Geochemie der Biosphäre. Merkmale der Zirkulation von Wasser und einigen Stoffen in der Biosphäre. Biogeochemischer Stickstoffkreislauf in der Natur

heim

Reparatur

Ebenso wie der Kohlenstoffkreislauf und andere Kreisläufe umfasst er alle Bereiche der Biosphäre. Mikroorganismen spielen eine Schlüsselrolle im Kreislauf der Stickstoffverbindungen: Stickstofffixierer, Nitrifizierer und Denitrifizierer. Andere Organismen beeinflussen den Stickstoffkreislauf erst, nachdem er in ihre Zellen gelangt ist. Bekanntlich binden Hülsenfrüchte und Vertreter einiger Gattungen anderer Gefäßpflanzen (z. B. Erle, Araukarie, Oleaster) Stickstoff mit Hilfe von Symbiontenbakterien. Das Gleiche lässt sich bei einigen Flechten beobachten, die mithilfe symbiotischer Blaualgen Stickstoff binden. Es ist offensichtlich, dass die biologische Fixierung von molekularem Stickstoff durch frei lebende und symbiotische Organismen sowohl im autotrophen als auch im heterotrophen Teil von Ökosystemen erfolgt.
Von den riesigen Stickstoffreserven in der Atmosphäre und der Sedimenthülle der Lithosphäre nimmt nur fester Stickstoff an seinem Kreislauf teil, der von lebenden Organismen an Land und im Meer aufgenommen wird. Die Kategorie des Austauschfonds dieses Elements umfasst: Stickstoff aus der jährlichen Biomasseproduktion, Stickstoff aus der biologischen Fixierung durch Bakterien und andere Organismen, juveniler (vulkanogener) Stickstoff, atmosphärischer (bei Gewittern fixierter) und technogener Stickstoff
Es ist leicht zu erkennen, dass mit Ausnahme der Tundra-Vegetation, wo der Gehalt an Stickstoff- und Ascheelementen ungefähr gleich ist, bei fast allen anderen Vegetationstypen die Stickstoffmasse 2 bis 3-mal geringer ist als die Masse von Ascheelemente. Die Anzahl der im Laufe des Jahres zirkulierenden Elemente (d. h. die Kapazität des biologischen Kreislaufs) ist in tropischen Wäldern am größten, dann in Schwarzerdesteppen und Laubwäldern der gemäßigten Zone (Eichenwälder).

Es gibt drei Arten der Stickstofffixierung:

Freilebende Bakterien verschiedenster taxonomischer Gruppen.

Assoziative Stickstofffixierung durch Bakterien, die in enger Verbindung mit Pflanzen stehen (in der Wurzelzone oder auf der Oberfläche von Blättern) und deren Sekrete (Wurzelsekrete machen bis zu 30 % der Photosyntheseproduktion aus) als Quelle für organische Substanz nutzen. Stickstofffixierer leben im Darm vieler Tiere (Wiederkäuer, Nagetiere, Termiten) und Menschen (Gattung). Escherichia).

Symbiotisch. Am bekanntesten ist die Symbiose von Knöllchenbakterien (Familie. Rhizobiaceae) mit Hülsenfrüchten. Normalerweise tritt eine Wurzelinfektion auf, es ist jedoch bekannt, dass Pflanzen an Stängeln und Blättern Knötchen bilden.

Bakteriendünger (z. B. Nitragin) wurden für die Beimpfung (Infektion) von Hülsenfruchtsamen mit Knöllchenbakterienstämmen entwickelt, was deren Ertrag erhöht. Um Stickstofffixierungsprozesse zu stimulieren, ist es außerdem sinnvoll, dem Boden kleine „Anfangs“-Dosen von Stickstoffdüngern zuzusetzen, während große Dosen den Prozess unterdrücken.

Biogeochemischer Kohlenstoffkreislauf unter natürlichen Bedingungen und der Einfluss von Umweltverschmutzung auf den Kreislauf.

An Land beginnt der Kohlenstoffkreislauf mit der Fixierung von Kohlendioxid durch Pflanzen während der Photosynthese. Aus Kohlendioxid werden dann Kohlenhydrate gebildet und Wasser und Sauerstoff freigesetzt. Dabei wird Kohlenstoff bei der Pflanzenatmung teilweise als Kohlendioxid freigesetzt. Der in der Pflanze gebundene Kohlenstoff wird teilweise von Tieren verbraucht. Auch Tiere stoßen beim Atmen Kohlendioxid aus. Abgestorbene Tiere und Pflanzen werden von Mikroorganismen zersetzt, wodurch der Kohlenstoff in der abgestorbenen organischen Substanz zu Kohlendioxid oxidiert und wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird. Ein ähnlicher Zyklus findet im Ozean statt.

Stickstoffgas(N2) in der Atmosphäre ist äußerst inert, das heißt, es wird sehr viel Energie benötigt, um die Bindungen im Stickstoffmolekül (N2) aufzubrechen und andere Verbindungen, wie zum Beispiel Oxide, zu bilden. Stickstoff ist jedoch ein wesentlicher Bestandteil biologischer Moleküle wie Proteine, Nukleinsäuren usw. Nur einige Bakterien sind in der Lage, Luftstickstoff in eine für Organismen zugängliche Form (Nitrite und Nitrate) umzuwandeln. Dieser Prozess wird als Stickstofffixierung bezeichnet und ist der Hauptweg des Stickstoffeintrags in die biotische Komponente des Ökosystems.

