U biosferi, kao iu svakom ekosistemu, postoji stalan ciklus ugljenika, azota, vodonika, kiseonika, fosfora, sumpora i drugih supstanci.
Ugljični dioksid apsorbiraju biljke i proizvođači te se procesom fotosinteze pretvara u ugljikohidrate, proteine, lipide i druga organska jedinjenja. Ove supstance se koriste u hrani od strane potrošača životinja.
Istovremeno, u prirodi se događa obrnuti proces. Svi živi organizmi dišu, oslobađajući CO 2, koji ulazi u atmosferu. Mrtve biljne i životinjske ostatke i životinjski izmet razgrađuju mikroorganizmi razlagači. CO 2 se oslobađa u atmosferu. Dio ugljika se akumulira u tlu u obliku organskih spojeva.
Tokom ciklusa ugljenika u biosferi nastaju energetski resursi: nafta, ugalj, zapaljivi gasovi, treset i drvo.
Kada se biljke i životinje raspadaju, dušik se oslobađa u obliku amonijaka. Nitrifikacijske bakterije pretvaraju amonijak u soli dušične i dušične kiseline, koje biljke apsorbiraju. Neke bakterije koje fiksiraju dušik su sposobne asimilirati atmosferski dušik. Time se zatvara ciklus azota u prirodi.
Kao rezultat kruženja supstanci u biosferi dolazi do kontinuirane biogene migracije elemenata: hemijski elementi neophodni za život biljaka i životinja prelaze iz okoline u tijelo; kada se organizmi razgrađuju, ti se elementi ponovo vraćaju u sredine, odakle ulaze u organizam.
Osnovu biosfere čini ciklus organske materije, koji se odvija uz učešće svih organizama koji nastanjuju biosferu, a naziva se biotički ciklus.
Zakoni biotičkog ciklusa sadrže osnovu za dugoročno postojanje i razvoj života na Zemlji.
Čovjek je element biosfere i, kao sastavni dio biomase Zemlje, tokom cijele evolucije bio je i direktno je ovisan o prirodi koja ga okružuje.
Razvojem više nervne aktivnosti, sam čovjek postaje moćan okolišni faktor (antropogeni faktor) u daljoj evoluciji na Zemlji.
Ljudski uticaj na prirodu je dvojak – pozitivan i negativan. Ljudska aktivnost često dovodi do narušavanja prirodnih zakona.
Udio mase čovječanstva u biosferi je mali, ali je njegova aktivnost ogromna; trenutno je postala sila koja mijenja procese u biosferi.
V.I. Vernadsky tvrdi da će se biosfera prirodno transformisati u noosferu (od gr. "noos" - um" + gr. "sphere" - lopta).
Prema V. I. Vernadskom, noosfera je biosfera transformisana ljudskim radom i promenjena naučnom mišlju.
Trenutno je došao period kada čovjek mora planirati svoje ekonomske aktivnosti tako da ne narušava ustaljene obrasce u gigantskom ekosistemu koji je biosfera i ne doprinosi smanjenju biomase.
Aktivnost živih organizama u biosferi praćena je ekstrakcijom velikih količina minerala iz okoline. Nakon smrti organizama, njihovi sastavni hemijski elementi se vraćaju u životnu sredinu. Tako nastaje biogeni (uz učešće živih organizama) ciklus tvari u prirodi, odnosno kruženje tvari između litosfere, atmosfere, hidrosfere i živih organizama. Krug supstanci shvaća se kao ponavljajući proces transformacije i kretanja supstanci u prirodi, koji ima više ili manje izraženu cikličku prirodu.
Svi živi organizmi učestvuju u kruženju supstanci, apsorbujući neke supstance iz spoljašnje sredine, a druge ispuštajući u nju. Tako biljke troše ugljični dioksid, vodu i mineralne soli iz vanjskog okruženja i oslobađaju kisik u njega. Životinje udišu kisik koji oslobađaju biljke, a jedući ih, asimiliraju organske tvari sintetizirane iz vode i ugljičnog dioksida i oslobađaju ugljični dioksid, vodu i tvari iz neprobavljenog dijela hrane. Kada bakterije i gljive razgrađuju mrtve biljke i životinje, stvaraju se dodatne količine ugljičnog dioksida, a organske tvari se pretvaraju u minerale, koji ulaze u tlo i ponovno ih apsorbiraju biljke. Dakle, atomi osnovnih hemijskih elemenata neprestano migriraju iz jednog organizma u drugi, iz tla, atmosfere i hidrosfere - u žive organizme, a iz njih - u okolinu, nadoknađujući tako neživu materiju biosfere. Ovi procesi se ponavljaju beskonačan broj puta. Tako, na primjer, sav atmosferski kisik prolazi kroz živu tvar za 2 tisuće godina, sav ugljični dioksid - za 200-300 godina.
