1 какую роль играют растения в круговороте углерода 2 какова роль животных в круговороте углерода

Геохимический цикл углерода: схема, описание процесса и значение

Схема круговорота углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива, человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу. Изображение: Wikimedia Commons

Читайте также:

Углерод: важнейший элемент

Когда вы в последний раз видели периодическую таблицу Менделеева? Возможно, вы помните таблицу, которая висела на стене в вашем школьном классе. В ней содержится вся ключевая информация о каждом элементе, существующем на Земле. Одни из элементов, представленных в таблице, редки и незнакомы, например иттрий и калифорний. Другие являются драгоценными и благородными, например, золото и серебро.

Особенности круговорота углерода

Точно так же у нас есть фиксированное количество углерода на Земле и в атмосфере. Мы находимся в нашем собственном пузыре, и, по сути, практически ничто не выходит из нашего мира и не входит в него. Мы не получаем межгалактических поставок необходимых элементов, таких как углерод. Это означает, что весь углерод на Земле и в атмосфере, равен тому количеству, которое у нас всегда было. Итак, когда формируются новые организмы, необходим углерод для образования ключевых молекул, таких как белок и ДНК. Но откуда он берется? Вот тут и начинает работать круговорот углерода в природе.

Фотосинтез и клеточное дыхание

Как упоминалось ранее, углерод находится во многих различных формах и в разных местах. Мы уже знаем, что он находится в нашей атмосфере. Но только некоторые организмы действительно могут использовать атмосферный углерод. Давайте начнем с рассмотрения процесса фотосинтеза, посредством которого углерод в атмосфере в форме CO₂ используется растениями.

Растения могут производить органические вещества, используя несколько простых ингредиентов: CO₂, воду (или H₂O) и солнечную энергию. Это можно представить следующим уравнением:

6CO₂ (диоксид углерода) + 6H₂O (вода) + солнечный свет → C₆H₁₂O₆ (углевод) + 6O₂ (кислород)

Теперь вы можете видеть, что в процессе фотосинтеза атомы углерода были взяты из углекислого газа и использованы для создания C₆H₁₂O₆ или глюкозы. И куда пойдет углерод дальше?

Подумайте, кто может есть растения. Например, люди, которые должны добывать себе пищу, чтобы выжить. Итак, когда мы едим растительные продукты, мы получаем из них глюкозу. Когда мы едим мясо, мы также можем получить глюкозу, так как животные питаются растениями.

После переваривания глюкоза из растения расщепляется в наших клетках для выработки энергии. Этот процесс называется клеточным дыханием. По сути, это процесс, противоположный фотосинтезу, и его побочным продуктом является CO₂. Организмы избавляются от этих отходов, выдыхая их обратно в атмосферу. Каждый раз, когда вы дышите, вы участвуете в круговороте углерода, потому что выдыхаете CO₂. Таким образом, вы можете видеть, как углерод движется по всей планете и влияет на каждый организм.

Углерод в ископаемом топливе и деревьях

Некоторое количество углерода в нашем мире находится в подвешенном состоянии сотни или даже миллионы лет. Углерод задерживается в ископаемом топливе, таком как уголь и нефть. Ископаемое топливо состоит из трансформированных останков живых организмов и содержит много энергии. Мы сжигаем ископаемое топливо для получения энергии, и в этом процессе углерод возвращается в атмосферу в форме CO₂.

Разложение и углерод

Подведение итогов

Источник

Круговорот углерода в природе

Общее описание

Углерод – шестой элемент периодической таблицы Менделеева с относительной атомной массой 12. Углерод находится в четвертой группе и проявляет постоянную валентность IV. Это активное вещество, вступающее в реакцию с металлами, неметаллами, оксидами, кислотами.

В природе встречается в виде твёрдых веществ в составе горных пород. Элемент имеет несколько аллотропных модификаций – графит, алмаз, сажа, уголь. Большая часть газообразного углерода находится в атмосфере. Соединяясь с кислородом, образует угарный и углекислый газы.

Рис. 1. Аллотропные модификации углерода.

Угарный газ (СО) – ядовитое вещество без цвета, запаха, вкуса. Соединяясь с гемоглобином крови, нарушает клеточное дыхание, что приводит к удушению.

Значение углерода

Углерод входит в состав угольной кислоты (H₂CO₃), соды (Na₂CO₃), всех органических соединений. Это один из жизненно важных элементов. Углерод участвует в процессах дыхания, синтеза веществ, энергетического обмена.

В живых организмах элемент содержат:

Рис. 2. Структурные формулы ДНК и АТФ.

Благодаря четырём валентным электронам атом углерода способен образовывать четыре связи с атомами различных элементов. Именно этим объясняется распространённость элемента в природе в составе сложных веществ.

Круговорот

Краткая схема круговорота углерода в природе:

Рис. 3. Схема круговорота углерода в природе.

Общее количество углерода в природе можно разделить на четыре части:

Углекислый газ (СО₂) является конечным продуктом метаболизма. Он образуется в процессе дыхания и полного распада углеводов, жиров, аминокислот. Из клетки с током крови углекислый газ попадает в лёгкие, а оттуда – в атмосферу при внешнем дыхании.