Stickstoff-Fixierung

Stickstoff-Fixierung- ein energieintensiver Prozess, da er die Zerstörung einer sehr starken Bindung zwischen zwei Stickstoffatomen in seinem Molekül erfordert. Bakterien nutzen hierfür das Enzym Nitrogenase und die in ATP enthaltene Energie. Die nicht-enzymatische Stickstofffixierung erfordert viel mehr Energie, die in der Industrie durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und in der Atmosphäre durch ionisierende Faktoren wie Blitze und kosmische Strahlung gewonnen wird.

Stickstoff So wichtig für die Bodenfruchtbarkeit, und der landwirtschaftliche Bedarf daran ist so groß, dass in Chemieanlagen jährlich enorme Mengen Ammoniak produziert werden, das in Stickstoffdüngern wie Ammoniumnitrat (NH4NO3) oder Harnstoff verwendet wird.

Jetzt Maßstab der industriellen Stickstofffixierung vergleichbar mit natürlichen, aber wir haben noch wenig Ahnung von den möglichen Folgen der allmählichen Anreicherung von Stickstoffverbindungen, die Organismen in der Biosphäre zur Verfügung stehen. Es gibt keine Kompensationsmechanismen, die den von uns gebundenen Stickstoff in den atmosphärischen Pool zurückführen.

Stickstoffkreislauf. Stickstoff macht 79 % des Volumens der Atmosphäre aus – dem Hauptreservoir dieses Elements.

Verhältnismäßig kleine Menge fixierten Stickstoffs(5-10 %) wird durch Ionisierung in der Atmosphäre erreicht. Die entstehenden Stickoxide erzeugen in Wechselwirkung mit Regenwasser die entsprechenden Säuren, die im Boden letztendlich in Nitrate umgewandelt werden.

Wahrscheinlich, wichtigste natürliche Quelle für festen Stickstoff- Vertreter der Hülsenfruchtfamilie, zum Beispiel Klee, Sojabohnen, Luzerne, Erbsen. Die Wurzeln von Hülsenfrüchten weisen charakteristische Verdickungen, sogenannte Knötchen, auf, in denen stickstofffixierende Bakterien der Gattung Rhizobium intrazellulär leben. Diese Symbiose ist wechselseitig, da die Pflanze von den Bakterien fixierten Stickstoff in Form von Ammoniak erhält und ihnen im Gegenzug Energie und einige organische Substanzen wie Kohlenhydrate liefert. Pro Flächeneinheit können Knöllchenbakterien 100-mal mehr fixierten Stickstoff produzieren als freilebende Bakterien. Es ist nicht verwunderlich, dass häufig Hülsenfrüchte gesät werden, um den Boden mit diesem Element anzureichern und gleichzeitig eine Ernte hochwertiger Futtergräser zu erzielen.

Alle Stickstofffixierer binden Stickstoff in Form von Ammoniak, werden aber sofort für die Synthese organischer Verbindungen, vor allem Proteine, verwendet.

Zersetzung und Denitrifikation

Die meisten Pflanzen als Stickstoffquelle Nitrierungen verwenden. Tiere wiederum beziehen assimilierbaren Stickstoff direkt oder indirekt aus Pflanzen. In Abb. Abbildung 10.11 zeigt, wie Nitrate nach dem Abbau abgestorbener Gewebeproteine durch saprotrophe Bakterien und Pilze entstehen. Dieser Prozess beinhaltet oxidative Reaktionen unter Beteiligung von Sauerstoff und aeroben Bakterien. Proteine werden zunächst in Aminosäuren zerlegt, aus denen dann Ammoniak entsteht. Das gleiche Produkt entsteht bei der Zersetzung tierischer Ausscheidungen und Kot. Chemosynthetisierende Bakterien Nitrosomonas und Nitrobacter führen die sogenannte Nitrifikation durch – sie oxidieren Ammoniak nach und nach zu Nitraten.

Denitrifikation

In gewisser Weise ein Prozess umgekehrte Nitrifikation, ist eine Denitrifikation, die ebenfalls durch Bakterien durchgeführt wird und dadurch die Bodenfruchtbarkeit verringert. Denitrifikation findet unter anaeroben Bedingungen statt, wenn bei der Atmung Nitrat anstelle von Sauerstoff als Oxidationsmittel organischer Verbindungen (Elektronenakzeptor) verwendet wird. Die Nitrate selbst werden reduziert, meist zu Stickstoff. Denitrifizierende Bakterien sind daher fakultativ aerob.

Stickstoff-Fixierung

Stickstoffkreislauf. Stickstoff macht 79 % des Volumens der Atmosphäre aus – dem Hauptreservoir dieses Elements.

Alle Stickstofffixierer binden Stickstoff in Form von Ammoniak, werden aber sofort für die Synthese organischer Verbindungen, vor allem Proteine, verwendet.

Zersetzung und Denitrifikation

Die meisten Pflanzen als Stickstoffquelle Nitrierungen verwenden. Tiere wiederum beziehen assimilierbaren Stickstoff direkt oder indirekt aus Pflanzen. In Abb. Abbildung 10.11 zeigt, wie Nitrate nach dem Abbau abgestorbener Gewebeproteine durch saprotrophe Bakterien und Pilze entstehen. Dieser Prozess beinhaltet oxidative Reaktionen unter Beteiligung von Sauerstoff und aeroben Bakterien. Proteine werden zunächst in Aminosäuren zerlegt, aus denen dann Ammoniak entsteht. Das gleiche Produkt entsteht bei der Zersetzung tierischer Ausscheidungen und Kot. Chemosynthetische Bakterien Nitrosomonas und Nitrobacter führen die sogenannte Nitrifikation durch – sie oxidieren Ammoniak nach und nach zu Nitraten.