Kontinuirano kruženje hemijskih elemenata u biosferi duž više ili manje zatvorenih puteva naziva se biogeohemijski ciklus. Potreba za takvom cirkulacijom objašnjava se ograničenom zalihom njih na planeti. Da bi osigurali beskonačnost života, hemijski elementi se moraju kretati u krug. Ciklus svakog hemijskog elementa deo je opšteg velikog ciklusa supstanci na Zemlji, odnosno svi ciklusi su međusobno blisko povezani.
Krug tvari, kao i svi procesi koji se odvijaju u prirodi, zahtijeva stalan protok energije. Osnova biogenog ciklusa koji osigurava postojanje života je solarna energija. Energija vezana u organskim materijama u fazama lanca ishrane se smanjuje, jer najveći deo ulazi u okolinu u obliku toplote ili se troši na procese koji se odvijaju u organizmima, pa se u biosferi uočava protok energije i njena transformacija. . Dakle, biosfera može biti stabilna samo ako postoji stalan ciklus supstanci i priliv sunčeve energije.
Znamo da ugljik, dušik, vodonik, kisik, fosfor i sumpor formiraju žive organizme. Međutim, ovi organizmi ne mogu živjeti bez dovoljnih količina mnogih drugih elemenata – metalnih katjona.
Među njima, kalijum, kalcijum, magnezijum (ponekad natrijum) spadaju u grupu makroelemenata, jer su potrebni u velikim količinama (izraženo u stotim delovima suve materije); međutim, elementi kao što su gvožđe, bor, cink, bakar, mangan, molibden, kobalt, anjon hlora su mikroelementi i potrebni su samo u malim količinama (izraženo u delovima na milion suve materije).
Na kopnu, glavni izvor biogenih elemenata (katjona) je tlo koje ih prima prilikom razaranja matičnih stijena. Kationi se apsorbiraju u korijenu, distribuiraju raznim biljnim organima i akumuliraju se u lišću, tj. uključeni su u hranu biljojeda konzumenata naknadnih redova u lancu ishrane.
Mineralizacija mrtvih organizama vraća biogene katjone u tlo, stvarajući utisak da se ciklus može nastaviti bez prekida. Međutim, tlo se ispira kišom; kišnica nosi katjone u podzemni drenažni sistem, kao i u površinski oticaj: u rijeke, mora, ponekad u značajnim količinama.
Ispiranje je autokatalitički proces: što više napreduje, to se više koloida tla razgrađuje. Situacija postaje posebno teška u tropskim područjima: obilne kiše, slaba sposobnost upijanja zemljišnog kompleksa (mala količina humusa), iscrpljivanje tla monokulturama šećerne trske, kafe, kakaa, kukuruza i kikirikija.
Kada se šume sječu ili spaljuju za poljoprivredu, zalihe hranljivih materija mineralizovanih na ovaj način brzo se ispiraju kišom i tlo gubi svoju plodnost. Ako se na njoj privremeno zaustave usjevi, onda opet može dati život šumi, ali sekundarnoj, s manje biomase od one izvorne zajednice. Nakon ponavljanja takvih operacija, tlo će biti prekriveno sve rjeđom vegetacijom sa smanjenjem proizvodnje biomase. Prvo se formira savana, zatim stepa i na kraju pustinja. To znači da ciklus mineralnih katjona prati cikluse ugljika i dušika. U umjerenim geografskim širinama posljedice ispiranja nisu tako drastične, ali se ipak, kao rezultat sječe (potpuno u korijenu), pri čupanju panjeva i uklanjanju travnjaka uništava humus – nutritivni resurs. Posljedično, ciklus i njegova cjelovitost su narušeni: prijelaz na pustoš ili livadu, sa rijetkom vegetacijom i manjim zalihama biomase.
Biogeohemijski ciklusi
Hemijski elementi koji čine živa bića obično kruže u biosferi karakterističnim putevima: od vanjskog okruženja do organizama i opet do vanjskog okruženja. Biogenu migraciju karakteriše nakupljanje hemijskih elemenata u organizmima (akumulacija) i njihovo oslobađanje kao rezultat mineralizacije mrtve biomase (detritus). Takvi putevi kruženja hemikalija (u većoj ili manjoj meri zatvoreni), koji koriste sunčevu energiju kroz biljne i životinjske organizme, nazivaju se biogeohemijski ciklusi (bio se odnosi na žive organizme, a geo se odnosi na tlo, vazduh, vodu na površini zemlje ).
Postoje ciklusi gasnog tipa sa rezervoarima neorganskih jedinjenja u atmosferi ili okeanima (N2, O2, CO2, H2O) i ciklusi sedimentnog tipa sa manje ekstenzivnim rezervoarima u zemljinoj kori (P, Ca, Fe).
