формируются месторождения бурого и каменного угля.

За последние 100 лет общая площадь болот на Земле сократилась почти в два раза и продолжает сокращаться в результате их осушения. Соответственно уменьшается количество извлекаемого из атмосферы СО₂. Следует отметить, что зачастую осушение болот сопровождается вымиранием эндемичных видов, приспособленных к существованию в определенных условиях конкретных болот, расположенных в конкретной климатической зоне. Поэтому восстановление площади болот связано сегодня не только с трудностью изъятия земель из сельскохозяйственного оборота, но и невозможностью восстановления в ряде случаев полноценных биоценотических сообществ.

В биоценозах тропических морей изъятие СО₂ из океанической воды, куда он попадает из атмосферы, происходит несколько иным образом. Углекислый газ используется в качестве "строительного материала" гетеротрофными организмами при образовании известковых раковин и чехлов. Практически вес карбонаты земной коры (известняки, доломиты, мрамор, мел и т.д.) имеют биогенное происхождение[11].

Дата добавления: 2015-07-13