Углекислый газ – продукт не только жизнедеятельности живых организмов. Газ образуется при сжигании органического топлива – нефти, природного газа, древесины, угля. При попадании углекислого газа в атмосферу круговорот элемента начинается заново.

Углерод накапливается в земной коре или на дне океана в виде горных пород или донных отложений. Именно так образуются каменный уголь, нефть, графит, алмаз.

Что мы узнали?

Углерод – жизненно важный элемент, участвующий в круговороте веществ в природе. Углерод в составе углекислого газа поглощают растения в процессе фотосинтеза и преобразуют в органические вещества, которые служат пищей для травоядных животных. Используя других животных в качестве пищи, хищники получают углерод в составе органических веществ. Обратно в природу углерод попадает при дыхании (выделяется в виде углекислого газа) и при гниении органических тканей.

Источник

Роль микроорганизмов в круговороте углерода.

Первоисточником углерода для всякого органического вещества является углекислый газ из воздуха. Углерод имеет исключительное значение в биосфере. Около половины биомассы в природе состоит из углерода. Ввиду ограниченного наличия СО₂ в атмосфере круговорот углерода, его цикличность имеет важнейшее значение.

Некоторое количество углекислоты усваивается гетеротрофными, а также хемосинтезирующими микробами. Последние используют образующуюся при окислении неорганических веществ (аммиак, сера) энергию для восстановления углекислоты. Но этот процесс по сравнению с фотосинтезом очень невелик.

Микроорганизмы, минерализуя органические вещества, вновь возвращают углерод в атмосферу в форме углекислоты и этим делают возможным дальнейшее развитие жизни на Земле.

Поскольку растительные и животные остатки содержат белки, углеводы и жиры, то разложение их в природных условиях протекает одновременно, но осуществляется большей частью разными физиологическими группами микроорганизмов.

Разложение органических безазотистых веществ осуществляется микроорганизмами двумя путями: или посредством брожения, или путем окисления.

Взаимосвязь живых организмов на Земле особенно ярко выражена в круговороте углерода. Атмосферный воздух содержит около 0,03% С0₂, но продуктивность зеленых растений настолько велика, что весь запас углекислоты в атмосфере (2600-10 9 т С02) был бы истрачен за 20 лет — срок, ничтожно короткий в масштабах эволюции. Фотосинтез бы прекратился, если бы микроорганизмы, растения и животные не обеспечивали возвращение С0₂ в атмосферу в результате непрерывной минерализации органических веществ. Циклические превращения углерода и кислорода реализуются главным образом через два разнонаправленных процесса: кислородный фотосинтез и дыхание (либо горение в небиологических реакциях).

• Углерод извлекается из круговорота различными путями. Ионы карбоната, содержащиеся в морской воде, соединяются с растворёнными в ней ионами Са 2+ и осаждаются в виде СаС0₃ (карбонат кальция). Последний также образуется биологическим путём в известковых структурах простейших, кораллов и моллюсков, откладываясь в качестве известняковых горных пород. Отложение неминерализованных органических остатков в условиях высокой влажности и недостатка кислорода приводит к накоплению гумуса, образованию торфа и каменного угля. Ещё один вид изъятия органического углерода из круговорота — отложения нефти, и газа (метана).

• Деятельности человека неуклонно сдвигает баланс углерода в сторону образования С0₂. С одной стороны, это связано с интенсивным сжиганием нефти, угля и природного газа, а с другой — с уменьшением фотосинтетической фиксации углерода за счёт уничтожения лесных массивов, деградации почвы и загрязнения океана.

Источник

Глава 1. Структура и функции биосферы

О.А. Барабанова, И.Н. Безкоровайная, Е.Б. Бухарова [и др.]
Экология: курс лекций
Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 325 с.

Глава 1. Структура и функции биосферы

Лекция 6. Круговороты веществ в экосистемах

6.3. Круговорот углерода

Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента, – диоксид углерода (СО₂). Он входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере.

Основная масса углерода в земной коре находится в связанном состоянии. Важнейшие минералы углерода – карбонаты, количество углерода в них оценивается в 9,6·10 15 т. Разведанные запасы горючих ископаемых (уголь, нефть, шунгит, битумы, торф, сланцы, газы) содержат около 1·10 13 т углерода, что соответствует средней скорости накопления 7 млн т /год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадает из круговорота и теряется в нем.

Содержание углекислоты в атмосфере около 0,03 %, в почвенном воздухе – на порядок больше.

Круговорот углерода – самый интенсивный. Источником первичной углекислоты биосферы считается вулканическая деятельность. В современной биосфере на выделение СО₂ из мантии Земли при вулканических извержениях приходится не более 0,01 %, и одним из основных источников углекислоты в атмосфере является дыхание. Включение углерода в состав органических веществ происходит благодаря растительным фотосинтезирующим организмам. Растительность постоянно обменивается веществом и энергией с атмосферой и почвой и, таким образом, круговорот углерода представляет собой сложную взаимозависимую цепь обменных процессов в системе «атмосфера-растительность-почва-атмосфера».