Elementi neophodni za život i otopljene soli konvencionalno se nazivaju biogeni elementi (živototvorni) ili nutrijenti. Među biogenim elementima razlikuju se dvije grupe: makrotrofne tvari i mikrotrofne tvari.
Prvi pokrivaju elemente koji čine hemijsku osnovu tkiva živih organizama. To uključuje: ugljenik, vodonik, kiseonik, azot, fosfor, kalijum, kalcijum, magnezijum, sumpor.
Potonji uključuju elemente i njihove spojeve, takođe neophodne za postojanje živih sistema, ali u izuzetno malim količinama. Takve tvari se često nazivaju mikroelementima. To su gvožđe, mangan, bakar, cink, bor, natrijum, molibden, hlor, vanadijum i kobalt. Iako su mikrotrofni elementi neophodni organizmima u vrlo malim količinama, njihov nedostatak može ozbiljno ograničiti produktivnost, kao i nedostatak nutrijenata.
Kruženje hranljivih materija obično je praćeno njihovim hemijskim transformacijama. Nitratni dušik, na primjer, može se pretvoriti u proteinski dušik, zatim u ureu, pretvoriti u amonijak i ponovo sintetizirati u nitratni oblik pod utjecajem mikroorganizama. U procese denitrifikacije i fiksacije dušika uključeni su različiti mehanizmi, kako biološki tako i kemijski.
Za razliku od dušika i ugljika, rezervoar fosfora nalazi se u stijenama koje su podvrgnute eroziji i oslobađaju fosfate u ekosisteme. Većina ih završi u moru, a dio se može vratiti na kopno putem morskih lanaca ishrane koji završavaju pticama koje jedu ribu (formacija gvana). Apsorpcija fosfora od strane biljaka ovisi o kiselosti otopine tla: kako se kiselost povećava, praktički nerastvorljivi fosfati u vodi se pretvaraju u visoko topljivu fosfornu kiselinu.
Za razliku od energije, nutrijenti se mogu više puta koristiti: njihovo kruženje je karakteristična karakteristika. Druga razlika s energijom je ta što opskrba hranjivim tvarima nije konstantna. Proces izdvajanja nekih od njih kao žive biomase smanjuje količinu koja ostaje u okruženju ekosistema.
Razmotrimo detaljnije biogeohemijske cikluse nekih supstanci. ciklus nutrijenata
1. Vodeni ciklus
Voda je u stalnom kretanju. Isparavajući sa površine rezervoara, tla, biljaka, voda se akumulira u atmosferi i, prije ili kasnije, pada u obliku padavina, obnavljajući rezerve u okeanima, rijekama, jezerima itd. Dakle, količina vode na Zemlji se ne mijenja, ona samo mijenja svoje oblike - to je ciklus vode u prirodi. Od svih padavina koje padaju, 80% pada direktno u okean. Za nas je od najvećeg interesa preostalih 20% koliko otpada na kopno, jer se većina izvora vode koje koristi čovjek nadopunjuje upravo iz ove vrste padavina. Pojednostavljeno rečeno, voda koja pada na kopno ima dva puta. Ili, skupljajući se u potocima, potocima i rijekama, završava u jezerima i akumulacijama - takozvanim otvorenim (ili površinskim) izvorima zahvata vode. Ili voda, koja prodire kroz tlo i podzemne slojeve, obnavlja rezerve podzemnih voda. Površinske i podzemne vode čine dva glavna izvora vodosnabdijevanja. Oba ova vodna resursa su međusobno povezana i imaju svoje prednosti i nedostatke kao izvor vode za piće.
U biosferi, voda, neprekidno prelazeći iz jednog stanja u drugo, čini male i velike cikluse. Isparavanje vode sa površine okeana, kondenzacija vodene pare u atmosferi i padavine na površini okeana čine mali ciklus. Ako se vodena para prenosi vazdušnim strujama do kopna, ciklus postaje mnogo komplikovaniji. U ovom slučaju, dio padavina isparava i vraća se u atmosferu, drugi hrani rijeke i rezervoare, ali se na kraju ponovo vraća u okean riječnim i podzemnim otjecanjem, čime se završava veliki ciklus. Važno svojstvo kruženja vode je da, u interakciji s litosferom, atmosferom i živom materijom, povezuje sve dijelove hidrosfere: okean, rijeke, vlagu tla, podzemne vode i atmosfersku vlagu. Voda je najvažnija komponenta svih živih bića. Podzemne vode, prodirući kroz biljno tkivo tokom procesa transpiracije, unose mineralne soli neophodne za život samih biljaka.
