Биогеохимический цикл углерода, схема круговорота газа в природе

Циркуляция химических элементов (веществ) в биосфере называется биогеохимическими циклами.

Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом.

Живые организмы играют в этих процессах решающую роль.Необходимые для жизни элементы условно называют биогенными (дающими жизнь) элементами, или питательными веществами. Различают две группы питательных веществ:

• к макротрофным веществам относятся элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.
• Микротрофные вещества включают в себя элементы и их соединения, также необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами. Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Недостаток микроэлементов может оказывать сильное влияние на живые организмы (в частности, ограничивать рост растений), так же как и нехватка биогенных элементов.

Биогенные элементы благодаря участию в круговороте могут использоваться неоднократно. Запасы биогенных элементов непостоянны: некоторая их часть связана и входит в состав живой биомассы, что снижает количество, остающееся в среде экосистемы.

И если бы растения и другие организмы в конечном счёте не разлагались, запас питательных веществ исчерпался бы, и жизнь на Земле прекратилась.

Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофных организмов, в первую очередь редуцентов, — решающий фактор поддержания круговорота биогенных элементов и сохранения жизни.

Биогеохимический цикл углерода

Рассмотрим биогеохимический цикл углерода. Естественным источником углерода, используемого растениями для синтеза органического вещества, служит углекислый газ, входящий в состав атмосферы или находящийся в растворённом состоянии в воде. Основные звенья круговорота углерода показаны на рисунке.

В процессе фотосинтеза углекислый газ превращается растениями в органическое вещество, служащее пищей животным.

Дыхание, брожение и сгорание топлива возвращают углекислый газ в атмосферу.Запасы углерода в атмосфере оцениваются в (700) млрд т, а в гидросфере — в (50) (000) млрд т. Согласно расчётам, за год в результате фотосинтеза прирост растительной массы на суше и в воде равен соответственно (50) и (180) млрд т.

Биогеохимический цикл азота

Циркуляция биогенных элементов обычно сопровождается их химическими превращениями.

Нитратный азот, например, может превращаться в белковый, затем переходить в мочевину, превращаться в аммиак и вновь синтезироваться в нитратную форму под влиянием микроорганизмов.

В биохимическом цикле азота действуют различные механизмы, как биологические, так и химические. Схема циркуляции азота в биосфере представлена на рисунке.

Биогеохимический цикл фосфора

Одним из наиболее простых циклов является цикл фосфора. Основные запасы фосфора содержат различные горные породы, которые постепенно (в результате разрушения и эрозии) отдают свои фосфаты наземным экосистемам. Фосфаты потребляют растения и используют их для синтеза органических веществ.

При разложении трупов животных микроорганизмами фосфаты возвращаются в почву и затем снова используются растениями. Помимо этого часть фосфатов выносится с током воды в море. Это обеспечивает развитие фитопланктона и всех пищевых цепей с участием фосфора. Часть фосфора, содержащаяся в морской воде, может вновь вернуться на сушу в виде гуано — экскрементов морских птиц.

Там, где они образуют большие колонии, гуано добывают как очень ценное удобрение.

Некоторые организмы могут играть исключительно важную роль в круговороте фосфора. Моллюски, например, фильтруя воду и извлекая оттуда мелкие организмы, их остатки, захватывают и удерживают большое количество фосфора. Несмотря на то что роль моллюсков в пищевых цепях прибрежных морских сообществ невелика (они не образуют плотных скоплений с высокой биомассой, их пищевая ценность невысока), эти организмы имеют первостепенное значение как фактор, позволяющий сохранить плодородие той зоны моря, где они обитают. Популяции моллюсков подобны природным аккумуляторам, только вместо электроэнергии они накапливают и удерживают фосфор, необходимый для поддержания жизни в прибрежных зонах морей. Иначе говоря, популяция этих организмов более важна для экосистемы как «посредник» в обмене веществом между живой и неживой природой (сообществом и биотопом).

Этот пример — хорошая иллюстрация того, что ценность вида в природе не всегда зависит от таких показателей, как его обилие или сырьевые качества. Эта ценность может проявляться лишь косвенно и не всегда обнаруживается при поверхностном исследовании.

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.

http://900igr.net

http://www.studmed.ru/view/lekcii-ekologiya_b85c352111d.html

Источник: https://www.yaklass.ru/p/biologia/obschie-biologicheskie-zakonomernosti/osnovy-ekologii-13908/biosfera-13976/re-683557c9-1a09-4354-8161-cfd820615fb7

Круговорот углерода

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:

• Он всегда происходит сквозь гидросферу и атмосферу и поэтому серьезно влияет на все процессы в окружающей среде, и в первую очередь, на представителей биосферы;
• На протяжении становления и развития планеты происходящие катастрофические изменения значительно влияли на эволюцию цикла.

