Биогеохимические циклы презентация

продукты жизнедеятельности

потребляемых элементов и их соединений. Поэтому необходим круговорот основных элементов, входящих в состав биополимеров: кислород, углерод, водород, азот, фосфор.

Дисбаланс циклов, однако, существует. Огромные массы органического вещества были выведены из оборота и образовали толщи осадочных пород. Это приводило к эволюции биосферы. Временные масштабы этих процессов соответствовали многим миллионам лет. Вектором, определявшим направление эволюции, являлись условия обитания организмов, прежде всего, содержание веществ O2, CO2, H2O .

Геологические процессы так же влияют на биогеохимические циклы. Например, поступление углекислого газа из недр компенсирует его потерю атмосферой, связанную с образованием биогенных пород.

с синтезом и разложением вещества ;
обмен веществом между экосистемой и внешней средой - захоронение остатков организмов в осадочных отложениях и поступление из окружающей среды.

обмена:
резервный фонд за пределами экосистемы;
обменный фонд внутри экосистемы с быстрым обменом между организмами и их непосредственным окружением.
По особенностям резервуаров обмена различают циклы:
содержащие газообразную составляющую;
газообразная составляющая отсутствует.

Устойчивость циклов в высокой степени зависит от присутствия в нем газообразной составляющей. Дело в том, что газ поступает в атмосферу, а потому сток вещества в водоемы и далее в донные отложения не замедлен. Таковы циклы углерода, азота и кислорода.
Если газовая составляющая отсутствует, циркуляция затруднена, так как вещество вымывается из экосистемы, и его возврат малоэффективен. Так происходит при циркуляции фосфора.

ей элементов, причем в форме определенных химических соединений
Особое значение имеет круговорот СО2, Н2О, О2. N и P .
Важны круговороты железа и серы. В современной биосфере их значение уменьшилось, но в эпоху древней жизни оно было велико.
Биота участвует в круговороте воды, перехватывая влагу корнями и тканями, далее часть воды участвует в биохимических процессах, а большая часть испаряется и возвращается в атмосферу.
Многие элементы участвуют в процессах метаболизма клетки. Нейтральные или вредные вещества, которые попадают в организм, должны выводиться из него.

Наиболее уязвимым представляется цикл СО2 , т.к. его содержание в атмосфере и гидросфере невелико.

океан – земная кора
составляет около 105 лет и определяется временем пребывания НСО3– в океанах.
С геологической точки зрения это исключительно короткий период, т.е.
цикл углерода уязвим.

Запас углерода в горных породах на несколько порядков превышает запасы обменного фонда, но он недоступны биоте.

осадков и их преобразование;

В – метаморфизм осадочных пород, выветривание метаморфических пород и их преобразование в осадочные породы;

С –субдукция океанической коры и образование
изверженных пород.

изверженных пород, вероятно, менялось. На раннем этапе преобладали изверженные породы. Начиная с архея, возрастала доля осадочных пород, разрушавшихся при выветривании, т. е. доля цикла А увеличивалась.

Сток СО2 из атмосферы и гидросферы был связан с образованием карбонатов (известняк, мел, доломит) в мелких водоемах. Накопление Скарб за период плиоцена было порядка 2∙108 т/год и в пять раз превышало накопление Сорг.

Скарб (более чем в 3 и в 2 раза соответственно) приурочено к активным фазам вулканических циклов: герцинского с максимумом в ордовик, каледонского, приходящегося на карбон, и альпийского, охватывающего мезозой и кайнозой (сл. 10).
Эпохи активизации рифтогнеза сопровождаются повышением выноса глубинного CO2 и уровня Мирового океана. Последние приводит к увеличению площади мелких морей и создает благоприятные условия для накопления карбонатов, а также активизации фотосинтеза .

