Biogeocheminis azoto ciklas ir antropogeninės veiklos poveikio jam pasekmės. Biogeocheminiai ciklai (biogeocheminiai ciklai) yra cikliniai metabolizmo procesai tarp įvairių biosferos komponentų, kuriuos sukelia gyvybinė veikla.

Biogeocheminių azoto ciklų vystymosi istorija planetoje yra sudėtinga ir prieštaringa. Azotas pateko į antžeminės planetos sudėtį kondensuojantis tarpžvaigždinei kosminei protoplanetinei medžiagai, kuri apėmė azotą ir įvairius jo junginius (NO, NH 3, HC 3 N ir kt.).

Radioaktyvų planetos įkaitimą ir išsilydžiusios mantijos susidarymą lydėjo dujinių azoto junginių išsiskyrimas ir jo kaupimasis pirminėje atmosferoje, kurioje ir šiandien dominuoja N 2 (n · 10 15 t). Auštantys ugnikalnių lava ir dujų fumaroliai ir toliau tiekia azotą, jo oksidus, amonio chloridą ir amonio karbonatą į biosferą.

Elektrocheminės iškrovos, fotocheminės reakcijos, itin aukšta temperatūra ir slėgis prisidėjo prie neląstelinių organinių azoto junginių molekulinių formų atsiradimo planetoje.

Laisvai gyvenančių azotą fiksuojančių bakterijų ir heterotrofinių bakterijų atsiradimas tikriausiai žymi pirminės biosferos biogeninio sodrėjimo azoto junginiais pradžią, aminorūgščių, baltymų, mineralinių azoto junginių (amonio, nitratų druskų) susidarymą. Gali būti, kad biogeninė azoto fiksacija įvyko prieš fotosintezės atsiradimą, įvyko tolimos praeities anaerobinėje aplinkoje, kurioje nėra deguonies, ir ją vykdė Clostridium tipo mikroorganizmai. Šios genties bakterijos vis dar yra svarbiausios azoto fiksavimo anaerobinėmis sąlygomis agentai.

Biologinis azoto fiksavimas mikroorganizmais gamtoje yra daug labiau paplitęs, nei manyta prieš 20-30 metų. Be Rhizobium grupės bakterijų, kurios fiksuoja azotą mazgeliuose ant ankštinių augalų šaknų, plačiai išvystyta nesimbiotinė (asociatyvi) azoto fiksacija, kurią atlieka daugybė heterotrofinių bakterijų ir grybų (Umarov, 1983). Šio tipo azoto fiksavimą vykdo šimtai įvairių mikroorganizmų rūšių, gyvenančių augalų rizosferoje, dirvoje ir stiebų bei lapų paviršiuje (filosferoje).

Vidutiniškai asociatyvi (nesimbiotinė) azoto fiksacija ekosistemose yra 40-50 kg/ha per metus; tačiau pasaulinėje literatūroje yra požymių, kad nesimbiotinė azoto fiksacija tropinėmis sąlygomis siekia 200-600 kg/ha per metus (Umarov, 1983). Šiuo atveju didžioji dalis (> 90%) azoto masės fiksuojama rizosferoje, naudojant šaknų eksudatų ir mirštančių mažų šaknų energiją. Todėl, esant augalinei dangai, dirvožemiai visada sulaiko kelis kartus daugiau azoto nei gryno pūdymo.

Kaip nustatyta Umarovo (1983) tyrimais, asociatyvus azoto fiksavimas būdingas daugeliui žolinių ir daugelio sumedėjusių augalų rūšių, įskaitant jų kultivuojamas formas. Didelį azoto fiksavimo potencialą rizosferoje turi pievų, chernozemų ir kaštonų dirvožemiai (90-330 kg/ha), taip pat Kaukazo kalnų miškų dirvožemiai (iki 180 kg/ha). Vien per auginimo sezoną laukuose toks fiksavimas gali duoti dirvai 30-40 kg/ha papildomo azoto. Tai nenuostabu, nes azotą fiksuojantys mikroorganizmai gali sudaryti nuo 20 iki 80% viso jų skaičiaus.

Yra aiškus teigiamas ryšys tarp mikroorganizmų vykdomų azoto fiksavimo procesų ir augalų fotosintezės ekosistemose. Kuo didesnis augalų fotosintezės produktyvumas, tuo daugiau azoto fiksuojama dirvose. Tai yra svarbiausias azoto biogeochemijos mechanizmas biosferoje ir žemės ūkyje.

Mėlynadumblių vaidmuo azoto biogeochemijoje yra didelis, daugelis jų rūšių taip pat turi galimybę fiksuoti azotą kartu su fotosintezės procesu. Melsvadumbliai (Cyanophyta) praturtina dirvą azotu, ypač drėkinamus ryžių laukus, upių, ežerų ir pelkių vandenis bei nuosėdas. Tačiau jie taip pat gyvena plikų uolų ar dykumos dirvožemių paviršiuje.

Augalinės dangos ir su augalais susijusių mikroorganizmų vystymasis žymiai padidino atmosferos azoto įtraukimą į biomasės sudėtį. Dėl vis sudėtingėjančių gyvybės formų planetoje pailgėjo maisto grandinės, sausumoje ir vandenynuose kaupiasi gyvos ir negyvos organinės medžiagos. Taip atsirado galimybė ilgalaikiam organinių azoto junginių egzistavimui biosferoje ir litosferoje. Žolinių augalų vaidmuo čia ypač didelis. Žolinės augalijos antžeminės ir požeminės dalys kasmet sunaudoja nuo 20-25 iki 600-700 kg/ha azoto (dažniausiai šaknyse azoto yra 2-6 kartus daugiau nei antžeminėje). Šiuo atveju bendroje biomasėje, kaip taisyklė, yra 10–50 kartų daugiau anglies nei azoto. Visa tai patvirtina didžiulį bendrą anglies ir azoto vaidmenį kuriant fitomasę (Titlyanova, 1979). Bet azoto junginius iš augalų audinių lengvai išplauna lietaus drėgmė. Patekę į dirvą, augalai jas vėl suvartoja.

Kaip sudėtingi ir mažai ištirti biogeniniai azoto ciklai, liudija nustatyti faktai apie azoto junginių pernešimą iš augalo į augalą (tos pačios arba skirtingos rūšies) per šaknų sekretą į dirvą, o galbūt ir dėl tiesioginio šaknų sąlyčio. Šis nuostabus mechanizmas parodo, kaip „ekonomiški“ augalai maitinasi azotu. Šis reiškinys tikriausiai egzistuoja ir kitų elementų biogeochemijoje.

Kaip žinoma, baltymų kiekis kviečių grūduose ir azoto kiekis juose didėja mažėjant atmosferos kritulių kiekiui Rusijos lygumos stepėse. Tai jau nustatyta bendrojo azoto kiekiui žolinių augalų biomasėje. Stepių sąlygomis sausos žolės biomasėje azoto kiekis siekia 2-2,6 %; didėjant drėgmei sumažėja iki 1-1,5%.

Visi šie faktai rodo didžiulį augalijos (ypač žolių) ir mikroorganizmų vaidmenį azoto biogeochemijoje sausumoje. Augalinės dangos vystymasis, dirvožemio formavimosi proceso atsiradimas (prieš 300–400 mln. metų), humusingo apvalkalo ir dirvožemio smulkios žemės susidarymas, jos griovimas ir kaupimasis nuosėdinių uolienų pavidalu išplėtė atmosferos pernešimo procesą. azoto į biosferą, pastarojoje pakeliant jo kiekį iki n 10 15 t.

Kartu reikia pabrėžti, kad azoto grąžinimas į atmosferą denitrifikacijos būdu yra toks pat universalus procesas kaip ir fiksacija bei nitrifikacija. Šis procesas užtikrina pasaulinį azoto ciklą planetoje.

Redokso sąlygos dirvožemyje yra labai nevienalytės. Net ir aeruotame dirvožemyje yra vietų, kuriose trūksta deguonies, kur gali įvykti denitrifikacija. Šviežių judrių organinių medžiagų gausa ir dirvožemio perpildymas drėgme visada smarkiai suintensyvina denitrifikacijos procesus po liūčių, užmirkimo ir drėkinimo metu. Denitrifikacija dar ryškesnė vandens peizažuose (pelkėse, ežeruose, estuarijose ir kt.).

Šis nukreiptas planetinis biogeocheminis procesas yra policiklinis. Didžioji gamtoje fiksuoto azoto dalis per mikrociklinius pasikartojančius virsmus, nitrifikaciją ir denitrifikaciją galiausiai molekulinio dujinio azoto (N 2) pavidalu grąžinama į atmosferą. Tačiau vystantis biosferai, organinių ir mineralinių biogeninių azoto junginių egzistavimo trukmė ir masės dydis planetoje ilgėjo. Padidėjo palaidotų organinių nuosėdų kiekis. Atskirų bendro sausumos biogeocheminio azoto ciklo mikrociklų trukmė dabartinėje eroje svyruoja nuo trumpų (dienos, savaitės, mėnesiai) mikroorganizmų audiniuose iki reikšmingų (metų) žolinės augmenijos ekosistemose ir iki ilgų (dešimtmečiai, šimtmečiai, tūkstantmečiai). ) sumedėjusiose ekosistemose ir dirvožemio humuse. Užbaigti azoto ciklai, randami upių, ežerų, jūrų nuosėdose ir degiose žemės plutos fosilijose, apima dešimtis tūkstančių metų, šimtus tūkstančių ir milijonus metų.

Natūralūs azoto (taip pat ir anglies) biogeocheminiai ciklai biosferoje buvo „beveik uždari“, tačiau turėjo kryptingo, išplėstinio biosferos atsargų dauginimosi pobūdį. Biosfera ne tik neatsisakė visiškai sugautų azoto ir anglies masių, bet laipsniškai didino bendras jų atsargas fiksuota forma (humuso, durpių, iškastinių anglių, naftos, skalūnų, bitumo ir kt. masėje).

Antropogeninė era atnešė didelių pokyčių nusistovėjusiems natūraliems azoto ciklams. Pagrindinis dalykas, kuris įvyko ir vyksta, yra (be žemės ūkio) naujo antropogeninio pramoninio mechanizmo, skirto azoto masėms fiksuoti dešimčių milijonų tonų azoto trąšų pavidalu, atsiradimas biosferoje, taip pat patekimas į azoto oksidų aplinka iš didelių masių sudeginto iškastinio kuro (šildymo įrenginiai, transportas, aviacija, raketos). Technogeniniai azoto junginių šaltiniai biosferoje sparčiai auga, padvigubėja kas 6-7 metus. Jau XX amžiaus 70–80-aisiais. Kasmet pasaulyje (skaičiuojant azotą) pagaminama 50-60 mln. tonų azoto trąšų per metus. XXI amžiaus pradžioje. ši vertė gali siekti 100-150 mln.t/metus. Tikėtina, kad iki to laiko technogeninis azoto antplūdis į biosferą gali būti lygus arba viršyti visas biogenines jo tiekimo formas.

Antropogeninėje epochoje, ypač moderniuoju laikotarpiu, pastebimai suaktyvėjo aplinkos praturtinimo azoto junginiais procesas. Kaip jau minėjome anksčiau, vyksta technogeninio aplinkos azotinimo procesas, lydimas kompleksinių teigiamų (padidėjęs derlius, padidėjęs baltymų kiekis maiste) ir neigiamų (vėžys, metohemoglobinemija, padidėjęs dirvožemio rūgštingumas ir krituliai) pasekmių rinkinys. . Papildomus azoto biogeochemijos pokyčius biosferoje sukėlė ir miškų, stepių (ir mikorizės) naikinimas, ankštinių augalų pakeitimas javais, mikrofloros turtingų dirvožemių humusingų horizontų naikinimas, dirvožemio paviršiaus sumažėjimas. Visi šie pokyčiai, dažnai priešingo pobūdžio, nebuvo ištirti ar kiekybiškai įvertinti. Matyt, vis dar vyrauja tendencija mažinti biogeninio azoto fiksavimo vaidmenį bendrame azoto cikle planetoje.

Būtent šio normalaus azoto ciklo gamtoje sutrikimų fone dirvožemių mineralinės trąšos sukėlė pirmiau minėtus azoto balanso įvedimo elementų ir jo pasiskirstymo geografijos pokyčius, taip pat padidino bendrą azoto koncentracijos lygį. nitratai ir amonio druskos dirvožemyje ir vandenyse. Tačiau dar rimtesnis veiksnys, lemiantis azoto junginių disbalansą, koncentracijos lygį ir formas atmosferoje ir ypač hidrosferoje bei dirvožemyje, pasirodė esanti šiuolaikinė kuro, energijos ir transporto ekonomika.

Apytiksliais duomenimis, deginant anglį, naftą, mazutą, benziną, durpes, skalūnus ir kt., amoniako ir įvairių azoto oksidų emisija kartu kasmet sudaro apie 200-350 mln. tonų dujų ir aerozolių pavidalu. Dėl amoniako ir azoto oksidų oksidacijos susidaro daugiausia azoto rūgšties ir iš dalies amonio druskos, kurios patenka į sausumą ir vandenyno paviršių. Jei šie skaičiai yra perdėti net du kartus, vis tiek tenka pripažinti, kad azoto junginių išmetimas į atmosferą jau tapo pastebimu mūsų planetos azoto ciklo pajamų komponentu.

Atsižvelgiant į šiuos faktus, būtina geriau suprasti ateities žemės ūkio poreikius azoto trąšoms, azoto junginių globalios, oro ir vandens migracijos kelius planetoje ir išsiaiškinti sritis, kuriose kaupiasi nitratų ir amonio junginiai. vyrauja. Tai dar labiau būtina, nes azoto oksidų išmetimas į atmosferą tęsis ir net padidės. Jau buvo nustatyti parūgštintų atmosferos vandenų kritulių faktai Kanadoje, Skandinavijoje ir JAV, kuriuos lydi dirvožemio ir vietinių vandenų pH sumažėjimas (dažniausiai kartu su atskiestais sieros rūgšties tirpalais). . Parūgštinus aplinką, padidės mineralinių medžiagų dūlėjimas, kalcio, magnio ir kitų augalų maistinių medžiagų pasišalinimas iš dirvos, todėl padidės laukų kalkinimo poreikis.

Reikėtų atkreipti dėmesį į dar vieną veiksnį, kuris sutrikdo normalų koncentracijos lygį ir azoto ciklą gamtoje. Tai pramoninės gyvulininkystės ir paukštininkystės atliekos, taip pat šiuolaikinių didžiųjų miestų atliekos ir nuotekos. Šios kilmės atliekos ir nuotekos yra labai didelės. Pasaulyje yra daugiau nei 3 milijardai gyvulių, iš kurių susidaro didžiulis kiekis atliekų. Šiuolaikiniai paukštynai, pramoninės gyvulininkystės įmonės ir miestai sukuria daugybę neįprastai didelio azoto ir fosforo kišenių organinių ir mineralinių junginių pavidalu, kurie vietiškai prisotina dirvožemį, upelius, upes, ežerus, estuarijas ir estuarijas. Kartais tokiuose dirvožemiuose N-NO 3 kiekis siekia 400 milijoninių dalių (ppm), o N-NH 4 – iki 2200 ppm. Pasak mokslininkų, miesto nuotėkis, gyvulių atliekos ir dirvožemio erozija atlieka vienodai svarbų, o kartais net didesnį vaidmenį teršiant dirvožemį ir vandenis azoto junginiais iki toksiško lygio (Cooke ir Williams, 1970).

Azoto junginių koncentracijos padidėjimas natūraliuose vandenyse yra nerimą keliantis faktas. Vidutinio klimato miškų plotų upių vandenyse nitratų kiekis siekia 0,3-0,5 mg/l, o sausringuose - 1,2-1,7 mg/l. Drenažo laistymo sistemų vandenyse NO 3 koncentracija dažniausiai yra apie 5-6 mg/l, bet gali būti ir 10-15 mg/l. Druskingų laistytų dirvų dirvožemio tirpaluose buvo stebima iki 100-300 mg/l NO 3 koncentracijos. Gruniniame vandenyje kartais būna 10-15 ir net 50-100 mg/l nitratų koncentracija. Per 25 metus (1945-1970) reguliariai stebint Ilinojaus valstijoje, paviršinio nuotėkio vandenyse nitratinio azoto kiekis, vidutiniais ir maksimaliais duomenimis, padidėjo du, tris ir net keturis kartus.

Perteklinėmis nitratų koncentracijomis yra praturtinti ne tik paviršiniai vandenys, bet ir požeminis vanduo – pagrindinis gyventojų geriamojo vandens tiekimo šaltinis. Nitratai prasiskverbia į gruntinius vandenis iki 10-15 m ir net daugiau gylio, todėl jų koncentracija padidėja iki 10-15 mg/l N, o tai akivaizdžiai pavojinga žmonėms (NO 3 atžvilgiu tai yra 45-60 mg/l) .

Buvo apskaičiuotas bendras azoto balansas JAV (Accumulation of Nitrate, 1972). Bendras azoto patekimas į JAV dirvožemį išreiškiamas 21,0 mln. tonų azoto per metus (iš jų 5,6 mln. tonų su krituliais, 7,5 mln. tonų mineralinėmis trąšomis ir 4,8 mln. tonų biogenine fiksacija). Iš šio kiekio apie 17 mln. tonų sunaudojama maisto gamybai ir tekstilės žaliavoms, o 4 mln.