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:

• в составе растения. Определенное количество углерода остается в клетках и задерживается в них до самого окончания жизненного цикла растения;
• переходит к травоядным. Потребляя в пищу растения, животные получают из них какую-то часть углерода, отдавая (буквально – выдыхая) его в атмосферу в виде СО2;
• от травоядных – к хищникам. По аналогичному принципу (через потребление пищи) плотоядные животные потребляют углерод и выделяют его диоксид посредством дыхательных процессов;
• попадает в грунт. Когда растение умирает, часть оставшегося в нем углерода переходит в почву. Так начинается процесс образования ряда топливных полезных ископаемых. Классическим примером может стать уголь.

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.

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:

• оставшийся в растениях после поглощения из воздуха углерод задерживается некоторой частью в них самих и уходит в почву после отмирания. Далее углерод становится материалом для «работы» редуцентов – грибов и термитов – которые, питаясь органическими веществами, разлагают их до более простой неорганики. Впоследствии вновь соединившийся с кислородом углерод в форме CO2 вернется в атмосферу;
• дополнительный способ – если растение попадает под грунт. Там, разлагаясь, оно может превратиться в ископаемое топливо, в основе которого лежит углерод. Так появляется уголь.
• вторым вариантом развития событий может стать употребление растений в пищу травоядными. Углерод попадая в организм животного, затем выходит с дыханием обратно в воздух или и в почву в процессе разложения после смерти. Также травоядное животное может стать пищей для хищников, тем самым передав ему углерод, который вернется в воздух и почву тем же образом.

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

• растворенный в воде углекислый газ в процессе газообмена регулярно циркулирует между Мировым океаном и атмосферой;
• углерод находится в составе тканей растений и животных, которые после отмирания превращаются в известняк, оседая на дне и отдавая углерод в воду.

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).

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.

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.

Источник: https://karatu.ru/krugovorot-ugleroda/

Круговорот углерода, азота, фосфора, кислорода,воды

Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО3. Лишь около 10 000 млрд т углерода находится в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ).

В неживой органике углерода: в океане — 3000 млрд т, в почве — 700 млрд т. Содержание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения — 450, поверхностные слои моря — 500, фито-, зоопланктон и рыбы — 1020.

В атмосфере воздуха в виде СО2 — около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО2 воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

В процессе фотосинтеза СО2 превращается в сахара, жиры и другие вещества. Например:

6CO2 + 6H2O + hv— С6H12O6 + 6O2. (1.1)

Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмосферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.

; 5 млрд т) и природный его диоксид — при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускаются на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбонатные осадочные породы, а неразложившееся органическое вещество — ископаемое углеродное топливо. Обмен СО2 воздуха с поверхностными морскими водами составляет: растворение в воде 100 млрд т, выделение из воды — 97 млрд т.

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организмами: а) потребление СО2 в процессе фотосинтеза органических веществ, б) выделение СО2 при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма.

Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СО2 на суше и основным хранилищем биологически связанного углерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топливо, что исключает углерод из оборота на длительное время миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО2 в результате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.

Круговорот азота

Океан воздуха, окружающий Землю, содержит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: получение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез оксидов азота в атмосфере грозовыми разрядами — 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами — 30, бобовыми — 14, синезелеными водорослями — 10; синтез азотных удобрений человеком — 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нитратов используется растениями для синтеза протеинов, являющихся составной частью всех клеток растительных и животных организмов. Содержание азота в тканях около 3%.

Протеины при отмирании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты.

Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется.

Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с участием бактерий Nitrosomonos (реакция нитрификации):

NH3 + 1,5O2 — HNO2 + H2O + 273 кДж/моль. (1.2)

Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ.

Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нитрификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в животные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СО2, Н2О, NH3. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде растворимых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенсируются соединениями азота из вулканических газов.

Денитрификация

Денитрификация — это процесс освобождения связанного азота посредством его восстановления с участием бактерий денитрификаторов. Например:

C6H12O6 + 8HNO2 — 6CO2 + 10H2O + 12N2 + 2394 кДж/моль (1.3)

Денитрификация идет в анаэробных условиях, т.е. в отсутствие кислорода как на суше (43 млрд т/год), так и в море (40 млрд т/год) с образованием 83 млрд т азота в год. На суше бактерии активны в почвах, богатых соединениями азота и углерода, особенно в навозе.

Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации (83 млрд т/год), в биосфере идет его накопление в количестве около 92 — 83 = 9 млрд т/год. Причина излишка — производство человеком избыточного количества азотных удобрений.

Таким образом, круговорот азота нарушен на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами.

Человечество ожидают новые осложнения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих отбросов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.

Круговорот фосфора

Значение фосфора для биосферы. Фосфор — составная часть важнейших для организмов органических соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав сложных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существенную роль в дыхании и размножении организмов.

