Буйный А.В., каф. океанологии, IV курс.
Биогеохимический круговорот в морях
и океанах
ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
(СПбГУ)
Факультет географии и геоэкологии
Кафедра океанологии
Реферат
по теме:
«Биогеохимический
круговорот в морях и океанах»
по
курсу:
«Гидрометеорологические
аспекты охраны окружающей среды»
Выполнил:
Буйный Алексей
Васильевич
студент IV курса
Проверил:
Савчук Олег
Павлович
Санкт-Петербург
2012
Содержание
Введение……………………………………………………………………………3
Цикл углерода……………………………………………………………………..3
Цикл азота………………………………………………………………………….4
Цикл фосфора……………………………………………………………….……..6
Цикл кремния……………………………………………………………….……..8
Цикл серы………………………………………………………………………....10
Заключение…………………………………………………………………..……12
Библиография………………………………………………………………...……13
Введение.
«Биогеохимические циклы - круговорот химических веществ
из неорганической природы через живые
организмы обратно в неорганическую природу.
Эта биогенная миграция атомов совершается с использованием
солнечной энергии и энергии химических
реакций и проявляется в процессе обмена
веществ, росте и размножении организмов».
[1]
Биогеохимический круговорот
охватывает верхнюю часть литосферы, гидросферу
и нижнюю часть атмосферы. Живые организмы
способствуют замыканию круговоротов
многих элементов; кроме того, нередко
они на несколько порядков увеличивают
скорость трансформации потребляемых
веществ по сравнению со скоростью абиотического
преобразования вещества.
Биогеохимический цикл в океане
представлен круговоротами нескольких
элементов: углерода, азота, фосфора, серы,
кремния, о которых и пойдёт речь далее.
Цикл углерода.
Углерод является основой жизни,
теми «кирпичиками», которые образуют
органическое вещество. Неудивительно,
что он чрезвычайно сильно вовлечён в
биогеохимический круговорот.
Экосистемам, как наземным, так и водным,
свойственны общие принципы вовлечения
углерода в круговорот, его перемещения
и накопления. Различные экосистемы объединяются
общими углеродными потоками.
В целом круговорот углерода можно описать
так:
Углерод поступает в океан с суши со стоками
в виде карбонатов, из атмосферы в виде
углекислого газа. Далее в ходе фотосинтеза
он закрепляется в биологическом круговороте.
Автотрофы включают его в состав своего
тела за счёт образования органического
вещества и передают таким образом далее
по сетям питания. Так или иначе, в отходах
жизнедеятельности, в мёртвых организмах
соединения углерода доходят по сетям
до редуцентов, которые разлагают органическое
вещество, минерализуют углерод. Углерод
переводится из органики в неорганические
соединения, например, в CO2, что замыкает цикл. Также углекислый
газ выделяется и при процессах дыхания
на каждом звене пищевой сети.
Если рассматривать отдельно CO2, то можно сказать следующее:
Современный глобальный биогеохимический
круговорот углерода состоит из двух главных
циклов.
Первый биогеохимический цикл углерода
можно представить следующим образом:
«В основе второго цикла лежит взаимодействие
CO2 атмосферы и природных вод. Между газами
тропосферы и поверхностным слоем океана
существует подвижное равновесие. В результате
химического взаимодействия CO2 и H2O (карбонат-гидрокарбонатная система)
в Мировом океане содержится огромная
масса угольной кислоты, в пересчете на
растворенный CO2 почти в 60 раз превышающая массу углекислого
газа, находящегося в атмосфере.
Оба цикла связаны с деятельностью живых
организмов. Биосфера, глобальный круговорот
воды и карбонат-гидрокарбонатная система
регулируют циклический массообмен углерода
между атмосферой, сушей и океаном.
Характерная черта этих главных циклов
- выведение из них части углерода в форме
неживого органического вещества и карбонатов.
Если бы первый цикл был замкнутым, то
выделившийся в ходе фотосинтеза кислород
полностью тратился бы на окисление углерода.
Если бы полностью замкнутым был второй
цикл, то количество CO2 в атмосфере могло бы достичь уровня,
при котором температура ее нижних слоев
составила сотни градусов Цельсия вследствие
парникового эффекта CO2
Ключевая роль в регулировании и поддержании
баланса CO2 в атмосфере принадлежит океану. Фотосинтез
органических веществ и потребление растворенного
CO2 осуществляются в поверхностном слое
воды, куда проникает солнечный свет. Органические
же вещества могут разлагаться на любой
глубине, поэтому концентрация углекислого
газа в глубине выше, чем у поверхности.