Najsporiji dio kruženja vode je aktivnost polarnih glečera, što odražava sporo kretanje i brzo otapanje glacijalnih masa. Nakon atmosferske vlage, riječne vode karakterizira najveća aktivnost izmjene, koja se u prosjeku mijenja svakih 11 dana. Izuzetno brza obnovljivost glavnih izvora slatke vode i desalinizacija vode u procesu ciklusa odraz su globalnog procesa dinamike vode na planeti.
2. Ciklus kiseonika
Kiseonik je najzastupljeniji element na Zemlji. Morska voda sadrži 85,82% kiseonika, atmosferski vazduh 23,15% po težini ili 20,93% po zapremini, a zemljina kora sadrži 47,2% mase. Ova koncentracija kisika u atmosferi se održava konstantnom procesom fotosinteze. U ovom procesu, zelene biljke pretvaraju ugljični dioksid i vodu u ugljikohidrate i kisik kada su izložene sunčevoj svjetlosti. Najveći dio kiseonika je u vezanom stanju; Količina molekularnog kiseonika u atmosferi procenjena je na 1,5*1015 m, što je samo 0,01% ukupnog sadržaja kiseonika u zemljinoj kori. U prirodnom životu kiseonik je od izuzetnog značaja. Kiseonik i njegovi spojevi su neophodni za održavanje života. Oni igraju vitalnu ulogu u metaboličkim procesima i disanju. Kiseonik je deo proteina, masti, ugljenih hidrata, od kojih su organizmi „izgrađeni“; Ljudsko tijelo, na primjer, sadrži oko 65% kiseonika. Većina organizama energiju potrebnu za obavljanje vitalnih funkcija dobiva oksidacijom određenih tvari uz pomoć kisika. Gubitak kiseonika u atmosferi kao rezultat procesa disanja, raspadanja i sagorevanja nadoknađuje se kiseonikom koji se oslobađa tokom fotosinteze. Krčenje šuma, erozija tla i razne površinske eksploatacije smanjuju ukupnu masu fotosinteze i smanjuju ciklus na velikim površinama. Uz to, snažan izvor kiseonika je, po svemu sudeći, fotohemijsko razlaganje vodene pare u gornjim slojevima atmosfere pod uticajem ultraljubičastih zraka sunca. Dakle, u prirodi se kontinuirano odvija ciklus kisika, održavajući konstantnost sastava atmosferskog zraka.
Pored gore opisanog ciklusa kiseonika u nevezanom obliku, ovaj element takođe završava najvažniji ciklus, budući da je deo vode.
3. Ciklus ugljika
Ugljik je šesnaesti najzastupljeniji element na Zemlji među svim elementima i čini otprilike 0,027% mase zemljine kore. U nevezanom stanju nalazi se u obliku dijamanata (najveća nalazišta su u Južnoj Africi i Brazilu) i grafita (najveća nalazišta su u Njemačkoj, Šri Lanki i SSSR-u). Kameni ugalj sadrži do 90% ugljika. U vezanom stanju, ugljenik se nalazi i u raznim fosilnim gorivima, u karbonatnim mineralima, kao što su kalcit i dolomit, kao i u sastavu svih bioloških supstanci. U obliku ugljičnog dioksida, dio je Zemljine atmosfere, u kojoj čini 0,046% mase.
Postoji stalna razmjena hemijskih elemenata između litosfere, hidrosfere, atmosfere i živih organizama Zemlje. Ovaj proces je cikličan: prelazeći iz jedne sfere u drugu, elementi se vraćaju u prvobitno stanje. Ciklus elemenata odvijao se kroz istoriju Zemlje, koja obuhvata 4,5 milijardi godina.
Ogromne mase hemikalija prenose se vodama Svjetskog okeana. To se prvenstveno odnosi na otopljene plinove - ugljični dioksid, kisik, dušik. Hladna voda na visokim geografskim širinama otapa atmosferske gasove. Dolazeći s oceanskim strujama u tropsku zonu, oslobađa ih, jer se topljivost plinova smanjuje kada se zagrije. Apsorpcija i oslobađanje gasova se dešava i tokom promene toplih i hladnih godišnjih doba.
Pojava života na planeti imala je ogroman uticaj na prirodne cikluse nekih elemenata. To se prije svega odnosi na kruženje glavnih elemenata organske tvari - ugljika, vodika i kisika, kao i vitalnih elemenata kao što su dušik, sumpor i fosfor. Živi organizmi takođe utiču na ciklus mnogih metalnih elemenata. Uprkos činjenici da je ukupna masa živih organizama na Zemlji milione puta manja od mase zemljine kore, biljke i životinje igraju vitalnu ulogu u kretanju hemijskih elemenata.