Visų rūšių denitrifikacija (įskaitant daugiau nei 10 mln. tonų vandens aplinkoje) sudaro apie 18,5 mln. tonų, o apie 1,5 mln. tonų kasmet lieka dirvožemyje ir vandenyse. Denitrifikacijos duomenys čia yra aiškiai perdėti. Azoto balansas vandenyse ir dirvožemyje yra bent du ar tris kartus didesnis. Atsižvelgiant į šiuolaikinio biogeocheminio azoto ciklo žemėje elementus, apibūdinta: pagrindinės formos jo jungčių kvitai:

• biogeninis azoto fiksavimas dirvožemyje simbiotinių ir nesimbiotinių tipų mikroorganizmais;
• patekimas į tirpalus su maisto grandinių metabolitais, su negyvomis organinėmis medžiagomis, su dirvožemio organinių medžiagų mineralizacijos produktais;
• azoto oksidų paėmimas iš iškastinio kuro degimo produktų;
• azoto junginių įterpimas į dirvą organinių ir mineralinių trąšų pavidalu;
• nitratų pernešimas ir kaupimasis garuojant požeminiam vandeniui.

Išlaidų elementai Azoto balansas žemėje susideda iš šių pagrindinių formų:

• mineralinių azoto junginių įsisavinimas aukštesnių ir žemesnių augalų ir jų patekimas į ekosistemų mitybos grandines;
• azoto junginių perėjimas į organines formas, susidarant humusui;
• denitrifikacija ir galiausiai daugumos azoto grįžimas į atmosferą dujinės molekulinės formos N 2 ir iš dalies oksidų ir amoniako pavidalu;
• azoto junginių plovimas, pašalinimas ir susvetimėjimas iš biologinių ciklų į geologinius; geologiškai ilgą laiką laidoti nuosėdinėse uolienose, iškastinio kuro ar druskos telkiniuose.

Jei radote klaidą, pažymėkite teksto dalį ir spustelėkite Ctrl + Enter.

Azoto ciklas, kaip ir anglis, vyksta atmosferoje, litosferoje ir hidrosferoje. Didžioji jo dalis N 2 (75,6%) ir oksidų N v O, y pavidalu yra koncentruota atmosferoje, dalis yra ištirpusi Pasaulio vandenyno vandenyje. Joninės formos NH^, N0 2, N0 3 azotas yra organinėse ir neorganinėse medžiagose.

Dėl savo cheminio stabilumo molekulinis azotas veikia kaip inertiškas „tirpiklis“ kitoms dujoms ir į chemines reakcijas patenka tik esant atšiaurioms sąlygoms (aukštai temperatūrai, elektros iškrovai, UV spinduliuotei). Atmosferos azoto atsargos nuolat pildomos dėl ciklinių masės pernešimo procesų, jungiančių atmosferą su paviršiniu dirvožemio sluoksniu ir vandenynu. Vandens ir dirvožemio ekosistemose azoto junginiai cheminiu ir biologiniu būdu virsta, o tai gali sukelti jo kaupimąsi arba praradimą.

Pasaulinis azoto ciklas yra labai sudėtingas ir tarpusavyje susijęs su keliais ciklais (2.6 pav.). Kaip minėta aukščiau, vieną iš ciklų sukelia fotocheminės reakcijos troposferoje ir yra susijęs su dujinių azoto junginių: amoniako NH 3 ir oksidų N 2 0, NO, N0 2 susidarymu. Dėl fotocheminių reakcijų ir laisvųjų radikalų susidarymo vandens garai susijungia su dujiniais oksidais NO ir NO 2, sudarydami azoto ir azoto rūgštis, o vėliau jų druskas - nitritus ir nitratus.

Amoniakas, kuris daugiausia yra biocheminių procesų produktas, patekęs į atmosferą, reaguoja su sieros oksidais ir sudaro tirpų amonio hidrosulfatą NH 4 HS0 4, kuris lengvai išplaunamas nusodinant. Per metus su krituliais į žemės paviršių patenka iki 10-40 mln.t fiksuoto azoto, 70% šio kiekio yra biogeninės kilmės. Fiksuotas azotas taip pat patenka į ciklą dėl erozijos ir uolienų metamorfizmo procesų.

Pagrindinis azoto įtraukimo į natūralų ciklą būdas yra biologinis. Biologinės transformacijos procesai, vykstantys neorganiniam azotui dalyvaujant medžiagų apykaitos procesuose, apima: azoto fiksavimą, asimiliaciją, amonifikaciją, nitrifikaciją, denitrifikaciją. Biologinis azoto ciklas yra beveik uždaras ciklas, vykstantis kietoje ir skystoje terpėje ir praktiškai neturintis tiesioginio poveikio cheminei atmosferos sudėčiai. Biologinio azoto ciklo ypatybė yra dviejų pakopų redokso procesai: 1) amonio katijonų oksidacija į nitritų arba nitratų jonus; 2) redukcija iki molekulinės formos N 2 (2.7 pav.).

Ryžiai. 2.6.

(Bet TAIP. Šabanovas, M. A. Kravčenka, 2009 m.)

Azoto fiksavimas:N 2-> nh^(NH3 T). Daugelis bakterijų, įskaitant gumbelių bakterijas (ankštinių augalų simbiontus), gali fiksuoti atmosferos azotą, sumažindamos jį iki amonio formos. Šis procesas yra planetinės svarbos ir savo mastu panašus į fotosintezę. Iš oro dirvožemio bakterijos registruojamos nuo 40 10 6 prieš 200 10 6 tonų azoto per metus arba 100-300 kg azoto per metus per 1 hektarų dirvožemio.

Asimiliacija: NH3 – aminorūgštys. Asimiliacijos proceso metu augalai ir aminoheterotrofiniai mikroorganizmai suvartoja azotą, užtikrindami aminorūgščių ir augalinių baltymų biosintezę. Gyvūnų organizme augaliniai baltymai virsta gyvuliniais baltymais.

Ryžiai. 2.7.

(pagal A. E. Kuznecovą, N. B. Gradovą, 2006 m.)

Amonifikacija (puvimas): baltymai -> NH3T. Dėl fermentinės hidrolizės organinės medžiagos baltymų ir aminorūgščių pavidalu suyra, veikiant amonifikuojantiems (puvimo) mikroorganizmams, galiausiai į amoniaką ir vandenilio sulfidą, o tarpiniame etape - į pirminius ar antrinius aminus (putresciną, kadaveriną). . Šie junginiai turi stiprų nemalonų kvapą ir yra toksiški žmonėms.

Nitrifikacija: NH3 (NH4) -> N02, N03. Pagrindinė augalų mitybos azotu forma yra nitratai, kurie susidaro veikiant nitrifikuojančioms chemosintetinėms bakterijoms aerobinėmis sąlygomis dirvožemyje. Oksidacijos procesas vyksta nuosekliai dviem etapais: oksidacija iki nitrito jonų, o vėliau iki nitratų jonų, todėl deguonies trūkumas sustabdo procesą.

Denitrifikacija: N0 3 -> N 2 . Anaerobinis nitratų ir nitritų formų redukavimo į molekulinį azotą, o kartais iki oksido N20 arba azoto oksido NO, procesas yra paskutinis azoto ciklo etapas. Denitrifikacijos procesas aktyviai vyksta aplinkoje, kurioje trūksta deguonies – drėgnose arba užtvindytose, prastai vėdinamose dirvose, eutrofiniuose rezervuaruose; viena vertus, tai lemia azoto išeikvojimą dirvožemyje, kita vertus, neleidžia atmosferoje kauptis toksiškiems azoto oksidams.

Pasauliniame azoto cikle denitrifikacijos procesų gamybos apimtys šiek tiek viršija azoto fiksavimo procesų produkcijos apimtį dėl didelio technogeninės kilmės azoto junginių išmetimo į aplinką: dujinių kuro degimo produktų pavidalu, druskų forma su buitinėmis ir pramoninėmis nuotekomis.

Išvardinti biocheminiai procesai naudojami biologinėse nuotekų valymo sistemose, siekiant pašalinti iš nuotekų azotą: dėl denitrifikacijos kartu su nitrifikacija azoto junginiai pašalinami gana visiškai.

Natūralios aplinkos biologinio valymo sistemose taip pat būtina atsižvelgti į azoto ciklo ypatybes. Visų pirma, naudojant biologinius produktus ekosistemoms valyti nuo junginių, tokių kaip naftos produktai ir fenoliai, norint veiksmingai veikti naikinančius mikroorganizmus, reikalingas tirpus mineralinis azotas.

• Shabanov D. A., Kravchenko M. A. Medžiaga, skirta studijuoti bendrosios ekologijos kursą su aplinkos mokslo ir žmogaus ekologijos pagrindais: vadovėlis, vadovas. Charkovas: XI1U im. V. N. Karazina, 2009 m.
• Kuznecovas L. E., Gradova N. B. Dekretas. Op.

Terminą „biogeochemija“ pasiūlė rusų mokslininkas V. I. Vernadskis ir reiškia mokslo sritį apie medžiagų mainus tarp gyvos ir negyvosios medžiagos biosferoje („bio“ reiškia gyvus organizmus, o „geo“ – uolienas, orą ir vanduo).Geochemija tiria Žemės cheminę sudėtį ir elementų migraciją tarp skirtingų biosferos dalių: litosferos, hidrosferos ir atmosferos.

Normaliam daugumos ekosistemų ir jose gyvenančių organizmų egzistavimui didžiausią reikšmę turi tokių elementų kaip vandenilis, anglis, azotas, siera ir fosforas, kurie yra bet kurios gyvos medžiagos dalis, ciklai.

Bet kokių cheminių elementų ir medžiagų cikluose išskiriamos dvi dalys arba du „fondai“:

1) rezervinis fondas- didelė medžiagų masė, lėtai judanti biogeocheminiame cikle;

2) mainų (judantis) fondas- mažesnė, bet aktyvesnė medžiagos masė, kuriai būdingas greitas apsikeitimas tarp gyvų organizmų ir jų artimiausios aplinkos.

Apskritai biogeocheminiai ciklai paprastai skirstomi į du pagrindinius tipus:

1) dujinių medžiagų, turinčių rezervinį fondą, cirkuliacija atmosferoje arba hidrosferoje (vandenyne); 2) nuosėdų ciklas su rezerviniu fondu ir žemės pluta. Rezervinės lėšos atmosferoje ir hidrosferoje yra lengvai prieinamos, todėl tokie ciklai yra gana stabilūs. Nuosėdų biogeocheminiai ciklai paprastai būna mažiau stabilūs.

Įspūdingą įvairių cheminių elementų procentinio kiekio ekosistemos komponentuose pastovumą istoriškai nulėmė nuolatiniai ir subalansuoti medžiagų ciklai, kurie sukuria galimybę sistemos savireguliacijai (homostazei) ir jos stabilumui palaikyti.

Naujo organinių medžiagų susidarymo procesai fotosintezės metu ir jos naikinimo (irimo) procesai lemia elementų ciklų greitį ir pusiausvyrą biosferoje ir atsiranda tik dėl saulės energijos, ateinančios iš išorės. Vadinasi, elementų ciklinio judėjimo greitį ir kryptį ekosistemoje lemia energijos srautai, einantys per biologinę bendruomenę.

Apibendrinta biogeocheminių ciklų diagrama, sujungta su supaprastinta energijos srauto diagrama (10.1 pav.), parodo, kaip vienakryptis energijos srautas skatina medžiagos ciklą. Pažymėtina tai, kad ciklo procese dalyvaujantys cheminiai elementai nuolat eina tuo pačiu keliu, o energija teka tik viena kryptimi.

Fig. 10.1 pav. rezervinis fondas pažymėtas kaip maistinių medžiagų fondas, o mainų fondas pavaizduotas tamsiu žiedu, einantis iš autotrofų į heterotrofus ir iš jų vėl į autotrofus. Kartais rezervinis fondas vadinamas nepasiekiamas, o aktyvus mainų fondas – kaip prieinamas. Pavyzdžiui, agronomai paprastai matuoja dirvožemio derlingumą, įvertindami tų maistinių medžiagų, kurios yra tiesiogiai prieinamos augalams, koncentraciją dirvožemyje.

Mainų fondą sudaro medžiagos, kurios grįžta į ciklą dviem pagrindiniais būdais - arba dėl gyvūnų ir augalų medžiagų apykaitos produktų intravitalinio išleidimo į išorinę aplinką, arba sunaikinant (mineralizuojant) negyvas organines medžiagas (detritus). mikroorganizmais.

Žmogaus įtaka biogeocheminiams ciklams slypi tuo, kad antropogeniškai įsikišus šie procesai gali nustoti užsidaryti, o kai kuriose boiosferos vietose gali atsirasti kai kurių medžiagų trūkumas, kitose – perteklius. Galiausiai gamtos išteklių apsaugos priemonės turėtų būti nukreiptos į ciklinių sutrikimų prevenciją, t.y. svarbiausių biosferos elementų ciklų balansas. Biogecheminių ciklų ypatybių išmanymas yra būtina sąlyga racionaliam gamtos išteklių naudojimui ir natūralių ekosistemų išsaugojimui.

Ryžiai. 10.1. Biogeocheminio ciklo diagrama supaprastintos energijos srauto diagramos fone:

Р G - bendroji pirminė produkcija; P N - grynoji pirminė produkcija (gali būti suvartota heterofų pačioje sistemoje arba eksportuojama); P - antrinė gamyba, R 1 - autotrofų (augalų) kvėpavimas; R2 – heterotrofų (gyvūnų ir bakterijų) kvėpavimas

Bet kurią ekosistemą galima pavaizduoti kaip blokų, per kuriuos praeina įvairios medžiagos, seriją. Mineralinių medžiagų cikluose ekosistemoje paprastai dalyvauja trys aktyvūs blokai: gyvi organizmai, negyvos organinės liekanos ir buveinėje esančios neorganinės medžiagos.

Panagrinėkime azoto, fosforo ir sieros biogeocheminius ciklus. Biogeocheminis azoto ciklas (biogeninis elementas, randamas baltymuose ir nukleorūgštyse) gali būti labai sudėtingo, gerai subalansuoto dujinės medžiagos ciklo pavyzdys. Biogeocheminis fosforo ciklas yra nuosėdų ciklas, kurio fosforo ciklas yra ne toks tobulas.

Biogeocheminis sieros ciklas parodo funkcinį ryšį tarp atmosferos, vandens ir žemės plutos, nes siera aktyviai cirkuliuoja kiekviename iš šių „rezervuarų“ ir tarp jų. Mikroorganizmai vaidina pagrindinį vaidmenį azoto ir sieros cikluose.

Azoto ciklas, apimantis ir dujines, ir mineralines fazes, nepaisant didelio jame dalyvaujančių organizmų skaičiaus, užtikrina greitą azoto cirkuliaciją įvairiose ekosistemose (10.2 pav.).

Ryžiai. 10.2. Azoto ciklo diagrama (pilkas stačiakampis – azoto rezervo fondas)

Pagrindinis azoto šaltinis ir rezervuaras yra atmosfera, kurios masė sudaro 79% šio elemento. Gyvų organizmų dalyvavimui azoto cikle galioja griežta hierarchija: tik tam tikros rūšies mikroorganizmai (bakterijos) vykdo biocheminius azoto junginių transformacijos procesus tam tikrose pagrindinėse šio ciklo stadijose.

Dauguma biosferoje gyvenančių organizmų negali tiesiogiai panaudoti dujinio molekulinio azoto (N 2). Augalai azotą pasisavina tik kaip nitratų (NO 3 -) arba amonio jonų (NH 4 +) dalį. Nitratai susidaro daugiausia dėl mikroorganizmų veiklos - azoto fiksatoriai, kurioms priklauso genties simbiotinės bakterijos Rhizobium, gyvenantys mazgeliuose ant ankštinių augalų šaknų, genties bakterijos Azotobakterijos, gyvena dirvožemyje; ir cianobakterijos (mėlynai žalios). Visi azotą fiksuojantys mikroorganizmai gali fiksuoti atmosferos azotą dėl labai sudėtingo metabolizmo, įskaitant molibdeną ir hemoglobiną kaip katalizatorius. Simbiotiniai azotą fiksuojantys mikroorganizmai prasiskverbia į ankštinių augalų šaknų sistemos audinius. Augalai aprūpina simbiotines bakterijas buveine ir maistu (cukrumi), o jie aprūpina augalą organiniu azotu, kurį sintetina iš azoto dujų. Laisvai gyvenantys nesimbiotiniai mikroorganizmai – azoto fiksatoriai ( Azotobakterijos cianobakterijose) taip pat sugeria azoto dujas ir paverčia jį organine forma. Šiuo atveju azotas yra įtrauktas į susintetintas baltymų molekules. Po azotą fiksuojančių bakterijų mirties ir organinių medžiagų mineralizacijos azotas nitratų pavidalu (NO 3 -) praturtina dirvą.

Gyvūnai gali pasisavinti azotą tik iš augalinės ar gyvūninės kilmės organinių medžiagų. Per tipines mitybos grandines (augalai – žolėdžiai gyvūnai – plėšrūnai) organinis azotas iš mikroorganizmų – azoto fiksatorių perduodamas augalams ir visiems kitiems ekosistemos organizmams. Dirvožemyje vyksta procesai amonifikacija(amonio jonų susidarymas) ir nitrifikacija(nitratų jonų susidarymas), susidedantis iš nuoseklių reakcijų, kurių metu, dalyvaujant skirtingoms mikroorganizmų grupėms, sunaikinamos negyvos organinės medžiagos.