Denitrifikation

Die Fixierung von Luftstickstoff in der Natur erfolgt in zwei Hauptrichtungen – abiogen und biogen. Der erste Weg beinhaltet hauptsächlich Reaktionen von Stickstoff mit Sauerstoff. Da Stickstoff chemisch sehr inert ist, sind für die Oxidation große Energiemengen (hohe Temperaturen) erforderlich. Diese Bedingungen werden bei Blitzeinschlägen erreicht, wenn die Temperatur 25.000 °C oder mehr erreicht. Dabei kommt es zur Bildung verschiedener Stickoxide. Es besteht auch die Möglichkeit, dass eine abiotische Fixierung durch photokatalytische Reaktionen auf der Oberfläche von Halbleitern oder Breitbanddielektrika (Wüstensand) erfolgt.

Der Hauptanteil des molekularen Stickstoffs (ca. 1,4 × 10 8 t/Jahr) wird jedoch biotisch fixiert. Lange Zeit glaubte man, dass nur eine kleine Anzahl von Mikroorganismen (obwohl sie auf der Erdoberfläche weit verbreitet sind) molekularen Stickstoff binden können: Bakterien Azotobacter Und Clostridium, Knötchenbakterien von Hülsenfrüchten Rhizobium, Cyanobakterien Anabaena , Nostoc usw. Mittlerweile ist bekannt, dass viele andere Organismen im Wasser und im Boden über diese Fähigkeit verfügen, beispielsweise Actinomyceten in den Knollen von Erlen und anderen Bäumen (insgesamt 160 Arten). Sie alle wandeln molekularen Stickstoff in Ammoniumverbindungen (NH 4 +) um. Dieser Prozess erfordert einen erheblichen Energieaufwand (um 1 g Luftstickstoff zu fixieren, verbrauchen Bakterien in Hülsenfruchtknollen etwa 167,5 kJ, d. h. sie oxidieren etwa 10 g Glukose). Somit ist der gegenseitige Nutzen der Symbiose von Pflanzen und stickstofffixierenden Bakterien sichtbar – erstere bieten letzteren einen „Lebensort“ und liefern den durch die Photosynthese gewonnenen „Brennstoff“ – Glukose, letztere liefern den Stickstoff für Pflanzen notwendig in einer Form, die sie aufnehmen können.

Stickstoff in Form von Ammoniak und Ammoniumverbindungen, der bei biogenen Stickstofffixierungsprozessen entsteht, wird schnell zu Nitraten und Nitriten oxidiert (dieser Vorgang wird Nitrifikation genannt). Letztere bleiben nicht lange im Boden, da sie nicht durch Pflanzengewebe (und weiter entlang der Nahrungskette durch Pflanzenfresser und Raubtiere) verbunden sind. Die meisten Nitrate und Nitrite sind sehr gut löslich, werden also vom Wasser weggespült und gelangen schließlich in die Weltmeere (dieser Fluss wird auf 2,5–8 x 10 7 t/Jahr geschätzt).

Der im Gewebe von Pflanzen und Tieren enthaltene Stickstoff unterliegt nach ihrem Tod einer Ammonifikation (Zersetzung stickstoffhaltiger Komplexverbindungen unter Freisetzung von Ammoniak und Ammoniumionen) und einer Denitrifikation, also der Freisetzung von atomarem Stickstoff sowie seinen Oxiden . Diese Prozesse laufen ausschließlich aufgrund der Aktivität von Mikroorganismen unter aeroben und anaeroben Bedingungen ab.

Ohne menschliche Aktivität werden die Prozesse der Stickstofffixierung und Nitrifikation durch die gegenläufigen Reaktionen der Denitrifikation fast vollständig ausgeglichen. Ein Teil des Stickstoffs gelangt durch Vulkanausbrüche aus dem Erdmantel in die Atmosphäre, ein Teil ist fest in Böden und Tonmineralien verankert, außerdem entweicht ständig Stickstoff aus den oberen Schichten der Atmosphäre in den interplanetaren Raum.

SPAZIERGANG IN DER NATUR

Stickstoff ist nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff das vierthäufigste Element im Sonnensystem. Stickstoff wurde in den Spektren von Sternen gefunden, unter anderem in der Photosphäre der Sonne, in Meteoriten, Kometen, im Sonnenwind und in interstellaren Gaswolken. In den Atmosphären von Venus und Mars wird molekularer Stickstoff beobachtet, und Ammoniak ist charakteristisch für Jupiter und Saturn. In allen Weltraumobjekten kommt Stickstoff nur in reduziertem Zustand vor.

Stickstoff ist in der Erdkruste an 20. Stelle im Überfluss vorhanden. Der überwiegende Teil davon ist in den folgenden Hauptreservoirs konzentriert: der Atmosphäre (3,86–1015 t), der Lithosphäre (1,7–1015 t), der Hydrosphäre (2,2–1013 t) und der Biosphäre (~ 10 t). In der Atmosphäre beträgt der Anteil an freiem Stickstoff in Form von molekularem Na 78,09 Vol.-% (bzw. 75,6 Massen-%), ohne seine geringfügigen Verunreinigungen in Form von Ammoniak und Oxiden.

In der Lithosphäre beträgt der durchschnittliche Stickstoffgehalt 6–10–3 Gew.-%. Der Großteil des Stickstoffs in Silikaten liegt in einem chemisch gebundenen Zustand in Form von NHJ vor und ersetzt isomorph das Kaliumion im Silikatgitter. Darüber hinaus kommen in der Natur auch Stickstoffmineralien vor: Ammoniak (NH4C1), das in relativ großen Mengen aus Vulkanen freigesetzt wird, Buddingtovat (NH4AlSi308 - 0,5 H2O) – das einzige Ammoniumalumosilikat, das in peolithischem Wasser vorkommt. In den sehr oberflächennahen Regionen der Lithosphäre wurden eine Reihe von Mineralien entdeckt, die hauptsächlich aus Nitratsalzen bestehen. Darunter ist der bekannte Salpeter (NaN03), dessen große Ansammlungen charakteristisch für ein trockenes Wüstenklima (Chile, Zentralasien) sind. Salpeter war lange Zeit die Hauptquelle für gebundenen Stickstoff. (Heute ist die industrielle Synthese von Ammoniak aus Luftstickstoff und Wasserstoff von größter Bedeutung.) Nitride wurden auch in der Natur gefunden: Sylvestrin (Fe6N2) in den Laven des Vesuvs und Osbornit (TiN), Sinoit (Si2N20), Carlsbergit (CrN). in Meteoriten.