Ljudske aktivnosti takođe utiču na ciklus elemenata. Posebno je to postalo uočljivo u prošlom vijeku. Kada se razmatraju hemijski aspekti globalnih promena u hemijskim ciklusima, moraju se uzeti u obzir ne samo promene u prirodnim ciklusima usled dodavanja ili uklanjanja hemikalija prisutnih u njima kao rezultat normalnih cikličkih ili uticaja izazvanih čovekom, već i uvođenje hemikalija u okolinu koje ranije nisu postojale u okolini.priroda. Razmotrimo jedan od najvažnijih primjera cikličkog kretanja i migracije kemijskih elemenata.
Ugljik, osnovni element života, nalazi se u atmosferi u obliku ugljičnog dioksida. U okeanima i slatkim vodama Zemlje, ugljik se nalazi u dva glavna oblika: kao dio organske tvari i kao dio međusobno povezanih neorganskih čestica: bikarbonatnog jona, karbonatnog jona i otopljenog ugljičnog dioksida. Velika količina ugljika koncentrirana je u obliku organskih spojeva u životinjama i biljkama. U zemljištu ima dosta "nežive" organske materije. Ugljik litosfere se također nalazi u karbonatnim mineralima (krečnjak, dolomit, kreda, mermer). Nešto ugljika nalazi se u nafti, uglju i prirodnom plinu.
Vezna karika u prirodnom ciklusu ugljenika je ugljen-dioksid (slika 1).
Pojednostavljeni dijagram globalnog ciklusa ugljika. Brojevi u kutijama predstavljaju veličine rezervoara u milijardama tona—gigatona (Gt). Strelice pokazuju protoke, a pridruženi brojevi su izraženi u Gt/godina.
Najveći rezervoari ugljika su morski sedimenti i sedimentne stijene na kopnu. Međutim, većina ovog materijala ne stupa u interakciju s atmosferom, već kruži kroz čvrstu Zemlju na geološkim vremenskim skalama. Stoga ovi rezervoari igraju samo sporednu ulogu u relativno brzom ciklusu ugljika koji se odvija uz učešće atmosfere. Sljedeći najveći rezervoar je morska voda. Ali čak i ovdje, duboki dio okeana, gdje se nalazi najveći dio ugljika, ne stupa u interakciju s atmosferom tako brzo kao njihova površina. Najmanji rezervoari su zemaljska biosfera i atmosfera. Mala veličina potonjeg rezervoara ga čini osjetljivim čak i na male promjene u postotku ugljika u drugim (većim) rezervoarima, kao što je pri sagorijevanju fosilnih goriva.
Savremeni globalni ciklus ugljenika sastoji se od dva manja ciklusa. Prvi od njih je vezivanje ugljen-dioksida tokom fotosinteze i njegovo novo formiranje tokom života biljaka i životinja, kao i tokom razgradnje organskih ostataka. Drugi ciklus je uzrokovan interakcijom atmosferskog ugljičnog dioksida i prirodnih voda:
Tokom prošlog vijeka ljudske ekonomske aktivnosti su napravile značajne promjene u ciklusu ugljika. Spaljivanje fosilnih goriva - uglja, nafte i plina - povećalo je oslobađanje ugljičnog dioksida u atmosferu. To ne utječe mnogo na raspodjelu ugljikovih masa između Zemljinih školjki, ali može imati ozbiljne posljedice zbog jačanja efekta staklene bašte.
BIOGENI CIKLUS
Razmotrimo cikluse koji igraju najveću ulogu u biosferi, a koji uključuju biogeohemijske cikluse ugljika, dušika, kisika, sumpora i fosfora.
Ciklus ugljika. Izvori ugljika u prirodi su brojni koliko i raznoliki. U međuvremenu, samo je ugljični dioksid, koji je ili u plinovitom stanju u atmosferi ili u otopljenom stanju u vodi, izvor ugljika koji služi kao osnova za preradu.
u organsku materiju živih bića. Apsorbiran od strane biljaka tokom fotosinteze, pretvara se u šećere, au drugim biosintetičkim procesima pretvara se u proteine, lipide itd. Ove različite tvari osiguravaju ishranu ugljikohidratima životinjama i nezelenim biljkama. Saprofagne životinje i mikroorganizmi koji žive u tlu pretvaraju mrtve biljke i životinjske ostatke u novu formaciju organske tvari, manje ili više debeli sloj smeđe ili crne mase - humus. Brzina kojom organizmi koji se raspadaju djeluju na humus je daleko od iste, a lanci gljivica i bakterija koji dovode do konačne mineralizacije ugljika variraju po dužini. Ponekad lanac može biti kratak i nepotpun: organski ostaci se akumuliraju u obliku treseta i formiraju tresetišta. U nekim močvarama sa gustim pokrivačem sfagnumskih mahovina, sloj treseta može doseći 20 m ili više. Ovdje se ciklus ugljika zaustavlja. Naslage fosilnih organskih jedinjenja u obliku uglja i nafte ukazuju na stagnaciju cirkulacije na geološkoj vremenskoj skali (slika 3).