Molekulinis azotas grįžta į atmosferą, o biogeocheminis azoto ciklas užsidaro bakterijų gyvavimo metu. denitrifikatoriai kaip ir Pseudomonas, nitratų redukavimas į laisvą azotą ir deguonį beanoksinėmis (anaerobinėmis) sąlygomis.

Nitratai nuolat susidaro iš molekulinio azoto nedideliais kiekiais, nedalyvaujant azotą fiksuojantiems mikroorganizmams elektros žaibo išlydžių atmosferoje metu. Tada šie nitratai su lietumi patenka į dirvos paviršių. Kitas atmosferos azoto šaltinis, patenkantis į biogeocheminį ciklą, yra ugnikalniai, kurie kompensuoja iš ciklo neįtraukiamo azoto praradimą, kai jis nusėda vandenynų dugne.

Norint palyginti įvairių atmosferos azoto patekimo į biogeocheminį ciklą procesų mastą, reikia turėti omenyje: vidutinis metinis abiotinės kilmės nitratinio azoto (žaibo išmetimų) iš atmosferos į dirvą tiekimas neviršija 10 kg/ha, laisvąjį azotą fiksuojantys mikroorganizmai prisideda iki 25 kg/ha, o simbiotinės azotą fiksuojančios bakterijos Rhizobium vidutiniškai išaugina iki 200 kg/ha.

Didžiąją dalį organinėse medžiagose esančio azoto denitrifikuojančios bakterijos paverčia azoto dujomis (N2) ir grąžinama į atmosferą. Tik apie 10 % mineralinio azoto iš dirvožemio pasisavina aukštesni augalai ir tampa prieinami daugialąsčiams organizmams.

Fosforo ciklas. Fosforas yra daug energijos turinčių organinių medžiagų – adenozės nitrifosfato (ATP) ir adenozino difosfato (ADP), kurie yra augalų ir gyvūnų ląstelėse nešėjai ir energijos kaupėjai – dalis. Pagrindinis augalų fosforo šaltinis yra fosfato jonai (PO 4 -). Augalai sugeria fosfato jonus iš aplinkos (dirvožemio ar vandens) ir biosintezės procese įtraukia fosforą į organines medžiagas, kurios sudaro augalų biomasę. Gyvūnai, valgydami augalus, gauna fosforo organiniu pavidalu. Taigi, fosforą paversdami iš mineralinio į organinę formą, augalai padaro jį prieinamą gyvūnams. Fosforo ciklas biosferoje yra susijęs su medžiagų apykaitos procesais augaluose ir gyvūnuose. Šis svarbus biogeninis elementas, kurio kiekis sausumos augalų ir dumblių dalyse svyruoja nuo 0,01 iki 0,1%, o gyvūnuose – nuo ​​0,1% iki kelių procentų, cirkuliacijos metu iš organinių junginių palaipsniui pereina į fosfatus, kuriuos vėl galima panaudoti. augalais (10.3 pav.).

Ryžiai. 10.3. Fosforo ciklo diagrama (pilkas stačiakampis - fosforo rezervo fondas)

Jei palygintume fosforo kiekį gyvojoje ir negyvojoje biosferos medžiagoje, paaiškėtų, kad disproporcija yra labai didelė. Todėl fosforas yra vienas iš labiausiai trūkstamų biogeninių makroelementų, lemiančių gyvybės vystymąsi.

Natūralus biogeocheminis fosforo ciklas biosferoje nėra subalansuotas. Pagrindinės fosforo atsargos yra uolienose (apatituose, fosforituose), iš kurių išplovimo metu vandenyje tirpūs fosfatai (PO 4 3-) patenka į sausumos ir vandens ekosistemas. Patekęs į sausumos ekosistemas, fosforą augalai absorbuoja iš vandeninio tirpalo neorganinio fosfato jonų (PO 4 3-) pavidalu ir yra įtrauktas į įvairius fosforo organinius junginius. Per mitybos grandines fosforo turinčios organinės medžiagos iš augalų patenka į kitus ekosistemos organizmus. Chemiškai surištas fosforas su augalų ir gyvūnų liekanomis patenka į dirvą, kur yra veikiamas mikroorganizmų ir fotosintezės metu virsta mineraliniais fosforo junginiais, prieinamais augalams. Fosfatų pašalinimas iš sausumos ekosistemų į žemyninius vandens telkinius praturtina juos fosforu. Kasmet upių nuotėkis į Pasaulio vandenyną išneša apie 2 milijonus tonų fosforo.

Jūrų ekosistemose mineralinis fosforas tampa fitoplanktono dalimi, kuris tarnauja kaip maistas kitiems jūrų organizmams, kaupiasi jūros gyvūnų, pavyzdžiui, žuvų, audiniuose. Dalis organinių fosforo junginių migruoja per mitybos grandines sekliuose gyliuose, o kita dalis nusėda į didesnį gylį, kai nusėda negyvos organinės medžiagos. Negyvos organizmų liekanos lemia fosforo kaupimąsi skirtinguose gyliuose. Iš to išplaukia, kad fosforas, vienaip ar kitaip patekęs į vandens telkinius, prisotina ir dažnai persotina jų ekosistemas. Fosforo grįžtamasis judėjimas iš Pasaulio vandenyno į sausumos ir sausumos vandens telkinius yra ribotas (žmonių gaudymas žuvų ir kitų organizmų) ir nekompensuoja fosforo pašalinimo iš sausumos. Ir tik reikšmingais laiko intervalais, kai žemės plutos tektoninio judėjimo metu vandenynų dugnas tampa sausa žeme, šis biogeocheminis ciklas užsidaro.

Sieros ciklas. Yra daug dujinių sieros junginių, tokių kaip vandenilio sulfidas (H 2 S) ir sieros dioksidas (SO 3 ).

Tačiau vyraujanti šio elemento ciklo dalis yra nuosėdinė ir randama dirvožemyje bei vandenyje.

Išsami sieros ciklo schema parodyta Fig. 10.4.

10.4 pav. Sieros ciklo diagrama

Pagrindinis gyviems organizmams prieinamos sieros šaltinis yra sulfatai (SO 4 2-). Daugelis sulfatų tirpsta vandenyje, ir tai lemia neorganinės sieros prieinamumą augalams, nes daugelis elementų (įskaitant sierą) į gyvus organizmus gali patekti tik ištirpę. Augalai, absorbuodami sulfatus, juos redukuoja ir gamina nepakeičiamas sieros turinčias aminorūgštis (metioniną, cisteiną, cistiną), kurios atlieka svarbų vaidmenį kuriant tretinę (erdvinę) baltymų struktūrą. Gyvūnai ir mikroorganizmai, maistui vartojantys augalų biomasę, pasisavina sieros turinčius organinius junginius.

Negyvoms organinėms medžiagoms (nukritusiems lapams, negyviems organizmams, ekskrementų produktams) skylant heterotrofinėms bakterijoms, siera vėl virsta neorganine forma (daugiausia vandenilio sulfido H 2 S pavidalu). Kai kurios bakterijos gali gaminti vandenilio sulfidą iš sulfatų anaerobinis(be deguonies) sąlygomis. Kita nedidelė bakterijų grupė gali redukuoti vandenilio sulfidą iki elementinės sieros (S).

Kita vertus, yra bakterijų, kurios vėl oksiduoja vandenilio sulfidą į sulfatus, dėl kurių vėl padidėja sieros pasiūla augalams prieinama forma. Tokios bakterijos vadinamos chemosintetinis, nes jie sintetina organines medžiagas naudodami paprastų cheminių medžiagų (šiuo atveju vandenilio sulfido) oksidacijos energiją. Šiomis aplinkybėmis jie skiriasi nuo fotosintetinių organizmų, kurie, naudodami šviesos energiją, sukuria organines medžiagas.

Paskutinė sieros ciklo fazė yra visiškai nuosėdinė (vyksta nuosėdinėse uolienose). Jam būdingas šio elemento nusodinimas anaerobinėmis sąlygomis esant geležies. Taigi procesas baigiasi lėtu ir laipsnišku sieros kaupimu giliai esančiose nuosėdinėse uolienose.

Apskritai, ekosistemai reikia žymiai mažiau sieros, palyginti su azoto ir fosforo. Todėl siera rečiau yra augalų ir gyvūnų vystymąsi ribojantis veiksnys. Tuo pačiu metu sieros ciklas yra pagrindinis veiksnys bendrame biomasės organinės medžiagos skilimo biosferoje procese. Pavyzdžiui, kai nuosėdose susidaro geležies sulfidai, fosforas iš netirpios formos virsta tirpia forma ir tampa prieinamas fotosintetiniams organizmams. Tai yra aiškus patvirtinimas, kad vienas ciklas yra prijungtas prie kito ir jo reguliuojamas.

Anglies ciklas. Anglis, kaip svarbiausias struktūrinis elementas, yra bet kurios organinės medžiagos dalis, todėl jos ciklas daugiausia lemia organinių medžiagų susidarymo ir naikinimo intensyvumą įvairiose biosferos dalyse. Gamtoje anglis egzistuoja dviejų labiausiai paplitusių mineralinių formų – karbonatų (kalkakmenių) ir judrios anglies dioksido (anglies dioksido, CO 2) pavidalu. Biocheminiame anglies cikle atmosferos anglies dioksido telkinys yra palyginti mažas (711 milijardų tonų), palyginti su anglies atsargomis vandenynuose (39 000 milijardų tonų), iškastiniu kuru (12 000 milijardų tonų) ir sausumos ekosistemomis (3 100 milijardų tonų).

Maždaug 93% anglies dioksido randama vandenyne, kuriame gali būti daug daugiau cheminės medžiagos nei kituose rezervuaruose. Didžioji dalis anglies dioksido, patenkančio iš atmosferos į jūros vandens paviršinius sluoksnius, sąveikauja su vandeniu, sudarydama anglies rūgštį ir jos disociacijos produktus. Taigi, vandenyne visada yra karbonato sistema- visų neorganinių ištirpusių anglies junginių (anglies dioksido CO 2, anglies rūgšties H 2 CO 3 ir jos disociacijos produktų) suma.

Visi šie junginiai yra tarpusavyje susiję ir, keičiantis aplinkos sąlygoms, cheminių reakcijų metu gali virsti vienas kitu. Pavyzdžiui, padidėjus vandens rūgštingumui (esant žemoms pH vertėms), anglies rūgšties molekulės skyla į vandenį H 2 O ir anglies dioksidą CO 2, o pastarasis gali būti pašalintas iš vandenyno į atmosferą. Priešingai, šarminės sąlygos prisideda prie karbonato jonų (CO3 2-), mažai tirpių kalcio karbonatų (CaCO 3) ir magnio (MgCO 3) susidarymo, kurie nusėda į dugną nuosėdų pavidalu ir kurį laiką pašalina. anglies iš ciklo vandenyne.

Kaip matyti iš fig. 10.5, atmosferoje arba hidrosferoje esanti anglis (anglies dioksido pavidalu CO 2) fotosintezės metu patenka į augalų organines medžiagas, o vėliau per maisto grandinę patenka į gyvūnų ir mikroorganizmų kūnus. Atvirkštinis anglies perėjimo iš organinės į mineralinę formą procesas vyksta kvėpuojant visiems gyvūnų ir augalų organizmams (organinėms medžiagoms oksiduojantis į anglies dioksidą (CO 2) ir vandenį (H 2 O)). Anglies dioksido išskyrimo iš organinių medžiagų procesas vyksta ne iš karto, o palaipsniui, dalimis kiekviename trofiniame lygyje. Dirvožemyje biogeocheminis anglies ciklas labai dažnai sulėtėja, nes organinės medžiagos nevisiškai mineralizuojamos, o virsta organiniais kompleksais – humusu.

Sausumos ekosistemų funkcionavimo ypatybė yra reikšmingas ir gana ilgalaikis organinės anglies formos kaupimasis augalų ir gyvūnų biomasėje, taip pat humuse. Taigi, sausumos ekosistemų biomasė taip pat gali būti laikoma reikšminga anglies atsarga biosferoje.

Ryžiai. 10.5. Anglies ciklo diagrama (pilki stačiakampiai – anglies atsargų fondai)

Biogeocheminio anglies ciklo vandenyno atšaka turi savo ypatybes, kurios, atsižvelgiant į didelį vandenyje esančios anglies kiekį, lemia svarbų Pasaulio vandenyno vaidmenį šio elemento cikle. Vandens aplinkoje, skirtingai nei sausumos ekosistemose, pagrindiniai fotosintetiniai organizmai yra vienaląsčiai mikroskopiniai dumbliai, plūduriuojantys vandens storymėje (fitoplanktonas).

Fitoplanktono organizmų gyvybinė veikla yra gana aktyvi ir ją lydi tiek organinės anglies kaupimasis biomasės pavidalu, tiek ištirpusios organinės anglies išsiskyrimas. Gyvūnai ir bakterijos sunaudoja šias organines anglies formas.

Vandens ekosistemos funkcionavimo ypatybė yra greitas organinių anglies formų perėjimas išilgai maisto grandinės iš vieno organizmo į kitą. Skirtingai nuo sausumos ekosistemų, vandenynas nesudaro didelių organinės anglies atsargų gyvų organizmų biomasėje. Didžioji dalis hidrosferoje esančios organinės anglies vėl sunaudojama ir galiausiai oksiduojama į mineralinę formą – anglies dioksidą (CO2). Kita dalis negyvų organinių medžiagų (detrito) veikiama gravitacijos nusėda į giliuosius vandens storymės sluoksnius ir nusėda dugne, kur organinių nuosėdų pavidalu gali išlikti ilgą laiką.

Nedidelė dalis organinės medžiagos ir joje esančios anglies, remiantis V.I. Vernadskis pabėga nuo ciklo ir „eina į geologiją“ - į nuosėdas durpių, anglies, naftos ir kalkakmenio pavidalu vandens ekosistemose.

Dabartinis anglies dioksido balansas atmosferoje pateiktas lentelėje. 10.1.

10.1 lentelė

Metinis CO 2 balansas atmosferoje

Šaltinis: Tarko A.M. Biosferos procesų stabilumas ir Le Chatelier principai // Rusijos mokslų akademijos pranešimai. 1995. T. 343. Nr. 3. P. 123.

Taigi iš maždaug 6,41 milijardo tonų anglies dvideginio, kurį kasmet išmeta pramonė, 3,3 milijardo tonų, t.y. daugiau nei 50% lieka atmosferoje. Per pastaruosius 150 metų tai jau lėmė anglies dioksido padidėjimą atmosferoje daugiau nei 25% ir paskatino šiltnamio efektą. Savo ruožtu Žemės klimato režimo pokyčiai gali lemti ir jau veda prie pasaulinio klimato kaitos.

Apskritai biosferoje nuolat cirkuliuoja apie 0,2 % mobilios anglies atsargų. Biomasės anglis atsinaujina per 12 metų, atmosferoje – per 8 metus, o tai patvirtina aukščiausią biogeocheminio anglies ciklo balansą.

Testo klausimai ir užduotys.

1. Kas yra biogeocheminiai ciklai ir kaip jie susiję su ekosistemomis?

2. Apibūdinkite rezervinį ir mainų fondą cheminių elementų cikle.

3. Nurodykite ekosistemų blokus, per kuriuos praeina biogeocheminiai elementų ciklai.

4. Kurių maistinių medžiagų cikle mikroorganizmai vaidina pagrindinį vaidmenį?

5. Kuriems elementams atmosfera yra rezervinis fondas?

GYVENTOJŲ EKOLOGIJA

Kiekviena gamtoje egzistuojanti biologinė rūšis yra sudėtingas intraspecifinių organizmų grupių, turinčių panašias struktūrines savybes, fiziologiją ir gyvenimo būdą, kompleksas. Populiacijos yra tokios tarprūšinės organizmų grupės.

Populiacija – tos pačios rūšies organizmų grupė, galinti ilgą laiką išlaikyti savo skaičių, užimanti tam tikrą erdvę ir funkcionuoti kaip ekosistemos biotinės bendruomenės dalis.

Biotinė bendruomenė – tai įvairių rūšių organizmų populiacijų visuma, funkcionuojanti kaip vientisa sistema tam tikroje fizinėje-geografinėje buveinės erdvėje.

Populiacijos prisitaikymo galimybės yra žymiai didesnės nei ją sudarančių individų. Populiacija kaip biologinis vienetas turi tam tikrą struktūrą ir funkcijas.

Gyventojai turi biologines savybes, būdingas tiek visai populiacijai, tiek ją sudarantiems organizmams, ir grupės savybės kurie atsiranda tik visoje grupėje. Biologinės populiacijos savybės visų pirma apima augimą ir dalyvavimą medžiagų cikle. Skirtingai nuo biologinių, grupės savybės: vaisingumas, mirtingumas, amžiaus struktūra, erdvinis pasiskirstymas, genetinis tinkamumas ir reprodukcinis tęstinumas (t.y. palikuonių palikimo tikimybė per ilgą laiką) gali apibūdinti tik visą populiaciją.

Žemiau pateikiami pagrindiniai gyventojų rodikliai.

Gyventojų tankumas yra gyventojų skaičius erdvės vienetui. Paprastai jis matuojamas ir išreiškiamas organizmų skaičiumi (populiacijos dydžiu) arba visa organizmų biomase (populiacijos biomase) ploto ar tūrio vienete, pavyzdžiui, 500 medžių 1 hektare, 5 milijonai mikrodumblių 1 m 3 vandens arba 200 kg žuvies 1 hektarui vandens paviršiaus .

