кругообіг фосфору

Кругообіг речовин в природі

Важливою властивістю біосфери є наявність в ній механізмів, що забезпечують кругообіг речовин і пов'язану з ним невичерпність окремих хімічних елементів, а також безперервність біосферних процесів.

Круговоротами називаються повторювані процеси перетворення і переміщення речовин в природі, що мають більш-менш виражений циклічний характер.

Кругообіг речовин і елементів відображають нерозривний зв'язок геологічних і біологічних процесів в біосфері. Виділяють два основних кругообігу: великий (геологічний) і малий (біотичний).

Великий кругообіг відбувається протягом сотень тисяч або мільйонів років. Гірські породи підлягають руйнуванню і вивітрюванню; продукти вивітрювання, в тому числі розчинені у воді мінеральні поживні речовини, зносяться потоками води в світовий океан. В океані ці речовини утворюють морські напластовиванія, а також частково повертаються на сушу з атмосферними опадами і з живими організмами. Великі повільні геотектонічні зміни, процеси опускання материків і підняття морського дна, призводять до повернення морських відкладень на сушу, після чого процес проходить новий цикл.

Малий кругообіг є частиною великого кругообігу і являє собою процес безперервного створення і деструкції органічної речовини в екосистемах в результаті взаємопов'язаного функціонування живих організмів (див. статтю про малий кругообіг води ).

Закономірний круговорот хімічних сполук окремих елементів і здійснюється в ході спільної діяльності різних живих організмів. Він включає введення хімічних елементів до складу живих клітин, хімічні перетворення речовин в процесах метаболізму, виведення в навколишнє середовище і деструкцію органічних речовин з подальшою їх мінералізацією. Вивільняються мінеральні речовини знову включаються в біологічні цикли. Процеси кругообігу відбуваються в конкретних екосистемах, але в повному вигляді реалізуються тільки на рівні біосфери в цілому.

Обмін речовин між живими і неживими компонентами біосфери вивчає біогеохімія. Кругообіг хімічних елементів з неорганічного середовища через рослинні і тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії називаються биогеохимическими циклами (докладний опис біогеохімічних циклів ви знайдете тут ).

У кожному кругообігу виділяють дві частини: резервний фонд і рухливий (обмінний) фонд. До резервного фонду входять повільно рухаються речовини, в основному синтетичний компонент. Для обмінного фонду характерний швидкий обмін між організмами і навколишнім середовищем. Порівняльні обсяги рухомих і резервних фондів мають значення з точки зору оцінки антропогенного навантаження на біосферу, так як зміни більш схильні до малооб'ємні фонди.

Біогеохімічні цикли поділяють на кругообіг газів з резервним фондом в атмосфері і гідросфері і осадові кругообіг з резервним фондом в земній корі.

Завдяки наявності великих атмосферних і океанічних фондів у кругообігу газоподібних речовин - вуглецю, азоту, кисню - досить швидко компенсуються можливі порушення. Ці кругообіг «забуферени» і в цьому відношенні є саморегулюючими системами. В осадових циклах (фосфор, залізо та ін.) Механізми саморегуляції працюють набагато гірше і легко порушуються, так як основна маса речовин в осадових циклах знаходиться в малорухливому резервному фонді в земній корі.

Як приклади кругообігу речовин в біосфері нижче розглянемо біогеохімічні цикли найважливіших біогенних елементів: вуглецю, азоту, фосфору.

кругообіг вуглецю

В основі біогенного круговороту вуглецю лежить неорганічне речовина - діоксид вуглецю. У природі СО2 входить до складу атмосфери, а також знаходиться в розчиненому вигляді в гідросфері.

Включення вуглецю до складу органічної речовини відбувається в процесі фотосинтезу, в результаті якого на основі вуглекислого газу і води утворюються цукру. Надалі, інші процеси біосинтезу перетворять їх в більш складні органічні речовини. Ці сполуки формують тканини фотосинтезирующих організмів і служать джерелом органічних речовин для тварин.

У процесі дихання все організми окислюють складні органічні речовини в кінцевому підсумку до СО2, який виводиться в зовнішнє середовище, де може знову втягуватися в процес фотосинтезу. Углеродсодержащие органічні сполуки тканин живих організмів після їх смерті піддаються біологічному руйнуванню організмами-редуцентамі, в результаті чого вуглець у вигляді Н2СО3 знову надходить в кругообіг.

При певних умовах розкладання накопичуються мертвих залишків в грунті йде уповільненим темпом через освіту гумусу, мінералізація якого під впливом грибів і бактерій відбувається з низькою швидкістю. У деяких випадках ланцюг розкладання органічної речовини буває неповною. Зокрема, діяльність організмів-деструкторів може придушуватися нестачею кисню або підвищеною кислотністю. В цьому випадку органічні залишки накопичуються у вигляді торфу, карбон не вивільняється і круговорот призупиняється. Аналогічним чином в минулі геологічні епохи відбувалося утворення кам'яного вугілля і нафти. Спалювання викопного палива в даний час повертає вуглець, вимкнений раніше з кругообігу, в атмосферу. У гідросфері припинення кругообігу вуглецю пов'язана з включенням СО2 до складу СаСО3 у вигляді вапняків. В цьому випадку вуглець вимикається з кругообігу на цілі геологічні епохи до підняття органогенних порід над рівнем моря. Тоді круговорот поновлюється через вилуговування вапняків атмосферними опадами, а також біогенних шляхом під впливом лишайників, коренів рослин. Схеми кругообігу вуглецю ви знайдете в цієї статті .

