Слайд 1 - Библиотека БрГУ имени А.С. Пушкина

Биогеохимические
круговороты вещества в
биосфере
Экология, радиоэкология и основы энергосбережения
2015
И.В. Абрамова
БрГУ имени А.С. Пушкина
1. Биологический и геологический
круговороты.
2. Биогеохимические циклы.
3. Круговороты углерода, азота, фосфора,
серы.
«Мы движемся к зеленому и
заросшему сорняками миру, но это
не катастрофа. Очень важно уметь
отличить катастрофу от
деградации».
П. Витошек
1. Биологический и
геологический круговороты
Круговорот веществ повторяющиеся
процессы превращения
и перемещения
вещества в природе,
имеющие более или
менее выраженный
циклический характер.
Движение по замкнутому кругу?
Круговорот вещества
биогеохимический
круговорот
элементов
геологический,
или большой
биологический,
или малый
Геологический, или большой
процесс миграции веществ, осуществляемый под
влиянием абиотических факторов: выветривания,
эрозии, движения вод, магматических процессов и т.д.
Биологический, или малый
живые организмы
аккумуляция
деструкция,
минерализация
гидросфера, педосфера и
атмосфера
Биологический круговорот
Продуценты
Редуценты
Консументы
Техногенный круговорот
2. Биогеохимические циклы
обмен веществом и энергией между
различными компонентами
биосферы, обусловленный
деятельностью живых организмов и
носящих цикличный характер
Виноградский С.Н.
(1856-1953)
Сергей Николаевич
Виноградский
1896 г.
Жизнь - система взаимосвязанных
биогеохимических циклов, катализируемых
живыми существами
В.И. Вернадский 1910 г.

Циклические элементы:
С H N О P S
Ca
Cl
Cu Fe I
Движущие силы:
энергия Солнца и деятельность живого вещества
Обратимость 95-98%
С H N О P S




99% живого вещества приходится на 4
элемента О С H N
За исключением фосфора все образуют
летучие соединения
Азот находится в малодоступной для
живых организмов форме
Водород – единственный биоген, который
имеет незамкнутый планетарный цикл
(диссипация)
С H N О P S

Циклы водорода и кислорода движимы
общими абиотическими силами
(геологический круговорот воды)

Высокое содержание кислорода в
атмосфере эквивалентно количеству
углерода, выведенному из круговорота
2 части запаса вещества
Вещество
резервный фонд
газообразный
осадочный
N, О, С
Р, S
обменный
фонд
Время, достаточное для полного оборота вещества
Вещество
Углекислый газ атмосферы (через фотосинтез)
Кислород атмосферы (через фотосинтез)
Вода океана (путём испарения)
Азот атмосферы (путём окисления
электрическими разрядами, фотохимическим
путём и биологической фиксацией)
Вещество континентов (путём денудации —
выветривания)
Время
(годы)
300
2000
106
108
108
3. Круговороты С H N О P S
Самые распространенные элементы
 Во Вселенной:
H, He, O, C, N
 На Земле:
Fe, O, Si, Mg, Ni
 В литосфере и земной коре Земли:
O, Si, Al, Fe, Ca
 В живом веществе: O, C, H, Ca, N
Углерод: в земной коре 0,055%, в атмосфере 0,008%,
в живом веществе 18% (45% в сухом виде)
Круговорот углерода. Роль С
а) Все формы жизни на Земле основаны на соединениях
углерода;
б) Способность атома углерода создавать цепи и кольца
обеспечивает разнообразие органических соединений;
в) Реакции окисления и восстановления соединений
углерода в экосфере обусловливают глобальное
распространение и баланс углерода, кислорода, а
также и многих других химических элементов;
г) Углекислый газ (СО2) и метан (СН4) играют
определяющую роль в антропогенном парниковом
эффекте.
Фотосинтез
1783г.
Аноксигенный
СО2 + Н2S + свет → (СН2О) + 2S
Оксигенный
СО2 + Н2О +свет → (СН2О) + О2
Дыхание
(СН2О) + О2 → СО2 + Н2О + энергия
Митохондрия
Биогеохимический круговорот углерода
Период обращения 300 лет
Rattan Lal Carbon sequestration // Phil. Trans. R. Soc. B 2008 363, 815-830
Биогеохимический круговорот кислорода
по П. Агесс
Период обращения атмосферного кислорода 2000 лет,
кислорода, содержащегося в воде – 2 000 000 лет
Биогеохимический круговорот азота
1887 г. С.Н. Виноградский
в присутствии катализаторов
при температуре 500о и давлении
300 атм
Атмосферная
фиксация
100 млн. т
Промышленная
фиксация
100 млн. т
Биологическая
фиксация
1 млрд. т
Круговорот азота
Азотфиксация
NO2
Rhizobium
Azotobacter
белок
N2
Только в
бескислородной
среде!
Денитрификация
Аммонификация
2HNO3 → 2HNO2 → N2O → N2.
NO2-, NO3Nitrosomonas
Nitrobacter
NH3
Нитрификация
Нарушения круговорота
азота



Применение азотных удобрений
Сжигание ископаемого топлива
Увеличение площадей под бобовыми
растениями
Круговорот фосфора. Роль Р
Входит в состав
 нуклеиновых кислот,
 систем переноса энергии (АДФ, АТФ),
 клеточных мембран,
 в организмах животных - костной ткани,
дентина.
Биогеохимический круговорот фосфора
фосфориты, апатиты
седиментация
Нарушения круговорота
фосфора



Внесение фосфорных удобрений
Использование синтетических моющих
средств (фосфатных)
Стоки с животноводческих ферм
Фосфор - основной фактор,
лимитирующий рост
первичной продукции
биосферы
Эвтрофикация водоемов
Цветение воды
Биогеохимический круговорот серы
Тиобациллы
Важнейшие соединения
серы:
SO2
• Извержение вулканов
• Сжигание топлива
H2 S
• Гниение органических остатков в
анаэробных условиях
CH3SCH3
SO42-
• Образуется морским
фитопланктоном
• Из морской воды при высыхании
капель
Аминокислоты: метионин, цистеин, цистин
Роль микроорганизмов





Desulfovibrio - SO4 → H2S (анаэробное
восстановление сульфата)
анаэробные гетеротрофы органическая S в H2S
бесцветные, зеленые и пурпурные
серобактерии - H2S → S →SO4
тиобациллы - H2S → SO4 (аэробное
окисление сульфида)
аэробные гетеротрофы - органическая
S в SO4
Нарушения круговорота
серы


Сжигание ископаемого топлива
Переработка серосодержащих руд,
получение элементарной серы
Сергей Николаевич
Виноградский
(1856-1953)
Георгий Александрович
Заварзин
(1933 - 2011)
Г.А. Заварзин. Антипод ноосферы
Вестник Российской Академии наук, 2003, том 73, М 7, с. 627-636
http://www.ras.ru