При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустойчивость растений, увеличивается в них содержание ценных веществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фосфор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кислоты — ионов Н2РО4-, НРО42-. В почве их образуют три группы усвояемых фосфорных соединений: природные, органические и промышленные.

Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования — ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений составляет 20-60%. Промышленность выпускает фосфорные удобрения, которые хорошо усваиваются растениями.

Это двойной суперфосфат Са(Н2РО4)2-Н2О, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцентами); б) потребление животными (консументами), редуцентами; в) дефосфорилирование. В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн т в год.

Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложениях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс.

т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Считается, что круговорот фосфора — единственный в природе пример простого незамкнутого цикла.

Человек, производя фосфорные водорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн т в год апатита и фосфоритов. При таком расходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

Круговорот кислорода

Запасы кислорода в биосфере очень большие, примерно 50% ее массы. В ней он самый распространенный элемент. Основное количество связанного кислорода приходится на гидросферу и литосферу.

В песке его около 53%, глине 56%, воде — 89%. Свободный кислород содержится в атмосфере в количестве 1 200 000 млрд т, что составляет лишь 0,01% его общего количества.

Большая часть атмосферного кислорода — продукт фотосинтеза растений.

Схема круговорота кислорода: а) генерация растениями в процессе фотосинтеза (около 16 млрд т/год); б) потребление живыми организмами при дыхании; в) расход на окисление биогенного вещества.

C6H12O6 + 6O2 — 6CO2 + 6H2O + 2880 кДж/моль. (1.4)

Большое количество энергии, которая выделяется при дыхании и окислении веществ в организме с участием кислорода, идет на поддержание жизнедеятельности высших организмов, которая требует значительных энергетических затрат, например, при перемещениях. Для низших организмов большое выделение тепла опасно. Они приспособились проводить окисление органики в анаэробных условиях (без О2) с помощью ферментов (см. выше).

Скорость круговорота кислорода в биосфере в нашу эпоху составляет около 2500 лет.

Небольшая часть кислорода постепенно уходит в осадочные породы: карбонаты, сульфаты. Однако эти процессы идут весьма медленно и в целом не влияют на главный круговорот атмосферного кислорода.

Опасность представляет антропогенный фактор. Так, за последние 100 лет человеком при сжигании топлива изъято из атмосферы около 250 млрд т кислорода и добавлено около 380 млрд т СО2.

Ежегодный прирост расхода кислорода человеком около 5%.

Круговорот воды

Воды на Земле много — 1,5 млрд км3, но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды — 29 млн км3 (75%) — находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около 13 млн км3 — в атмосфере, 1 млн км3 — в живых организмах. Лишь всего 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км3, представляют объем ежегодно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40-45 тыс. км3)

1. испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца;

2. перенос паров воды с воздушными массами;

3. выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега;

4. поглощение воды растениями и почвой,

5. сток воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны. Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Земле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды — основы жизни, но и тепла, поглощающегося при испарении воды и выделяющегося при ее конденсации.

Круговорот воды в экосистемах

Здесь различают 4 фазы:

1. перехват, т.е. поглощение воды листьями, кроной, до того как она достигнет почвы;

2. эвапотранспирация: (лат. evaporatio — испарение, transpirere — испарение растениями) — отдача воды экосистемой в атмосферу за счет ее биологического испарения растениями и испарения с поверхности почвы;

3. инфильтрация — просачивание воды в почву, затем перенос грунтовых вод и испарение;

4. сток — потеря воды экосистемой за счет ее стока в ручьи, реки и затем в моря, океаны.

Величина эвапотранспирации — это сумма биологической тран-спирации воды растениями и испарения ее с поверхности почвы. В Европе она оценивается как 3-7 тыс. т/га в год, из них около 1 тыс. т/га за год воды испаряется с поверхности почвы.

Велика биологическая транспирации воды растениями, что необходимо для извлечения питательных веществ и поддержания температурного режима тканей. Так, за день одна береза испаряет 75 л воды, бук — 100 л, липа — 200 л, 1 га леса — 50000 л.

Коэффициент транспирации — количество воды, транспирируемое растением в сезон для создания 1 кг сухого вещества. Он весьма велик и составляет от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 т воды.

Пример схемы круговорота воды

• Рассмотрим типичное распределение осадков, количество которых составило 770 мм/год.
• Эвапотранспирация воды идет в объеме 400 мм/год и слагается из следующих видов (мм/год): перехват кронами — 10, транспирация растениями — 290, испарение с поверхности почвы — 100.
• Поверхностный сток воды, равный испарению воды с поверхности моря, составляет 370 мм/год. Его слагаемые (мм/год):

• подземный сток — 80
• физическое испарение — 265
• нужды человека — 25

Как видно из примера, растениями транспирируется почти 40% воды [« (290 / 770)-100%]. Однако на формирование биомассы используется лишь около 1% воды [« (10 / 770)-100%].

