Понятие биогенной миграции (стр. 2 из 3)

Индекс БГХК =

где S_б – суммаэлементов (или количество одного элемента) в годовом приросте биомассы;

S_x - сумма этих же элементов (или одного элемента), выносимых водами рек данного бассейна (или части бассейна).

3. Интенсивность (индекс интенсивности кругооборота) (Н. И. Базилевич, Л. Е. Родин,1964) - характеризует разложение опада и длительность сохранения подстилки в условиях данного биогеоценоза:

4. Средняя продолжительность общего цикла синтеза (В. А. Ковда, 1966) - отношение учтенной фитобиомассы к годичному фотосинтетическому приросту фитомассы.

5. Коэффициент биологического поглощения (КБП):

Круговорот углерода

Общая характеристика

Углерод (лат. Carboneum), символ – С - химический элемент IV группы, атомный номер – 6, атомная масса ¹²С = 12,0000 (по определению), атомная масса смеси природных изотопов – 12,011.

Основная масса углерода биосферы аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (известняки и кораллы): 1,3*10¹⁶ т, кристаллических породах - 1,0* 10¹⁶ т, каменном угле и нефти - 3,4*10¹⁵ т. Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается количеством углерода, содержащегося в растительных (5*10¹¹ т) и животных (5*10⁹ т) тканях.

История

По распространению в Космосе углерод уступает только Н, Не и О. Он присутствует в звездах и межзвездном веществе, в кометах, в атмосфере планет, в метеоритах. Вероятно, при формировании состава протокоры Земли большую роль играли углистые метеориты, содержащие значительное количество углерода. При разогревании вещества протокоры Земли углерод взаимодействовал с водой или водородом в результате чего образовались метан и оксиды углерода. Последние, достигая поверхности Земли, формировали состав ранней атмосферы. Значительно позднее, с появлением свободного кислорода в атмосфере, метан с помощью метанокисляющих микроорганизмов стал превращаться в СО₂. В настоящее время практически единственной формой углерода в атмосфере стал СО₂.

Менее реакционноспособный углерод (типа вещества каменных метеоритов, из которых, вероятно, образовалась мантия Земли) не принимал участия в газообразных соединениях, а поступал на поверхность в составе изверженных пород. Только при выветривании горных пород в окислительных условиях этот углерод также превращается в СО₂.

Оценить запасы углерода в биоте (биомассе живых организмов), атмосфере, гидросфере, почве и других подсистемах (своеобразных «резервуарах» углерода) биосферы можно лишь весьма приближенно. Две основные причины не позволяют сделать такую оценку принципиально более точной:

1) недостаток знаний и наблюдательных данных;

2) нарастающее антропогенное влияние на все элементы баланса углерода в биосфере от прямых выбросов СО₂ в атмосферу, до влияния загрязнителей на биохимические процессы субклеточного уровня.

Процессы и механизмы круговорота углерода

СО₂ поступает в атмосферу в результате клеточного дыхания и процессов сгорания.

СО₂ в атмосфере (23,5*10¹¹ т) или в растворенном состоянии в воде, служит сырьем для фотосинтеза растений и переработки углерода в органическое вещество (углеводы). Эти вещества служат углеводным питанием животным и наземным растениям.

При дыхании организмов СО₂ возвращается в атмосферу. Когда наступает смерть, то бактерии разлагают и минерализуют трупы, в результате «почвенного дыхания» углерод остатков окисляется до углекислого газа и поступает в атмосферу. Микроорганизмы, обитающие в почве, превращают накопившиеся в ней остатки в органический материал гумус. Естественными источниками СО₂ также являются извержения вулканов и лесные пожары. Из-за недостатка воздуха или высокой кислотности часть углерода покидает цикл, переходит в ископаемое состояние в виде торфа, залежей каменного угля, нефти (каустобиолиты).

Каустобиолиты (от греч. кaustos - горючий, bios - жизнь, lithos - камень) – твердые горючие ископаемые органического происхождения, представляющие собой продукты преобразования остатков растительных и животных организмов под воздействием физико-химических, биологических и геологических факторов. Термин «каустобиолиты» предложен Г. Потонье в 1888 г.