кругообіг азоту

Головне джерело азоту органічних сполук - газоподібний азот N2 в складі атмосфери. Молекулярний азот не засвоюється живими організмами. Перехід його в доступні живим організмам з'єднання (фіксація) може відбуватися декількома шляхами. Фіксація азоту частково відбувається в атмосфері, де при грозових розрядах утворюється оксид азоту (II), який окислюється до оксиду азоту (IV), з подальшим утворенням азотної кислоти і нітратів, що випадають на поверхню Землі з атмосферними опадами.

Найбільш важливою формою фіксації азоту є ферментативна фіксація в процесі життєдіяльності порівняно небагатьох видів організмів-азотфиксаторов. Відмираючи, вони збагачують середу органічним азотом, який швидко минерализуется. Найбільш ефективна фіксація азоту, здійснювана бактеріями, що формують симбіотичні зв'язку з бобовими рослинами. В результаті їх діяльності в наземних і підземних органах рослин (наприклад, конюшини або люцерни) за рік накопичується азоту до 150-400 кг на 1 га. Азот пов'язують також свободноживущие азотфиксирующие грунтові бактерії, а у водному середовищі - синьо-зелені водорості (ціанобактерії). Все азотфіксатори включають азот до складу аміаку (NH3), і він відразу ж використовується для утворення органічних речовин, в основному для синтезу білків. Мінералізація азотовмісних органічних речовин редуцентамі відбувається в результаті процесів аммонификации і нітрифікації. Аммоніфіцірующіе бактерії в процесі біохімічного розкладу мертвого органічної речовини переводять азот органічних сполук в аміак, який в водному розчині утворює іони амонію (NH4 +). В результаті діяльності нитрифицирующих бактерій в аеробного середовищі аміак окислюється в нітрити (NO2-), а потім в нітрати (NO3-).

Більшість рослин отримують азот з грунту у вигляді нітратів. Вступники в рослинну клітину нітрати відновлюються до нітритів, а потім до аміаку, після чого азот включається до складу амінокислот, що складають білки. Частина азоту рослинами засвоюється безпосередньо у вигляді іонів амонію з ґрунтового розчину.

Тварини отримують азот по харчових ланцюгах прямо або опосередковано від рослин. Екськрети і мертві організми, що становлять основу детритной харчових ланцюгів, розкладаються і минерализуются організмами-редуцентамі, що перетворюють органічний азот в неорганічний.

Повернення азоту в атмосферу відбувається в результаті діяльності бактерій-денітрофікаторов, які здійснюють в анаеробної середовищі процес, зворотний нітрифікації, відновлюючи нітрати до вільного азоту.

Значна частина азоту, потрапляючи в океан (в основному зі стоком вод з континентів), використовується водними фотосинтезуючими організмами, перш за все фітопланктоном, а потім, потрапляючи в ланцюзі харчування тварин, частково повертаються на сушу з продуктами морського промислу або птахами. Невелика частина азоту потрапляє в морські опади.

кругообіг фосфору

В круговороті фосфору, на відміну від кругообігів вуглецю і азоту, відсутня газова фаза. Фосфор в природі у великих кількостях міститься в мінералах гірських порід і потрапляє в наземні екосистеми в процесі їх руйнування. Вилуговування фосфору опадами призводить до вступу його в гідросферу і відповідно в водні екосистеми. Рослини поглинають фосфор у вигляді розчинних фосфатів з водного або ґрунтового розчину і включають його до складу органічних сполук - нуклеїнових кислот, систем перенесення енергії (АДФ, АТФ), до складу клітинних мембран. Інші організми отримують фосфор по харчових ланцюгах. В організмах тварин фосфор входить до складу кісткової тканини, дентину.

В процесі клітинного дихання відбувається окислення органічних сполук, що містять фосфор, при цьому органічні фосфати надходять в навколишнє середовище в складі екськретов. Організми-редуценти минерализуют органічні речовини, що містять фосфор, в неорганічні фосфати, які знову можуть бути використані рослинами і, таким чином, знову втягуватися в круговорот.

Оскільки в круговороті фосфору відсутня газова фаза, фосфор як і інші біогенні елементи ґрунту, циркулює в екосистемі лише в тому випадку, якщо відходи життєдіяльності відкладаються в місцях поглинання даного елементу. Порушення кругообігу фосфору може відбуватися, наприклад, в агроекосистемах, коли урожай разом з витягнутими з грунту біогенними перевозиться на значні відстані, і вони не повертаються в ґрунт в місцях споживання.

Після неодноразового споживання фосфору організмами на суші і у водному середовищі, в кінцевому підсумку він виводиться в донні опади у вигляді нерозчинних фосфатів. Після підняття осадових порід над рівнем моря в ході великого кругообігу знову починають діяти процеси вилуговування та бігенного руйнування.

Внесення фосфорних добрив, що представляють собою продукти переробки осадових порід, дозволяє заповнити спожитий фосфор в регіонах з інтенсивним сільськогосподарським виробництвом. Однак, змив добрив з полів, а також надходження у водойми фосфатів з продуктами життєдіяльності тварин і людини може призводити до перенасичення водних екосистем фосфатами і порушення в них екологічної рівноваги.

цикл азоту

цикл сірки

цикл фосфору

Див. також: порушення кругообігу речовин людиною