Таким образом, производительность биосферы контролировалась процессами рифтогенеза по схеме
рифтогенез→дегазация Земли + увеличение площади морей→продуктивность биосферы→накопление Сорг в литосфере

СО2 в карбонатных породах и карбонатных примесях к другим породам;
3 – органический углерод (Сорг), погребенный в осадочных толщах континентов

Земли, была пропорциональна: а – интенсивности вулканической деятельности; б – площади внутриконтинентальных морей. Первая определяла ресурсы карбонатного углерода, а вторая – среду благоприятную для накопления карбонатов».
Она является общей для всех форм углерода (Скарб и Сорг),

Основываясь на связи между массой органического вещества и рифтогенезом, А. Б. Ронов, пришел к выводу:

«Жизнь на Земле и других планетах возможна до тех пор, пока планеты активны и между их недрами и поверхностью происходит обмен энергией. С энергетической смертью планет прекращается жизнь».

газа в атмосфере.

Последние 80 млн. лет содержание СО2 снижается, т.е. происходит его сток. Общая закономерность неоднократно нарушалась. Основной причиной мог быть рифтогенез.

по концентрации СО2 в пузырьках воздуха в ледниках Гренландии и Антарктиды, возраст которого достигал 105 лет. Концентрация СО2 в этот интервал времени была примерно постоянной. Следовательно, осредненный за последние 105 лет баланс можно считать равным
Δ = 0±1·104.

и выноса углерода из недр Земли весьма грубы. Эти задачи пока приходиться оставить. Но сток Сорг в осадочные породы можно оценить косвенно за длительные промежутки времени.

Последние 1 млрд. лет суммарный сток Сорг в осадочные породы составляет примерно 8 1016 млрд. т или 8∙107 т/год. За рассмотренный ранее интервал времени 105 лет это должно было привести к истощению запасов СО2 в атмосфере, но это не происходило


ВЫВОД

Дегазация Земли компенсировала сток органического углерода.

СТОК УГЛЕРОДА В ОСАДОЧНЫЕ ПОРОДЫ
И ЕГО ВЫНОС ИЗ НЕДР ЗЕМЛИ

сжигание топлива: угля, нефти, газа и др. (ежегодно выбрасывает в атмосферу более 22 млрд. т CO2);
вырубка лесов и отчуждение земель под строительство, сокращающие продуктивность биосферы;
уменьшение запасов органического вещества в почвах, которое вызвано эрозией земель и изъятием с/х продуктов:
снижение продуктивности Мирового океана и морей, связанное с загрязнением вод.

Последствия
В период 1980 - 1990 г. рост концентрации СО2 в атмосфере от ~0,03 до 0,04%.

в атмосферу
при сжигании топлива можно использовать 12C/13C

Оценки потоков углерода по его изотопному составу :
скорость накопления в атмосфере – 3,5·109 т/год,
поглощения в океане – 4·109 т/год;
выбросы при сжигании топлива – более 5·109 т/год.
Вывод. Суммарные запасы в атмосфере и гидросфере увеличиваются на 7,5∙109 т/год, из них. 5·109 т обусловлено сжиганием топлива, остальное связано с деструкцией органики.

Следствие
Структура биосферы нарушена. Она не повышает продуктивность в ответ на рост содержания CO2, как это неоднократно наблюдалось в геологической истории Земли. Биосфера - источник выбросов CO2 в размере 2,5·109 т/год.

содержания кислорода на малых глубинах. После гибели организмы погружаются и постепенно разлагаются на неорганические составляющие. Поэтому с глубиной концентрация кислорода снижается, а содержание СО2 и соединений азота и фосфора возрастает.
Допустим концентрация СО2 в атмосфере возросла. Соответственно увеличится и содержание СО2 в поверхностных водах. Это ускорит процессы фотосинтеза и приведет к стоку газа из атмосферы в океан. Так деятельность биоты океана стабилизирует концентрацию СО2 в атмосфере, а потому является фактором стабилизации климата.

