А круговорот азота сложнее чем круговорот углерода

Круговорот воды, азота и углерода

«Ибо все в конце концов возвращается в море, в круговорот океана, в вечно текущую реку времени, у которой нет ни начала, ни конца.»
Рэйчел Карсон

Вот уже больше четырех миллиардов лет, с тех пор как на Земле образовалась атмосфера, количество воды на нашей планете остается неизменным. Где-то царит засуха, где-то идут ливни, где-то лежат снега — и все это часть бесконечного цикла перемещения воды в природе.

Круговорот воды

Без воды невозможно существование жизни, ведь она есть и в растениях, и в животных, где играет роль универсальной среды для всех химических реакций. Именно присутствие воды сделало нашу планету населенной — и поэтому уникальной. Вода может пребывать в трех состояниях: жидком — когда она является собственно водой, газообразном — когда происходит испарение и она превращается в пар, и твердом — когда вода замерзает и становится льдом и снегом. В одном из этих состояний вода покрывает три четверти земного шара, и эта водная оболочка называется гидросферой.

Каждая молекула воды является заядлой путешественницей. Ее можно обнаружить в море или океане, под землей, где текут грунтовые воды, и даже в небе, в составе дождевой тучи. Каким образом воде удается совершать такие грандиозные перемещения? Топливо для путешествий молекулы воды поставляет главная «батарейка» нашей планеты — Солнце.

Под воздействием солнечного тепла вода испаряется с поверхности морей, рек и океанов — превращается в пар и поднимается вверх. Надо отметить, что испарение воды происходит не только в водоемах: на суше тоже достаточно влаги. Водяной пар движется в атмосфере вместе с массами воздуха, пока не окажется в области низкой температуры, где из него формируются облака. Рано или поздно вода из облаков, в виде осадков, снова попадает на землю. Просачиваясь сквозь почву, она оказывается в подземных реках, которые выходят на поверхность, впадая в водоемы. И все начинается с начала.

Конечно, возможны разные варианты. Осадки могут выпасть в зоне вечной мерзлоты, и тогда вода надолго останется льдом. Но и льды испаряются или тают, так что и в этом случае движение продолжится.

Ученые подсчитали, что в озере среднего размера полное обновление воды происходит за 15–17 лет, в реке — за 20 дней, в ледниках — за 5–10 лет, а в океане — за 3000 лет

Круговорот углерода и азота

Круговорот воды в меньшей степени задействует живую природу, чем круговорот таких веществ, как углерод и азот. Начнем с углерода. Он присутствует в каждой живой молекуле на Земле, причем не просто присутствует, а служит одним из строительных материалов клетки. Кроме того, большое количество углерода находится в атмосфере и в мировом океане.

Из атмосферы атомы углерода попадают в растения, это происходит в процессе фотосинтеза. Когда растения погибают, углерод становится пищей организмов, содержащихся в почве, а потом возвращается в атмосферу вместе с углекислым газом. Если растения будут съедены животными, то углерод вернется в атмосферу частично в процессе дыхания, частично после гибели животного.

Примерно тоже самое происходит с углеродом, растворенным в океане. Он попадает в морские растения и животных, затем испаряется в атмосферу или откладывается на дне, в виде горных пород, и со временем снова растворяется водой.

Около 80% воздуха составляет азот. Этот элемент циркулирует в природе несколькими путями. Растения усваивают азот из почвы, животные — из растений. Продукты жизнедеятельности животных перерабатываются в почве микроорганизмами и снова становятся пищей для растений.

В атмосфере находится много свободного азота, но растения не могут усваивать его напрямую. Некоторые бактерии перерабатывают его и обогащают им почву. Часть атмосферного азота попадает в почву во время грозы, благодаря электрическим разрядам, которые нагревают атмосферу и меняют структуру молекул.

С тех пор как человечество вступило в эпоху технического прогресса, в циклы круговорота азота и углерода в природе включилась химическая промышленность. Она использует уголь и известняк (производные углерода) в виде топлива, а азот поставляет в почву в виде удобрений

Источник

Круговороты воды, углерода, кислорода, азота, фосфора и серы

Круговорот воды относится к большому (геологическому), а круговороты биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и др.) – к малому (биогеохимическому) круговороту.

Круговорот воды.Он осуществляется между сушей и океаном через атмосферу. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км 3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле расходуется и восстанавливается за 2 млн лет.

Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере [3]. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО₂ в атмосфере и развитию парникового эффекта. Скорость круговорота СО₂, т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (О₂) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами и при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т.д. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши – почти 3/4, остальная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота – около 2 тыс. лет. Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество слишком велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений, то происходит загрязнение вод и продуктов питания, а это, в свою очередь, вызывает заболевания человека.

Круговорот фосфора. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания горных пород. В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме РО₄ 3– ) и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют в неорганической форме. Далее фосфор передается по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву.

При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны, это приводит к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). С другой стороны, в результате поступления из почвы в водоемы больших количеств таких биогенных элементов, как фосфор, азот и сера происходит эвтрофикацияводоемов – обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона («цветение» воды). Но большая часть фосфора уносится в море. В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты (гуано) либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затем все равно смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы, т.е. выключается из биогеохимического круговорота.

Круговорот серы. Основной резервный фонд серы находится в отложениях и почве, но, в отличие от фосфора, имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие – окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в растворах – в форме сульфат-иона (SО₄ 2– ), в газообразной фазе – в виде сероводорода (Н₂S) или сернистого газа (SО₂). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второе место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до Н₂S, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводород улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.

Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), а также выбросы химической промышленности приводят к накоплению в атмосфере сернистого газа, который, реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.

Биогеохимические циклы не столь масштабны, как геологические, и в значительной степени подвержены влиянию человека. Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость.

Источник

Круговорот углерода и азота

Вы будете перенаправлены на Автор24

Круговорот углерода

Круговорот углерода является наиболее интенсивным из всех известных биогеохимических циклов, продолжительность которого составляет всего 300 лет. Его запасы на Земле представлены в виде углеродсодержащих горных пород, залегающих на дне океана и в земной коре, а также в виде ископаемых видов топлива.

Углерод является основой всех органических веществ, таких как белки, жиры, углеводы и других соединений, необходимых для жизнедеятельности живых организмов.

В состав органического вещества углерод включается в процессе фотосинтеза, который затем передаётся по трофическим цепям. Ежегодно таким образом растениями усваивается порядка 46 млрд. т данного вещества. Большинство наземных растений получает необходимый им углерод, поглощая через поры в своих листьях углекислый газ из атмосферы. Фитопланктон получает углерод из атмосферного углекислого газа, растворенного в воде.

В процессе круговорота часть углерода «теряется» и подвергается минерализации, а также участвует в образовании ископаемых видов топлива. Помимо этого значительная часть углерода в виде карбонатных соединений оседает на дне океана.

Готовые работы на аналогичную тему

Стоит отметить, что деятельность человека в последние сто лет направлена на разработку углеродных «захоронений», что в свою очередь способствует его повторному вовлечению в глобальный круговорот, приводя к существенному повышению концентрации углекислого газа в атмосфере. Чрезмерное накопление в атмосфере Земли данного соединения приводит к нарушению равновесных процессов в биосфере, главным из которых является образование парникового эффекта.

Круговорот азота

Не менее сложным, чем круговорот углерода является биогеохимический круговорот азота. Азот является важной структурной единицей аминокислот, выступающих строительным материалом для белков. Его основным источником является атмосфера, которая представлена им на 78%. Преобладающее количество живых организмов может использовать азот только в виде сложных соединений с другими элементами.

Основную роль в круговороте азота играют азотфиксирующие и денитрифицирующие бактерии, которые участвуют в процессе его перевода из неорганических соединений (оксиды азота, нитраты, нитриты, аммиак, соли аммония) в другие формы.

Из воздуха азот поглощается азотфиксирующими бактериями, которые переводят его в легко усваиваемые растениями формы. Поглощенные растениями соединения азота синтезируются в более сложные органические соединения, передача которых осуществляется по трофической цепи к консументам. Образующиеся в процессе жизнедеятельности продуцентов и консументов соединения азота со временем попадают в почву, где под действием аммонифицирующих бактерий они восстанавливаются до аммиака и солей аммония.

Преобразование ионов аммония в нитрат-ионы, потребляемые растениями происходит в почве под действием нитратных и нитритных бактерий. А в процессе денитрифицирующих бактерий растворимые соединения азота переходят в газообразные формы, пополняющие атмосферу азотом.

Стоит отметить, что определенная часть азота на долгое время выключается из круговорота, переходя в глубинные отложения в литосфере. Однако в результате вулканической и антропогенной деятельности эти потери азота полностью компенсируются.

Источник

Раздел 2. Организация биосферы

И.Ф. Рассашко, О.В. Ковалева, А.В. Крук
Общая экология
Тексты лекций для студентов специальности 1-33 01 02 «Геоэкология». – Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2010. – 252 с.