Krug ugljika također stagnira u vodi, jer se ugljični dioksid akumulira u obliku CaCO 3 (kreda, krečnjak ili koralji) hemijskog ili biogenog porijekla. Često ove mase ugljika ostaju izvan ciklusa tokom čitavih geoloških perioda, sve dok se CaCO3 ne podigne iznad površine mora u obliku planinskih lanaca. Od ovog trenutka ugljik i kalcij počinju da ulaze u ciklus zbog ispiranja vapnenca padavinama, pod utjecajem lišajeva, kao i korijena cvjetnica. Ljudske aktivnosti igraju veliku ulogu u ciklusu ugljika. Čovječanstvo godišnje potroši oko 6 10 9 tona ugljika u fosilnom obliku. Da se ugljen-dioksid koji nastaje kao rezultat sagorevanja ne uklanja iz atmosfere, godišnji porast njegovog sadržaja u vazduhu bio bi 2,3 miliona tona, dok je u poslednjih 100 godina sadržaj ugljen-dioksida porastao sa 290 na 320 miliona tona. , pri čemu više od 1/5 ovog povećanja pada u posljednjih nekoliko decenija. Dakle, ukupno povećanje sadržaja ugljen-dioksida u atmosferi je otprilike samo 1/3 količine gasa koji se oslobađa tokom sagorevanja (po apsolutnoj masi - 200 · 10 9 tona). Ostatak ugljičnog dioksida odlazi na povećanje biljne mase (jer je poznato da biljke brže rastu ako je sadržaj CO2 u atmosferi veći); dio se rastvara u okeanskim vodama. Iako je, prema nekim procjenama, biomasa zemljišta u posljednjih 100 godina mogla porasti za 15 · 10 9 tona, nema direktnih dokaza za to.
Intenzitet ljudske aktivnosti se povećava. Stopa potrošnje fosilnih goriva također raste iz godine u godinu. Za 15 godina sadržaj CO 2 u atmosferi će se povećati sa 320 na 375 -
400 miliona tona Povećanje sadržaja CO 2 u atmosferi neminovno će dovesti do povećanja temperature Zemljine površine, a samim tim i do otapanja glečera, porasta nivoa okeana i drugih jednako ozbiljnih posljedica. Stoga je čovječanstvo suočeno sa zadatkom traženja izvora energije i tehnoloških procesa u kojima sadržaj ugljičnog dioksida u zraku neće rasti tako značajnom brzinom. Također je poznato da krčenje šuma i korištenje zemljišta za puteve i zgrade smanjuju površinu zelenog pokrivača na Zemlji i smanjuju stopu asimilacije. Prilikom korištenja prirodnih fitocenoza i njihove zamjene kultiviranim, treba imati na umu potrebu održavanja općeg nivoa fotosinteze, a još bolje, osiguravanja njenog povećanja.
Ciklus azota- težak proces. Iako dušik čini 70% atmosfere, potrebna je njegova fiksacija
tako da je u obliku određenih hemijskih jedinjenja. Putevi fiksacije azota su veoma raznovrsni (slika 4). Fiksacija azota nastaje tokom vulkanske aktivnosti, tokom munjevitog pražnjenja u atmosferi, kada se vrši njegova jonizacija i tokom sagorevanja meteorita. Međutim, neuporedivo veliku ulogu u procesu fiksacije dušika imaju mikroorganizmi, kako slobodnoživući, tako i oni koji žive na korijenu u posebnim čvorićima, a ponekad i na listovima nekih biljaka.
Ogroman rezervoar slobodnog molekularnog dušika u atmosferi više biljke ne koriste direktno, jer je potrebno mnogo energije da se razbiju jake veze između atoma u molekuli N 2. Samo 0,001% dušika u biosferi vezano je za biomasu i metabolite organizama. Prijenos molekularnog dušika u vezano stanje u prirodi obavljaju mikroorganizmi koji fiksiraju dušik, koji iz njega formiraju spojeve s amino grupom NH 2 - glavnim proizvodom fiksacije dušika, koji je uključen u biogeni ciklus svih drugih organizama. : mikrobi, biljke, gljive, životinje. Nakon toga, dušikom bogata jedinjenja (amonijak, amonijevi joni, aminokiseline) oksidiraju se u vodi i tlu bakterijama koje stvaraju nitrite i nitrate u dušikove okside NO 2 i NO 3, a u posljednjoj fazi ciklusa ovi oksidi se pretvaraju se denitrifikujućim bakterijama natrag u molekularni dušik, koji ulazi u atmosferu. Svake godine bakterije pretvore najmanje 1 milijardu tona dušika u vezani oblik, dok količina vezanog dušika u mineralnim đubrivima ne prelazi 90 miliona tona godišnje.