Kartais svarbu atskirti specifinis, arba ekologinis tankis(skaičius arba biomasė, tenkanti gyvenamosios erdvės vienetui, t. y. faktiškai prieinama tam tikros populiacijos organizmams) ir vidutinis tankis(populiacijos dydis, tenkantis erdvės vienetui populiacijos buveinės geografinėse ribose). Pavyzdžiui, vidutinis miško varlių tankis yra jų skaičius, padalytas iš miško ploto. Tačiau šie gyvūnai gyvena tik miško pelkėse, į kurių plotus atsižvelgiama skaičiuojant specifinį populiacijos tankį.

Populiacijos tankumas nėra pastovi reikšmė – jis kinta laikui bėgant, priklausomai nuo gyvenimo sąlygų, metų sezono ir pan.. Organizmų pasiskirstymas populiacijos užimamoje erdvėje gali būti atsitiktinis, vienodas ir grupinis. Dažniausiai gamtoje yra įvairių rūšių tos pačios rūšies organizmų sankaupų (pasiskirstymas grupėje: gyvūnų grupės ir pulkai, augaluose grupiniai krūmynai).

Išsamiausią populiacijos tankumo vaizdą pateikia integruotas rodiklių naudojimas: individų skaičius gerai apibūdina jų vidutinį atstumą vienas nuo kito; biomasė – gyvosios medžiagos koncentracija; kalorijų kiekis – organizmuose surištos energijos kiekis. Paprastai augalų populiacijos tankis yra didesnis nei žolėdžių populiacijos tankis toje pačioje vietovėje. Kuo didesni organizmai, tuo didesnė jų biomasė.

Tankis yra viena iš svarbiausių populiacijos savybių. Nuo populiacijos tankio priklauso atskirų populiacijos organizmų kvėpavimas, mityba, dauginimasis ir daugelis kitų funkcijų. Per didelis populiacijos tankumas blogina jos egzistavimo sąlygas, mažina organizmų aprūpinimą maistu, vandeniu, gyvenamąja patalpa ir pan.. Populiacijos egzistavimą neigiamai veikia ir jos nepakankamas tankumas, todėl sunku atrinkti priešingos lyties individus. , apsaugoti gyventojus nuo plėšrūnų ir kt. (Daugiau apie masinius ir grupinius efektus žr. 6 paskaitoje).

Egzistuoja nemažai mechanizmų, padedančių palaikyti gyventojų tankumą norimame lygyje. Pagrindinis iš jų yra gyventojų skaičiaus savireguliavimas, pagrįstas grįžtamojo ryšio iš kiekio ir ribotų gyvybinių išteklių, ypač maisto, principu. Taigi, pritrūkus maisto, sulėtėja individų augimas, didėja mirtingumas, vėliau atsiranda lytinė branda (t.y. gebėjimas daugintis), dėl to mažėja populiacijos dydis ir jos tankis. Gyvenimo sąlygų gerėjimą lydi priešingo pobūdžio pokyčiai, o gyventojų tankumas didėja iki tam tikros ribos. Populiacijos dydis gali svyruoti dėl migracijos, kartų kaitos, naujų individų atsiradimo (dėl gimimo ir introdukacijos iš kitų populiacijų) arba dėl mirties. Populiacijos dinamikos tyrimas yra labai svarbus prognozuojant kenkėjų ar komercinių gyvūnų protrūkius.

Populiacijos dydį daugiausia lemia du priešingi reiškiniai - vaisingumas Ir mirtingumas.

Vaisingumas yra populiacijos galimybė didėti. Jis apibūdina naujų organizmų gimimą: gimimą gyvūnams, sėklų dygimą augaluose, naujų ląstelių susidarymą dėl dalijimosi mikroorganizmuose. Bendras naujų jaunų individų skaičius (), atsiradęs populiacijoje per laiko vienetą (Δt), vadinamas absoliutus (bendrasis) vaisingumas. Skirtingų populiacijų gimstamumui palyginti naudojama sąvoka specifinis gimstamumas b), išreikštas naujų individų skaičiumi vienam asmeniui per laiko vienetą:

Taigi žmonių populiacijoms kaip specifinio vaisingumo rodiklis naudojamas naujagimių, gimusių per 1 metus, skaičius 1 tūkstančiui gyventojų.

Maksimalus (potencialus) vaisingumas- tai teorinis maksimalus naujų individų atsiradimo greitis idealiomis sąlygomis (kai reprodukcijos greitis nemažėja veikiant ribojantiems aplinkos veiksniams). Didžiausias gimstamumas yra pastovi tam tikros populiacijos vertė. Realiomis (natūraliomis) populiacijos egzistavimo sąlygomis gimstamumą lemia įvairūs aplinkos veiksniai, ribojantys naujų individų atsiradimo greitį. Todėl populiacijos dinamikai įvertinti naudojama sąvoka ekologinis (realizuotas) vaisingumas, reiškiantis individų skaičiaus padidėjimą populiacijoje tam tikromis aplinkos sąlygomis. Ekologinis vaisingumas yra kintama vertė ir labai skiriasi priklausomai nuo gyventojų tankumo ir aplinkos sąlygų.

Skirtumą tarp maksimalaus ir realaus vaisingumo galima iliustruoti tokiu pavyzdžiu. Atliekant eksperimentus su miltiniais vabalais, šie vabalai padėjo 12 000 kiaušinėlių (maksimalus gimstamumas), iš kurių išsirito tik 773 lervos (arba 6%) – tai realaus gimstamumo reikšmė. Apskritai rūšims, kurios nesirūpina savo palikuonimis (pavyzdžiui, daugeliui vabzdžių, žuvų, varliagyvių), būdingas didelis potencialus vaisingumas ir mažas realizuotas vaisingumas.

Mirtingumas- per tam tikrą laikotarpį mirusių individų skaičius populiacijoje. Mirtingumo samprata yra priešinga vaisingumo sampratai. Vadinamas bendras mirusių individų skaičius (ΔN) per laiko vienetą (Δt). absoliutus (bendras) mirtingumas. Mirtingumas gali būti išreikštas kaip nužudytų individų skaičius per laiko vienetą vienam asmeniui - specifinis mirtingumas(d):

Ekologinis (realizuotas) mirtingumas – žuvusių individų skaičius konkrečiomis gamtinėmis sąlygomis. Kaip ir aplinkos derlingumas, jis nėra pastovus ir priklauso nuo aplinkos ypatybių. Teorinis minimalus mirtingumas- pastovi reikšmė, apibūdinanti individų mirtį (nuo senatvės) idealiomis aplinkos sąlygomis (t.y. nesant ribojančios aplinkos veiksnių įtakos). Esant specifinėms sąlygoms, populiacijos mažėjimo tempą lemia mirtis nuo plėšrūnų, gyvūnų ir senatvė.

Dažnai, aprašant populiacijos dinamiką, vartojama ši sąvoka išgyvenamumas, y., atvirkštinis mirtingumas. Jei mirtingumas d, tada išgyvenamumas yra 1 - d.

Taip pat vaisingumas, mirtingumas ir kt. Atitinkamai, daugelio organizmų išgyvenamumas labai skiriasi priklausomai nuo amžiaus. Šiuo atžvilgiu labai svarbu nustatyti specifinį mirtingumą skirtingoms amžiaus grupėms, nes tai leidžia ekologams išsiaiškinti mechanizmus, lemiančius bendrą populiacijos mirtingumą. Asmenų gyvenimo trukmė populiacijoje gali būti įvertinta naudojant išgyvenimo kreivės(11.1 pav.) Nubraižę individo amžių x ašyje procentais nuo bendros gyvenimo trukmės, o y ašyje – individų, išgyvenusių iki konkretaus amžiaus, skaičių, galime palyginti rūšių, kurių gyvavimo laikas, išlikimo kreives. prognozė labai skiriasi.

11.1 pav. Išgyvenimo kreivių tipai; 1 - Drosophila; 2 - asmuo; 3 - gėlavandenė hidra; 4 - austrė.

Išgyvenimo kreivės skirstomos į tris bendruosius tipus (žr. 11.1 pav.)

Pirmasis tipas (išgaubtos 1 ir 2 kreivės) būdingas toms populiacijos rūšims, kuriose didžiausias mirtingumas būna gyvenimo pabaigoje, t.y., beveik iki gyvenimo ciklo pabaigos mirtingumas išlieka mažas ir smarkiai padidėja tik senų individų. Daugumos tos pačios populiacijos individų gyvenimo trukmė yra maždaug vienoda, pavyzdžiui, dideli gyvūnai.

Kitas kraštutinumas (labai įgaubta 4 kreivė) atitinka didelį mirtingumą ankstyvosiose gyvenimo ciklo stadijose ir padidėjusį senesnių etapų išgyvenamumą. Šis mirtingumo tipas būdingas daugumai augalų ir gyvūnų. Didžiausias žūties greitis būdingas gyvūnų lervų vystymosi fazei arba jauname amžiuje, taip pat daugeliui augalų sėklų dygimo ir sodinukų stadijoje. Sulaukę pilnametystės, organizmai tampa atsparesni neigiamam aplinkos veiksnių poveikiui, žymiai sumažėja jų mirtingumas (padidėja išgyvenamumas). Taigi, kai žuvų lervos stadijos išsivysto iki suaugusiųjų lytiškai subrendusios būklės, iš visų išnerštų ikrų išgyvena ne daugiau kaip 1...2 %. Vabzdžių iki lytinės brandos išgyvena dar mažiau: nuo 0,3 iki 0,5% viso padėtų kiaušinių skaičiaus.

Tarpinis tipas (3 eilutė) apima išgyvenamumo kreives tų rūšių rūšims, kurių specifinis išgyvenamumas kiekvienai amžiaus grupei yra daugmaž vienodas (gėlavandenės hidra). Tikriausiai gamtoje beveik nėra populiacijų, kuriose išgyvenimas būtų pastovus per visą gyvavimo ciklą.

Išgyvenimo kreivės forma yra susijusi su palikuonių priežiūros laipsniu ir kitomis jauniklių apsaugos priemonėmis. Taigi bičių ir juodvarnių (kurių rūpinasi savo palikuonimis) išgyvenimo kreivės yra daug mažiau įdubusios nei amūrų ir sardinių (kurių nesirūpina savo palikuonimis).

Gyventojų amžiaus struktūra yra skirtingo amžiaus individų santykis populiacijoje.

Amžiaus sudėtis yra svarbi populiacijos savybė, kuri turi įtakos ir vaisingumui, ir mirtingumui. Daugumą gamtoje esančių populiacijų sudaro įvairaus amžiaus ir lyties asmenys.

Supaprastinus, populiacijoje galima išskirti tris ekologinio amžiaus grupes:

ikireprodukcinis- jauni asmenys, dar nesulaukę lytinės brandos, t. y. negalintys dalyvauti reprodukcijoje;

reprodukcinis- lytiškai subrendę asmenys, galintys dalyvauti reprodukcijoje;

poreprodukcinė- seni asmenys, praradę galimybę dalyvauti reprodukcijoje.

Šių amžių ir visos populiacijos gyvenimo trukmės santykis įvairiose rūšyse labai skiriasi. Įvairių amžiaus grupių populiacijos kiekybiniam santykiui įtakos turi bendra gyvenimo trukmė, laikas iki lytinės brandos, dauginimosi intensyvumas ir mirtingumas skirtingu amžiumi. Savo ruožtu skirtingų amžiaus grupių santykis populiacijoje lemia jos gebėjimą daugintis šiuo metu ir parodo, ko galima tikėtis ateityje. Pagrindinių amžiaus grupių skaičiaus santykio pokyčiai populiacijose grafiškai pavaizduoti amžiaus piramidžių pavidalu (11.2 pav.). Sparčiai augančioje populiacijoje didelę dalį sudaro jauni individai (11.2 pav., a) populiacijos, kurių skaičius laikui bėgant nekinta, amžiaus sudėtis vienodesnė (11.2 pav., b), o a. populiacijos, kurių skaičius mažėja, senų individų dalis padidės (11.2 pav., c).

Ryžiai. 11.2. Trys amžiaus piramidės, apibūdinančios populiacijas

su aukštu ( A), vidutinio sunkumo ( b) ir mažas ( V) santykinis gausumas

jauni asmenys (% visų gyventojų):

1 - ikireprodukcinis, 2 - reprodukcinis, 3 - poreprodukcinio amžiaus grupė

Populiacijos augimo ir augimo kreivės. Jei gimstamumas populiacijoje viršija mirtingumą, tada stebimas gyventojų skaičiaus didėjimas.

Kiekvienai populiacijai ir kiekvienai rūšiai kaip visumai būdinga biotinis potencialas- didžiausias teoriškai galimas augimo greitis ( r) gyventojų, tai yra skirtumas tarp specifinio gimstamumo ( b) ir specifinis mirtingumas ( d):

r = b-d.

Galima apibūdinti gyventojų skaičiaus padidėjimą augimo kreives du pagrindiniai tipai – J formos kreivė (eksponentinis augimas) ir S formos kreivė (nykstantis augimas).

Eksponentinis augimas populiacijos dydžiui būdinga J raidės augimo kreivė ir atsiranda, kai maisto erdviniai ir kiti svarbūs gyventojų gyvybės ištekliai yra pertekliniai, o mirtingumas didėjant individų skaičiui nedidėja (11.3 pav.).

J formos augimo kreivės lygtis yra

kur N yra populiacijos dydis; t – laikas; r yra populiacijos augimo greičio konstanta, susijusi su didžiausiu tam tikros rūšies individo dauginimosi greičiu (biotinis potencialas).

3.5 tema. SVARBIŲ CHEMINIŲ ELEMENTŲ BIOGEOCHEMINIAI CIKLAI:
ANGLYS, DEGUONIS, AZOTAS, SIERA, FOSFORAS, KALIS, KALCIS,
SILICIKAS, ALIUMINIS, GELEŽIS, MANGANAS IR Sunkieji metalai

Susipažinkime bent bendrai su tokių svarbių biosferai elementų kaip anglis, deguonis, azotas, siera, fosforas, kalis, kalcis, taip pat gamtoje labai paplitusių elementų, tokių kaip silicis, aliuminis ir geležis, biogeocheminiais ciklais. .

Biogeocheminis anglies ciklas.

Anglies kiekis Žemės atmosferoje yra 0,046% anglies dioksido ir 0,00012% metano pavidalu. Vidutinis jo kiekis žemės plutoje yra 0,35%, o gyvojoje medžiagoje - apie 18% (Vinogradov, 1964). Visas biosferos atsiradimo ir vystymosi procesas yra glaudžiai susijęs su anglimi, nes Būtent anglis yra mūsų planetos baltyminės gyvybės pagrindas, t.y. Anglis yra svarbiausias cheminis gyvosios medžiagos komponentas. Būtent šis cheminis elementas dėl gebėjimo sudaryti stiprius ryšius tarp savo atomų yra visų organinių junginių pagrindas.

Biogeninio dirvožemio sodrėjimo rodiklis žemės plutos atžvilgiu ir augalų dirvožemio atžvilgiu yra atitinkamai 100 ir 1000 anglies atžvilgiu (Kovda, 1985).

Pagrindinis anglies rezervuaras biosferoje, iš kurio šį elementą pasiskolina gyvi organizmai organinių medžiagų sintezei, yra atmosfera. Jame anglis daugiausia yra CO 2 dioksido pavidalu. Nedidelė atmosferos anglies dalis yra įtraukta į kitų dujų - CO ir įvairių angliavandenilių, daugiausia metano CH 4, sudėtį. Tačiau jie yra nestabilūs deguonies atmosferoje ir cheminiu būdu sąveikauja su tuo pačiu CO 2 susidarymu.

Anglį iš atmosferos sugeria autotrofiškai gaminantys organizmai (augalai, bakterijos, cianobiontai) fotosintezės proceso metu, ko pasekoje, remiantis sąveika su vandeniu, susidaro organiniai junginiai – angliavandeniai. Be to, dėl medžiagų apykaitos procesų, kuriuose dalyvauja medžiagos, tiekiamos su vandeniniais tirpalais, organizmuose sintetinamos sudėtingesnės organinės medžiagos. Jie naudojami ne tik augalų audinių formavimuisi, bet ir yra mitybos šaltinis organizmams, užimantiems kitas trofinės piramidės grandis – vartotojus. Taigi per trofines grandines anglis patenka į įvairių gyvūnų organizmus.

Anglis į aplinką grąžinama dviem būdais. Pirma, kvėpavimo procese. Kvėpavimo procesų esmė yra tai, kad organizmai naudoja oksidacines chemines reakcijas, kurios suteikia energijos fiziologiniams procesams. Oksiduojant organinius junginius, naudojant atmosferos arba vandenyje ištirpusį deguonį, suyra sudėtingi organiniai junginiai, susidaro CO 2 ir H 2 O. Dėl to CO 2 esanti anglis grąžinama į atmosferą, viena ciklo šaka uždaryta.

Antrasis anglies grąžinimo būdas yra organinių medžiagų skilimas. Biosferos sąlygomis šis procesas daugiausia vyksta deguonies aplinkoje, o galutiniai skilimo produktai yra tas pats CO 2 ir H 2 O. Tačiau didžioji anglies dioksido dalis nepatenka tiesiai į atmosferą. Skystant organinėms medžiagoms išsiskirianti anglis daugiausia lieka ištirpusi dirvožemyje, požeminiame ir paviršiniame vandenyje. Arba ištirpusio anglies dioksido pavidalu, arba kaip ištirpusių karbonatų junginių dalis – HCO 3 – arba CO 3 2- jonų pavidalu. Po ilgesnės ar ilgesnės migracijos jis iš dalies gali sugrįžti į atmosferą, tačiau didesnė ar mažesnė jo dalis visada nusėda karbonatinių druskų pavidalu ir surišama litosferoje.