Раздел 2. Организация биосферы

Лекция 12. Биологический круговорот, круговорот азота, кислорода, углерода

12.2. Круговорот азота, кислорода, углерода

Круговорот азота (рисунок 12.2) является одним из самых сложных круговоротов в природе. Охватывает всю биосферу, а также атмосферу, литосферу, гидросферу. Очень важную роль в круговороте азота играют микроорганизмы. В круговороте азота выделяют следующие этапы:

1-й этап (фиксация азота): а) азотфиксирующие бактерии связывают (фиксируют) газообразный азот с образованием аммонийной формы (NH и солей аммония) – это биологическая фиксация; б) вследствие грозовых разрядов и фотохимического окисления образуются оксиды азота, при взаимодействии с водой они образуют азотную кислоту, в почве она превращается в нитратный азот.

2-й этап – превращение в растительный белок. Обе формы (аммонийная и нитратная) фиксированного азота усваиваются растениями и превращаются в сложные белковые соединения.

3-й этап – превращение в животный белок. Животные поедают растения, в их организме растительные белки превращаются в животные.

4-й этап – разложение белка, гниение. Продукты метаболизма растений и животных, а также ткани отмерших организмов под воздействием микроорганизмов разлагаются с образованием аммония (процесс аммонификации).

5-й этап – процесс нитрификации. Аммонийный азот окисляется до нитритного и нитратного азота.

6-й этап – процесс денитрификации. Нитратный азот под воздействием денитрифицирующих бактерий восстанавливается до молекулярного азота, который поступает в атмосферу. Круг замыкается.

Рисунок 12.2 – Структурная схема круговорота азота

(по Н. И. Николайкину, 2004)

Антропогенное воздействие на круговорот азота заключается в следующем:

1 Промышленное использование азота для получения аммиака примерно на 10% повышает общее количество азота, фиксированного естественным путем.

2 Широкое использование азотных удобрений, превышающее потребности растений, приводит к загрязнению окружающей среды, при этом часть избыточного азота смывается в водоемы, вызывая опасное явление «евтрофирования». Оно вызывает вторичное загрязнение водоемов, нарушение круговорота веществ, изменение их трофического статуса.

Круговорот кислорода сопровождается его приходом и расходом.

Приход кислорода включает: 1) выделение при фотосинтезе; 2) образование в озоновом слое под воздействием УФ-излучения (в незначительном количестве); 3) диссоциацию молекул воды в верхних слоях атмосферы под воздействием УФ-излучения; 4) образование озона – О₃.

Расход кислорода включает: 1) потребление животными при дыхании; 2) окислительные процессы в земной коре; 3) окисление окиси углерода (СО), выделяющегося при извержении вулканов.

Круговорот кислорода тесно связан с круговоротом углерода.

Круговорот углерода (рисунок 12.3). Масса углекислого газа (СО₂) в атмосфере оценивается в 10 12 тонн.

Приход углекислого газа включает: 1) дыхание живых организмов; 2) разложение отмерших организмов растений и животных микроорганизмами, процесс брожения; 3) антропогенные выбросы при сжигании топлива; 4) вырубку лесов.

Расход углекислого газа включает: 1) фиксацию углекислого газа из атмосферы при фотосинтезе с освобождением кислорода; 2) потребление части углерода животными, питающимися растительной пищей; 3) фиксацию углерода в литосфере (образование органогенных пород – уголь, торф, горючие сланцы, а также почвенных компонентов, как гумуса); 4) фиксацию углерода в гидросфере (образование известняков, доломитов).

Постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере в сочетании с другими причинами привело к «парниковому эффекту», влияющему на тепловой баланс, на климат нашей планеты.

Большую роль в общем круговороте веществ в природе кроме рассмотренных элементов играют также фосфор, сера, железо.

Рисунок 12.3 – Структурная схема круговорота углерода

Источник

Круговороты углерода, азота, фосфора и серы

Углерод находится в природе как в свободном состоянии, так и в виде

многочисленных соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и

Соединения углерода очень распространены. Кроме ископаемого угля, в недрах

Земли находятся большие скопления нефти, представляющей сложную смесь

различных углеродсодержащих соединений, преимущественно углеводородов.

Кроме того растительные и животные организмы состоят из веществ, в

образовании которых главное участие принимает углерод.

Углекислый газ поглощается растениями-продуцентами и в процессе

фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические

соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы.

Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые

организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу.

Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются

(минерализуются) микроорганизмами-редуцентами. Конечный продукт

атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических

Углерод поступает в атмосферу также с

выхлопными газами автомашин, с дымовыми выбросами заводов и фабрик.