Organizmi koji fiksiraju dušik na korijenu biljaka predstavljaju bakterije i, rjeđe, gljive. Na korijenima predstavnika porodice mahunarki i drugih biljaka različitih taksonomija razvijaju se čvorići s organizmima koji fiksiraju dušik. Prinos fiksiranog dušika za kvržičke bakterije koje žive na korijenu mahunarki često iznosi 350 kg/ha godišnje, tj. približno 100 puta veći nego kod slobodnih organizama koji fiksiraju dušik.
Vjerojatno najveća ljudska intervencija u ciklusu tvari u prirodi je industrijska fiksacija dušika. Prema K. Delwicheu (1972), industrija godišnje fiksira onoliko dušika koliko su ga fiksirali živi organizmi prije uvođenja moderne poljoprivredne tehnologije.
Ciklus kiseonika. Bez sumnje, većina kisika u atmosferi je biogenog porijekla, samo se mali dio pojavio kao rezultat fotolize (razlaganje vode na kisik i vodonik svjetlosnom energijom). Neosporna je i uloga živih bića i organske tvari u stvaranju atmosferskog ugljičnog dioksida. Može se sa sigurnošću tvrditi da je život nastao
Rice. 4. Procjena količine fiksiranog dušika izgubljenog i stečenog u biosferi u različitim procesima (P. Duvigneau, M. Tang, 1968). Tokom godine, skoro 92 miliona tona fiksiranog azota uđe u biosferu (nezasjenjene trake); otprilike 83 miliona tona (zasjenjene trake) se vrati u atmosferu kao rezultat denitrifikacije. “Nedostajućih” oko 9 miliona tona se očigledno godišnje taloži u biosferi u tlu, podzemnim vodama, jezerima, rijekama i okeanima.
na Zemlji, postepeno je dovela do pojave modernog sastava atmosfere, koji je podržan aktivnostima živih bića. U kvantitativnom smislu, kiseonik je glavna komponenta žive materije. Ako uzmemo u obzir vodu koja se nalazi u tkivima, onda, na primjer, ljudsko tijelo sadrži 62,8% kisika i 19,4% ugljika. Ako uzmemo u obzir biosferu u cjelini, ovaj element je, u usporedbi s ugljikom i vodikom, glavni među jednostavnim tvarima.
Ciklus kiseonika je veoma komplikovan sposobnošću elementa da formira brojne hemijske spojeve, predstavljene u različitim oblicima. Kao rezultat toga, nastaju mnogi epicikli koji se javljaju između litosfere i atmosfere, ili između hidrosfere i ova dva okruženja.
Kiseonik sadržan u atmosferi i brojnim površinskim mineralima (sedimentni kalciti, željezne rude) je biogenog porijekla. Ogromne postkambrijske naslage željeznih oksida ukazuju na veliku aktivnost primitivnih organizama, koji su ponekad vezali sav slobodni kisik hidrosfere u svoju biomasu i metabolite. Formiranje ozonskog ekrana u atmosferi, sposobnog da blokira najopasnije ultraljubičasto zračenje, počelo je od trenutka kada je kisik dostigao koncentraciju od približno 1% svog trenutnog sadržaja. Nakon toga su se autotrofni eukariotski organizmi mogli razviti u gornjim slojevima vode (gdje je sunčev tok bio najsnažniji), što je povećalo intenzitet fotosinteze i, shodno tome, proizvodnju kisika.
Potrošnja atmosferskog kisika i njegova zamjena primarnim proizvođačima odvija se prilično brzo. Procjenjuje se da je potrebno 2 hiljade godina da se sav atmosferski kisik potpuno obnovi. Ali potrebno je 2 miliona godina da svi molekuli vode u hidrosferi budu podvrgnuti fotolizi i ponovo ih sintetiziraju živi organizmi. Što se tiče atmosferskog ugljičnog dioksida, njegov potpuni ciklus se odvija vrlo brzo, jer je za njegovu potpunu obnovu potrebno samo 300 godina. Većina kiseonika proizvedenog tokom geoloških epoha nije ostajala u atmosferi, već je fiksirana u litosferi u obliku karbonata, sulfata, oksida gvožđa itd. Ova masa je 590 · 10 14 tona naspram 39 · 10 14 tona kiseonika koji cirkuliše u biosferi u obliku gasa ili sulfata rastvorenih u okeanskim i kontinentalnim vodama.
Ciklus sumpora. Najveći dio ciklusa ovog elementa je sedimentne prirode i javlja se u tlu i vodi u prisustvu brojnih plinovitih sumpornih spojeva, kao što su sumporovodik i sumpordioksid.