Поглощение СО₂ происходит Мировым океаном, откуда часть СО₂ покидает цикл в виде отложений известняка. Благодаря этому океан способен к дальнейшему поглощению СО₂. При повышении температуры СО₂ вновь способен выделяться из океана в атмосферу.

Однако в настоящее время человек интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе и углерода:

1. Суммарная биомасса всех домашних животных уже превышает биомассу всех диких наземных животных.

2. Площади культурных растений приближаются к площади естественных биогеоценозов, многие культурные растения экосистемы по своей продуктивности значительно превосходят природные.

3. Поступление диоксида углерода в атмосферу в результате сжигания энергоносителей ведет к глобальному нарушению теплового баланса, «парниковому эффекту». За последнее столетие содержание СО₂ увеличилось на 10%, за 33 года содержание СО₂ возросло на 25% от первоначальной величины. По прогнозам, к середине XXI века содержание СО₂ в атмосфере удвоится.

Круговорот азота

Для круговорота азота в элементарной наземной экосистеме характерны три основные «экологические проблемы»:

1) огромные запасы атмосферного азота (N₂) непосредственно не могут использоваться высшими растениями - высшие растения усваивают азот в нитратной (NО

) или аммонийной (NH ) форме;

2) неорганические соединения азота обладают высокой растворимостью, слабо удерживаются почвой и легко вымываются за пределы почвенного профиля;

3) материнские (почвообразующие) породы практически не содержат азота.

Процессы и механизмы круговорота азота

Основу круговорота азота в экосистеме составляют четыре типа процессов: азотфиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация.

1. Азотфиксация

Молекулярный азот атмосферного воздуха (N₂) может быть «зафиксирован», связан с другими химическими элементами и поступать в экосистему уже в доступной форме путем так называемой азотфиксации. Различают абиотическую и биотическую (биологическую) азотфиксацию.

Азотфиксация биологическая - усвоение молекулярного азота воздуха (N₂) азотфиксирующими бактериями с образованием соединений азота, доступных для использования другими организмами.

Азотфиксация осуществляется как свободноживущими азотфиксирующими бактериями - азотобактером, цианобактериями и др. (несимбиотическая азотфиксация), так и симбиотическимы азотфиксаторами, живущими в симбиозе с высшими растениями (например, клубеньковыми бактериями). Происходит с участием фермента нитрогеназы, которая катализирует восстановление N₂ до NH₃ в присутствии АТФ (источника энергии) и восстановителя.

Один из характерных путей попадания связанного азота в экосистему - так называемая абиотическая азотфиксация: при грозах воздух под действием электрических разрядов локально разогревается до огромной температуры (до 2000 °С), что приводит к расщеплению части молекул азота и кислорода на ионизированные атомы, которые могут реагировать друг с другом, образуя оксиды азота NO_X. Взаимодействуя с водой, оксиды азота образуют соответствующие кислоты. Например NO₂ образует азотную кислоту по схеме:

Таким путем связанный в форме нитратов азот (вместе с атмосферными осадками) попадает в экосистему. Диссоциируя в воде, азотная кислота подкисляет атмосферные осадки, а нитратный ион из почвенных растворов и водоемов легко усваивается растениями при любой реакции среды.

2. Аммонификация

Поглощенный из почвы (в нитратной и аммонийной форме) или полученный от симбиотрофов (в основном в аммонийной форме) минеральный азот, растения используют для синтеза аминокислот (белков), нуклеиновых кислот и других органических азотсодержащих соединений. Таким образом, азот из минеральной формы нахождения переходит в органическую. В составе органических соединений азот пребывает в фитомассе растений до ее отмирания и/или поедания животными-фитофагами, а также передается по пастбищной пищевой цепи экосистемы. В конечном итоге, все азотсодержащие органические соединения попадают в детритную пищевую цепь, где и происходит их разложение до минеральных форм, начинающееся с процессов так называемой аммонификации.

Аммонификация -разложение микроорганизмами азотсодержащих органических соединений (белков, мочевины, нуклеиновых кислот и др.) с образованием свободного аммиака:

3. Нитрификация

Нитрификация - процесс биологического превращения восстановленных соединений азота в окисленные неорганические по схеме:

4. Денитрификация

Денитрификация - микробиологический процесс восстановления окисленных соединений азота (нитратов, нитритов) до газообразных азотистых продуктов (обычно до N₂):