Im Vergleich zu Silikatmineralien ist fossiles organisches Material deutlich mit Stickstoff angereichert. Öl enthält 0,01 bis 2 % Stickstoff und Kohle 0,2 bis 3 %. Diamanten haben in der Regel einen hohen Stickstoffgehalt (bis zu 0,2 %).

In der Hydrosphäre beträgt der durchschnittliche Stickstoffgehalt 1,6-10-3 Gew.-%. Der Großteil dieses Stickstoffs ist in Wasser gelöster molekularer Stickstoff; Chemisch gebundener Stickstoff, der etwa 25-mal geringer ist, wird durch Nitrat und organische Formen repräsentiert. Wasser enthält in geringeren Mengen Ammoniak und Nitritstickstoff. Die Konzentration an gebundenem Stickstoff im Meer ist etwa zehnmal geringer als in Böden, die für die landwirtschaftliche Produktion geeignet sind. Dies stellt optimistische Aussagen über die grenzenlosen Reserven der Weltmeere in Frage.

Obwohl der Name Stickstoff „nicht lebenserhaltend“ bedeutet, handelt es sich tatsächlich um ein lebenswichtiges Element. In pflanzlichen Organismen ist es durchschnittlich 3 %, in lebenden Organismen bis zu 10 % des Trockengewichts enthalten. Stickstoff reichert sich im Boden an (durchschnittlich 0,2 Gew.-%). Der durchschnittliche Stickstoffgehalt in tierischem und menschlichem Protein beträgt 16 %. Menschen und Tiere können 8 essentielle Aminosäuren (Valin, Isoleucin, Leucin, Phenylalanin, Tryptophan, Methionin, Threonin, Lysin) nicht synthetisieren, weshalb ihre Hauptquelle für diese Aminosäuren Pflanzen- und Mikroorganismenproteine sind.

Der Stickstoffkreislauf findet wie Kohlenstoff in der Atmosphäre, der Lithosphäre und der Hydrosphäre statt. Der Großteil davon in Form von N 2 (75,6 %) und Oxiden N v O, y ist in der Atmosphäre konzentriert, ein Teil ist im Wasser des Weltozeans gelöst. In der ionischen Form NH^, N0 2, N0 3 kommt Stickstoff in organischen und anorganischen Stoffen vor.

Aufgrund seiner chemischen Stabilität fungiert molekularer Stickstoff als inertes „Lösungsmittel“ für andere Gase und geht nur unter rauen Bedingungen (hohe Temperaturen, elektrische Entladung, UV-Strahlung) chemische Reaktionen ein. Die Stickstoffreserven in der Atmosphäre werden durch zyklische Stoffaustauschprozesse, die die Atmosphäre mit der oberflächlichen Bodenschicht und dem Ozean verbinden, kontinuierlich wieder aufgefüllt. In Wasser- und Bodenökosystemen unterliegen Stickstoffverbindungen einer chemischen und biologischen Umwandlung, die zu ihrer Anreicherung oder ihrem Verlust führen kann.

Der globale Stickstoffkreislauf ist sehr komplex und mit mehreren Kreisläufen verknüpft (Abb. 2.6). Wie oben erwähnt, wird einer der Zyklen durch photochemische Reaktionen in der Troposphäre verursacht und ist mit der Bildung gasförmiger Stickstoffverbindungen verbunden: Ammoniak NH 3 und Oxide N 2 0, NO, N0 2. Durch photochemische Reaktionen und die Bildung freier Radikale verbindet sich Wasserdampf mit den gasförmigen Oxiden NO und NO 2 und bildet salpetrige und Salpetersäuren und anschließend deren Salze – Nitrite und Nitrate.

Ammoniak, das hauptsächlich ein Produkt biochemischer Prozesse ist, reagiert bei seiner Freisetzung in die Atmosphäre mit Schwefeloxiden und bildet lösliches Ammoniumhydrosulfat NH 4 HS0 4, das durch Niederschläge leicht ausgewaschen wird. Bis zu 10-40 Millionen Tonnen gebundener Stickstoff pro Jahr gelangen mit Niederschlägen auf die Erdoberfläche, 70 % dieser Menge sind biogenen Ursprungs. Durch Erosionsprozesse und Gesteinsmetamorphose gelangt auch gebundener Stickstoff in den Kreislauf.

Der wichtigste Weg, Stickstoff in den natürlichen Kreislauf einzubinden, ist biologischer Natur. Zu den biologischen Umwandlungsprozessen, die unter Beteiligung von anorganischem Stickstoff an Stoffwechselprozessen ablaufen, gehören: Stickstofffixierung, Assimilation, Ammonifikation, Nitrifikation, Denitrifikation. Der biologische Stickstoffkreislauf ist ein nahezu geschlossener Kreislauf, der in festen und flüssigen Medien abläuft und praktisch keinen direkten Einfluss auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre hat. Ein Merkmal des biologischen Stickstoffkreislaufs sind die zweistufigen Redoxprozesse: 1) Oxidation von Ammoniumkationen zu Nitrit- oder Nitrationen; 2) Reduktion zur molekularen Form N 2 (Abb. 2.7).