На бытовые нужды человеком расходуется порядка 3% воды.

В отличие от углерода, азота и фосфора вода проходит через экосистемы почти без потерь.

Статьи из той же категории

Источник: https://www.aboutecology.ru/ucheniya_o_biosfere/krugovorot_veschestva_v_biosfere/krugovorot_ugleroda_azota_fosfora_kisloroda_vodyi.html

Круговорот азота в природе

Азот – один из жизненно важных элементов. Азот не фиксируется в организме в свободном виде. Поэтому в круговороте азота в природе помогают бактерии.

Азот – седьмой элемент периодической таблицы Менделеева. Проявляет две валентности – III и V. В природе это двухатомный газ (N2), плохо растворимый в воде. За счёт прочной тройной связи между атомами азот является малоактивным веществом, вступающим в реакции только при нагревании или под действием катализатора.

Рис. 1. Строение молекулы азота.

Элемент присутствует в почве, воде, живых организмах в составе сложных веществ. Свободный азот относительно стабилен в атмосфере, его содержание – 78 % от общего объёма газов. Азот может принимать жидкую и твёрдую формы.

Элемент входит в состав аминокислот и белков, нуклеиновых кислот. Без азота невозможно построение ДНК.

Схему круговорота азота в природе условно можно разделить на две части – грунтовую и атмосферную. Круговорот азота через почву осуществляется следующим образом:

• в результате гниения органических веществ (растений, животных) азот превращается в аммиак (NH3);
• под действием бактерий аммиак окисляется до азотной кислоты (HNO3);
• азотная кислота вступает в реакцию с элементами почвы, образуя кислые соли (нитраты) – СаСО3, Ca(NO3)2;
• нитраты поглощают растения.

В атмосферу азот также попадает в результате гниения или при горении органических веществ, например, дров или торфа. Под действием разрядов молнии азот соединяется с кислородом, образуя оксид азота (II) – NO, а затем оксид азота (IV) – NO2. Оксиды реагируют с водой, образуя азотную кислоту. Она попадает в почву вместе с дождями, где образуются нитраты.

Кроме того, свободный азот способны усваивать азотфиксирующие бактерии и некоторые виды сине-зеленых водорослей. Азотфиксирующие бактерии (азотфиксаторы) находятся в симбиозе с растениями.

Например, клубеньковые бактерии живут на корнях бобовых растений. Азотфиксаторы могут усваивать азот в присутствии или в отсутствии кислорода, т.е. могут являться аэробами или анаэробами.

Они также синтезируют нитраты.

Рис. 2. Азотфиксирующие бактерии на клубнях.

Растения могут усваивать азот только в составе солей азотной кислоты. Вместе с листьями азот попадает сначала в организм травоядных животных (консументов первого порядка), а затем – хищных животных (консументов второго порядка). Обратно азот возвращается при гниении и в составе мочевины (CH4N2O).

Рис. 3. Схема круговорота азота в природе.

Часть нитратов окисляется специальными денитрифицирующими бактериями до свободного азота, который возвращается в атмосферу. Процесс восстановления свободного азота из сложных соединений называется денитрификацией.

Рассмотрели описание круговорота азота в природе. Азот – важный элемент, необходимый живым организмам для постройки тканей и синтеза ДНК. Свободный азот плохо вступает в реакции за счёт прочных тройных связей.

Поэтому в усвоении азота помогают бактерии, синтезируя аммиак, азотную кислоту, нитраты. В составе солей азот попадает в растения и далее по пищевой цепочке в организмы травоядных и хищных животных.

Новый цикл начинается при отмирании и разложении живых организмов.

Средняя оценка: 4.2. Всего получено оценок: 113.

Источник: https://obrazovaka.ru/himiya/krugovorot-azota-v-prirode-shema.html

Круговорот углерода и азота

Замечание 1

Круговорот углерода является наиболее интенсивным из всех известных биогеохимических циклов, продолжительность которого составляет всего 300 лет. Его запасы на Земле представлены в виде углеродсодержащих горных пород, залегающих на дне океана и в земной коре, а также в виде ископаемых видов топлива.

Углерод является основой всех органических веществ, таких как белки, жиры, углеводы и других соединений, необходимых для жизнедеятельности живых организмов.

В состав органического вещества углерод включается в процессе фотосинтеза, который затем передаётся по трофическим цепям. Ежегодно таким образом растениями усваивается порядка 46 млрд. т данного вещества.

Фитопланктон получает углерод из атмосферного углекислого газа, растворенного в воде.

Скорость циркуляции углерода между компонентами живой и неживой природы достаточно высока, при этом наибольшей подвижностью характеризуется углекислый газ, роль которого в круговороте углерода наиболее высока. Углекислый газ поступает в атмосферу вследствие дыхания живых организмов, сжигания топлива и разложения мёртвой органики.