Представим, что жизнь в водах океанов прекратилась. Разность концентраций в поверхностных и глубинных водах океана вызовет диффузию кислорода в глубины океана и диффузию углерода, азота, фосфора в обратном направлении. Т.к. концентрация СО2 на границе вода–атмосфера должна находиться в равновесии, СО2 начнет поступать в атмосферу и климат может измениться.

CH4. В этом регионе антропогенная активность невелика (между 60° и 70° с. ш. сжигается менее 5% топлива).
Источники поступления CO2 и CH4:
подозерные талики и прибрежные зон тундры и тайги, где в анаэробных условиях происходит деструкции органического вещества, являются круглогодичным источником CH4;
почвенная респирация – основная причина выделения CO2.
Повышение эмиссии связывают с потеплением климата, которое в Арктике выше, чем в среднем для планеты.
Две цепочки событий ускоряют рост концентрации CO2 :
1. Выбросы CO2 → изменение климата → ускорение разложения органики → дополнительные выбросы CO2;
2. Снижение продуктивности биосферы → уменьшение стока СО2 → увеличение содержания СО2 в атмосфере.

0,1% от современного уровня (точка Юри);
1% от современного уровня (точка Пастера);
10% от современного уровня (точка Беркера- Маршала).

До развития жизни источником кислорода была диссоциация воды излучением Солнца. Концентрация кислорода не превышала точки Юрии. На рубеже архея и протерозоя появляется фотосинтез и начинается накопление кислорода, но долгое время его концентрация не превышала точки Пастера. Возможна была только анаэробная жизнь.
Типичное для нижнего протерозоя чередование слоев железистых кварцитов со сланцами слюдяно-амфиболового состава указывает на частую смену окислительных и восстановительных условий.
В фанерозое уровень достигает точка Беркера-Маршала - это условие формирования в атмосфере озонового слоя, экранирующее ультрафиолетовое излучение Солнца. Становится возможной жизнь на суше, появляются растения, поступление кислорода возрастает и достигает современного уровня.

за 1,6 млрд. лет около 314∙1020 г О2.
Расход на окисления серы и железа. достигал 180∙1020 г.
Остальная часть участвовала в окислении газов (СО, CH4, H2 и др.) и в малой степени элементов пород.
Лишь небольшая часть кислорода осталась в атмосфере.

Им необходим связанный азот (аммиак, ионы аммония, нитрат- и нитрит-ионы).

Поставщики связанного азота – азотфиксирующие бактерии, грозовые разряды, при которых образуются оксиды азота, дыхание Земли. Природный поток азота в биосферу составляет порядка 14·1010 т/г.
Обратный процесс – восстановление нитрат-ионов выполняю бактерии:
аммонифицирующие - разлагают азотистые органические соединения, образуя аммиак (NH3) или ионы аммония (NH4+);
нитрификаторы - окисляют аммиак в азотистую кислоту – NO2–. (нитриты);
нитратные - переводят азотистую кислоту в азотную – NO3– (нитраты) и цикл начинается снова.

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ АЗОТА

азотных удобрений (8·1010 т/г);
источником оксидов азота (2·1010 т/г) являются многие металлургические процессы, транспорт и сжигание топлива.
Экосистем усваивают определенное количество азота. Его избыток вымывается и накапливается в водоемах
Процесс увеличения в воде биогенных элементов (не только соединений азота) называется эвтрофикацией. Это явление охватило 90% озер мира.

АНТРОПОГЕННЫЕ ПОТОКИ АЗОТА БИОСФЕРЕ

не успевают разложиться, стимулируя рост сапрофитных бактерий, в том числе болезнетворных и водных грибов. Возникают токсические эффекты, приводящие к заболеваниям и гибели животных.
Кроме того, на окисление органического вещества расходуется значительная часть кислорода. В придонных слоях окислительные условия постепенно меняются на восстановительные. В результате может происходить мобилизация органических и загрязняющих веществ из донных отложений, а также перестройка всей озерной системы – анаэробные формы жизни начинают вытеснять аэробные.
Основные меры снижения эвтрофикации: очистка стоков и контроль за использование удобрений.

