Биогеохимические круговороты вещества в...
TRANSCRIPT
-
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