Dalis atmosferos anglies iš atmosferos tiesiogiai patenka į hidrosferą, ištirpsta vandenyje. Daugiausia anglies dioksidas yra absorbuojamas iš atmosferos ir ištirpsta Pasaulio vandenyno vandenyse. Dalis anglies, vienaip ar kitaip ištirpusios žemės vandenyse, taip pat patenka čia. Jūros vandenyje ištirpusį CO 2 naudoja jūrų organizmai, kad sukurtų karbonatinį skeletą (kriaukles, koralų struktūras, dygiaodžių kriaukles ir kt.). Ji yra biogeninės kilmės karbonatinių uolienų sluoksnių dalis ir ilgesniam ar trumpesniam laikui „iškrenta“ iš biosferos ciklo.

Aplinkoje, kurioje nėra deguonies, organinės medžiagos skaidosi ir susidaro anglies dioksidas kaip galutinis produktas. Čia oksidacija vyksta dėl deguonies, pasiskolinto iš mineralinių medžiagų chemosintetinių bakterijų. Tačiau procesas tokiomis sąlygomis vyksta lėčiau, o organinės medžiagos paprastai skaidosi nepilnai. Dėl to nemaža dalis anglies lieka nepilnai suirusių organinių medžiagų sudėtyje ir kaupiasi žemės plutos storyje bituminiuose dumbluose, durpynuose, anglies.

Anglies saugyklos yra gyva biomasė, humusas, kalkakmenis ir kaustobiolitai. Natūralūs anglies dvideginio šaltiniai, be vulkaninių iškvėpimų, yra organinių medžiagų irimo procesai, gyvūnų ir augalų kvėpavimas, organinių medžiagų oksidacija dirvožemyje ir kitoje natūralioje aplinkoje. Technogeninio anglies dioksido kiekis siekia 20x10 9 tonas, tai vis dar yra daug mažiau nei natūralus jo išmetimas į atmosferą. Per milijardus metų nuo gyvybės atsiradimo Žemėje visa atmosferoje ir hidrosferoje esanti anglis ne kartą praėjo per gyvus organizmus. Vos per 304 metus gyvi organizmai sugeria tiek anglies, kiek yra atmosferoje. Vadinasi, vos per 4 metus atmosferos anglies sudėtis gali būti visiškai atnaujinta ir galima sąlyginai daryti prielaidą, kad atmosferos anglis per šį laikotarpį užbaigia savo ciklą. Apskaičiuota, kad dirvožemio humuso anglies ciklas yra 300–400 metų.

Anglies vaidmenį biosferoje aiškiai iliustruoja jos ciklo diagrama (3.5.1 pav.).

Ryžiai. 3.5.1. Biogeocheminio anglies ciklo diagrama

Ši diagrama aiškiai parodo, kad augalai, naudodami fotosintezės mechanizmą, veikia kaip deguonies gamintojai ir yra pagrindiniai anglies dioksido vartotojai.

Tačiau biologinis anglies ciklas nėra uždarytas. Tai labai svarbu, taip pat ir mums. Šis elementas dažnai ilgą laiką pašalinamas iš geocheminio ciklo karbonatinių uolienų, durpių, sapropelio, anglių ir humuso pavidalu. Taigi dalis anglies nuolat iškrenta iš biologinio ciklo, susijungdama litosferoje kaip įvairių uolienų dalis. Kodėl tada atmosferoje nėra anglies trūkumo? Priežastis ta, kad jo praradimą kompensuoja nuolatinis CO 2 srautas į atmosferą dėl vulkaninės veiklos. Tai yra, gilus anglies dioksidas ir anglies monoksidas nuolat patenka į atmosferą. Tai leidžia išlaikyti anglies balansą mūsų planetos biosferoje.

Žmonių ekonominė veikla sustiprina biologinį anglies ciklą ir gali padėti padidinti pirminį, taigi, ir antrinį produktyvumą. Tačiau toliau intensyvėjant technogeniniams procesams gali padidėti anglies dioksido koncentracija atmosferoje. Padidėjus anglies dioksido koncentracijai iki 0,07%, žmonių ir gyvūnų kvėpavimo sąlygos smarkiai pablogėja. Skaičiavimai rodo, kad jei bus išlaikytas dabartinis iškastinio kuro gavybos ir naudojimo lygis, tokiai anglies dioksido koncentracijai Žemės atmosferoje pasiekti prireiks kiek daugiau nei 200 metų. Kai kuriuose dideliuose miestuose ši grėsmė jau gana reali.

Biogeocheminis deguonies ciklas

Kaip prisimenate, deguonis yra labiausiai paplitęs ne tik žemės plutos (jos klarkas yra 47), bet ir hidrosferos (85,7%), taip pat gyvosios medžiagos (70%) elementas. Šis elementas taip pat vaidina svarbų vaidmenį atmosferos sudėtyje (daugiau nei 20%). Dėl išskirtinai didelio cheminio aktyvumo deguonis atlieka ypač svarbų vaidmenį biosferoje. Jis nustato tirpalų ir lydalo redokso ir šarminių rūgščių sąlygas. Jai būdingos ir joninės, ir nejoninės migracijos tirpaluose formos.

Geocheminių procesų evoliuciją Žemėje lydi nuolatinis deguonies kiekio didėjimas. Šiuo metu atmosferoje deguonies kiekis yra 1,2 x 10 15 tonų. Žaliųjų augalų deguonies gamybos mastai yra tokie, kad per 4000 metų šis kiekis galėtų padvigubėti. Bet taip neatsitinka, nes per metus suyra maždaug tiek pat organinių medžiagų, kurios susidaro dėl fotosintezės. Tokiu atveju absorbuojamas beveik visas išleistas deguonis. Bet dėl ​​biogeocheminio ciklo atvirumo dėl to, kad dalis organinių medžiagų išsaugoma ir laisvas deguonis palaipsniui kaupiasi atmosferoje.

Pagrindinis deguonies gamybos „fabrikas“ mūsų planetoje yra žalieji augalai, nors žemės plutoje vyksta ir įvairios cheminės reakcijos, dėl kurių išsiskiria laisvas deguonis.

Kitas laisvojo deguonies migracijos ciklas yra susijęs su masės mainais natūralioje vandens – troposferos sistemoje. Vandenyno vandenyje yra nuo 3x10 9 iki 10x10 9 m 3 ištirpusio deguonies. Aukštose platumose esantis šaltas vanduo sugeria deguonį, o su vandenyno srovėmis keliaujant į tropikus išskiria jį į atmosferą. Deguonies įsisavinimas ir išsiskyrimas taip pat vyksta keičiantis metų laikams, kartu keičiantis vandens temperatūrai.

Deguonis sunaudojamas daugybei oksidacinių reakcijų, kurių dauguma yra biocheminės. Šios reakcijos išskiria fotosintezės metu sugertą energiją. Dirvožemyje, dumbluose ir vandeninguose sluoksniuose vystosi mikroorganizmai, kurie naudoja deguonį organiniams junginiams oksiduoti. Deguonies atsargos mūsų planetoje yra milžiniškos. Jis yra mineralų kristalinių gardelių dalis ir iš jų išsiskiria gyva medžiaga.

Taigi bendra deguonies ciklo schema biosferoje susideda iš dviejų šakų:

• laisvo deguonies susidarymas fotosintezės metu;
• deguonies absorbcija oksidacinėse reakcijose

J. Walker (1980) skaičiavimais, pasaulio sausumos augmenija išskiria 150x10 15 tonų deguonies per metus; fotosintetinių organizmų išskyrimas iš vandenyno - 120x10 15 tonų per metus; absorbcija aerobinio kvėpavimo procesuose – 2 10 x 10 15 tonų per metus; biologinė nitrifikacija ir kiti organinių medžiagų irimo procesai - 70x10 15 tonų per metus.

Biogeocheminiame cikle galima išskirti deguonies srautus tarp atskirų biosferos komponentų (3.5.2 pav.).

Ryžiai. 3.5.2. Biogeocheminio deguonies ciklo schema

Šiuolaikinėmis sąlygomis biosferoje nusistovėjusius deguonies srautus sutrikdo technogeninės migracijos. Daugelis pramonės įmonių į natūralius vandenis išleidžiamų cheminių junginių suriša vandenyje ištirpusį deguonį. Į atmosferą išmetama vis daugiau anglies dioksido ir įvairių aerozolių. Dirvožemio tarša ir ypač miškų naikinimas, taip pat žemės dykumėjimas dideliuose plotuose mažina sausumos augalų deguonies gamybą. Deginant kurą sunaudojamas didžiulis atmosferos deguonies kiekis. Kai kuriose pramoninėse šalyse sudeginama daugiau deguonies, nei pagaminama fotosintezės metu.

Biogeocheminis vandenilio ciklas

Laisvas vandenilis yra nestabilus žemės plutoje. Jis greitai susijungia su deguonimi, sudarydamas vandenį, taip pat dalyvauja kitose reakcijose. Be to, dėl savo nereikšmingos atominės masės jis gali išgaruoti į erdvę (išsisklaidyti). Nemažai vandenilio pasiekia Žemės paviršių ugnikalnio išsiveržimų metu. Vandenilio dujos nuolat susidaro vykstant tam tikroms cheminėms reakcijoms, taip pat gyvuojant bakterijoms, kurios skaido organines medžiagas anaerobinėmis sąlygomis.

Organizmai fiksuoja vandenilį planetos biosferoje, surišdami jį ne tik organinėse medžiagose, bet ir dalyvaudami vandenilio fiksavime dirvožemio mineralinėje medžiagoje. Tai tampa įmanoma dėl rūgščių medžiagų apykaitos produktų disociacijos su H+ jonų išsiskyrimu. Pastarasis, kaip taisyklė, per vandenilinę jungtį sudaro hidronio joną (H3O+) su vandens molekule. Kai hidronio jonus sugeria kai kurie silikatai, jie virsta molio mineralais. Taigi, kaip pabrėžė V. V. Dobrovolskio teigimu, rūgščių medžiagų apykaitos produktų gamybos intensyvumas yra svarbus veiksnys kristalinių uolienų hipergeninei transformacijai ir atmosferos plutos susidarymui.

Iš ciklinių procesų Žemės paviršiuje, kuriuose dalyvauja vandenilis, vienas galingiausių yra vandens ciklas: per atmosferą kasmet praeina daugiau nei 520 tūkstančių kubinių metrų drėgmės. Sukurti pasaulio žemės masės fitomasę, kuri egzistavo iki žmogaus įsikišimo, pasak V.V. Dobrovolsky (1998) buvo padalinta maždaug 1,8x1012 tonų vandens ir atitinkamai surišta 0,3x1012 tonų vandenilio.

Vandens ciklo metu biosferoje atsiskiria vandenilio ir deguonies izotopai. Garinimo metu vandens garai prisodrinami šviesiais izotopais, todėl atmosferos krituliai, paviršiniai ir gruntiniai vandenys taip pat praturtėja šviesiais izotopais, lyginant su vandenynų vandenimis, kurių izotopinė sudėtis yra stabili.

Biogeocheminis azoto ciklas

Azotas ir jo junginiai atlieka tokį pat svarbų ir nepakeičiamą vaidmenį biosferos gyvenime kaip ir anglis. Azoto biofiliškumas yra panašus į anglies biofiliškumą. Dirvožemio biogeninio praturtėjimo rodiklis žemės plutos atžvilgiu, o augalų – dirvožemio atžvilgiu yra atitinkamai 1000 ir 10000 azoto (Kovda, 1985).

Pagrindinis azoto rezervuaras biosferoje taip pat yra oro apvalkalas. Apie 80% visų azoto atsargų yra susitelkę planetos atmosferoje, o tai susiję su denitrifikacijos metu susidarančių azoto junginių biogeocheminių srautų kryptimi. Pagrindinė azoto forma atmosferoje yra molekulinė - N 2. Kaip nedidelės priemaišos atmosferoje yra įvairių azoto oksidų junginių NOx, taip pat amoniako NH3. Pastarasis yra nestabiliausias žemės atmosferos sąlygomis ir lengvai oksiduojamas. Tuo pačiu metu redokso potencialo vertės atmosferoje nepakanka stabiliam azoto oksidinių formų egzistavimui, todėl jo laisvoji molekulinė forma yra pagrindinė.

Pirminis azotas atmosferoje tikriausiai atsirado dėl degazavimo procesų viršutinėje mantijos dalyje ir iš vulkaninių eksudatų. Fotocheminės reakcijos aukštuose atmosferos sluoksniuose lemia azoto junginių susidarymą ir pastebimą jų patekimą į sausumą ir vandenyną su krituliais (3-8 kg/ha amonio azoto per metus ir 1,5-6 kg/ha nitratinio azoto). . Šis azotas taip pat įtraukiamas į bendrą biogeocheminį ištirpusių junginių srautą, migruojantį su vandens masėmis ir dalyvauja dirvožemio formavimo procesuose bei augalų biomasės formavime.

Skirtingai nuo anglies, atmosferos azoto negali tiesiogiai panaudoti aukštesni augalai. Todėl fiksuojantys organizmai atlieka pagrindinį vaidmenį biologiniame azoto cikle. Tai yra kelių skirtingų grupių mikroorganizmai, kurie tiesioginio fiksavimo būdu gali tiesiogiai išgauti azotą iš atmosferos ir galiausiai jį užfiksuoti dirvožemyje. Jie apima:

• kai kurios laisvai gyvenančios dirvožemio bakterijos;
• simbiotinio mazgelio bakterijos (yra simbiozėje su ankštiniais augalais);
• cianobiontai, kurie taip pat yra grybų, samanų, paparčių, o kartais ir aukštesnių augalų simbiontai.

Dėl azotą fiksuojančių organizmų veiklos jis jungiasi dirvožemyje nitritų pavidalu (junginiai NH 3 pagrindu).

Nitrito azoto junginiai gali migruoti vandeniniuose tirpaluose. Tuo pačiu metu jie oksiduojami ir paverčiami nitratais - azoto rūgšties HNO 3 druskomis. Šioje formoje azoto junginius gali efektyviai įsisavinti aukštesni augalai ir panaudoti baltymų molekulėms, pagrįstoms peptidinėmis C-N jungtimis, sintezei. Be to, per trofines grandines azotas patenka į gyvūnų organizmus. Jis grįžta į aplinką (vandeniniuose tirpaluose ir dirvožemyje) gyvūnų išskyrimo ar organinių medžiagų irimo procesuose.

Laisvo azoto grąžinimas į atmosferą, taip pat jo išgavimas vyksta dėl mikrobiologinių procesų. Ši ciklo grandis veikia dėl dirvožemį denitrifikuojančių bakterijų, kurios vėl paverčia azotą į molekulinę formą, veiklos.

Litosferoje, kaip nuosėdų nuosėdų dalis, yra surišta labai maža azoto dalis. Taip yra dėl to, kad mineraliniai azoto junginiai, skirtingai nei karbonatai, yra labai tirpūs. Tam tikro azoto kiekio praradimą iš biologinio ciklo taip pat kompensuoja vulkaniniai procesai. Vulkaninio aktyvumo dėka į atmosferą patenka įvairūs dujiniai azoto junginiai, kurie Žemės geografinio apvalkalo sąlygomis neišvengiamai virsta laisva molekuline forma.

Taigi pagrindines specifines azoto ciklo biosferoje ypatybes galima laikyti tokiais:

• vyraujanti koncentracija atmosferoje, kuri atlieka išskirtinį rezervuaro, iš kurio gyvi organizmai semiasi jiems reikalingas azoto atsargas, vaidmenį;
• vadovaujantį vaidmenį dirvožemių azoto cikle ir ypač dirvožemio mikroorganizmams, kurių veikla užtikrina azoto perėjimą biosferoje iš vienos formos į kitą (3.5.3 pav.).

Ryžiai. 3.5.3. Biogeocheminio azoto ciklo schema

Todėl biosferoje yra didžiulis azoto kiekis surištoje formoje: dirvožemio dangos organinėse medžiagose (1,5x10 11 t), augalų biomasėje (1,1x10 9 t), gyvūnų biomasėje (6,1x10 7 t). Azoto dideliais kiekiais randama ir kai kuriuose biogeniniuose mineraluose (druska).

Kartu yra ir paradoksas – esant didžiuliam azoto kiekiui atmosferoje dėl itin didelio azoto rūgšties druskų ir amonio druskų tirpumo, dirvožemyje yra mažai azoto ir beveik visada jo nepakanka augalams maitinti. Todėl kultūrinių augalų poreikis azoto trąšoms visada yra didelis. Todėl, įvairiais skaičiavimais, kasmet į dirvą mineralinių trąšų pavidalu įterpiama nuo 30 iki 35 mln. tonų azoto. Taigi, azoto trąšos sudaro 30 % visų į žemę ir vandenynus patenkančio azoto kiekio. Tai dažnai sukelia didelę aplinkos taršą ir sunkias žmonių bei gyvūnų ligas. Ypač dideli azoto nitratinių formų nuostoliai, nes jis nėra absorbuojamas dirvožemyje, lengvai išplaunamas natūralių vandenų, virsta dujinėmis formomis, o iki 20-40% jo netenka augalų mitybai. Reikšmingas azoto ciklo sutrikimas – nuolat didėjantis gyvulinės kilmės atliekų, pramoninių atliekų ir nuotekų kiekis iš didžiųjų miestų, amonio ir azoto oksidų išmetimas į atmosferą deginant anglį, naftą, mazutą ir kt. Azoto oksidų prasiskverbimas į stratosferą (viršgarsinių orlaivių išmetamosios dujos, raketos, branduoliniai sprogimai) yra pavojingas, nes tai gali sukelti ozono sluoksnio sunaikinimą. Visa tai natūraliai veikia biogeocheminį azoto ciklą.