Концентрация же CO2 на поверхности находится в равновесии
с концентрацией его в атмосфере. Биота
океана регулирует концентрацию CО2 в атмосфере и тем самым сохраняет приземную
температуру в пределах, оптимальных для
жизни». [5]
Кроме CО2, значительное количество углерода
совершает круговорот в виде CH4.
В водную толщу может поступать до 98%
метана, образующегося в восстановленной
среде донных осадков. Часть метана образуется
в водной толще, поступает из метановых
газогидратов, донных осадков, из «черных
курильщиков» в рифтовых зонах океана.
Аэробные условия существуют
в верхних слоях (150-200 м) водной толщи. В
этой зоне больше всего аэробных метанотрофов,
интенсивно окисляющих метан. Конечным
продуктом окисления метана является
углекислый газ. Метанотрофы потребляют
почти весь метан, и из морских экосистем
он поступает в атмосферу в ничтожном
количестве. Кроме того, существует гипотеза
об анаэробном окислении метана археями,
где вместо свободного кислорода используется
кислород сульфатов, но подобные процессы
мало изучены.
Цикл азота.
Азот является важным
элементом. Он входит в состав аминокислот,
нуклеиновых кислот, хлорофилла.
В цикле азота исключительную
роль играют живые организмы.
Азот поступает из
атмосферы и с суши во влажных и сухих
осаждениях, а также из атмосферы в виде
молекулярного азота N2. Молекулярный
азот обладает весьма сильной тройной
связью между атомами, что представляет
проблему для его использования многими
организмами. Цианобактерии вводят его
в биогеохимический круговорот. Цианобактерии
фиксируют азот, одним из конечных продуктов
фиксации является катион NH4. При попадании
в окислительную среду, а также под действием
бактерий-нитрификаторов он быстро «сгорает»,
образуя анион NO2 и воду, а при
дальнейшем окислении переходит в анион
NO3 в процессе
так называемой нитрификации.
Нитрифицирующие микроорганизмы
являются хемосинтетиками, используют
энергию окисления аммиака до нитритов
и нитритов до нитратов для обеспечения
всех процессов жизнедеятельности. За
счет этой энергии нитрификаторы строят
органические вещества своего тела. Окисление
аммиака при нитрификации протекает по
реакциям:
NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + 600 кДж (148
ккал).
2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 198 кДж (48 ккал).
Эти неорганические
соединения могут находиться в растворённом
виде в воде, а могут быть усвоены организмами
и включены в биогеохимический круговорот
через пищевые цепи. Соединения азота
поглощаются растениями, как фитопланктоном,
так и макрофитами. Таким образом азот
перемещается по пищевым сетям между различными
организмами и трофическим уровнями, соответственно.
При попадании в восстановительные
условия или под действием микроорганизмов-денитрификаторов
нитраты проходят процесс денитрификации,
в результате чего азот восстанавливается
сначала до аниона NO2, NH3, а потом и
до N2. Денитрификаторы
являются своего рода антагонистами нитрификаторов
и в конечном итоге способствуют возвращению
азота в атмосферу. Денитрификаторы используют
кислород нитратов при недостатке свободного
кислорода для окисления органических
веществ. Освобождающаяся энергия служит
основой для жизнедеятельности денитрификаторов.
Схема подобной реакции
приведена ниже:
5C6H12O6 + 24KNO3 = 24KHCO3 + 6CO2 + 12N2 + 18H2O + энергия
Таким образом, во всех звеньях
круговорота исключительную роль играют
живые вещества.
Рис. 1. Биологический
круговорот азота. Источник: [5].
Цикл фосфора.
Фосфор является важным
биогенным элементом. Он входит в состав
нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов,
ферментов, АТФ. Фосфор в природе находится
в основном в виде фосфат-ионов и полифосфатов.
Фосфор привносится
в экосистемы в основном в результате
выветривания горных пород. Этот элемент
«путешествует» через экосистемы одним
способом, из почвы в поверхностные воды
и окончательно в море.
В водную среду он попадает
с суши. Основной источник фосфора в океане
– речной сток. Далее соединения фосфора
встраиваются в биотический круговорот,
поглощаясь автотрофами (растениями, бактериями),
и далее передаваясь по пищевым сетям.
Останки организмов, их отходы жизнедеятельности
попадают на дно, где фосфор с течением
времени связывается с частицами донных
осадков и откладывается в толщах осадочных
пород.