Велики объёмы поступления углерода в атмосферу и вследствие извержений вулканов. Важную роль в процессе выделения углекислого газа в атмосферу играют и вертикальные движения земной коры, которые способствуют поднятию блоков осадочных пород и образованию островов, на которых происходит их химическое разрушение с выделением $CO_2.

$

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

В процессе круговорота часть углерода «теряется» и подвергается минерализации, а также участвует в образовании ископаемых видов топлива. Помимо этого значительная часть углерода в виде карбонатных соединений оседает на дне океана.

Замечание 2

Стоит отметить, что деятельность человека в последние сто лет направлена на разработку углеродных «захоронений», что в свою очередь способствует его повторному вовлечению в глобальный круговорот, приводя к существенному повышению концентрации углекислого газа в атмосфере. Чрезмерное накопление в атмосфере Земли данного соединения приводит к нарушению равновесных процессов в биосфере, главным из которых является образование парникового эффекта.

Не менее сложным, чем круговорот углерода является биогеохимический круговорот азота. Азот является важной структурной единицей аминокислот, выступающих строительным материалом для белков. Его основным источником является атмосфера, которая представлена им на 78%.
Преобладающее количество живых организмов может использовать азот только в виде сложных соединений с другими элементами.

Основную роль в круговороте азота играют азотфиксирующие и денитрифицирующие бактерии, которые участвуют в процессе его перевода из неорганических соединений (оксиды азота, нитраты, нитриты, аммиак, соли аммония) в другие формы.

Из воздуха азот поглощается азотфиксирующими бактериями, которые переводят его в легко усваиваемые растениями формы.

Поглощенные растениями соединения азота синтезируются в более сложные органические соединения, передача которых осуществляется по трофической цепи к консументам.

Образующиеся в процессе жизнедеятельности продуцентов и консументов соединения азота со временем попадают в почву, где под действием аммонифицирующих бактерий они восстанавливаются до аммиака и солей аммония.

Преобразование ионов аммония в нитрат-ионы, потребляемые растениями происходит в почве под действием нитратных и нитритных бактерий. А в процессе денитрифицирующих бактерий растворимые соединения азота переходят в газообразные формы, пополняющие атмосферу азотом.

Замечание 3

Стоит отметить, что определенная часть азота на долгое время выключается из круговорота, переходя в глубинные отложения в литосфере. Однако в результате вулканической и антропогенной деятельности эти потери азота полностью компенсируются.

Источник: https://spravochnick.ru/ekologiya/biogeohimicheskie_cikly_struktura_biogeohimicheskih_ciklov/krugovorot_ugleroda_i_azota/

Круговорот углерода

В биосфере Земли постоянно совершаются круговороты различных веществ, которые циркулируют между живыми организмами и оболочками планеты (атмосферой, гидросферой и литосферой).

Углерод является важнейшим химическим элементом органических веществ всех типов. Круговорот углерода в биосфере представляет собой сложную цепочку реакций. Это циклическое перемещение данного элемента между живыми существами и неорганическим миром.

В связи с тем, что углерод крайне необходим для поддержания всех жизненных форм, вмешательство в циркуляцию этого химического элемента оказывает влияние на численность и разнообразие живых организмов, существующих на Земле.

Источником углерода является атмосферный воздух, где этот элемент присутствует в форме диоксида углерода (углекислого газа). Также углекислый газ в растворенном виде (слабая угольная кислота) имеется в водах пресных и соленых водоемов. Кальций соединяется с данной кислотой, образуя минералы – карбонаты (известняк).

Общая масса растворенных и осадочных углеродсодержащих соединений равна примерно 1,8 трлн. тонн. Концентрация связанного углерода в атмосферном воздухе в виде углекислого газа составляет 0,03% от массы воздуха на уровне моря, в абсолютных величинах это составляет примерно 750 млрд. тонн.

Оценить содержание углерода в живых организмах даже ориентировочно не представляется возможным из-за их многочисленности и широкого распространения на Земле.

Элементарный углерод находится в движении постоянно. Процесс круговорота углерода начинается внутри экосистем путем потребления зелеными растениями СО2 из воздушной и водной среды при фотосинтезе. В ходе фотосинтеза диоксид углерода превращается в простые сахара, которые при дыхании растений расщепляются, отдавая организмам энергию, а часть СО2 снова выделяется в атмосферу.

Определенная доля углерода поступает затем с фитомассой к микроорганизмам и растительноядным животным. Все аэробные организмы участвуют в выведении углерода в биоценотическую среду экосистем при дыхании и брожении, когда углерод органических веществ трансформируется в углекислый газ с выделением энергии для жизнедеятельности организмов.