В круговороте углерода можно выделить два важнейших звена, имеющих планетарные масштабы и связанные с выделением и поглощением кислорода (рис. 11):

– фиксация СО₂ в процессе фотосинтеза и генерация кислорода (агенты – растения);

– минерализация органических веществ (разложение до СО₂) и затрата кислорода (основные агенты – микроорганизмы; на животных, например, приходится от 4 до 10–15 % эмиссии углекислоты).

Микроорганизмы и животные-деструкторы разлагают мертвые растения и погибших животных, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до диоксида углерода и снова попадает в атмосферу. Вклад почвенного дыхания (включая дыхание корней и биоты) в общую респирацию экосистемы может составлять от 40 до 70 %. При определенных условиях в почве разложение накапливающихся мертвых остатков идет замедленным темпом – через образование сапротрофными организмами гумуса, минерализация которого может идти с различной, в том числе и с низкой, скоростью.

Рис. 11. Круговорот углерода (по Ф. Рамад, 1981)

В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа; углерод не высвобождается и имеет место его консервация. Аналогичные ситуации возникали и в прошлые геологические эпохи, о чем свидетельствуют отложения каменного угля, нефти, горючих сланцев, торфа и др.

Особенность круговорота углерода состоит в консервации элемента. В далекие геологические эпохи, сотни миллионов лет назад, значительная часть органического вещества, созданного в процессах фотосинтеза, накапливалась в литосфере в виде ископаемого топлива. Сжигая его, мы в определенном смысле завершаем круговорот углерода.

Таким образом, по разным оценкам, в среднем за год в процессе фотосинтеза связывается 60 млрд т углерода, в процессе разложения органического вещества высвобождается 48 млрд т углерода, поступает в почву и «консервируется» в многолетних фитоценозах 10 млрд т, погребается в осадочной толще литосферы (включая реакции диоксида углерода с горными породами) 1 млрд, поступает в результате сжигания топлива 4 млрд т углерода.

Основные накопители углерода на Земле – леса: в биомассе лесов приблизительно в 1,5, а в лесном гумусе – в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере. Особое планетарное значение в аккумуляции углерода имеют тропические и бореальные леса (табл. 4).

Запасы углерода в основных биомах планеты

Запасы углерода (Гт)

Пустыни и полупустыни

Северные леса имеют особое общепланетарное значение. Их роль в регулировании атмосферы и климата сейчас общепризнана. Косвенные данные об углеродном балансе свидетельствуют о высокой степени накопления углерода лесными экосистемами северных широт – в них сосредоточено около 33 % глобальных запасов углерода. Хотя бореальные леса и уступают тропическим по площади и запасам фитомассы, по своему воздействию на биосферу и параметрам углеродного цикла они существенно превосходят тропические экосистемы. Вследствие особенностей климатических условий бореальные леса аккумулируют углерод не только в фитомассе, но и в почвенном органическом веществе, в результате чего его связывание в процессе фотосинтеза превышает эмиссию в атмосферу за счет дыхания и минерализации органических остатков. На долю лесов России приходится 73 % площади бореальной зоны мира. Причем 42 % сосредоточено в Сибири. Суммарная аккумуляция углерода в лесных экосистемах Центральной Сибири (территория Красноярского края) составляет 15 879 млн т (156 тС/га лесопокрытой территории), в том числе на надземную и подземную фитомассу приходится 26 %, остальное аккумулировано в органическом веществе верхней 50-сантиметровой толщи почв (22 % в мертвых растительных остатках, 52 % – в гумусе).

Круговорот углерода совершается и в водной среде. Но здесь он более сложен по сравнению с континентальным, поскольку возврат этого элемента в форме СО₂ зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи.

В целом показатели годичного круговорота массы углерода в Мировом океане почти вдвое ниже, чем на суше. Между сушей и океаном постоянно идут процессы миграции углерода, в которых преобладает вынос его в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Из Мирового океана на сушу углерод поступает в незначительных количествах в форме СО₂, выделяемого в атмосферу. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, сушей и океаном были сбалансированы. Влияние человека на круговорот углерода проявилось в том, что с развитием индустрии и сельского хозяйства поступление СО₂ в атмосферу стало расти за счет антропогенных источников.

Главная причина увеличения содержания СО₂ в атмосфере – это сжигание горючих ископаемых, однако свой вклад вносят и транспорт, и уничтожение лесов. Миллиарды тонн углекислоты ежечасно поступают в атмосферу при сжигании дров, угля, нефти, газа. Энергетический бум ХХ в. увеличил содержание углекислоты в атмосфере на 25 %, метана – на 100 %.

При уничтожении лесов содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древесины, за счет снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы (если на месте лесов распахивают поля или строят города). Сокращение площадей лесов из-за рубок и пожаров, отчуждение лесных земель под разные виды строительства снижают секвестр углерода растительным покровом.

Антропогенное воздействие на баланс углерода проявляется и в сельскохозяйственной деятельности, приводя к потере углерода в почве, так как фиксация (связывание) СО₂ из атмосферы агрокультурами в течение лишь части года не компенсирует полностью высвобождающийся из почвы углерод, который теряется при окислении гумуса (результат частой вспашки).

Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере за последнее столетие, не сопровождаемое увеличением запасов фитомассы растительного покрова, свидетельствует о потере компенсаторных способностей биосферы.

Источник

Закономерная цикличность: как происходит круговорот углерода в природе

Значение углерода в жизнедеятельности живой природы

Особое значение углерод в природе имеет не просто так: уникальные свойства серьезно выделяют его на фоне других химических элементов системы. Углерод образует прочные химические связи как внутри себя (между собственными атомами), так и с другими элементами. Но несмотря на свою прочность, эти связи могут быть достаточно просто разорваны во вполне мягких условиях.
В природе существует конкретная экономичность благодаря углероду: с помощью углерода и некоторого количества типов его связей производится сокращение ферментов, участвующих в расщеплении и синтезе органики. Важным также является то, что углерод – один из трех элементов (вместе с кислородом и водородом), которые составляют не больше, не меньше, чем 98 % всей массы живого на Земле.

В рамках гипотезы А.И. Опарина, принятой научным сообществом, предполагается, что самые первые органические соединения на нашей планете произошли абиогенным образом. Первичными источниками углерода были такие соединения, как HCN (цианистый водород) и CH4 (метан).

Именно эти вещества в основном содержались в атмосфере Земли начала времен. На данный момент углерод (в соединении СО2) отлично ассимилируется посредством фотосинтеза – сложного процесса, происходящего в клетках зеленых растений. Животные же в большинстве потребляют углерод в форме уже готовых органических соединений.

Самое распространенное соединение углерода – его двуокись (СО2). Будучи растворенной практически во всех жидкостях (в частности – и в воде) на Земле, двуокись углерода выполняет важную функцию поддержания кислотной среды. А такое соединение как, например, CaCO3 является основным в составе раковин и внешних покрытий беспозвоночных или в скорлупе яиц.

Геохимический цикл углерода

Геохимический цикл углерода по своей сути – это схема, отражающее то количество углерода, который циркулирует между слоями: атмосферой, геосферой и гидросферой. Замеры производятся в течение года и составляют миллиарды тонн. При это данный показатель еще включает и те 5,5 гигатонн, которые попадают в атмосферу при сжигании человеком ископаемого топлива.

По факту – геохимический цикл углерода представляет собой совокупность процессов по переносу углевода из одного так называемого геохимического резервуара в другой. Стоит отметить, что главную роль в этом процессе играют живые организмы.

Важно знать, что геохимический цикл углерода обладает рядом особенностей:

На данный момент самым изученным является четвертичный период геохимического цикла. В нем происходили те изменения, которые напрямую связаны с климатическими. Именно поэтому ученым намного проще отследить этот период, так как он четко зафиксирован вечной мерзлотой Арктики и Антарктиды.

Схема круговорота углерода в природе

Круговорот углерода в природе – это обязательный комплекс из различного рода физических и химических процессов и реакций. Известно, что данный элемент входит в состав всех живых организмов на планете Земля и прямо связан с процессами их жизнедеятельности. Атомы углерода в том или ином виде соединений непрерывно циркулируют во всех сферах планеты, отражая, по сути, общую динамику живых процессов.

Основная часть углерода представлена в атмосфере – и это углекислый газ СО2. В воде также присутствует углерод в форме также диоксида. При переходе жидкостей и газов в агрегатные состояния друг друга, круговорот и осуществляется – углерод свободно «гуляет» в окружающей среде. В чистом виде соединение СО2 потребляется растениями, преобразовывая его в процессе фотосинтеза в различные соединения и отдельные элементы, которые отправляются дальше по кругу. Таким образом, весь попавший в растение углерод разделяется на следующие части:

Аналогичные процессы происходят в гидросфере. Содержащийся в воде углерод потребляется морскими обитателями растительного и животного мира.

В целом, попадание углерода в атмосферу связано напрямую с процессами жизнедеятельности живых организмов на планете. Отдельным естественным процессом выброса углекислого газа в атмосферу является извержение вулкана. Искусственным же считается сжигание топлива человеком. К сожалению, в совокупности это дает переизбыток углерода в атмосфере, чем создается парниковый эффект, пагубно влияющий на состояние окружающей среды и экологии. Эта проблема сейчас – одна из самых обсуждаемых в мире.

Биосфера и невидимки. Роль микробов в круговороте веществ в природе

Биосфера (от греч. «биос» — «жизнь» и «сфера» — «шар») охватывает твердую, жидкую и газообразную оболочки Земли. Верхние границы биосферы простираются на 10—15 км, нижние — до 2 км (в твердой оболочке Земли) и на 10 км (в морях).

Учение о биосфере было разработано академиком В. И. Вернадским (1862—1945). По его расчетам, одна бактерия объемом в 10-12 см3 менее чем за 136 ч могла бы образовать живую пленку, которая покрыла бы весь земной шар. Но, к счастью, это не может произойти, так как микроорганизмы в больших количествах погибают от самых разных причин: действия ультрафиолетовых лучей, температуры, химических ядов и т. д.