Важную роль в отложении
фосфора на дне играют цианобактерии и
диатомовые водоросли. Так, например, диатомеи
в течение жизни накапливают в своих клетках
фосфор в виде полифосфатов (волютиновые
гранулы). Клетка использует полифосфаты
как запасной источник фосфора для построения
энергетических молекул.
Согласно [7], первая
точка концентрации фосфатов – это гранулы
волютина внутри клеток, а полифосфаты
в морской воде – это в большей степени
производные клеточной деятельности.
Отмирая и опускаясь на дно, клетки переносят
полифосфатные гранулы в осадок. Там клетки
распадаются, а гранулы волютина остаются
в осадке. За счёт малой растворимости
полифосфатов они остаются на дне. Таким образом, фосфор медленно
перемещается из фосфатных месторождений
на суше и мелководных океанических осадков
к живым организмам.
Фосфаты, отложенные на больших
морских глубинах, не участвуют в малом
круговороте.
Однако тектонические движения
способствуют подъёму осадочных пород
к
поверхности. Если рассматривать
геологическую историю Земли, то в результате
регрессии морское дно может стать сушей,
породы вновь подвергнутся эрозии, и круговорот
замкнётся.
Фосфор в газообразном
состоянии не встречается на Земле, что
исключает более быстрое замыкание круговорота
фосфора. Тем не менее, имеется возможность
нового включения донного фосфора в биогеохимический
круговорот. В небольшом количестве мест
Мирового океана за счёт особенностей
вращения Земли, расположения берегов
наблюдается такое явление, как апвеллинг,
проявляющееся в подъёме глубинных, придонных
вод на поверхность. Глубинные воды содержат
в себе значительное количество соединений
фосфора, поднятых со дна. Эти соединения
ассимилируются живыми организмами, и
круговорот замыкается. Но таким образом
обращается лишь относительно небольшая
часть фосфора, основная же часть проходит
по «долгому пути».
Кроме того, имеется
другая возможность изъятия фосфора из
водной среды на сушу через наземных и
наземно-воздушных хищников, питающихся
морскими существами. При таком способе
возврата фосфора на сушу он откладывается
как останки морских существ, продукты
жизнедеятельности хищников. Но этот поток
фосфора на сушу также незначителен.
Рассматривая круговорот фосфора
в масштабе биосферы за сравнительно короткий
период, можно сделать вывод,
что он полностью не замкнут.
Рис. 2. Круговорот фосфора в
биосфере. Источник: [2].
Цикл кремния.
В жизни
планеты Земля элемент кремний играет
важную роль. Он широко распространен,
содержание кремния в поверхностной земной
оболочке достигает 30%. Он входит в состав
опорных образований у растений и скелетных —
у животных. В больших количествах кремний
концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии,
губки. В морской воде кремний находится
в форме кремниевой кислоты, некоторых
её полимерных форм, аморфного кремнезёма
и некоторого количества дисперсного
кристаллического диоксида кварца, силикатов
и алюмосиликатов.
Круговорот кремния напоминает
круговорот фосфора своей незамкнутостью
при рассмотрении на коротком временном
промежутке.
«Главную
роль в биохимическом круговороте кремния
играли и играют низшие классы организмов
и растения, поглощающие его из окружающей
среды и возвращающие в измененном виде
после своей гибели.
Существенное
влияние на круговорот кремния в природе
также оказывают высшие беспозвоночные
(черви, моллюски, членистоногие, иглокожие,
оболочники и т. д.). Последние содержат
очень мало этого элемента, но следует
учитывать их огромную численность и весьма
интенсивную деятельность. При их воздействии
грунт постоянно разрыхляется, перемешивается
и размельчается, а разложение растительного
материала и высвобождение кремнезема
протекает в 2—3 раза быстрее, чем при их
отсутствии».[6]
Главным
источником кремния в океанских водах
является материковый сток. Также существенную
роль играют процессы вулканизма (в частности,
в выбросах пирокластического материала
преобладает обсидиан, т.е. диоксид кремния)
и эоловый вынос.
За начало
круговорота кремния принимается разрушение
горной породы.
«Основной
причиной его является биохимическое
действие таких организмов, как бактерии,
простейшие, грибы, водоросли и лишайники……..
Важную
роль в геохимии кремния играют бактерии,
и прежде всего силикатные. Они активно
разрушают силикаты, высвобождая кремнезем,
калий, фосфор и другие минеральные элементы
в растворимой и усваиваемой растениями
форме. Таким образом, бактерии, по-видимому,
оказались первыми живыми существами,
которые подготовили на суше условия для
появления низшей растительности…….