Также углерод возвращается в атмосферу при разложении тел животных, питающихся растениями. Углерод затем повторно используется растениями в виде углекислого газа для фотосинтеза. Это внутрисистемный круговорот углерода. Частично этот элемент выводится в атмосферу из экосистем. Циркуляция углерода тесно связана с круговоротом кислорода.

Таким образом, два важнейших биологических процесса – фотосинтез и дыхание – определяют циркуляцию углерода в биосфере.

Цикл круговорота углерода не является полностью замкнутым. На баланс углерода в планетарных масштабах влияют геологические процессы. При накоплении в таких ископаемых, как нефть, уголь, газ, известняк, др., углерод исключается из круговорота в биосфере.

В атмосферу выделяются большие количества углекислого газа при сжигании горючих углеродсодержащих ископаемых в результате деятельности промышленных предприятий.

Человек нарушает естественный круговорот углерода в природе в процессе интенсивной хозяйственной деятельности.

Только за ХХ век концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 25%, что в будущем может повлечь ускорение развития «парникового эффекта».

Источник: http://geografya.ru/biosfera/krugovorot_veshestv_v_biosfere/krugovorot_ugleroda.html

Круговорот углерода – значение в природе: схема цикла газа в биосфере, как человек воздействует на цикличность

Этот элемент присутствует в любой живой молекуле. Под воздействием внешних факторов он переходит из одной формы в другую. Круговорот углерода в природе обеспечивает возможность существования организмов на Земле. Без этих циклов превращений планета станет безжизненной.

Где присутствует углерод

По распространенности химических элементов элемент занимает 15 место. По важности — это один из основных участников геохимических реакций. Значение вещества в природе сложно недооценить. Оно переходит из неорганического состояния в органическое, строит живые клетки.

Встретить его можно в:

• атмосфере (углекислый газ 0,04 % от общей массы воздуха);
• гидросфере (в виде растворенного в водах мирового океана СО2, в составе питающихся им бактерий верхнего слоя);
• литосфере (полезные ископаемые: нефть, газ, уголь, известняк, мел);
• биосфере (в составе любых живых организмов планеты).

Все оболочки Земли тесно связаны. Освобождение элемента, переход из одного вида в другой происходит внутри каждой.

• Молекулы проникают в соседнюю сферу. Описывая кратко круговорот углерода в природе, схема выглядит так:
• это бесконечная незамкнутая цепь перехода вещества из органического состояния в неорганическое и обратно.
• С одной стороны фотосинтезирующие растения и вода, с другой стороны — гетеротрофы, то есть потребляющие организмы (животные).

Что происходит в атмосфере

Углерод в атмосфере имеется всегда. Он присутствует в виде углекислого газа (0,04 %), метана (0,0002 %), окиси углерода (следы). Количество постоянно меняется. Это связано с деятельностью человека, сезонными факторами, температурой окружающей среды.

Откуда поступает вещество

Круговорот углекислого газа в природе– это основной вид перехода и превращений в воздушной оболочке Земли. Постоянными источниками являются:

• живые существа, выдыхающие углекислоту;
• продукты разложения органических остатков (бактерии перерабатывают трупы животных, гниющие растения, выделяется СН4);
• продукты горения природного (уголь, нефть, газ) или синтетического топлива;
• выбросы вулканических газов во время извержения (первичная углекислота в атмосфере);
• пожары;
• хозяйственная деятельность человека (выделение СО2 при производстве цемента: СаСО3->СаО+СО2);
• повышение температуры мирового океана и высвобождение диоксида элемента.

Важно! Осенью и зимой содержание СО2 в воздухе выше, чем летом и весной. Так человек воздействует на круговорот углерода в природе, схема которого отыщется на порталах, посвященных защите окружающей среды.

А чем поглощается

В природе существует неустойчивое равновесие. Двуокись вещества выводится из атмосферы и замещается другими.

Воды Мирового океана поглощают углекислоту. Особенно активно процесс идет вблизи полюсов. При понижении температуры растворимость газа увеличивается.

Круговорот углерода в природе, схема — это постоянный процесс изменения концентрации газа, поглощения и замещения его кислородом.

Как идет процесс в биосфере

Оболочка соединяет все известные сферы присутствием жизни. В ней постоянно идут обменные процессы. Химические реакции, превращение энергии поддерживают существование живых существ. Круговорот углерода в биосфере самый значительный и масштабный.

Газообмен гидросферы с атмосферой

Гидросфера обменивается углекислотой с воздушной оболочкой Земли. Не весь растворенный газ возвращается обратно. Часть усваивают бактерии верхних слоев. Ими питаются микроорганизмы. Создается пищевая цепочка. Элемент переходит из неорганического состояния в органическое.

Умершие живые существа опускаются на дно. Под давлением воды отложения спрессовываются. Глубинные микроорганизмы и бактерии перерабатывают ил.