Количество микробов в биосфере неисчислимо, поскольку она охватывает верхнюю часть земной коры, воды морей, рек, океанов и нижнюю часть атмосферы. Микробы в значительной степени определяют изменения, происходящие в почве, растительном покрове и животном мире. Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал, что миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе и окружают нас повсюду; невидимые, они постоянно сопровождают человека, вторгаясь в его жизнь то как враги, то как друзья. Во множестве присутствуют они в поедаемой нами пище, в воде, которую пьем, в воздухе, которым дышим. Окружающие нас предметы, наша одежда, поверхность тела — все это буквально «кишит» микробами.

Микробы осуществляют круговорот веществ и энергии в природе. Они играют важную роль в повышении плодородия почв, образовании каменного угля и нефти, выветривании горных пород, в ряде других явлений природы; производят колоссальную работу по разложению органических соединений и образованию белка — источника жизни живых организмов.

В природе большое значение имеют следующие глобальные процессы, осуществляемые микроорганизмами: обогащение атмосферы кислородом, которое обусловлено деятельностью зеленых растений; накопление белка; разложение органических веществ в почве, воде, сточных водах. Работа «невидимок» поистине титаническая, именно она предохраняет окружающую нас среду от неминуемого загрязнения и обеспечивает в природе круговорот всех известных химических элементов. Остановись деятельность микробов — прекратилась бы жизнь на Земле.

Выдающимися русскими микробиологами В. Л. Омелянским, С. Н. Виноградским, Г. А. Надсоном была определена огромная роль микроорганизмов в разложении органических веществ, окислении водорода, метана, элементарной серы, в восстановлении сульфата и т. д., обеспечивающих непрерывный круговорот химических элементов в биосфере.

Тонкая оболочка жизни на поверхности Земли — биосфера — находится в настоящее время в устойчивом состоянии, которое постоянно поддерживается круговоротом необходимых для жизни различных элементов и непрерывным притоком энергии Солнца.

Основные элементы, необходимые для жизни — углерод, кислород, азот, водород, сера и фосфор, — постоянно подвергаются превращениям, что и составляет так называемый круговорот веществ. Под круговоротом веществ принято понимать целый ряд происходящих превращений органических и неорганических веществ, благодаря чему запас их не исчезает, а они только меняют свою форму. Как писал Ф. Энгельс, ничто не вечно, кроме вечно изменяющейся, вечно движущейся материи и законов ее движения и изменения. Так давайте проследим пути превращения отдельных элементов и выясним, какую роль в этом играют микроорганизмы.

Начнем с круговорота углерода и кислорода. В воздухе содержится 0,03% (по объему) углекислоты, являющейся основным источником питания растений. Эта концентрация углекислоты почти постоянна в результате существующего равновесия между фотосинтезом и минерализацией. Под действием солнечной энергии зеленые растения превращают углекислоту в органические соединения: углеводы, белки, жиры.

Огромную массу органических веществ в природе составляют соединения растительного происхождения. Накопление этих веществ на Земле в год достигает 50—100 млрд. т. Превращение органических веществ в минеральные соединения называется минерализацией, которая в 90% ведется микроорганизмами, в основном грибами и бактериями. Остальные 10% образуются в результате деятельности прочих организмов, при сжигании топлива, дыхании людей и животных.

Поступление в атмосферу углекислоты происходит благодаря деятельности микробов, которые в процессе дыхания и брожения разлагают разнообразные органические соединения и вновь возвращают углерод в атмосферу в форме углекислоты. Если бы не существовало углеродного цикла, то вся углекислота атмосферы была бы исчерпана примерно за 20 лет в случае отсутствия ее пополнения. В основном низшие животные и микроорганизмы обеспечивают регенерацию двуокиси углерода в ходе непрерывной минерализации органических веществ.

Несмотря на то, что Мировой океан — мощный резерв углекислого газа, за год только 10% его участвуют в обмене воздуха с океаном. Причем принимает участие в газообмене только тонкий поверхностный слой водной глади наших океанов. Отмечено, что на протяжении многих лет в воздухе непрерывно увеличивается содержание углекислого газа, что, по-видимому, связано с вырубкой лесных массивов и в результате уменьшением фиксации углекислого газа при фотосинтезе растений. Накоплению двуокиси углерода в атмосфере также способствует развитие промышленных предприятий.

Основная часть окисленной формы углерода переходит путем фотосинтеза в восстановленное состояние, в котором он находится в органических соединениях, а восстановленная форма кислорода (H2O) окисляется до молекулярного кислорода (O2). Таким образом, превращения углерода и кислорода связаны между собой посредством фотосинтеза, с одной стороны, и аэробного дыхания — с другой.

Как велика роль микроорганизмов, можно судить по тому, что верхний плодородный слой почвы изобилует ими: его толщина в 15 см может содержать около 5 т грибов и бактерий на 1 га.

В воздухе больших городов в результате сгорания различных видов топлива, а также при разложении хлорофилла и гемоглобина содержание окиси углерода в атмосфере повышается, что приводит к увеличению количества микроорганизмов, окисляющих окись углерода до углекислоты. Определенная часть углерода не участвует в круговороте. Это наблюдается при образовании известняков щ торфяных болот, где с течением времени откладывается неполностью разрушенное органическое вещество, называемое торфом. В течение целой геологической эпохи он превращается в каменный уголь. Изъятие углерода из круговорота происходит и при отложении природной нефти, газа (метана).