Reis. 2.6.

(Aber JA. Shabanov, M. A. Kravchenko, 2009)

Stickstoff-Fixierung:N 2-> nh^(NH3 T). Viele Bakterien, darunter auch Knöllchenbakterien (Symbionten von Hülsenfrüchten), können Luftstickstoff binden und ihn in die Ammoniumform reduzieren. Dieser Prozess ist von globaler Bedeutung und in seinem Ausmaß mit der Photosynthese vergleichbar. Aus der Luft nehmen Bodenbakterien 40 10 6 auf Vor 200 10 6 Tonnen Stickstoff pro Jahr bzw 100-300 kg Stickstoff pro Jahr pro 1 Hektar Boden.

Assimilation: NH3 – Aminosäuren. Während des Assimilationsprozesses verbrauchen Pflanzen und aminoheterotrophe Mikroorganismen Stickstoff und sorgen so für die Biosynthese von Aminosäuren und Pflanzenproteinen. Im tierischen Körper werden pflanzliche Proteine in tierische Proteine umgewandelt.

Reis. 2.7.

(nach A. E. Kuznetsov, N. B. Gradova, 2006)

Ammonifikation (Verrottung): Protein -> NH 3 T. Durch die enzymatische Hydrolyse werden organische Stoffe in Form von Proteinen und Aminosäuren unter der Einwirkung ammonisierender (fäulniserregender) Mikroorganismen zersetzt, letztendlich zu Ammoniak und Schwefelwasserstoff und in einer Zwischenstufe zu primären oder sekundären Aminen (Putrescin, Cadaverin). . Diese Verbindungen haben einen starken unangenehmen Geruch und sind für den Menschen giftig.

Nitrifikation: NH 3 (NH 4) -> N0 2, N0 3. Die Hauptform der Stickstoffernährung für Pflanzen sind Nitrate, die unter der Wirkung nitrifizierender chemosynthetischer Bakterien unter aeroben Bedingungen im Boden gebildet werden. Der Oxidationsprozess verläuft nacheinander in zwei Stufen: Oxidation zu Nitritionen und dann zu Nitrationen, sodass der Sauerstoffmangel den Prozess stoppt.

Denitrifikation: N0 3 -> N 2 . Der anaerobe Prozess der Reduktion von Nitrat- und Nitritformen zu molekularem Stickstoff und manchmal zu Oxid N20 oder Stickoxid NO ist die letzte Stufe des Stickstoffkreislaufs. Der Denitrifikationsprozess findet aktiv in sauerstoffarmen Umgebungen statt – feuchte oder überflutete, schlecht belüftete Böden, in eutrophen Reservoirs; Einerseits führt es zu einer Stickstoffverarmung im Boden, andererseits verhindert es die Anreicherung giftiger Stickoxide in der Atmosphäre.

Im globalen Stickstoffkreislauf übersteigt das Produktionsvolumen aus Denitrifikationsprozessen geringfügig das Produktionsvolumen aus Stickstofffixierungsprozessen aufgrund der erheblichen Freisetzung von Stickstoffverbindungen technogenen Ursprungs in die Umwelt: in Form von gasförmigen Produkten der Kraftstoffverbrennung, in der Form von Salzen mit Haushalts- und Industrieabwässern.

Die aufgeführten biochemischen Verfahren werden in biologischen Abwasserreinigungsanlagen zur Stickstoffentfernung aus Abwasser eingesetzt: Durch Denitrifikation in Kombination mit Nitrifikation werden Stickstoffverbindungen weitgehend vollständig entfernt.

In Systemen zur biologischen Sanierung natürlicher Umgebungen müssen auch die Eigenschaften des Stickstoffkreislaufs berücksichtigt werden. Insbesondere bei der Verwendung biologischer Produkte zur Reinigung von Ökosystemen von Verbindungen wie Erdölprodukten und Phenolen ist löslicher mineralischer Stickstoff für die effektive Wirkung von Zerstörer-Mikroorganismen erforderlich.

Shabanov D. A., Kravchenko M. A. Materialien zum Studium des Studiengangs Allgemeine Ökologie mit den Grundlagen der Umweltwissenschaften und Humanökologie: Lehrbuch, Handbuch. Charkow: XI1U im. V. N. Karazina, 2009.
Kuznetsov L. E., Gradova N. B. Dekret. op.

Der Stoffkreislauf in der Biosphäre ist dank der Energie der Sonne die „Reise“ bestimmter chemischer Elemente entlang der Nahrungskette lebender Organismen. Während der „Reise“ fallen einige Elemente aus verschiedenen Gründen heraus und verbleiben in der Regel im Boden. An ihre Stelle treten die gleichen, die normalerweise aus der Atmosphäre stammen. Dies ist die einfachste Beschreibung dessen, was das Leben auf dem Planeten Erde garantiert. Wenn eine solche Reise aus irgendeinem Grund unterbrochen wird, hört die Existenz aller Lebewesen auf.

Um den Stoffkreislauf in der Biosphäre kurz zu beschreiben, ist es notwendig, mehrere Ausgangspunkte zu setzen. Erstens werden von den mehr als neunzig bekannten und in der Natur vorkommenden chemischen Elementen etwa vierzig für lebende Organismen benötigt. Zweitens ist die Menge dieser Stoffe begrenzt. Drittens sprechen wir nur von der Biosphäre, also von der lebenshaltigen Hülle der Erde, und damit von den Wechselwirkungen zwischen lebenden Organismen. Viertens ist die Energie, die zum Kreislauf beiträgt, die Energie, die von der Sonne kommt. Die im Erdinneren durch verschiedene Reaktionen erzeugte Energie nimmt an dem betrachteten Prozess nicht teil. Und noch eine letzte Sache. Es ist notwendig, dem Ausgangspunkt dieser „Reise“ einen Schritt voraus zu sein. Es ist bedingt, da es kein Ende und keinen Anfang eines Kreises geben kann, dies ist jedoch notwendig, um irgendwo mit der Beschreibung des Prozesses beginnen zu können. Beginnen wir mit dem untersten Glied der trophischen Kette – den Zersetzern oder Totengräbern.