Они влияют на круговорот элемента. Образуются полезные ископаемые: газ, нефть, уголь. Углерод перешел из органического состояния в неорганическое. В таком виде он сохраняется миллионы лет.

В верхних слоях содержится больше растворенного кислорода. В нижних – диоксида элемента и азота. Баланс неустойчив. При повышении температуры концентрация газов меняется. При изменении видового состава бактерий и микроорганизмов происходит перемещение кислорода вниз, азота и СО2 — вверх. Газообмен с воздушной оболочкой нарушается.

Движение углерода в литосфере

Диоксид вещества через мелкие поры попадает в почву. Часть его растворяется водой или испаряется. Другая — перерабатывается аэробными бактериями. Плодородный слой обогащается. В благоприятной среде развиваются растения. После отмирания гумус обогащается вновь. Наблюдается бесконечный переход: неорганика – органика – неорганика.

Слои утолщаются, уплотняются. Со временем под действием внешних факторов образуются осадочные полезные ископаемые. В их состав входит данное вещество. Нефть, газ, все виды угля, торф, известняк, мел — надолго консервируют элемент в неорганическом состоянии.

Важно! Элемент в составе полезных ископаемых в круговороте временно не участвует! Цикл углерода не бывает абсолютно замкнутым.

Фотосинтез: особая часть большого кругооборота

Этот процесс по мощности соизмерим с ядерной реакцией. Более совершенного и экономного механизма производства соединений не существует.

Фотосинтез – часть круговорота элемента в биосфере. Он превращает неорганические вещества в органические. Насыщение атмосферы освобожденным кислородом регулирует газовый баланс. В результате этого процесса образуются питательные вещества: сахар, крахмал. Растения потребляют то, что сами производят.

Фотосинтез имеет две фазы: световую и темновую. Под воздействием солнечной энергии во время первой стадии происходит накопление клетками углекислого газа и воды. На этом этапе от молекулы воды отщепляется кислород. Происходит выделение газа в атмосферу.

Темновая стадия происходит без доступа солнечных лучей. Углекислота связывается. Дополнительными продуктами являются органические соединения (углеводы). Углекислый газ в природе одновременно является строительным материалом, а также источником питания, оздоравливающим планету веществом.

Схематическое изображение процесса

Важно! Круговорот карбона в природе – результат постоянных физических и химических превращений в биосфере Земли. Атомы С движутся во всех оболочках планеты.

Это полностью отражает развитие жизни.

Основная часть вещества присутствует в составе диоксида. Из атмосферы она поглощается растениями.

В процессе фотосинтеза происходит образование органических веществ и освобождение кислорода.

Схема круговорота углерода в природе отражает процесс обмена карбоном между всеми оболочками Земли. Оксид вещества (IV) из атмосферы поглощается верхними слоями гидросферы. Частично он испаряется, участвует в кругообороте воды в природе. Остальное количество перерабатывается организмами, оседает на дно. Образуются осадочные породы. Карбон на время исключается из кругооборота.

Человек разрабатывает месторождения полезных ископаемых, производит и сжигает топливо. Возвращенный в процесс диоксид снова попадает в атмосферу. Количество превышает допустимые нормы. Баланс нарушается. Биосфера не справляется с избыточным содержанием карбона. Включается механизм накопления.

Схема круговорота углерода в природе выделяет части вещества:

• присутствующие в клетках живых растений;
• попавшие в организм травоядных животных с пищей (выделяются при дыхании в виде СО2);
• попавшие в организм плотоядных существ при потреблении травоядных (выделяются при дыхании);
• отмершие части растений (при переработке организмами образуют осадочные породы).

Процесс химических и физических преобразований карбона последовательный и разомкнутый. Регулируется биосферой. Его скорость зависит от внешних факторов (температуры, влажности, скорости движения воздушных масс, деятельности человека).

Антропогенное влияние на процесс

Хозяйственная деятельность человека приводит к изменению содержания элемента в биосфере. Добыча полезных ископаемых, их переработка возвращает в кругооборот не участвующее количество вещества. Примеры того, как человечество влияет на процесс:

• сжигание топлива дополнительно увеличивает выбросы диоксида С на 22 млрд. т/год;
• изменение качественного состава пахотных земель увеличивает объем СО2 в атмосфере;
• уменьшение площади лесов снижает эффективность фотосинтеза;
• увеличение температуры вод Мирового океана увеличивает выделение углекислоты, снижает поглощение;
• загрязнение окружающей среды нарушает газообмен.

Загрязнение вод Мирового океана приводит к гибели микроорганизмов, бактерий. Процесс усваивания вещества нарушен. Газообмен прекращен. СО2 перестает растворяться. Количество в атмосфере возрастает.