Biogeocheminis sieros ciklas

Siera taip pat yra vienas iš elementų, kuris atlieka itin svarbų vaidmenį medžiagų cikle biosferoje. Tai vienas iš gyviems organizmams būtiniausių cheminių elementų. Visų pirma, tai yra aminorūgščių sudedamoji dalis. Jis iš anksto nulemia svarbius gyvos ląstelės biocheminius procesus ir yra nepakeičiamas augalų mitybos ir mikrofloros komponentas. Sieros junginiai dalyvauja formuojant dirvožemio cheminę sudėtį ir dideliais kiekiais yra požeminiame vandenyje, o tai atlieka lemiamą vaidmenį dirvožemio druskėjimo procesuose.

Sieros kiekis žemės plutoje yra 4,7x10-2%, dirvožemyje - 8,5x10-2%, vandenyne - 8,8x10-2% (Vinogradov, 1962). Tačiau druskinguose dirvožemiuose sieros kiekis gali siekti vertes, išmatuotas visais procentais. Taigi pagrindinis rezervuaras, iš kurio jį semia gyvi organizmai, yra litosfera. Taip yra dėl to, kad šiuolaikinės Žemės atmosferos sąlygomis, kuriose yra laisvo deguonies ir H 2 O garų, stabilus sieros junginių egzistavimas yra neįmanomas. Vandenilio sulfidas (H 2 S) oksiduojasi deguonies aplinkoje, o sieros deguonies junginiai, reaguodami su H 2 O, sudaro sieros rūgštį H 2 SO 4, kuri iškrenta ant Žemės paviršiaus kaip rūgštinio lietaus dalis. Todėl sieros oksidus SOx, nors augalai gali juos absorbuoti tiesiai iš atmosferos, šis procesas sieros cikle nevaidina reikšmingo vaidmens.

Siera turi keletą izotopų, iš kurių natūraliuose junginiuose dažniausiai yra S 32 (>95 %) ir S 34 (4,18 %). Dėl biologinių ir biogeocheminių procesų šių izotopų santykis kinta link lengvesniojo izotopų kiekio padidėjimo viršutiniuose dirvožemių humusinguose horizontuose.

Požeminių, dirvožemio-požeminio vandens ir vandenyje tirpių sulfatų sieros izotopų sudėtis iš sulfato-sodos solončakų C horizonto yra panaši.

Žemės plutoje sieros junginiai daugiausia yra dviejų mineralinių formų: sulfido (hidrosulfido rūgšties druskos) ir sulfato (sieros rūgšties druskos). Natūrali siera yra reta, ji yra nestabili ir, priklausomai nuo aplinkos redokso potencialo, gali sudaryti deguonies arba vandenilio junginius.

Pirminė, giliai įsišaknijusi mineralinė sieros forma žemės plutoje yra sulfidas. Sulfidiniai junginiai biosferos sąlygomis praktiškai netirpūs, todėl sulfidinės sieros augalai neįsisavina. Tačiau tuo pačiu metu sulfidai yra nestabilūs deguonies aplinkoje. Todėl sulfidai žemės paviršiuje, kaip taisyklė, yra oksiduojami, todėl siera yra įtraukta į sulfatų junginių sudėtį. Sulfatinės druskos yra gana gerai tirpios, o siera geografiniame apvalkale aktyviai migruoja vandeniniuose tirpaluose kaip sulfato jono SO 4 2- dalis.

Būtent šioje sulfato formoje sierą vandeniniuose tirpaluose efektyviai absorbuoja augalai, o vėliau ir gyvūnų organizmai. Asimiliaciją palengvina tai, kad sulfatiniai sieros junginiai geba kauptis dirvožemyje, dalyvaudami mainų sorbcijos procesuose ir būdami dirvožemio sugėrimo komplekso (SAC) dalimi.

Organinių medžiagų skilimas deguonies aplinkoje sukelia sieros sugrįžimą į dirvožemį ir natūralius vandenis. Sulfatinė siera migruoja vandeniniuose tirpaluose ir vėl gali būti naudojama augalų. Jei skilimas vyksta aplinkoje, kurioje nėra deguonies, pagrindinis vaidmuo tenka sieros bakterijų veiklai, kurios redukuoja SO 4 2- į H 2 S. Vandenilio sulfidas patenka į atmosferą, kur oksiduojamas ir grąžinamas kitiems komponentams. biosferos sulfato pavidalu. Redukuojančioje aplinkoje dalis sieros gali būti surišta į sulfidinius junginius, kurie, atstačius deguonies prieigą, vėl oksiduojasi ir virsta sulfato pavidalu.

Sieros biogeocheminis ciklas susideda iš 4 etapų (3.5.4 pav.):

1. gyvų organizmų (augalų ir bakterijų) asimiliacija sieros junginiais ir sieros įtraukimas į baltymus ir aminorūgštis.
2. Organinės sieros gyvų organizmų (gyvūnų ir bakterijų) pavertimas galutiniu produktu – vandenilio sulfidu.
3. Mineralinės sieros oksidacija gyvų organizmų (sieros bakterijų, tioninių bakterijų) sulfatų redukcijos procese. Šiame etape vyksta sieros vandenilio, elementinės sieros ir jos tio- ir tetra-junginių oksidacija.
4. Mineralinės sieros redukavimas gyvais organizmais (bakterijomis) desulfifikacijos procese iki vandenilio sulfido. Taigi, svarbiausia viso biogeocheminio sieros ciklo grandis biosferoje yra biogeninis sieros vandenilio susidarymas.

Ryžiai. 3.5.4. Sieros biogeocheminio ciklo schema

Sieros pašalinimas iš biosferos ciklo vyksta dėl sulfatų nuosėdų (daugiausia gipso) kaupimosi, kurių sluoksniai ir lęšiai tampa litosferos komponentais. Nuostoliai pirmiausia kompensuojami vulkanizmo procesuose (H 2 S ir SO x patekimas į atmosferą, o iš ten su krituliais į Žemės paviršių). Antra, dėl terminių vandenų, su kuriais sulfidiniai junginiai patenka į viršutinius žemės plutos horizontus ir Pasaulio vandenyno dugną, veiklos rezultatas.

Taigi, būdingi sieros ciklo bruožai apima antrinį atmosferos migracijos procesų vaidmenį, taip pat atsiradimo formų įvairovę dėl jo perėjimo iš sulfidinių formų į sulfatus ir atvirkščiai, priklausomai nuo redokso sąlygų pokyčių.

Pramoniniai procesai į atmosferą išskiria didelius kiekius sieros. Kai kuriais atvejais didelė sieros junginių koncentracija ore sukelia aplinkos trikdžius, įskaitant rūgštų lietų. Sieros dioksido buvimas ore neigiamai veikia tiek aukštesniuosius augalus, tiek kerpes, o epifitinės kerpės gali būti padidėjusio sieros kiekio ore rodikliai. Kerpės visu taliu sugeria drėgmę iš atmosferos, todėl sieros koncentracija jose greitai pasiekia didžiausią leistiną lygį, o tai lemia organizmų mirtį.

Sieros patekimas į bendrą ciklą pagal J. P. Draugą (1976) yra toks:

Žemės plutos degazavimo metu - 12x10 12 g/metus; dūlėjant nuosėdinėms uolienoms – 42x10 12 g/metus; antropogeninės sąnaudos sieros dioksido pavidalu yra 65x1012 g per metus, o tai iš viso sudaro 119x1012 g per metus. Dideli sieros kiekiai kasmet išsaugomi sulfidų ir sulfatų pavidalu – 100x10 12 g/metus ir tokiu būdu laikinai pašalinami iš bendro biogeocheminio ciklo.

Taigi antropogeninis sieros patekimas į biosferą reikšmingai pakeičia šio elemento ciklą, o sieros patekimas į biosferą viršija jos suvartojimą, ko pasekoje turėtų įvykti laipsniškas jos kaupimasis.

Fosforo biogeocheminis ciklas.

Fosforo ciklas gamtoje labai skiriasi nuo anglies, deguonies, azoto ir sieros biogeocheminių ciklų, nes fosforo junginių dujinė forma (pvz., PH 3) praktiškai nedalyvauja fosforo biogeocheminiame cikle. Tai reiškia, kad fosforas apskritai negali kauptis atmosferoje. Todėl fosforo „rezervuaro“, iš kurio šis elementas išgaunamas ir naudojamas biologiniame cikle, taip pat sierai, vaidmenį atlieka litosfera.

Fosforas litosferoje yra fosfatų junginių (fosforo rūgšties druskų) pavidalu. Pagrindinė jų dalis yra kalcio fosfatas - apatitas. Tai poligeninis mineralas, susidarantis įvairiuose natūraliuose procesuose – tiek giluminiuose, tiek supergeniniuose (taip pat ir biogeniniuose). Fosfato junginiai gali ištirpti vandenyje, o PO 4 3- jone esantis fosforas gali migruoti vandeniniuose tirpaluose. Iš jų fosforą pasisavina augalai.

Biogeninio dirvožemio praturtėjimo rodiklis žemės plutos atžvilgiu, o augalų – dirvožemio atžvilgiu – atitinkamai fosforo, taip pat azoto – 1000 ir 10 000 (Kovda, 1985). Augalams labiausiai prieinamas fosforas yra iš nespecifinių organinių junginių ir humuso, o būtent šis fosforas atlieka pagrindinį vaidmenį mažajame (vietiniame) biologiniame fosforo cikle.

Gyvūnai yra dar didesni fosforo koncentratoriai nei augalai. Daugelis jų kaupia fosforą smegenų, skeleto ir kriauklių audiniuose.Egzistuoja keli būdai, kaip fosforą pasisavinti vartotojų organizmai. Pirma, tiesioginis augalų pasisavinimas mitybos metu. Antra, vandens filtrais mintantys organizmai iš organinių suspensijų išgauna fosforą. Trečia, organinius fosforo junginius absorbuoja dumblą mintantys organizmai, kai jie apdoroja biogeninį dumblą.

Fosforas grįžta į aplinką skaidant organines medžiagas. Tačiau šis sugrįžimas toli gražu nėra baigtas. Apskritai fosforo junginiams būdinga tendencija, kad jie vandeninių tirpalų ir suspensijų pavidalu patenka į galutinius tėkmės rezervuarus, daugiausia į Pasaulio vandenyną, kur kaupiasi įvairios kilmės nuosėdinėse nuosėdose. Ši fosforo dalis gali grįžti į egzogeninį ciklą tik dėl šimtus milijonų metų besitęsiančių tektoninių procesų. Natūraliomis sąlygomis pusiausvyros palaikymą užtikrina gana silpnas fosforo junginių judrumas, dėl kurio augalų išgaunamas fosforas iš dirvožemio dažniausiai grįžta į ją, skaidant organines medžiagas. Fosforas gana lengvai fiksuojamas dirvožemyje ir uolienose. Fosforo fiksatoriai – tai geležies, mangano, aliuminio, molio mineralų hidroksidai (ypač kaolinito grupės mineralai). Tačiau fiksuotas fosforas gali būti 40-50% desorbuotas ir panaudotas augalų. Šis procesas priklauso nuo pH ir Eh aplinkos sąlygų. Padidėjęs rūgštingumas ir anglies rūgšties susidarymas prisideda prie fosforo desorbcijos ir padidėjusios fosforo junginių migracijos.

Redukuojančioje aplinkoje susidaro fosforo junginiai su dvivale geležimi, kurie taip pat prisideda prie fosforo pašalinimo iš dirvožemio.

Fosforo migracija galima ir dėl vandens ir vėjo erozijos. Todėl fosforo biogeocheminis ciklas yra daug mažiau uždaras ir mažiau grįžtamas nei anglies ir azoto ciklai, o aplinkos tarša fosforu yra ypač pavojinga (3.5.5 pav.).

Ryžiai. 3.5.5. Fosforo biogeocheminio ciklo schema

Pagrindinės fosforo ciklo ypatybės yra šios:

• atmosferos transporto trūkumas;
• vieno šaltinio - litosferos - buvimas;
• polinkis nuotėkiams kauptis terminaliniuose rezervuaruose.

Intensyviai žemės ūkio būdu eksploatuojant žemę, fosforo nuostoliai kraštovaizdyje tampa beveik negrįžtami. Kompensuoti galima tik naudojant fosforo trąšas. Yra žinoma, kad fosforo trąšos yra svarbi ir būtina grandis norint gauti didelį žemės ūkio augalų derlių. Tačiau visos žinomos fosfatų telkinių atsargos yra ribotos ir, remiantis mokslininkų prognozėmis, per artimiausius 75–100 metų jos gali būti išeikvotos. Tuo pat metu kenksmingi fosfato junginiai pastaruoju metu tapo vienu svarbiausių upių ir ežerų vandenų taršos veiksnių.

Taigi pastaruoju metu bendras fosforo migracijos pasiskirstymo biosferoje vaizdas buvo smarkiai sutrikdytas žmonių. Štai šio reiškinio komponentai: pirma, fosforo mobilizavimas iš žemės ūkio rūdų ir šlakų, fosforo trąšų gamyba ir naudojimas, antra, fosforo turinčių preparatų gamyba ir naudojimas kasdieniame gyvenime; trečia, fosforo turinčių maisto ir pašarų išteklių gamyba, jų eksportas ir vartojimas gyventojų koncentracijos vietovėse; ketvirta, žvejybos plėtra, jūros vėžiagyvių ir dumblių gavyba, o tai reiškia fosforo perskirstymą iš vandenyno į sausumą. Dėl to stebimas žemės fosfatizacijos procesas, tačiau šis procesas pasireiškia itin netolygiai. Fosforo kiekis didžiųjų miestų aplinkoje didėja. Priešingai, šalys, kurios aktyviai eksportuoja ekologiškus produktus ir nenaudoja fosforo trąšų, praranda fosforo atsargas savo dirvožemyje.

Kalio ir natrio biogeocheminiai ciklai

Kalio Clarke žemės plutoje yra 2,89, o natrio - 2,46, ty jų santykinis kiekis yra labai artimas.

Kalis susideda iš 3 izotopų mišinio: 39 K – 93,08 %; 40 K -0,0119%; 41 K – 6,91 %. 40K izotopas yra nestabilus ir virsta kaimyniniais kalcio ir argono izobarais.

Kalio pavertimas argonu buvo branduolinės geochronologijos kalio-argono metodo kūrimo pagrindas.

Kalio, kaip nelyginio elemento, kosminė gausa yra nedidelė, palyginti su lygiu kalciu ir deguonimi. Pagal dydį kalio jonas yra didžiausias tarp kitų pagrindinių katijonų litosferoje. Todėl kalio tūrinis klarkas žemės plutoje užima antrą vietą po deguonies.

Kalis yra chemiškai aktyvus metalas ir jo natūralioje būsenoje nėra. Visuose cheminiuose junginiuose Žemėje jis veikia kaip monovalentinis metalas. Metalinis kalis „dega“ ore, greitai oksiduodamasis iki K 2 O. Mineralinių rūšių skaičius 115 (tris kartus mažiau nei kalcio ir perpus mažiau nei natrio) Svarbiausi mineralai: halogenai - silvitas, karnalitas, nitratai - K - salietra, silikatai – K-lauko špatai (ortoklazas, mikroklinas), flogopitas, muskovitas, biotitas, glaukonitas, leucitas. Kalio cheminės savybės yra artimos natriui, o tai lemia jų bendrą migraciją. Tačiau jų elgesys hipergenezės zonoje ir visoje biosferoje smarkiai skiriasi. Didžioji dalis kalio silikatų supergeninės transformacijos metu lieka antrinių molio mineralų sudėtyje, todėl kalis daug tvirčiau išlaikomas pasaulio sausumos masėje nei natris ir, kaip matysime vėliau, kalcis. Ir vis dėlto dalinis kalio jonų išsiskyrimas vyksta hipergenezės procesuose ir aktyviai dalyvauja biogeocheminiame cikle.

Taip yra dėl to, kad kalis vaidina labai svarbų vaidmenį gyvų organizmų gyvenime. Drėgno klimato sąlygomis, kai oras yra kalio turinčių mineralų, kalis lengvai išplaunamas ir pernešamas vandeniniais tirpalais. Tačiau kalis iš atmosferos plutos pašalinamas ne taip intensyviai nei kalcio ir natrio. Taip yra dėl to, kad didelius kalio jonus labiau sugeria smulkiai išsisklaidę mineralai. Jau seniai žinoma, kad kai kurie koloidai (pavyzdžiui, geležies ir aliuminio hidroksidai) kalio jonus lengviau sorbuoja nei natrio jonus. Katijonų mainų reakcijos su molio mineralais taip pat skatina kalio fiksaciją. Dirvožemyje taip pat vyksta mainai tarp kalio ir hidronio jonų, kurių jonų dydžiai yra panašūs. Tokiu būdu kalį galima fiksuoti hidromikuose, kaolinite ir montmorilonite. Kalio, daugiau nei natrio, absorbuojamas sausumos augalija.

Todėl didžioji dalis kalio lieka dirvožemyje, o didžioji dalis natrio patenka į vandenyną. Žemynų nuotėkiuose natrio yra beveik 2,5 karto daugiau nei kalio.