До возникновения жизни на Земле атмосферные газы пребывали в сильно восстановленном состоянии; азот — в виде аммиака, кислород — в виде воды, а углерод — в форме метана. В настоящее время эти элементы находятся в окисленной форме: азот и кислород — в виде простых газов (азота и кислорода), а углерод — в форме двуокиси углерода.

Исключительно важное значение для поддержания жизни на Земле имеет круговорот азота, поскольку он в виде соединений с другими элементами является необходимой составной частью белковой молекулы, и содержание его в живых организмах достигает 16—18%. В азоте нуждается все живое. Большое количество свободного азота находится в воздухе (сухой воздух содержит 78,11%. по объему свободного азота), но газообразный азот для растений недоступен, так как они усваивают азот из почвы только в виде минеральных соединений. При электрических разрядах в атмосфере образуется аммиак, который, проникая в почву с дождем, также служит источником азота для растений. В связанном состоянии азот находится в воде морей и почве в виде органических и минеральных соединений. В 1 га почвы содержится примерно от 16 до 18 т связанного азота, но растения могут использовать не более 1% общего запаса азота в почве.

Микроорганизмы, находящиеся в почве, проделывают очень большую работу, постоянно пополняя запасы азота в почве тем, что минерализуют органические соединения и в конечном процессе превращают их в аммиак. Определенные почвенные бактерии аммонийную форму азота окисляют до нитритов и нитратов. Нитраты частично усваиваются корневой системой растений, а частично восстанавливаются до аммиака и молекулярного азота.

В круговороте азота ведущее место занимает особая группа микробов, так называемые азотфиксаторы, обладающие способностью фиксировать атмосферный азот и переводить его в связанное состояние, доступное для усвоения его растениями. За счет деятельности этих микроорганизмов в почву ежегодно поступает 60—75% азота от общего содержания его в почве. Подсчитано, что культурные растения земного шара потребляют за год 100 млн. т азота, в то время как минеральных удобрений вносится только 32 млн. т, а остальной дефицит азота пополняется за счет деятельности особых микроорганизмов — азотфиксаторов.

Безжизненный газ (азот) становится источником органических веществ. Далее органические вещества растений и животных подвергаются разложению исключительно за счет «великих могильщиков» — микробов. В результате распада белков при гниении как конечный продукт образуется аммиак. Белки разлагаются многими микроорганизмами — аэробными (живущими при доступе кислорода) и анаэробными (усваивающими связанный кислород), грибами и актиномицетами. При разложении белков образуются разные продукты — двуокись углерода, аммиак, органические кислоты, сероводород и другие вещества.

Определенные микробы, открытые С. Н. Виноградским в 1890 г., претерпевают превращения, связанные с окислением аммиака, который сначала используется нитрозными микроорганизмами, а нитриты, образующиеся последними, служат источником жизни для нитратных бактерий. Этот процесс имеет прямую связь с плодородием почвы: чем богаче почва, тем большее количество азотной кислоты она может накопить.

Одновременно с накоплением азота в почве происходит обратный процесс — превращение окисленных форм азота в окислы азота или молекулярный азот. Способностью к выделению молекулярного азота обладают так называемые денитрифицирующие бактерии, которые приводят к обеднению почвы, но и это явление необходимо для замыкания круговорота и пополнения воздуха азотом.

Денитрификация — процесс, имеющий большое экологическое значение. Он лишает почву необходимого для растений азота, потери которого могут достигать при определенных условиях до 50% связанного азота. Особенно значительные потери происходят в удобренных почвах. Тем не менее денитрификация способствует накоплению определенного количества связанного азота в почве. При отсутствии денитрификации земной запас азота, включая азот атмосферы, в конце концов сосредоточился бы в океанах, и жизнь стала бы невозможной на основной части суши. Денитрификация делает пресную воду пригодной для питья, поскольку высокие концентрации ионов нитрата токсичны.

В природе происходят процессы превращения соединений серы и железа, аналогичные, круговоротам азота и углерода. Основную роль в этих явлениях играют определенные микроорганизмы (серо- и железобактерии). Специфические серобактерии осуществляют важнейшие этапы превращения серы: минерализацию органической серы, окисление минеральной серы и ее восстановление. В водоемах серобактерии окисляют ядовитый сероводород в безвредные сернокислые соли.

Сера — необходимый питательный элемент для организмов. Бактерии, окисляющие неорганические соединения серы, находят применение при разработке месторождений полезных ископаемых, в частности при микробиологическом выщелачивании меди из различных минералов, в которых медь соединена с серой. Этот способ экономически более выгоден, чем добывание меди плавкой.

Помимо биологического круговорота серы в земной атмосфере происходят важные небиологические превращения газообразных форм серы. Подсчитано, что в атмосферу ежегодно выделяется около 90 млн. т серы в форме сероводорода, который образуется биологическим путем, еще 50 млн. т — в форме оксида серы при сжигании ископаемых видов топлива и около 0,7 млн. т в форме сероводорода и оксида серы возникает в результате вулканической деятельности.