ЭВТРОФИКАЦИЯ

растения могут усваивать фосфор лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты (РО4-3)
в органических соединениях выступает в форме фосфата, для которого характерна связь P‑O‑P. В клетках эти соединения являются источниками энергии, так как при гидролизе выделяют 29 кДж/моль, что значительно больше, чем при гидролизе любой другой молекулы.

В годичной продукции океана и суши содержится, соответственно, ~0,4 и ~0,2 млрд т. Более мощный поток океанов обусловлен высоким содержанием фосфора в гидробиоте,
Резервуар иона ортофосфорной кислоты в океане значителен – около 100 млрд т, но распределение неравномерно. В глубинах фосфора в 8–20 раз больше, чем в поверхностных водах. Поэтому в зоне фотосинтеза он часто дефицитен.
В минералах содержится в виде фосфатов, которые растворимы в кислых растворах, и растения поглощают фосфат-ионы из раствора.

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ФОСФОРА

в 1012 г.

Цифры около стрелок – потоки фосфора в 1012 г/год.

Резервуары: «поверхность океана» принят глубиной 300 м, «глубины океанов»
принят глубиной 3000 м

при выветривании пород. По пищевым цепям поступает от растений к другим организмам. При каждом переходе возможно окисление или гидролиз его соединений для получения организмом энергии. Далее фосфаты поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями.
Растения перехватывают только часть фосфатов, а потому они постепенно вымываются и накапливаются в водоемах. Рано или поздно фосфор поступает в воды Мирового океана и, в конце концов, его следы теряются в глубинных отложениях.

Суммарное поступление органического фосфора в океан почти на два порядка меньше, чем его минеральных форм.

ЦИКЛ ФОСФОРА

фосфора, что соизмеримо с естественным выносом его в океан.
При сжигании топлива эквивалентного 6 млрд т углерода выбрасывается около 15 млн. т фосфора.
Поступление с городскими и животноводческими стоками. .З

Последствия
Значительная часть антропогенного потока транзитом поступает в водоемы и является основной причиной их эвтрофирования.
К началу 80-х годов проблема имела уже глобальный характер, так как антропогенный поток в 4 раза превысил природный.

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА

от одной валентности к другой в зависимости от наличия кислорода, а потому круговорот серы включает восстановительные и окислительные звенья, а также превращения без изменения валентности.
Восстановленные (сульфидные ) соединения плохо растворимы, в отличие от окисленных соединений (сульфиты и сульфаты), в которых сера имеет отрицательную валентность.

Геологический круговорот серы
В земной коре сера существует, главным образом, в сульфидной (соли сероводородной кислоты) и сульфатной (соли серной кислоты) формах. Редко встречается самородная сера, которая неустойчива.
Глубинными по происхождению являются плохо растворимые сульфиды, которые поступают с термальными водами, а также газы H2S и SO2.
В кислородной среде они образуют растворимые сульфаты, которые вымываются из атмосферы и осаждается в виде гипса (CaSО4). Эти процессы начали играть заметную роль по мере накопления свободного кислорода (сл.30).
При повышенных температурах сера может восстанавливаться по схеме

CaSО4 + CH4 → CaS + CO2 + 2H2О → CaCO3+ H2S + H2O.

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ СЕРЫ

Она участвует в строении молекул аминокислот (миотин, цистин) и других соединений.
Основным резервуаром серы является литосфера. Содержание серы в современной атмосфере невелико, что связано с быстрой ее миграцией. Как отмечалось выше, круговорот серы включает восстановительные и окислительные звенья, а также превращения без изменения валентности

ОСОБЕННОСТИ ПРИРОДНОГО БИОГЕОХИМИЧЕСКОГО
ЦИКЛА СЕРЫ

Биогеохимический цикл начинается с ассимиляции сульфатов. Важнейшим звеном цикла является биогенное образование сероводорода. Сероводород или усваивается бактериями, или выделяется в атмосферу, окисляется до сульфатов и возвращается в биосферу. После гибели организма вновь образуются сульфаты.
Таким образом, цикл содержит газовую составляющую, но сероводород в современной атмосфере быстро окисляется с образование серного ангидрида, далее он, соединяясь с водой, образует серую кислоту, вымывается из атмосферы и становится доступным растениям. Часть сульфатов выносится из биосферы в водоемы. Убыль восполняется при поступлением глубинной серы.