Kalis yra būtinas gyvų organizmų elementas. Juose yra nuo 0,1 iki 0,01% kalio. Kultūrinių augalų pelenuose yra iki 25-60 % K 2 O. Kai kurie organizmai sugeba sukoncentruoti kalį dideliais kiekiais. Taigi kai kuriuose dumbliuose kalio kiekis siekia 3% gyvojo svorio. Sausumos augalai kalį pasisavina iš dirvožemio. Trūkstant kalio, lapai nublanksta ir miršta, o sėklos praranda gyvybingumą. Kalis lengvai prasiskverbia į organizmų ląsteles ir padidina jų pralaidumą įvairioms medžiagoms. Jis turi reikšmingos įtakos medžiagų apykaitai ir yra būtinas augalams fotosintezei, be to, kalis pagerina vandens patekimą į augalų ląsteles ir sumažina garavimo procesą, taip padidindamas augalų atsparumą sausrai. Esant kalio trūkumui ar pertekliui, fotosintezės greitis mažėja, o kvėpavimas padažnėja. Dėl kalio trūkumo dirvožemyje labai sumažėja augalų produktyvumas.

Štai kodėl kalio klarko kiekis gyvosiose medžiagose yra toks pat didelis kaip azoto. Kai kurie jūros dumbliai sukaupia ypač daug kalio (iki 5%).

Apie 1,8x109 tonos kalio kasmet dalyvauja biologiniame cikle žemėje (Dobrovolsky, 1998). Iš biologinio ciklo sistemos sausumoje išsiskirianti kalio masė iš dalies sulaikoma negyvoje organinėje medžiagoje ir sorbuojama dirvožemio mineralinių medžiagų (molio mineralų), iš dalies dalyvauja vandens migracijoje.

Šiuo metu negyvoje pedosferos organinėje medžiagoje surišto kalio kiekis, įvairių autorių duomenimis, yra nuo 3x109 iki 6x109 tonų. Kasmet su kontinentiniu vandens nuotėkiu į vandenyną patenka daugiau nei 61x106 tonos kalio ištirpusio (laisvųjų jonų pavidalu) ir 283x106 tonos kalio suspensijoje (molio dalelės, organinės medžiagos ir kt.). Kalis taip pat aktyviai migruoja vandenyno paviršiaus-atmosferos sistemoje aerozolių sudėtyje: vidutinė šio elemento koncentracija krituliuose virš vandenyno yra 15%. Kalio koncentracija krituliuose žemynuose pastebimai didesnė – vidutiniškai 0,7%. Didelis kalio kiekis su dulkėmis perkeliamas iš sausumos į vandenyną. Pasak V.V. Dobrovolsky, ši vertė yra ne mažesnė kaip 43x10 6 tonos per metus.

Supergeno zonoje didelės kalio koncentracijos yra retos ir yra evaporitai - silvitas ir karnalitas. Dar rečiau sutinkami kalio nitratai organogeninės kilmės kalio nitrato pavidalu (susidaro sausringame klimate).

Natrio klarko kiekis gyvojoje medžiagoje yra labai mažas – 0,008 (daugiau nei dviem eilėmis mažesnis nei kalio), o tai rodo, kad gyvosios medžiagos sunaudoja mažai natrio. Tačiau natrio mažais kiekiais reikia visiems gyviems organizmams.

Drėgno klimato sąlygomis natris lengvai palieka biologinį ciklą ir su skysčiu išnešamas už kraštovaizdžio ribų. Dėl to pastarojo apskritai mažėja natrio. Natrio kiekis augalų organizmuose paprastai yra labai mažas. Gyvūnams reikia didesnio šio elemento kiekio, nes jis yra kraujo dalis. Įtakoja širdies ir kraujagyslių sistemos bei inkstų veiklą. Todėl gyvūnus kartais reikia šerti valgomąja druska.

Sauso klimato sąlygomis natris koncentruojasi požeminiuose ir ežerų vandenyse ir kaupiasi druskinguose dirvožemiuose (garavimo barjero poveikis). Atitinkamai halofitinių bendrijų augmenijoje yra padidėjęs natrio kiekis.

Tačiau natrio biologinio ciklo vaidmuo, priešingai nei kalis, yra palyginti mažas. Tačiau jo vandens migracija yra labai reikšminga. Pagal migracijos būdus biosferoje natris yra labai panašus į chlorą. Sudaro lengvai tirpstančias druskas, todėl kaupiasi Pasaulio vandenyne ir dalyvauja atmosferos migracijoje.

Pagrindinis judriojo natrio šaltinis biosferoje yra dulkančios magminės uolienos (pagrindinis chloro šaltinis yra vulkanizmas).

Technogenezė labai pakoregavo biogeocheminius natrio migracijos kelius. Halito (valgomosios druskos), sodos ir mirabilito išgavimas yra labai svarbus. Natrio biogeocheminių ciklų pobūdžiui taip pat didelę įtaką daro žemės drėkinimas sausose vietose.

Biogeocheminiai kalcio ir magnio ciklai.

Kalcio atomuose yra magiškas skaičius protonų: 20 branduolyje ir tai lemia jo branduolinės sistemos stiprumą. Tarp lengvųjų elementų kalciui atstovauja didžiausias stabilių izotopų skaičius - 6, kurių pasiskirstymas yra toks: 40 Ca - 96,97% (du kartus magija Z=N=20) 42 Ca - 0,64, 43 Ca - 0,145, 44 Ca - 2,06, 46 Ca-0,0033, 48 Ca -0,185%. Pagal pasiskirstymą Saulės sistemoje ji užima 15 vietą, tačiau tarp metalų – 5 vietoje.

Gamtoje jis elgiasi kaip reaktyvus metalas. Lengvai oksiduojasi, sudarydamas CaO. Geocheminiuose procesuose jis veikia kaip dvigubai įkrautas Ca+2 katijonas

Jo joninis spindulys yra labai artimas natrio spinduliui. Mineralų rūšių skaičius yra 390, todėl jis priklauso pagrindiniams mineralus formuojantiems elementams. Pagal susidariusių mineralų skaičių jis užima 4 vietą po deguonies, vandenilio ir silicio. Pavyzdžiui: karbonatai – kalcitas, aragonitas, dolomitas; sulfatai – anhidritas, gipsas; halogenidai – fluoritas; fosfatai: apatitas; silikatai – granatai, piroksenai, amfibolai, epidotas, plagioklazės, ceolitai.

Plagioklazės yra labiausiai paplitę mineralai žemės plutoje. Kalcio Clarke litosferoje yra 2,96. Kalcio silikatai yra silpnai stabilūs hipergenezės zonoje ir yra pirmieji sunaikinami uolienų dūlėjimo metu.

Kalcis turi gana didelį migracijos gebėjimą, kurį daugiausia lemia klimato ypatybės. Vykstant cheminiams atmosferos procesams, kalcis iš mineralų išplaunamas natūraliais vandenimis. Kalbant apie oro sąlygas, kalcio mineralai sudaro tokią seką: plagioklazas - kalcio augitas - kalcio amfibolis. Plagioklazų grupėje daug kalcio turinčios veislės oras greičiau nei natrio veislės. Tuo pačiu metu natūraliuose tirpaluose, kurie energingai pašalina kalcį, yra daug bikarbonato jonų. Tačiau drėgnų zonų dirvožemiuose yra didelis kalcio trūkumas. Atvėsusiose plutose jo yra labai mažai. Tai paaiškinama dideliu šio elemento migracijos judumu.

Jonų kriaukle iš žemynų kalcis užima pirmąją vietą tarp katijonų. Jį upės daugiausia vykdo suspenduotų karbonatų, sulfatų ir bikarbonatų pavidalu ištirpusiame būsenoje. Geocheminė kalcio istorija vandenyne yra susijusi su karbonatų pusiausvyros sistema, vandens temperatūra ir gyvų organizmų veikla.

Kalcis yra vienas iš svarbiausių gyvų organizmų elementų – nuo ​​pirmuonių iki aukštesniųjų žinduolių. Aukštų platumų ir giliųjų jūrų šaltieji vandenys dėl žemos temperatūros ir pH yra per mažai prisotinti CaCO 3, todėl vandenyje esanti anglies rūgštis tirpdo dugno nuosėdų CaCO 3. Štai kodėl jūros organizmai didelėse platumose vengia kurti savo skeletus iš CaCO 3 . Pusiaujo platumose nustatytas CaCO 3 persotinimo regionas. Čia masiškai auga koraliniai rifai, o daugelis čia gyvenančių organizmų turi didžiulius karbonatinius skeletus ir kriaukles.

Kalcio migracija vandenyne, dalyvaujant gyviems organizmams, yra svarbiausia jo ciklo grandis. Pasak A.P. Vinogrado upės kasmet į vandenyną atneša 1*10 15 tonų CaCO 3. Kur jis nuėjo? Maždaug tiek pat kasmet palaidojama vandenyno dugno nuosėdose. Vandenynų gyvi organizmai koncentruoja kalcį aragonito ir kalcito pavidalu. Tačiau aragonitas yra nestabilus ir galiausiai virsta kalcitu. Vandenyne susiduriame su unikaliais reiškiniais, kai atskiruose organizmuose sparčiai auga dideli kristalai. Kai kuriuose dvigeldžių moliuskų kriauklėse randama daugiau nei 7 cm ilgio kalcito kristalų, jūros ežiai su ilgais kalcito spygliais gyvena atogrąžų jūrose. Daugelyje dygiaodžių stebimas gyvo organizmų kūno prisitaikymas prie kristalų formos. Šiuo atveju susiduriame su specialiu organizmų ir kristalų simbiozės tipu.

Sausame klimate kalcis lengvai nusėda iš tirpalų karbonatų pavidalu, sudarydamas chemogeninių karbonatinių uolienų sluoksnius ir iliuvialinius karbonatinius horizontus dirvožemyje.

Nedidelė jūros vandens kalcio jonų dalis yra chemiškai nusodinama uždaruose rezervuaruose garavimo sąlygomis.

Kalcis vaidina svarbų vaidmenį dirvožemio formavimosi procesuose. Jis yra dirvožemio sugėrimo komplekso dalis, dalyvauja dirvožemio tirpalo mainų reakcijose, nustatant dirvožemių buferinį pajėgumą rūgščiame aplinkos diapazone. Kalcio humatai vaidina svarbų vaidmenį formuojant dirvožemio struktūrą. Be to, kalcis aktyviai dalyvauja seskvioksidų ir mangano nusodinimo procesuose, dažnai kartu su šiais elementais ir silicio dioksidu formuoja mazgelius.

Rūgščiose dirvose, kurioms būdingas reikšmingas išplovimo proceso pasireiškimas, stebimas biogeninio kalcio kaupimosi kraikuose ir kaupiamojo paviršiaus dirvožemio horizontuose reiškinys. Tai yra biofilinių elementų grupės dalis. Todėl kalcis aktyviai dalyvauja biologiniame cikle. Kalcio įsisavinimo mastas įvairiose gamtos srityse labai skiriasi.

Žemės ūkio kraštovaizdžiuose kartu su derliumi pašalinama ir nemaža dalis kalcio.

Tačiau kalcio biogeocheminis ciklas šiuo metu sutrinka ne tik dėl dalies jo susvetimėjimo su žemės ūkio produktais, bet ir dėl karbonatinių uolienų naudojimo statybose, žemės ūkyje (dirvožemių kalkinimas), metalurgijos pramonė.

Magnio klarkas yra prastesnis už kalcio klarką ir yra 1,87, tačiau magnio pasiskirstymas yra labai nevienalytis. Magnio jonas savo dydžiu artimas juodosios geležies ir nikelio jonams ir kartu su jais yra olivinų ir piroksenų dalis, koncentruojasi bazinėse ir ypač ultrabazinėse magminėse uolienose.

Tuo pačiu metu magnis kaupiasi vandenynuose ir druskinguose ežeruose, o jo migracijos pajėgumas artėja prie tokių elementų kaip natris ir kalis. Taip yra dėl gero magnio chloridų ir sulfatų tirpumo. Skirtingai nuo kitų šarminių žemių ir šarminių metalų, magnis dėl mažo jonų dydžio lengvai patenka į molio mineralų kristalinę gardelę, sudarydamas antrinius magnio aliumosilikatus.

Magnis yra biofilinis elementas. Tai dalis chlorofilo, kuris sunaikinamas, jei šio elemento trūksta. Į magnio trūkumą dirvožemyje augalas reaguoja chlorofilo nutekėjimu iš senų lapų į jaunus. Judėjimas vyksta išilgai lapų gyslų. Todėl jie ilgą laiką išlieka žali, o lapo tarpuplaučio sritys pagelsta. Žinomos ir gyvūnų ligos. Susijęs su magnio trūkumu. Tačiau magnis yra mažiau biofiliškas nei kalcis ir kalis.

Drėgnuose kraštovaizdžiuose magnis, kaip ir kalcis, išplaunamas iš dirvožemių, nors jo mobilumas mažesnis. Nei kalcio. Taip yra dėl kelių geocheminių barjerų veikimo. Pirma, magnis aktyviai absorbuojamas gyvųjų medžiagų; antra, jis, kaip ir kalis, patenka į antrinių silikatų kristalines groteles ir galiausiai yra sorbuojamas molio koloidų ir humuso. Nepaisant to, nemaža dalis magnio patenka su skystu nuotėkiu, o požeminio ir upių vandenų sudėtyje magnis yra antroje vietoje po kalcio.

Sausomis sąlygomis magnio pasiskirstymą veikia didelis jo chloridų ir sulfatų tirpumas. Dėl to šios druskos kaupiasi ant garavimo barjerų ir susidaro druskingos pelkės.

Magnis į vandenyną patenka iš atmosferos poveikio uolienų, o šio tiekimo mastai yra dideli (ypač praeityje). V. M. skaičiavimais. Goldschmidt, per geologinę istoriją iš žemynų į vandenyną pateko 12,6 g magnio vienam kilogramui vandenyno vandens. Tačiau. Šiuolaikinių vandenynų vandenyje magnio kiekis yra tik 1,3 g.Tai lemia daugkartinis kiekvieno magnio atomo dalyvavimas dideliame geologiniame cikle, dolomitų ir kitų magnio turinčių nuosėdinių uolienų nusėdimas.

Magnio migracija per geologinę istoriją labai skyrėsi. Jei prekambro kalkakmeniuose magnio yra iki 12,6%, tai šiuolaikiniuose tik 1%. Dolomitų formavimasis atvirose jūrose nutrūko paleozojaus pabaigoje. Šiuo metu dolomitai nusėda tik kai kuriose lagūnose.

Magnio technofiliškumas vis dar yra žymiai mažesnis nei kalcio ir natrio. Iki XX amžiaus pradžios buvo naudojamas tik dolomitas ir magnezitas. Tik neseniai buvo plačiai naudojami lydiniai, kurių sudėtyje yra magnio. Magnio išsekusiuose kraštovaizdžiuose pastebimas nedidelis magnio kaupimasis dėl magnio turinčių trąšų įterpimo ir dirvožemių kalkinimo dolomitu.

Taigi apskritai visų šarminių ir šarminių žemės metalų biogeocheminiams ciklams būdingas pasaulinių metinių ciklų atvirumas. Dėl to Pasaulio vandenyno nuosėdose stebimas intensyvus šių elementų kaupimasis: koncentruojasi iki 99% kalcio, 98% kalio ir per 60% natrio pagal V.V. Dobrovolskis nuosėdinėse uolienose.

Biogeocheminis silicio ciklas.

Silicis yra antras pagal gausumą (po deguonies) cheminis elementas žemės plutoje. Jo klarkas žemės plutoje yra 29,5, dirvožemyje - 33, vandenyne - 5x10-5. Tačiau nepaisant milžiniškos silicio ir jo junginių gausos gamtoje (kvarcas ir silikatai sudaro 87 % litosferos), silicio biogeocheminiai ciklai (ypač sausumoje) dar nėra pakankamai ištirti.

Nenuostabu, kad V.I. Vernadskis manė, kad joks organizmas biosferoje negali egzistuoti be silicio, kuris būtinas augalų ir gyvūnų ląstelėms ir audiniams bei jų skeletams formuotis. Gyvoji medžiaga išgauna silicį iš natūralių vandenų ir dirvožemių mitybai ir biocheminiams procesams vykdyti, tada išskiria jį su ekskrementais ir kai miršta. Dėl milijardų organizmų mirties vandens telkinių dugne nusėda didžiulės silicio dioksido masės. Taip susidaro silicio biogeocheminis ciklas. Į IR. Vernadskis pabrėžė, kad silicio dioksido istorijos negalima suprasti neištyrus gyvybinės organizmų veiklos rezultatų.

M. Strachovas įrodė galimybę išskirtinai biogeniškai išgauti SiO2 iš paviršinių vandenų. Tačiau ištirpusio silicio dioksido tiekimas į vandenyną iš sausumos yra nepakankamas normaliam fitoplanktono vystymuisi. Štai kodėl vidutinio klimato ir atogrąžų platumose vandenyne organizmai su silicio skeletu yra menkai išsivystę. Atsižvelgiant į dabartinį vandens prisotinimą silicio dioksidu, norint normaliai vystytis fitoplanktonui ir diatomams, kiekvienas silicio atomas turi būti naudojamas daug kartų per metus (dešimtis ir net šimtus kartų). Iš visos paviršiniame fotosintezės sluoksnyje susidarančio silicio dioksido masės dugno nuosėdas pasiekia ne daugiau kaip 0,1 dalis, o dažnai tai tik 0,05-0,01 dalis. Likusi silicio dioksido dalis vėl tampa tirpi vandenyje. Vėliau jį iš vandens pagauna naujos kartos diatomės, silicio kempinės ir radiolarijos. Tačiau 0,1-0,01 diatominių planktono griaučių liekanų, pasiekusių dugną, lemia reikšmingas nuosėdinių silikatinių uolienų sankaupas. Ši silicio ciklo atšaka yra gana statiška ir negrįžtama, todėl dalis silicio dioksido tokiu būdu pašalinama iš biogeocheminio ciklo.