Krebstiere, Würmer, Larven, Mikroorganismen, Bakterien und andere Totengräber verarbeiten unter Sauerstoff- und Energieverbrauch anorganische chemische Elemente zu einer organischen Substanz, die für die Ernährung lebender Organismen und deren weitere Bewegung entlang der Nahrungskette geeignet ist. Darüber hinaus werden diese bereits organischen Stoffe von Konsumenten bzw. Konsumenten verzehrt, zu denen nicht nur Tiere, Vögel, Fische und dergleichen, sondern auch Pflanzen gehören. Letztere sind Produzenten bzw. Produzenten. Mithilfe dieser Nährstoffe und Energie produzieren sie Sauerstoff, das wichtigste Element zum Atmen aller Lebewesen auf dem Planeten. Verbraucher, Produzenten und sogar Zersetzer sterben. Ihre Überreste „fallen“ zusammen mit den darin enthaltenen organischen Substanzen den Totengräbern zur Verfügung.

Und alles wiederholt sich noch einmal. Beispielsweise vollendet der gesamte in der Biosphäre vorhandene Sauerstoff seinen Umsatz in 2000 Jahren und Kohlendioxid in 300 Jahren. Ein solcher Kreislauf wird üblicherweise als biogeochemischer Kreislauf bezeichnet.

Einige organische Stoffe gehen auf ihrer „Reise“ Reaktionen und Wechselwirkungen mit anderen Stoffen ein. Dadurch entstehen Gemische, die in der vorliegenden Form nicht von Zersetzern verarbeitet werden können. Solche Gemische bleiben im Boden „gelagert“. Nicht alle organischen Stoffe, die auf den „Tisch“ der Totengräber fallen, können von ihnen nicht verarbeitet werden. Nicht alles kann mit Hilfe von Bakterien verrotten. Solche unverrotteten Überreste werden eingelagert. Alles, was im Speicher oder in der Reserve verbleibt, wird dem Prozess entnommen und gelangt nicht in den Stoffkreislauf der Biosphäre.

So lässt sich in der Biosphäre der Stoffkreislauf, dessen treibende Kraft die Aktivität lebender Organismen ist, in zwei Komponenten gliedern. Einer – der Reservefonds – ist ein Teil der Substanz, der nicht mit der Aktivität lebender Organismen verbunden ist und vorerst nicht am Umlauf teilnimmt. Und der zweite ist der revolvierende Fonds. Es stellt nur einen kleinen Teil der Substanz dar, die von lebenden Organismen aktiv genutzt wird.

Welche chemischen Grundelemente sind Atome, die für das Leben auf der Erde so wichtig sind? Dies sind: Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und einige andere. Von den Verbindungen ist Wasser die wichtigste im Kreislauf.

Sauerstoff

Der Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre sollte mit dem Prozess der Photosynthese beginnen, der vor Milliarden von Jahren entstand. Es wird von Pflanzen unter dem Einfluss von Sonnenenergie aus Wassermolekülen freigesetzt. Sauerstoff entsteht auch in den oberen Schichten der Atmosphäre bei chemischen Reaktionen im Wasserdampf, wo chemische Verbindungen unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung zerfallen. Dies ist jedoch eine untergeordnete Sauerstoffquelle. Die wichtigste davon ist die Photosynthese. Sauerstoff kommt auch im Wasser vor. Obwohl es 21-mal weniger davon gibt als in der Atmosphäre.

Der dabei entstehende Sauerstoff wird von lebenden Organismen zur Atmung genutzt. Es ist auch ein Oxidationsmittel für verschiedene Mineralsalze.

Und der Mensch ist ein Sauerstoffverbraucher. Doch mit Beginn der wissenschaftlich-technischen Revolution ist dieser Verbrauch um ein Vielfaches gestiegen, da Sauerstoff bei zahlreichen industriellen Produktionen, Transporten, zur Befriedigung von Haushalts- und anderen Bedürfnissen im Laufe des menschlichen Lebens verbrannt oder gebunden wird. Der bisher vorhandene sogenannte Sauerstoffaustauschfonds der Atmosphäre betrug 5 % seines Gesamtvolumens, das heißt, bei der Photosynthese wurde so viel Sauerstoff erzeugt wie verbraucht. Jetzt wird dieses Volumen katastrophal klein. Sauerstoff wird sozusagen aus der Notreserve verbraucht. Von dort, wo es niemanden gibt, der es hinzufügen kann.

Dieses Problem wird dadurch etwas gemildert, dass ein Teil der organischen Abfälle nicht verarbeitet wird und nicht unter den Einfluss von Fäulnisbakterien gerät, sondern in Sedimentgesteinen verbleibt und Torf, Kohle und ähnliche Mineralien bildet.

Wenn das Ergebnis der Photosynthese Sauerstoff ist, dann ist ihr Rohstoff Kohlenstoff.

Stickstoff

Der Stickstoffkreislauf in der Biosphäre ist mit der Bildung so wichtiger organischer Verbindungen wie Proteine, Nukleinsäuren, Lipoproteine, ATP, Chlorophyll und andere verbunden. Stickstoff kommt in molekularer Form in der Atmosphäre vor. Zusammen mit lebenden Organismen sind dies nur etwa 2 % des gesamten Stickstoffs auf der Erde. In dieser Form kann es nur von Bakterien und Blaualgen verzehrt werden. Für den Rest der Pflanzenwelt kann Stickstoff in molekularer Form nicht als Nahrung dienen, sondern nur in Form anorganischer Verbindungen verarbeitet werden. Einige Arten solcher Verbindungen entstehen bei Gewittern und gelangen bei Niederschlägen in Wasser und Boden.