Схематично выразить, как человечество негативно воздействует на круговорот углерода, можно так:

Увеличение концентрации СО2 –> ускоренный распад органических остатков –> изменение климата –> создание запасов СО2 –> уменьшение восстановительной способности биосферы –> дополнительные выбросы СО2.

В природе существуют круговороты веществ. Это цикличные незамкнутые процессы.

Значение углерода в природе велико. Этот элемент присутствует в составе любой живой молекулы, является строительным материалом и источником питания.

Круговорот углерода на планете

Цикл обращения углерода в природе

Вывод

Круговорот углерода в биосфере происходит с разной скоростью и количественным составом участвующих компонентов. Непродуманная хозяйственная деятельность человека приводит к катастрофическим последствиям. К ресурсам требуется относиться бережно.

Источник: https://uchim.guru/himiya/krugovorot-ugleroda-v-prirode.html

Биогеохимический цикл углерода на Земле. Цикл углерода, круговорот углерода, – циклическое перемещение углерода между миром живых существ и неорганическим. — презентация

1 Биогеохимический цикл углерода на Земле

2 Цикл углерода, круговорот углерода, – циклическое перемещение углерода между миром живых существ и неорганическим миром атмосферы, морей, пресных вод, почвы и скал.

Это один из важнейших биогеохимических циклов, включающий множество сложных реакций, в ходе которых углерод переходит из воздуха и водной среды в ткани растений и животных, а затем возвращается в атмосферу, воду и почву, становясь снова доступным для использования организмами.

Поскольку углерод необходим для поддержания любой формы жизни, всякое вмешательство в круговорот этого элемента влияет на количество и разнообразие живых организмов, способных существовать на Земле.

3 Источники углерода на Земле атмосфера Земли, где данный элемент присутствует в виде диоксида углерода. В течение многих миллионов лет концентрация СО 2 в атмосфере, по-видимому, существенно не менялась, составляя ок.

0,03% веса сухого воздуха на уровне моря. Хотя доля СО 2 невелика, его абсолютное количество поистине огромно – ок. 750 млрд. т. В атмосфере СО 2 переносится ветрами как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

4 Источники углерода на Земле Диоксид углерода присутствует в воде, где он легко растворяется, образуя слабую угольную кислоту Н 2 СО 3.

Эта кислота вступает в реакции с кальцием и другими элементами, образуя минералы, называемые карбонатами. Аналогичным образом количество СО 2, растворенного в океанах и пресных водах, определяется его концентрацией в атмосфере.

Общее количество растворенных и осадочных углеродсодержащих веществ оценивается примерно в 1,8 трлн. т.

5 Источники углерода на Земле Углерод в соединении с водородом и другими элементами является одним из основных компонентов клеток растений и животных. Например, в организме человека он составляет ок. 18% массы тела.

Почти такое же количество этого вещества выделяется в неорганическую среду в процессе дыхания всех живых организмов, а также в результате разложения и сгорания органических веществ.

• 6 Поступление углекислого газа в атмосферу происходит в результате: Дыхания всех организмов; Минерализации органического вещества; Выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеющих биогенное происхождение); При вулканических извержениях (до 0,01); Сжигания топлива.
• 7 Природные источники углерода атмосфера Земли 0,035%, земная кора 0,023%, почва 2% биосфера: чистый известняк 12%, живое вещество 18%, древесина 50%, каменный уголь 80%, нефть 85% по обмену.
• 8 Антропогенные источники углерода Выбросы промышленных предприятий; Транспорт; Сжигание топлива; Распашка земель; Лесные пожары.
• 9 Малый цикл углерода

10 Фотосинтез Данный процесс представляет собой цепь реакций, в ходе которых растения поглощают из атмосферы или воды диоксид углерода, связывая его молекулы с молекулами специального вещества – акцептора СО2.

В ходе других реакций, идущих с потреблением солнечной (световой) энергии, происходит расщепление молекул воды и использование высвобождающихся ионов водорода и связанного СО2 в синтезе богатых углеродом органических веществ, в том числе акцептора СО2.

1. 11 Схема фотосинтеза
2. 12 Превращения соединений углерода Фотосинтез растений и сине- зеленых водорослей 6СО 2 +6Н 2 О С 6 Н 12 О 6 +6О 2 Дыхание живых организмов С 6 Н 12 О 6 +6О 26СО 2 +6Н 2 О Анаэробное окисление С 6 Н 12 О 6 2СО 2 +2С 2 Н 5 ОН Сжигание топлива С+О 2СО 2 Осаждение с образованием карбонатов СО 2 +Н 2 ОН 2 СО 3 Са 2+ +Н 2 СО 3СаСО 3 Разложение органики в анаэробных условиях С 6 Н 12 О 6 6С+6Н 2 О
3. 13 Спасибо за внимание!

Источник: http://www.myshared.ru/slide/1265594/