к ее минерализации.

Ассимиляция. Растениям доступны растворимые сульфаты. При ассимиляции они восстанавливаются, образуя сульфгидрильные (-SH) и дисульфидные (–S–S–) органические соединения.

Минерализация. Серосодержащие белки разлагаются микроорганизмами с образованием двуокиси углерода, мочевины, органических кислот, аминов и, что важно для цикла серы, H2S. Этот процесс связывают с сульфатредуцирующими бактериями, способными к анаэробному дыханию в присутствии сульфатов. Их деятельность заметна в иле на дне прудов и ручьев, в болотах. Признаками служат запах сероводорода и черный как смоль ил, в котором протекает процесс.
Сероводород образуется и при восстановлении элементарной серы. Для прокариот, обитающих в гидротермах, элементная сера наиболее значимый элемент.

ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

окислительная фаза включает и органические формы серы.

Под влиянием серобактерий сероводород окисляется до свободной серы, а при избытке кислорода процесс продолжается до образования серной кислоты:
2H2S + О2 = 2H2О + 2S и 2S+ 3O2 + 2H2О = 2H2SО4.
Далее возможно вторичное использование серы растениями или ее вынос в осадочные породы
CaCO3 + H2SО4 = CaSО4 + CO2 + H2О.
При низких концентрациях более эффективно биохимическое окисление серы. Так, анаэробы используют при синтезе сероводород, а многие гетеротрофы способны окислять неорганические соединения серы.

ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

г.) поступление серы в биосферу определяют:
• дегазация Земли – 12•1012 г/год;
• выветривание осадочных пород – 42•1012 г/год;
• выбросы сернистого газа промышленностью – 65•1012 г/год.
Сток серы из биосферы оценивается в 100•1012 г/год. Подсчет баланса показывает, что постепенно сера накапливается
12 + 42 + 65 – 100 = 19•1012 г/год.

Нарушение баланса является одной из причин кислотных дождей.

может выступать в 2-х и 3-х валентной форме. По этой причине железо входит в составе гемоглобина, переносящего кислород от легких к тканям тела.

Геологический цикл
Особенность - постепенный сток железа в недра. На ранней стадии развития гравитационная дифференциация вещества привела к образованию «железного» ядра.
В докембрийскую эпоху шло окисление закисного железа (FeO). При переходе из растворимой формы (FeO) – нерастворимой формы – Fe2O3 железо выпадало в осадок, образуя отложения джеспилитов . Определенную роль в этом сыграли бактерии, окислявшие железо.

увлажнения, окислительно-восстановительной реакции среды, степени аэрации почвы.

В кислых средах железо активно мигрирует с боковым внутрипочвенным стоком, образуя скопления конкреций в болотах, луговых и глеевых почвах, мелководных озерах и лагунах. В аккумулятивных ландшафтах – осаждается в виде карбонатов, окислов разной степени гидратированности, а также фосфатов и гуматов.
В условиях щелочной среды мигрирует слабо. Влияние бактерий в круговороте этого элемента проявляется в образовании железо-марганцевых конкреций на дне водоемов.
Железо активно вовлекается в биологический круговорот, так как входит в состав многих ферментов и гемоглобина крови. Железобактерии окисляют двухвалентное железо с образованием лимонита. Диатомовые водоросли способны усваивать железо из коллоидов. После отмирания организмов и их минерализации часть железа закрепляется в почве и вновь может включаться в биологический круговорот. Растворимые формы выносятся в океаны.