Die aktivsten „Recycler“ von Stickstoff oder Stickstofffixierern sind Knöllchenbakterien. Sie siedeln sich in den Zellen der Hülsenfruchtwurzeln an und wandeln molekularen Stickstoff in seine für Pflanzen geeigneten Verbindungen um. Nach ihrem Absterben wird der Boden zusätzlich mit Stickstoff angereichert.

Fäulnisbakterien zersetzen stickstoffhaltige organische Verbindungen in Ammoniak. Ein Teil davon gelangt in die Atmosphäre, der Rest wird von anderen Bakterienarten zu Nitriten und Nitraten oxidiert. Diese wiederum dienen den Pflanzen als Nahrung und werden durch nitrifizierende Bakterien zu Oxiden und molekularem Stickstoff reduziert. Die wieder in die Atmosphäre gelangen.

Somit ist klar, dass verschiedene Arten von Bakterien die Hauptrolle im Stickstoffkreislauf spielen. Und wenn Sie mindestens 20 dieser Arten vernichten, wird das Leben auf dem Planeten aufhören.

Und wieder wurde der etablierte Kreislauf von Menschenhand durchbrochen. Um die Ernteerträge zu steigern, begann er, aktiv stickstoffhaltige Düngemittel einzusetzen.

Kohlenstoff

Der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre ist untrennbar mit der Zirkulation von Sauerstoff und Stickstoff verbunden.

In der Biosphäre basiert der Kohlenstoffkreislauf auf der Lebensaktivität grüner Pflanzen und ihrer Fähigkeit, Kohlendioxid in Sauerstoff umzuwandeln, also Photosynthese.

Kohlenstoff interagiert auf vielfältige Weise mit anderen Elementen und ist Bestandteil fast aller Klassen organischer Verbindungen. Es ist beispielsweise Bestandteil von Kohlendioxid und Methan. Es ist in Wasser gelöst, wo sein Gehalt viel höher ist als in der Atmosphäre.

Obwohl Kohlenstoff hinsichtlich der Häufigkeit nicht zu den Top Ten gehört, macht er in lebenden Organismen 18 bis 45 % der Trockenmasse aus.

Die Ozeane regulieren den Kohlendioxidgehalt. Sobald sein Anteil in der Luft zunimmt, gleicht das Wasser die Positionen aus, indem es Kohlendioxid aufnimmt. Ein weiterer Kohlenstoffverbraucher im Ozean sind Meeresorganismen, die daraus Muscheln bauen.

Der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre basiert auf dem Vorhandensein von Kohlendioxid in der Atmosphäre und der Hydrosphäre, die eine Art Austauschfonds darstellt. Es wird durch die Atmung lebender Organismen wieder aufgefüllt. Bakterien, Pilze und andere Mikroorganismen, die an der Zersetzung organischer Rückstände im Boden beteiligt sind, sind auch an der Wiederauffüllung von Kohlendioxid in der Atmosphäre beteiligt. Kohlenstoff wird in mineralisierten, unverrotteten organischen Rückständen „konserviert“. In Kohle und Braunkohle, Torf, Ölschiefer und ähnlichen Lagerstätten. Aber die wichtigsten Kohlenstoffreserven sind Kalkstein und Dolomit. Der darin enthaltene Kohlenstoff ist „sicher versteckt“ in den Tiefen des Planeten und wird nur bei tektonischen Verschiebungen und beim Ausstoß vulkanischer Gase bei Ausbrüchen freigesetzt.

Aufgrund der Tatsache, dass der Prozess der Atmung mit der Freisetzung von Kohlenstoff und der Prozess der Photosynthese mit seiner Absorption durch lebende Organismen sehr schnell ablaufen, nimmt nur ein kleiner Bruchteil des gesamten Kohlenstoffs auf dem Planeten am Kreislauf teil. Wenn dieser Prozess nicht reziprok wäre, würden Sushi-Pflanzen allein den gesamten Kohlenstoff in nur 4 bis 5 Jahren verbrauchen.

Dank menschlicher Aktivitäten herrscht in der Pflanzenwelt derzeit kein Mangel an Kohlendioxid. Der Nachschub erfolgt sofort und gleichzeitig aus zwei Quellen. Durch die Verbrennung von Sauerstoff während des Betriebs von Industrie, Produktion und Transport sowie im Zusammenhang mit der Verwendung dieser „Konserven“ – Kohle, Torf, Schiefer usw. – für die Arbeit dieser Art menschlicher Aktivitäten. Warum ist der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre um 25 % gestiegen?

Phosphor

Der Phosphorkreislauf in der Biosphäre ist untrennbar mit der Synthese organischer Substanzen wie ATP, DNA, RNA und anderen verbunden.

Der Phosphorgehalt in Boden und Wasser ist sehr gering. Seine Hauptreserven liegen in Gesteinen, die in der fernen Vergangenheit entstanden sind. Mit der Verwitterung dieser Gesteine beginnt der Phosphorkreislauf.

Phosphor wird von Pflanzen nur in Form von Orthophosphorsäureionen aufgenommen. Dies ist hauptsächlich ein Produkt der Verarbeitung organischer Überreste durch Totengräber. Wenn die Böden jedoch einen hohen alkalischen oder sauren Faktor aufweisen, lösen sich Phosphate darin praktisch nicht auf.

