Биогеохимические

круговороты вещества в

биосфере

Экология, радиоэкология и основы энергосбережения И.В. Абрамова

2015 БрГУ имени А.С. Пушкина

1. Биологический и геологический

круговороты.

2. Биогеохимические циклы.

3. Круговороты углерода, азота, фосфора,

серы.

«Мы движемся к зеленому и

заросшему сорняками миру, но это

не катастрофа. Очень важно уметь

отличить катастрофу от

деградации».

П. Витошек

1. Биологический и

геологический круговороты

Круговорот веществ -

повторяющиеся

процессы превращения

и перемещения

вещества в природе,

имеющие более или

менее выраженный

циклический характер.

Движение по замкнутому кругу?

Круговорот вещества

биогеохимический круговорот элементов

геологический, или большой

биологический, или малый

Геологический, или большой процесс миграции веществ, осуществляемый под

влиянием абиотических факторов: выветривания,

эрозии, движения вод, магматических процессов и т.д.

Биологический, или малый

гидросфера, педосфера и атмосфера

живые организмы

деструкция,

минерализация

аккумуляция

Биологический круговорот

Продуценты Консументы

Редуценты

Техногенный круговорот

обмен веществом и энергией между

различными компонентами

биосферы, обусловленный

деятельностью живых организмов и

носящих цикличный характер

2. Биогеохимические циклы

Виноградский С.Н.

(1856-1953) Сергей Николаевич

Виноградский 1896 г.

Жизнь - система взаимосвязанных

биогеохимических циклов, катализируемых

живыми существами

В.И. Вернадский 1910 г.

Циклические элементы:

С H N О P S

Ca Cl Cu Fe I

Движущие силы:

энергия Солнца и деятельность живого вещества

Обратимость 95-98%

99% живого вещества приходится на 4

элемента

За исключением фосфора все образуют

летучие соединения

Азот находится в малодоступной для

живых организмов форме

Водород – единственный биоген, который

имеет незамкнутый планетарный цикл

(диссипация)

С H N О P S

О С H N

Циклы водорода и кислорода движимы

общими абиотическими силами

(геологический круговорот воды)

Высокое содержание кислорода в

атмосфере эквивалентно количеству

углерода, выведенному из круговорота

С H N О P S

Вещество

резервный фонд

газообразный

N, О, С

осадочный

Р, S

обменный фонд

2 части запаса вещества

Вещество Время

(годы)

Углекислый газ атмосферы (через фотосинтез) 300

Кислород атмосферы (через фотосинтез) 2000

Вода океана (путём испарения) 106

Азот атмосферы (путём окисления

электрическими разрядами, фотохимическим

путём и биологической фиксацией)

108

Вещество континентов (путём денудации —

выветривания)

108

Время, достаточное для полного оборота вещества

3. Круговороты

Самые распространенные элементы

Во Вселенной: H, He, O, C, N

На Земле: Fe, O, Si, Mg, Ni

В литосфере и земной коре Земли:

O, Si, Al, Fe, Ca

В живом веществе: O, C, H, Ca, N

С H N О P S

Углерод: в земной коре 0,055%, в атмосфере 0,008%,

в живом веществе 18% (45% в сухом виде)

Круговорот углерода. Роль С

а) Все формы жизни на Земле основаны на соединениях

углерода;

б) Способность атома углерода создавать цепи и кольца

обеспечивает разнообразие органических соединений;

в) Реакции окисления и восстановления соединений

углерода в экосфере обусловливают глобальное

распространение и баланс углерода, кислорода, а

также и многих других химических элементов;

г) Углекислый газ (СО2) и метан (СН4) играют

определяющую роль в антропогенном парниковом

эффекте.

Фотосинтез

Аноксигенный

СО2 + Н2S + свет → (СН2О) + 2S

Оксигенный

СО2 + Н2О +свет → (СН2О) + О2

1783г.

Дыхание

(СН2О) + О2 → СО2 + Н2О + энергия

Митохондрия

Период обращения 300 лет

Биогеохимический круговорот углерода

Rattan Lal Carbon sequestration // Phil. Trans. R. Soc. B 2008 363, 815-830

Биогеохимический круговорот кислорода

по П. Агесс

Период обращения атмосферного кислорода 2000 лет,

кислорода, содержащегося в воде – 2 000 000 лет

Биогеохимический круговорот азота

Атмосферная фиксация

100 млн. т

Промышленная фиксация

100 млн. т

Биологическая фиксация

1 млрд. т

в присутствии катализаторов

при температуре 500о и давлении

300 атм

1887 г. С.Н. Виноградский

Круговорот азота

NO2

белок

NH3 NO2-, NO3

-

N2

Аммонификация

Азотфиксация

Нитрификация Nitrosomonas Nitrobacter

2HNO3 → 2HNO2 → N2O → N2.

Денитрификация

Rhizobium

Azotobacter

Только в

бескислородной

среде!

Нарушения круговорота

азота

Применение азотных удобрений

Сжигание ископаемого топлива

Увеличение площадей под бобовыми

растениями

Круговорот фосфора. Роль Р

Входит в состав

нуклеиновых кислот,

систем переноса энергии (АДФ, АТФ),

клеточных мембран,

в организмах животных - костной ткани,

дентина.

Биогеохимический круговорот фосфора

седиментация

фосфориты, апатиты

Нарушения круговорота

фосфора

Внесение фосфорных удобрений

Использование синтетических моющих

средств (фосфатных)

Стоки с животноводческих ферм

Фосфор - основной фактор,

лимитирующий рост

первичной продукции

биосферы

Эвтрофикация водоемов

Цветение воды

Биогеохимический круговорот серы

Тиобациллы

Важнейшие соединения

серы:

• Извержение вулканов

• Сжигание топлива SO2

• Гниение органических остатков в анаэробных условиях H2S

• Образуется морским фитопланктоном CH3SCH3

SO42- • Из морской воды при высыхании

капель

Аминокислоты: метионин, цистеин, цистин

Роль микроорганизмов

Desulfovibrio - SO4 → H2S (анаэробное

восстановление сульфата)

анаэробные гетеротрофы -

органическая S в H2S

бесцветные, зеленые и пурпурные

серобактерии - H2S → S →SO4

тиобациллы - H2S → SO4 (аэробное

окисление сульфида)

аэробные гетеротрофы - органическая

S в SO4

Нарушения круговорота

серы

Сжигание ископаемого топлива

Переработка серосодержащих руд,

получение элементарной серы

Георгий Александрович

Заварзин

(1933 - 2011)

Г.А. Заварзин. Антипод ноосферы

Вестник Российской Академии наук, 2003, том 73, М 7, с. 627-636

http://www.ras.ru

Сергей Николаевич

Виноградский

(1856-1953)

http://www.polit.ru/img/al/p_vinogradsky_2.jpg