Известный ученый С. Н. Виноградский в 1888 г. обнаружил особые бактерии, окисляющие закисные соли железа в окисные (последние осаждаются в виде гидрата окиси железа вокруг их оболочки). Там, где развиваются железобактерии, скапливается большое количество гидрата окиси железа, который придает желтый цвет тому водоему, где они живут. Иногда гидрат окиси железа, отлагаемый бактериями, вызывает закупорку водопроводных и дренажных труб. Микроорганизмы принимают деятельное участие и в круговороте фосфора. Живые клетки усваивают фосфор в виде свободных фосфатных помов (PO4-3), а образуемые ими органические фосфорсодержащие соединения после смерти живых организмов подвергаются гидролизу и вновь превращаются в фосфатный ион. Микроорганизмам принадлежит ведущая роль в переводе нерастворимых органических фосфатных отложений в PO4-3.

В результате активной жизнедеятельности микробы образуют органические кислоты, а также азотную и серную, которые растворяют фосфат кальция, а образованный микробами сероводород способствует растворению фосфатов железа. Большая часть земных запасов фосфора находится в виде нерастворимых солей кальция, железа или алюминия и поэтому не может усваиваться живыми организмами. В почве растворимые фосфаты постоянно теряются, так как переносятся в моря благодаря выщелачиванию. Только фосфор возвращается на сушу, главным образом в виде отложений (гуано) морских птиц.

Все реакции, образующие в совокупности круговорот веществ, приводят к сбалансированному образованию и потреблению биологически важных элементов в биосфере.

Деятельность микроорганизмов оказывает большое влияние на окружающую нас среду. Ведь эти мельчайшие «невидимки» ежесекундно, неутомимо в огромных масштабах совершают сложные биологические процессы, которые очищают и обогащают атмосферу воздушных и водных пространств необъятного земного шара. Они ответственны за плодородие почв, а значит, и за урожаи сельскохозяйственных культур, обилие даров природы.

Все области знания в равной мере необходимы, но некоторые из них важнее других. И биологию нам следовало бы поставить на первое место, так как ее цель — понять и объяснить сущность жизни.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Этапы круговорота углерода

Наибольшее количество углерода на планете представлено в форме соединения диоксида углерода или углекислого газа CO2. Он содержится в атмосфере, растворен в водах Мирового океана. Для процессов, происходящих в атмосферных слоях, круговорот углерода происходит следующим образом:

В воде круговорот имеет меньше вариаций, но также возможны несколько способов:

Биогеохимические функции

В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.

Газовая функция осуществляется зелеными растениями, которые в процессе фотосинтеза выделяют кислород, а также растениями и животными, которые при дыхании выделяют углекислый газ, многими бактериями, восстанавливающими азот, сероводород и др.

Концентрационная функция проявляется в «захвате» живым веществом химических элементов (водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, марганца, магния, алюминия, фосфора, кремния, калия, кальция, серы, железа) и накоплении отдельными видами иода, радия и др.

Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении веществ с помощью организмов в почвах и гидросфере с образованием солей, оксидов и других соединений, в восстановлении веществ (сероводород, серное железо и др ). В результате деятельности бактерий в земной коре образовались отложения известняков, бокситов, руды и др.

Биохимическая функция связана: с питанием, дыханием и размножением; с разрушением и гниением отмерших организмов. Все эти функции проявляются в биогенной миграции атомов.

Особое место занимает функция человеческой деятельности и созданный ею круговорот выделяемых и поглощаемых промышленностью химических элементов.

Последовательность круговорота углерода

Последовательность биогенного круговорота углерода в природе всегда начинается с его потребления растениями из атмосферы и/ или воды. Далее посредством фотосинтеза углерод в растениях «разделяется» на нужные части: некоторое количество остается в растении, часть уходит в атмосферу и почву (в случае естественной гибели растения). Поглощая растения как пищу, животные продолжают распространение углерода: выдыхая его в виде углекислого газа или отдавая в почву после смерти.

Все процессы круговорота углерода неотделимы друг от друга и всегда протекают параллельно. В природе нет сеткой последовательности действий перемещения углерода, каждый из этапов протекает параллельно другому.

Результаты круговорота углерода

Элемент углерода в простейшем виде постоянно осуществляет циркуляцию между сферами планеты и живыми организмами на ней. Будучи поглощенным растениями в форме CO2, в процессе фотосинтеза он превращается в простые сахара, которые затем становятся жизненно важными элементами в цепочке питания животных. Они же, в свою очередь, преобразуя за счет метаболизма полученные вещества, отдают углерод в атмосферу в виде соединения CO2.

Также на состояние и количество углерода влияют геологические процессы. Попавший в почву углерод, превратившийся в горючее ископаемое (уголь, нефть, газ) на какое-то время исключается из дальнейшего круговорота углерода. Но как только человек производит их добычу и пускает дальше в потребление, при сжигании топливных веществ, углекислый газ возвращается в атмосферу в обильном количестве.