Phosphor ist ein hervorragender Nährstoff für verschiedene Bakterienarten. Vor allem Blaualgen, die sich bei erhöhtem Phosphorgehalt schnell entwickeln.

Der größte Teil des Phosphors wird jedoch mit Flüssen und anderen Gewässern ins Meer verschleppt. Dort wird es aktiv vom Phytoplankton und damit von Seevögeln und anderen Tierarten gefressen. Anschließend sinkt Phosphor auf den Meeresboden und bildet Sedimentgestein. Das heißt, es kehrt nur unter einer Meerwasserschicht zum Boden zurück.

Wie Sie sehen, ist der Phosphorkreislauf spezifisch. Es ist schwierig, von einem Kreislauf zu sprechen, da er nicht geschlossen ist.

Schwefel

In der Biosphäre ist der Schwefelkreislauf für die Bildung von Aminosäuren notwendig. Es erzeugt die dreidimensionale Struktur von Proteinen. Dabei handelt es sich um Bakterien und Organismen, die Sauerstoff verbrauchen, um Energie zu synthetisieren. Sie oxidieren Schwefel zu Sulfaten und einzellige pränukleäre Lebewesen reduzieren Sulfate zu Schwefelwasserstoff. Darüber hinaus oxidieren ganze Gruppen von Schwefelbakterien Schwefelwasserstoff zu Schwefel und dann zu Sulfaten. Pflanzen können nur Schwefelionen aus dem Boden aufnehmen – SO 2-4. Daher sind einige Mikroorganismen Oxidationsmittel, während andere Reduktionsmittel sind.

Die Orte, an denen sich Schwefel und seine Derivate in der Biosphäre ansammeln, sind der Ozean und die Atmosphäre. Durch die Freisetzung von Schwefelwasserstoff aus Wasser gelangt Schwefel in die Atmosphäre. Darüber hinaus gelangt Schwefel in Form von Kohlendioxid in die Atmosphäre, wenn fossile Brennstoffe in der Produktion und für Haushaltszwecke verbrannt werden. Hauptsächlich Kohle. Dort oxidiert es und fällt im Regenwasser zu Schwefelsäure und fällt mit ihm zu Boden. Saurer Regen selbst verursacht erheblichen Schaden für die gesamte Pflanzen- und Tierwelt und gelangt darüber hinaus mit Sturm- und Schmelzwasser in Flüsse. Flüsse transportieren Schwefelsulfat-Ionen in den Ozean.

Schwefel kommt auch in Gesteinen in Form von Sulfiden und in gasförmiger Form vor – Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. Auf dem Meeresgrund gibt es Vorkommen von natürlichem Schwefel. Aber das ist alles „Reserve“.

Wasser

Es gibt keinen weiter verbreiteten Stoff in der Biosphäre. Seine Reserven liegen hauptsächlich in der salzig-bitteren Form des Wassers der Meere und Ozeane vor – etwa 97 %. Der Rest ist Süßwasser, Gletscher sowie Untergrund- und Grundwasser.

Der Wasserkreislauf in der Biosphäre beginnt herkömmlicherweise mit der Verdunstung an der Oberfläche von Stauseen und Pflanzenblättern und beträgt etwa 500.000 Kubikmeter. km. Es kehrt in Form von Niederschlägen zurück, die entweder direkt in Gewässer zurückfallen oder über den Boden und das Grundwasser gelangen.

Die Rolle des Wassers in der Biosphäre und die Geschichte seiner Entwicklung ist so groß, dass alles Leben vom Moment seines Erscheinens an vollständig vom Wasser abhängig war. In der Biosphäre hat Wasser durch lebende Organismen viele Male Zyklen der Zersetzung und Entstehung durchlaufen.

Der Wasserkreislauf ist größtenteils ein physikalischer Prozess. Dabei spielt jedoch die Tier- und vor allem die Pflanzenwelt eine wichtige Rolle. Die Verdunstung von Wasser aus den Blattoberflächen von Bäumen führt dazu, dass beispielsweise ein Hektar Wald bis zu 50 Tonnen Wasser pro Tag verdunstet.

Wenn die Verdunstung von Wasser aus den Oberflächen von Stauseen für seine Zirkulation natürlich ist, dann ist ein solcher Prozess für Kontinente mit ihren Waldgebieten die einzige und wichtigste Möglichkeit, es zu erhalten. Hier erfolgt die Zirkulation wie in einem geschlossenen Kreislauf. Niederschlag entsteht durch Verdunstung von Böden und Pflanzenoberflächen.

Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen den in einem Wassermolekül enthaltenen Wasserstoff, um eine neue organische Verbindung zu bilden und Sauerstoff freizusetzen. Und umgekehrt durchlaufen lebende Organismen beim Atmen einen Oxidationsprozess und es entsteht wieder Wasser.

Wenn wir die Zirkulation verschiedener Arten von Chemikalien beschreiben, sehen wir uns mit einem aktiveren menschlichen Einfluss auf diese Prozesse konfrontiert. Derzeit ist die Natur aufgrund ihrer mehrmilliardenjährigen Überlebensgeschichte mit der Regulierung und Wiederherstellung gestörter Gleichgewichte beschäftigt. Aber die ersten Symptome der „Krankheit“ sind bereits da. Und das ist der „Treibhauseffekt“. Wenn zwei Energien, die Sonnenenergie und die von der Erde reflektierte, lebende Organismen nicht schützen, sondern sich im Gegenteil gegenseitig stärken. Dadurch steigt die Umgebungstemperatur. Welche Folgen könnte ein solcher Anstieg neben dem beschleunigten Abschmelzen der Gletscher und der Verdunstung von Wasser von den Meeres-, Land- und Pflanzenoberflächen haben?

Video - Stoffkreislauf in der Biosphäre

Abschnitte