Glavni izvor sumpora koji je dostupan živim bićima su sve vrste sulfata. Dobra rastvorljivost mnogih sulfata u vodi
olakšava pristup neorganskom sumporu ekosistemima. Apsorbirajući sulfate, biljke ih obnavljaju i proizvode aminokiseline koje sadrže sumpor (metionin, cistein, cistin).
Sve vrste organskih ostataka u biocenozi razgrađuju heterotrofne bakterije, koje na kraju stvaraju sumporovodik iz sulfoproteina sadržanih u tlu.
Crni mulj, koji se prirodno javlja na dnu nekih mora (na primjer, Crnog mora), jezera, kao i u raznim slatkovodnim kontinentalnim rezervoarima nakon kontaminacije ljudi, bogati su organizmima koji razgrađuju sumpor i funkcionišu u anaerobnim uvjetima. Neke vrste bakterija, npr. Beggiatoa, može reducirati sumporovodik u elementarni sumpor. Međutim, postoje bakterije koje opet mogu oksidirati sumporovodik u sulfate, što opet povećava opskrbu sumporom dostupnim proizvođačima.
Poslednja faza ciklusa sumpora je u potpunosti sedimentna. Sastoji se od taloženja ovog elementa u anaerobnim uslovima u prisustvu gvožđa. Različite faze ovog procesa, posebno one reverzibilne, dodatno omogućavaju korištenje rezervi sedimenta.
Tako se posljednja faza ciklusa sumpora završava njegovim polaganim i postepenim akumuliranjem u duboko ležećim sedimentnim stijenama.
Ciklus fosfora. Ovaj element je jedna od glavnih komponenti žive tvari, u kojoj se nalazi u prilično velikim količinama.
Rezerve fosfora dostupne živim bićima u potpunosti su koncentrisane u litosferi. Glavni izvori anorganskog fosfora su magmatske (na primjer, apatiti) ili sedimentne (na primjer, fosforiti) stijene. Mineralni fosfor je rijedak element u biosferi, u zemljinoj kori njegov sadržaj ne prelazi 1%, što je glavni faktor koji ograničava produktivnost ekosistema. Neorganski fosfor iz stena zemljine kore uključen je u cirkulaciju ispiranjem i rastvaranjem u kontinentalnim vodama. Ulazi u kopnene ekosisteme i apsorbira ga biljke, koje uz njegovo učešće sintetiziraju različita organska jedinjenja, te su tako uključene u lance ishrane. Organski fosfati se, zajedno sa ostacima, otpadom i izlučevinama živih bića, vraćaju u zemlju, gdje se ponovo izlažu mikroorganizmima i pretvaraju u mineralne ortofosfate, spremne za konzumaciju zelenih biljaka i drugih autotrofa.
Fosfor se u vodene ekosisteme unosi tekućim vodama. Rijeke kontinuirano obogaćuju oceane fosfatima, što pospješuje razvoj fitoplanktona i živih organizama koji se nalaze na različitim nivoima slatkovodnih ili morskih lanaca ishrane.
rezervoari Povrat mineralnih fosfata u vodu vrši se putem bioreduktora.U svim vodenim ekosistemima, kao iu kontinentalnim, fosfor se nalazi u četiri oblika, odnosno nerastvorljiv ili rastvorljiv
Praćenjem svih transformacija fosfora na skali biosfere, može se primetiti da njegov ciklus nije zatvoren (slika 5.) U kopnenim ekosistemima ciklus fosfora se odvija u optimalnim prirodnim uslovima uz minimalne gubitke usled ispiranja. (fosilizacija skeleta kičmenjaka na kopnu je prilično rijedak fenomen, tako da njegov utjecaj na ciklus fosfora ne zaslužuje pažnju) U okeanu je to daleko od slučaja. To je zbog stalne sedimentacije organskih tvari, posebno ostaci ribe obogaćene fosforom, čiji se fragmenti, koje detritivori i destruktori ne koriste za ishranu, stalno akumuliraju na dnu mora. Organski fosfor se taložio u plimnom pojasu i plitkim vodama, možda
biti vraćen u ciklus nakon mineralizacije, ali to se ne odnosi na sedimente na dnu dubokomorskih zona, koje zauzimaju 85% ukupne površine okeana. Fosfati taloženi na velikim morskim dubinama isključeni su iz biosfere i više ne mogu učestvovati u ciklusu. Naravno, kako je primetio V.A. Kovda (1968), elementi biogeohemijskog sedimentnog ciklusa ne mogu se neograničeno akumulirati na dnu okeana. Tektonska kretanja doprinose sporom podizanju sedimenta nakupljenog na dnu geosinklinala na površinu. Dakle, zatvoreni ciklus sedimentnih elemenata ima trajanje mjereno geološkim periodima, tj. desetine i stotine miliona godina.
- U kontaktu sa 0
- Google+ 0
- uredu 0
- Facebook 0