В процессе круговорота углерода в биосфере образуются энергетические

широко используются человеком. Все эти вещества произведены

воспроизводящиеся за относительно короткие промежутки времени, а нефть,

Большая часть азота находится в природе в свободном состоянии. Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших

количествах, если не считать натриевую селитру NaNO3, образующую мощные

пласты на побережье Тихого океана в Чили. Почва содержит незначительные

количества азота, преимущественно в виде солей азотной кислоты. Но в виде

кислот. Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Частично

азот поступает из атмосферы благодаря образованию оксида азота (IV) из

азота и кислорода под действием электрических разрядов во время гроз.

Однако основная масса азота поступает в воду и почву благодаря фиксации

азота воздуха живыми организмами.

Белки растений служат основой азотного питания животных. После отмирания

организмов белки под действием бактерий и грибов разлагаются с выделением

аммиака. Аммиак частично потребляется растениями, а частично используется

бактериями-редуцентами. В результате процессов жизнедеятельности некоторых

бактерий аммиак превращается в нитраты. Нитраты, как и аммонийные ионы,

потребляются растениями и микроорганизмами. Часть нитратов под действием

особой группы бактерий восстанавливается до элементарного азота, который

выделяется в атмосферу. Так замыкается круговорот азота в природе.

легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии в природе не

встречается. Из природных соединений фосфора самым важным является

ортофосфат кальция, который в виде минерала фосфорита иногда образует

большие залежи. Богатейшие месторождения фосфоритов находятся в Южном

Казахстане в горах Каратау. Фосфор, как и азот, необходим для всех живых

существ, так как он входит в состав некоторых белков как растительного,

так и животного происхождения. В растениях фосфор содержится главным

мозговой и нервной тканей. В виде кислотного остатка фосфорной кислоты

полимерных соединений, принимающих непосредственное участие в процессах

передачи наследственных свойств живой клетки. Сырьем для получения

фосфора и его соединений служат фосфориты и апатиты. Природный фосфорит

или апатит измельчают, смешивают с песком и углем и накаливают в печах с

помощью электрического тока без доступа воздуха всех живых организмах.

ные). Представлен он в основном апатитом и фторапатитом. В осадочных породах это обычно вивианит,вавелит, фосфорит. С образованием биосферы высвобождение фосфора из горных пород усилилось, в результате произошло значительное перераспределение его. В превращениях фосфора

большую роль играет живое вещество. Организмы усваивают фосфор из почв,

водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, и

других органически соединений.

Особенно много фосфора в костях животных. С гибелью

организмов фосфор возвращается в почву он концентрируется в виде

морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для

образования богатых фосфором пород, которые в свою очередь служат

источником фосфора в биогенном цикле.

Сера встречается в природе как в свободном состоянии (самородная сера), так

и в различных соединениях. Очень распространены соединения серы с

различными металлами. Из соединений серы в природе распространены также

сульфаты, главным образом, кальция и магния. Наконец, соединения серы

содержаться в организмах растений и животных.

Сера широко используется в народном хозяйстве. В виде серного цвета серу

используют для уничтожения некоторых вредителей растений. Она применяется

также для приготовления спичек, ультрамарина (синяя краска), сероуглерода и

ряда других веществ.

атмосферу происходит в виде сульфатов, серного ангидрида и серы из

литосферы при вулканических извержениях, в виде сероводорода за счет

распада пирита (FeS2 ) и органических соединений. Антропогенным источником

поступления серы в атмосферу являются тепловые электростанции и другие

объекты, где происходит сжигание угля, нефти и других углеводородов, а

поступление серы в литосферу, в частности в почву, происходит с удобрениями

и органическими соединениями. Перенос соединений серы в атмосфере

осуществляется воздушными потоками, а выпадение на земную поверхность либо

в виде пыли, либо с атмосферными осадками в виде дождя (кислотные дожди) и

снега. На поверхности Земли в почве и водоемах происходит связывание

сульфатных и сульфитных соединений серы кальцием с образованием гипса

(CaSO4). Помимо этого происходит захоронение серы в осадочных породах с

органическими остатками растительного и животного происхождения, из которых

в дальнейшем происходит образование угля и нефти. В почве изменение

соединений серы происходит с участием сульфобактерий использующих

сульфатные соединения и выделяющих сероводород, который поступая в

атмосферу и окисляясь снова переходит в сульфаты. Кроме этого сероводород в

почве может восстанавливаться до серы, которая денитрифицирующими

Источник