Значение углерода

Углерод входит в состав угольной кислоты (H2CO3), соды (Na2CO3), всех органических соединений. Это один из жизненно важных элементов. Углерод участвует в процессах дыхания, синтеза веществ, энергетического обмена.

В живых организмах элемент содержат:

Рис. 2. Структурные формулы ДНК и АТФ.

Благодаря четырём валентным электронам атом углерода способен образовывать четыре связи с атомами различных элементов. Именно этим объясняется распространённость элемента в природе в составе сложных веществ.

Роль живых организмов в круговороте углерода

Живые организмы – важна и неотъемлемая составляющая круговорота углерода. Их участие в этапах перемещения углерода и организации его естественных соединений в ходе химических реакций и физических процессов играет важную роль для его распространения и усвоения.

Поглощая углерод, входящий в состав воздуха в виде СО2, растения синтезируют его в те вещества и соединения, которые в дальнейшем обеспечивают жизнь травоядным животным и хищникам. Процесс круговорота питания напрямую связан с круговоротом углерода, который является важным химическим элементом, уровень которого должен быть поддержан на всех этапах потребления пищи животными.

Те растения, которые не идут в пищу животным, после отмирания попадают в почву. Выделяемый из них углерод становится основой для образования ископаемых, используемых человеком для организации жизнедеятельности. Появление добываемых ресурсов невозможно без микроорганизмов, которые имеют возможность разлагать сложные органические соединения до неорганических. Именно благодаря эти редуцентам (грибам и прочим простейшим организмам) происходит длительный процесс появления в почве угля, нефти и природного газа. При этом человек, как и любой другой живой организм, потребляет необходимое количество углерода не только техногенно, но и в естественных процессах работы его организма, и отдает углекислый газ в атмосферу.

Распространение углерода в Мировом океане происходит по иным принципам имеет свою специфику, но все живые организмы – обитатели морских глубин – принимают активное участие в круговом обмене углеродом как внутри своего ареала, так и по всей планете включительно.

Особенности круговорота углерода

Главной особенностью круговорота углерода является возможность консервации этого элемента. Большинство используемых сейчас ископаемых ресурсов, образовавшихся с помощью углерода миллионы лет назад, сжигаются и по факту являются завершающим этапом круговорота углерода и одновременно начинают новый, отдавая большое количество углекислого газа атмосфере.

Существует ряд статистик и оценок, по которым за год в процессе фотосинтеза появляется порядка 60 млрд тонн углерода, а разложение растений дает около 48 млрд тонн. При этом в почве оседает и начинает консервироваться не менее 10 млрд тонн. Стоит еще не упускать из внимания то, что в среднем в год сжигается порядка 4 млрд тонн топлива, а вместе с ним – 1 млрд углерода уходит в атмосферу.

Главные производители углерода на Земле – леса. При этом основными среди них являются тропические и бореальные леса. Именно они аккумулируют большую часть углерода на планете в своей биомассе и почве. В этом плане Россия – передовая в отношении лесозоны страна. Все российские леса – это 73 % бореальной лесной зоны всей планеты. А Сибирь – это 42 % из этих самых 73%.

Помимо атмосферы круговорот углерода происходит и в воде: там процесс носит более сложный характер. Связано это в первую очередь с тем, что проникновение углерода в воду значительно зависит от поступления кислорода в верхние слои океана. Общие показатели перемещаемого в Мировом океане углерода примерно вдвое меньше, чем на суше. Однако миграция углерода при этом регулярна, поэтому его уровень постоянно меняется и зависит от множества как естественных, так и антропогенных факторов.

Влияние на атмосферу

Наличие углекислоты регулировалось в течение длительного срока естественными процессами, происходящими на поверхности земли. К искусственным процессам увеличения содержания CO2, в охватывающих весь земной шар масштабах, наша цивилизация приступила в середине 20 века. Человечество, сжигая уголь, нефть и природный газ, производит огромные выбросы диоксида углерода, как отработанного и ненужного продукта в крупномасштабных процессах окисления.

Увеличение населения земли за последние сто лет в 5 раз (1900 год — 1,6 миллиарда человек, 2021 год – 7,6 миллиарда человек) также вносит существенный вклад в накопление этого газа. Производство и использование транспорта увеличивается с ростом населения. Вместе с возрастанием промышленности это приводит к значительной эмиссии CO2 в окружающий воздух. Естественные фильтровальные насосы (океаны и растения) не справляются с увеличением углекислого газа. Об этом говорят измерения, производимые постоянно в разных уголках земли. Так, наличие CO2 в доиндустриальную эпоху составляло 280 ppm, в наше время 406 ppm.

Усугубляет ситуацию вырубка и горение лесов. Пропуская ультрафиолетовое и поглощая инфракрасное (отраженное от земли) излучение углекислота способствует нагреванию океанов и атмосферы земли, образуется парниковый эффект. Увеличение и хорошее проникновение в верхние слои океанов, приводит к образованию угольной кислоты. Данный процесс вызывает окисление, что в совокупности с повышенной температурой, приводит к гибели фитопланктона, важнейшего поставщика кислорода на земле и утилизатора CO2.

Источник