Mums svarbiau yra kita, dinamiškesnė ciklo atšaka, kuri iš tikrųjų yra cikliška. Tai silicis, kuris daug kartų per metus patenka iš fitoplanktono organizmų į aplinką ir atgal. Šie perėjimai atskleidžia svarbiausią vandens biogeocheminio silicio ciklo funkciją – medžiagos masės ir energijos perdavimo iš paviršiaus į gilesnes Pasaulio vandenyno zonas funkciją.

Antrasis pasaulinio vandenyno silicio biogeocheminio ciklo bruožas yra neatsiejamas jo ryšys su anglimi.

Silicio ciklo kontinentinė atšaka yra sudėtinga. Silicio dioksido migracija vandenyje yra glaudžiai susijusi su kraštovaizdžio ir geocheminėmis sąlygomis: augalijos sudėtimi ir požeminių nuosėdų litologija. Silicio dioksido mobilumas smarkiai didėja didėjant aplinkos pH, ypač šarminėje srityje. Esant pH=10-11 silicio koncentracija gali siekti 200 mg/l. Labai padidina amorfinio silicio dioksido tirpumą ir padidina temperatūrą. Magnio ir kalcio sulfatai, bikarbonatai ir karbonatai smarkiai sumažina silicio dioksido tirpumą ir sukelia jo nusodinimą. Esant stipriai rūgštinei aplinkai, pH = 1-2, silicio dioksido tirpumas taip pat labai padidėja. Kai kurie augalai yra silicio koncentratoriai.

Galingas mechanizmas, skatinantis šį ciklą, yra žemės augalinė danga, kurioje vyksta įvairūs silicio turinčių organogeninių mineralų (biolitų) susidarymo procesai. Šiuo atveju biolitai suprantami kaip mineralai, susidarę organizmo viduje jo gyvavimo metu. Jų vaidmuo silicio cikle yra itin didelis, tačiau nepakankamai ištirtas. Iš esmės silicio dioksidas inkrustuoja ląstelių membranas. Daugiausia silicio dioksido biolitų yra javuose, viksvose, asiūkliuose, paparčiuose, samanose, palmėse, pušų spygliuose, eglių spygliuose, guobos, drebulės, ąžuolo lapuose ir žievėje. Plunksnų žolės pelenuose silicio dioksido kiekis, pasak Parfenovo ir Yarilovo, gali siekti 80%. Bambuko kamienuose kartais randama darinių, sudarytų iš opalo, kurių ilgis siekia 4 cm ir sveria iki 16 g! Dirvožemio silicio rūgšties atsiradimas tam tikromis sąlygomis yra tiesiogiai susijęs su šio elemento kaupimu gyvų organizmų. Ryškiausias pavyzdys – salyklų susidarymas, kurio silicio rūgštis susikaupė dėl diatomų veiklos. Mėlynadumblių gyvavimo metu susidarant biolitams „pagaunama“ geležis, manganas ir silicio dioksidas. Silicio dioksido kaupimosi ir pašalinimo procesų santykis vidutinio klimato zonos sąlygomis pasislenka kaupimosi link. Žemės danga, ypač spygliuočių miškai, veikia kaip galingas mechanizmas, kuris iš uolienų, dirvožemio ir natūralių vandenų išpumpuoja silicio dioksido mases ir grąžina jas atgal į kraštovaizdį biolitų pavidalu. Vėliau biolitų opalas virsta chalcedonu ir net antriniu kvarcu. Nemaža dalis biolitų silicio rūgšties koloidinių ir tikrų tirpalų pavidalu įtraukiama į aktyvią migraciją dirvožemyje ir gruntiniame vandenyje.

Dėl silicio dioksido aerozolių poveikio gyviems organizmams (gyvūnams ir žmonėms) išsivysto rimta liga – silikozė.

Aliuminio, geležies ir mangano biogeocheminiai ciklai

Kaip jau žinote, aliuminis yra vienas iš trijų labiausiai paplitusių elementų žemės plutoje. Jo klarkas yra 8,05. Geležis pagal gausumą užima antrąją vietą tarp metalų po aliuminio ir ketvirtą vietą tarp visų žemės plutos elementų. Jo klarkas yra 4,65. Mangano kiekis žemės plutoje yra žymiai mažesnis nei -0,1%. Šie du elementai užima gretimas vietas D.I. periodinėje elementų lentelėje. Mendelejevas ir turi panašią elektroninių apvalkalų struktūrą. Tačiau manganas migruoja aktyviau, nes pH vertė, kuriai esant jo hidroksidas nusėda, yra didesnė nei geležies. Geležis ir manganas aktyviai dalyvauja biologiniame cikle, nes yra daugelio fermentų dalis. Geležis dalyvauja formuojant chlorofilą ir yra hemoglobino dalis. Manganas dalyvauja redokso reakcijose – kvėpavime, fotosintezėje ir azoto absorbcijose. Aliuminio dalyvavimas biologiniame cikle yra ribotas. Nors tai yra labiausiai paplitęs metalas žemės plutoje, jo biofiliškumas yra labai mažas, gyvosios medžiagos klarkas yra tik 5x10-3.

Geležies ir mangano biogeocheminiai ciklai labai priklauso nuo drėgmės sąlygų, aplinkos reakcijų, dirvožemio aeracijos laipsnio, organinių medžiagų irimo sąlygų. Aliuminio migracija mažiau priklauso nuo redokso sąlygų, nes jo valentingumas yra pastovus. Tuo pačiu metu šio elemento amfoteriškumas lemia stiprią jo migracijos priklausomybę nuo aplinkos rūgščių-šarmų sąlygų: stipriai rūgščioje aplinkoje jis elgiasi kaip katijonas, o stipriai šarminėje – kaip anijonas. . Neutraliuose ir silpnai šarminiuose stepių ir dykumų vandenyse jis beveik nemigruoja, didžiausias šio metalo judrumas yra aktyvaus vulkanizmo zonų ir sulfidų nuosėdų oksidacijos zonų labai rūgštiniuose vandenyse. Saugomas organinių koloidų, aliuminis aktyviai migruoja pelkių vandenyse. Tačiau aliuminio migracijos greitis paprastai yra daug mažesnis nei geležies ir mangano, o jo mineralai yra stabilesni. Silpnas aliuminio judrumas lemia likutinį (dėl judresnių elementų pašalinimo) jo hidroksidų kaupimąsi drėgnų tropikų atmosferos plutoje ir boksitų susidarymą.

Yra žinoma, kad aliuminio, geležies ir mangano junginiai dirvožemiuose su išplovimo režimu migruoja vertikalia kryptimi ir sudaro iliuvialius horizontus, prisodrintus seskvioksidais ir manganu. Daugelis mokslininkų įrodė, kad seskvioksidų migracija išplovimo tipo vandens sąlygomis vyksta labai dispersinių zolių, stabilizuotų rūgštinio humuso, pavidalu. Šiuo atveju svarbų vaidmenį atlieka anaerobinės aplinkos sukūrimas, dėl kurio susidaro dvivalenčios geležies ir mangano junginiai. Lemiamą reikšmę turi agresyvios fulvo rūgštys, kurios ardo dirvožemio mineralus ir sudaro lengvai judančius kompleksinius junginius su aliuminiu, geležimi ir manganu.

Geležies ir mangano junginiai aktyviai migruoja su šoniniu vidinio dirvožemio nuotėkiu, pelkėse formuodami mazgų sankaupas. Pievų ir glėjų dirvožemiai, seklūs ežerai ir lagūnos. Tai rodo šių junginių gebėjimą migruoti labai dideliais atstumais. Geležies nusodinimas kaupiamuosiuose kraštovaizdžiuose vyksta geležies karbonatų, įvairaus hidratacijos laipsnio oksidų, taip pat fosfatų ir humatų pavidalu. Stepėse ir dykumose šarminėje aplinkoje šie elementai migruoja silpnai.

Geležies ir mangano migracija galima ir gyvojoje medžiagoje. Organizmams žuvus ir jiems mineralizavus dirvožemyje, dalis šių elementų užsifiksuoja dirvožemyje, o kita dalis patenka į natūralius vandenis. Grįžę į dirvą, jie pradeda naują biogeocheminį ciklą.

Dėl oro sąlygų procesų geležis į vandenynus patenka didžiuliais kiekiais. Geležis upėmis pašalinama į vandenyną įvairiomis formomis - mineralų ir uolienų, turinčių geležies kristalinėje gardelėje, fragmentų (silikatų, įskaitant molio mineralus) pavidalu, koloidų, turinčių geležies absorbuotoje, pavidalu. geležies hidratų, humatų ir organinių junginių pavidalu.

Geležies trūkumas sukelia augalų ligą, vadinamą chloroze. Tačiau tiesioginis geležies kaupimasis dideliais kiekiais būdingas tik keletui organizmų. Šiuo atžvilgiu geležies bakterijos yra unikalios, nes oksiduoja dvivalenčią geležį, todėl susidaro limonitas. Diatomai geba absorbuoti geležį iš netirpių koloidų. Geležį taip pat suvartoja raudonakraujis zooplanktonas (smulkūs vėžiagyviai). Kai šie organizmai miršta ir ištirpsta nuolaužų dalys, tam tikras geležies kiekis taip pat patenka į tirpalą hidratų ir kitų formų pavidalu. Kaip ypatingą geležies koncentracijos organizmuose atvejį galima pastebėti magnetito ir goetito buvimą kai kurių šiuolaikinių pilvakojų dantyse.

Geležies ir mangano biogeocheminis ciklas smarkiai sutrikdomas dėl technogeninių procesų ir, nepaisant žymiai didesnio geležies kiekio žemės plutoje, šių elementų technofiliškumas yra maždaug vienodas. Noosferoje aliuminis vaidina itin svarbų vaidmenį, tačiau jo technofiliškumas yra beveik 100 kartų mažesnis nei geležies.

Biogeocheminiai sunkiųjų metalų ciklai.

Sunkieji metalai paprastai vadinami cheminiais elementais, kurių atominė masė didesnė nei 50 vienetų. Nepaisant to, kad gamtoje šių elementų yra gana nedaug, jie turi didelę įtaką biogeocheminiams procesams biosferoje. Kadangi daugelis iš jų turi ryškų toksinį poveikį gyviems organizmams.

Daugybė tyrimų parodė, kad labiausiai toksiški yra šie 9 elementai: Cr, As, Ni, Sb, Pb, Vo, Cd, Hg, Ta. Lenkijos mokslininkai suskirstė sunkiuosius metalus pagal jų taršos potencialą į 4 grupes. Labai didelį užterštumo potencialą turinčių elementų grupę sudaro kadmis, gyvsidabris, švinas, varis, talis, alavas, chromas, stibis, sidabras ir auksas.

Elementų, turinčių didelį užterštumo potencialą, grupę sudaro bismutas ir uranas. Molibdenas, baris, manganas, titanas, geležis, selenas, telūras. Vidutinio užteršimo potencialo elementų grupei priklauso fluoras, berilis, vanadis, rubidis, nikelis, kobaltas, arsenas, germanis, indis, cezis ir volframas. Elementai, turintys mažą užterštumo potencialą, yra stroncis, cirkonis, lantanas, niobis.

Kaip matote, 4 metalai iš pirmosios grupės (su labai dideliu taršos potencialu) yra švinas, gyvsidabris, kadmis ir chromas

Tam tikru mastu kiekvienas didelis miestas yra biogeocheminių anomalijų, įskaitant pavojingas žmonėms, priežastis.

Gerai žinoma, kad švinas ir cinkas kaupiasi sunkiasvorių transporto priemonių eismo vietose, prie greitkelių ir pramonės centruose. Kaimo vietovių dirvose švino yra 10-20 kartų mažiau. Nei miestų dirvožemiai. Švinas turi savybę kauptis dirvožemio organinėse medžiagose.

Sunkiųjų metalų prieinamumas augalams priklauso nuo augalų rūšies, dirvožemio ir klimato sąlygų. Kiekvienoje augalų rūšyje sunkiųjų metalų koncentracijos gali skirtis įvairiose dalyse ir organuose, taip pat priklauso nuo augalų amžiaus.

Dirvožemio veiksniai, darantys didelę įtaką sunkiųjų metalų prieinamumui augalams, yra šie: dalelių pasiskirstymas pagal dydį, dirvožemio aplinkos reakcija, organinių medžiagų kiekis, katijonų mainų pajėgumas ir drenažas. Sunkesniuose dirvožemiuose yra mažesnis pavojus, kad augalai gali adsorbuoti perteklinius (toksiškus) sunkiųjų metalų kiekius. Didėjant dirvožemio tirpalo pH, didėja netirpių hidroksidų ir karbonatų susidarymo tikimybė. Manoma, kad norint kuo labiau sumažinti nuodingų metalų prieinamumą dirvožemyje, būtina palaikyti bent 6,5 pH. Metalai gali sudaryti sudėtingus junginius su dirvožemio organinėmis medžiagomis, todėl yra mažiau prieinami augalams dirvožemyje, kuriame yra daug humuso. Katijonų mainų pajėgumas daugiausia priklauso nuo molio dirvožemio dalies kiekio ir mineraloginės sudėties bei organinių medžiagų kiekio juose. Kuo didesnis katijonų mainų pajėgumas, tuo didesnis dirvožemio sulaikymo pajėgumas sunkiųjų metalų atžvilgiu.

Vandens perteklius dirvožemyje skatina mažo valentingumo metalų atsiradimą labiau tirpstančiu pavidalu.

Prioritetiniai biosferos teršalai yra gyvsidabris, švinas, kadmis, cinkas, varis. Jų koncentracijos padidėjimas vandenyje, dirvožemyje, ore ir biotoje yra tiesioginis pavojaus gyvūnams ir žmonėms rodiklis.

Azotas sudaro beveik 78% atmosferos masės. Didžioji jo dalis iš dviejų atomų sudaro N2 molekules.Dauguma organizmų negali panaudoti šio azoto dėl stipraus atomų ryšio. Jiems reikia azoto cheminėmis formomis, tokiomis kaip amoniakas, amonio jonai, nitratai ir nitrito jonai, kurie dalyvauja cheminėse reakcijose su deguonimi. Todėl fiksuotas azotas yra svarbus šiam biogeocheminiam ciklui.

Natūralus biogeocheminis azoto ciklas parodytas 16 pav. Bendras azoto srautas į biosferą yra apie 14·10 10 t/metus. Pagrindinis fiksuoto azoto tiekėjas yra azotą fiksuojančios bakterijos. Žymiausi iš jų randami ankštinių augalų gumbeliuose. Jų veikla pagrįstas tradicinis vaisingumo didinimo būdas. Ankštiniai augalai auginami lauke, tada jie suariami, o gumbeliuose susikaupęs azotas pereina per dirvą. Kitais metais laukas užsėjamas kitais augalais, kurie naudoja šį azotą. Dalis azoto jungiasi per perkūniją. Elektros išlydis įkaitina orą iki temperatūros, kurioje susidaro įvairūs azoto oksidai. Kaip ir anglies atveju, tam tikras kiekis azoto junginių patenka iš Žemės gelmių.

Atvirkštinis procesas - nitratų jonų redukciją atlieka bakterijų grandinė:

· amonifikuojančios bakterijos skaido azotinius organinius junginius, sudarydamos amoniako (NH 3) arba amonio jonus (NH 4 +);

· Nitrifikuojančios bakterijos oksiduoja amoniaką į azoto rūgštį – NO 2 –. (nitritai);

· nitratinės bakterijos azoto rūgštį paverčia azoto rūgštimi – NO 3 – (nitratais) ir ciklas prasideda iš naujo.

Ryžiai. 15. Biogeocheminis azoto ciklas

Antropogeninis azotas patenka į biosferą maždaug lygus natūraliam. Didžiausią indėlį įneša azoto trąšų naudojimas (8·10 10 t/g). To pasekmė gali būti nitritų, nitratų ir nitrozaminų kiekio padidėjimas produktuose, turinčiuose platų toksinį poveikį.

Azoto oksidų (2·10 10 t/g) šaltinis yra daug metalurginių procesų, transporto ir kuro deginimo gaminant šilumą ir elektrą. Azoto oksidai dalyvauja formuojantis rūgštiniam lietui ir fotocheminiam smogui.

Ekosistemos sugeria tam tikrą azoto kiekį. Jo perteklius išplaunamas ir kaupiasi vandens telkiniuose. Biogeninių elementų (ne tik azoto junginių) daugėjimo vandenyje procesas vadinamas eutrofikacija. Pagrindinės jo priežastys – pramoninių ir komunalinių nuotekų išleidimas į vandens telkinius, žemės ūkio chemizavimas ir gyvulininkystės koncentravimas. Šiuo metu šis reiškinys paveikė 90% visų pasaulio ežerų. Šis procesas kartais sukelia negrįžtamą žalą vandens ekosistemoms ir pablogina vandens kokybę (žr. 6.2.3 skyrių). Pagrindinės eutrofikacijos mažinimo priemonės yra nuotekų valymas ir trąšų naudojimo kontrolė.