Цикълът на кислород, въглерод, азот, фосфор и сяра в биосферата - Екология
цикъл на кислород, въглерод,
и сярата в биосферата"
Кислородът е най-разпространеният елемент на Земята. Морската вода съдържа 85,82% кислород, атмосферният въздух - 23,15% тегловни или 20,93% обемни, а в земната кора - 47,2% тегловни. Тази концентрация на кислород в атмосферата се поддържа постоянна чрез процеса на фотосинтеза. В този процес зелените растения използват слънчева светлина, за да превърнат въглеродния диоксид и водата във въглехидрати и кислород. Основната маса на кислорода е в свързано състояние; количеството молекулярен кислород в атмосферата се оценява на 1,5 * 10 15 m, което е само 0,01% от общото съдържание на кислород в земната кора. В живота на природата кислородът е от изключително значение. Кислородът и неговите съединения са незаменими за поддържането на живота. Те играят важна роля в метаболитните процеси и дишането. Кислородът е част от протеините, мазнините, въглехидратите, от които са "изградени" организмите; човешкото тяло, например, съдържа около 65% кислород. Повечето организми получават енергията, от която се нуждаят, за да изпълняват жизнените си функции, като окисляват определени вещества с помощта на кислород. Намаляването на кислорода в атмосферата в резултат на процесите на дишане, гниене и горене се компенсира от кислорода, отделен по време на фотосинтезата. Обезлесяването, ерозията на почвата, различни минни работи на повърхността намаляват общата маса на фотосинтезата и намаляват циркулацията на големи площи. Наред с това мощен източник на кислород очевидно е фотохимичното разлагане на водните пари в горните слоеве на атмосферата под въздействието на ултравиолетовите лъчи на слънцето. Така в природата цикълът на кислорода се извършва непрекъснато,поддържане на постоянен състав на атмосферния въздух.
В допълнение към описания по-горе кръговрат на кислорода в несвързана форма, този елемент извършва и най-важния цикъл, като е част от водата. Водният цикъл (H2O) се състои в изпаряване на водата от повърхността на сушата и морето, пренасянето й от въздушни маси и ветрове, кондензация на пари и последващи валежи под формата на дъжд, сняг, градушка, мъгла.
Въглеродът е шестнадесетият най-разпространен елемент на земята, представляващ приблизително 0,027% от масата на земната кора. В несвързано състояние се среща под формата на диаманти (най-големите находища в Южна Африка и Бразилия) и графит (най-големите находища в Германия, Шри Ланка и СССР). Кадрите въглища съдържат до 90% въглерод. В свързано състояние въглеродът влиза и в различни изкопаеми горива, в карбонатни минерали, като калцит и доломит, а също и в състава на всички биологични вещества. Под формата на въглероден диоксид той е част от земната атмосфера, в която представлява 0,046% от масата.
Въглеродът е от изключително значение за живата материя (живата материя в геологията е съвкупността от всички организми, обитаващи Земята). Милиони органични съединения се създават от въглерод в биосферата. Въглеродният диоксид от атмосферата в процеса на фотосинтеза, извършван от зелените растения, се асимилира и превръща в различни органични съединения на растенията. Растителните организми, особено по-ниските микроорганизми, морският фитопланктон, поради изключителната скорост на възпроизводство, произвеждат около 1,5 * 10 11 m въглерод годишно под формата на органична материя. Растенията се изяждат частично от животни (в този случай се образуват хранителни вериги). В крайна сметка органичната маса в резултат на дишане, гниене и изгаряне се превръща ввъглероден диоксид или се отлага под формата на сапропел, хумус, торф, които от своя страна пораждат много други съединения - въглища, нефт. В процесите на разлагане на органични вещества, тяхната минерализация, бактериите (например гнилостни), както и много гъбички (например плесени) играят огромна роля. Много малка част от общата маса на въглерода участва в активния кръговрат на въглеродния диоксид жива материя. Огромно количество въглероден диоксид се съхранява под формата на изкопаеми варовици и други скали.
Съществува динамично равновесие между атмосферния въглероден диоксид и океанската вода. Организмите абсорбират калциев карбонат, създават своите скелети и след това от тях се образуват варовикови слоеве. Атмосферата се попълва с въглероден диоксид поради процесите на разлагане на органични вещества, карбонати и др. Вулканите са особено мощен източник, чиито газове се състоят главно от водна пара и въглероден диоксид.
Азотът навлиза в земната атмосфера в несвързан вид под формата на двуатомни молекули. Приблизително 78% от общия обем на атмосферата е азот. Освен това азотът се намира в растенията и животните под формата на протеини. Растенията синтезират протеини, използвайки нитрати от почвата. Нитратите се образуват там от атмосферния азот и амониеви съединения, присъстващи в почвата. Процесът на превръщане на атмосферния азот във форма, използваема от растения и животни, се нарича азотна фиксация (или фиксация).
По време на гниенето на органичните вещества значителна част от съдържащия се в тях азот се превръща в амоняк, който под въздействието на нитрифициращи бактерии, живеещи в почвата, след това се окислява до азотна киселина. Последният, реагирайки с карбонати в почвата, например калциев карбонат CaCO3, образува нитрати:
2HN03 + CaCO3\u003d Ca (NOz) 2 + SOS + H0H
Част от азота винаги се освобождава по време на гниене в свободна форма в атмосферата. Свободният азот се отделя и при изгарянето на органични вещества, при изгарянето на дърва за огрев, въглища и торф. Освен това има бактерии, които при недостатъчен достъп на въздух могат да поемат кислород от нитратите, унищожавайки ги с освобождаването на свободен азот. Дейността на тези денитрифициращи бактерии води до факта, че част от азота от достъпната за зелените растения форма (нитрати) преминава в недостъпна форма (свободен азот). По този начин далеч не целият азот, който е бил част от мъртвите растения, се връща обратно в почвата; част от него постепенно се освобождава в свободна форма.
Непрекъснатата загуба на минерални азотни съединения отдавна трябваше да доведе до пълното спиране на живота на Земята, ако в природата нямаше процеси, които компенсират загубата на азот. Тези процеси включват, на първо място, електрически разряди, възникващи в атмосферата, по време на които винаги се образува определено количество азотни оксиди; последните с вода дават азотна киселина, която се превръща в нитрати в почвата. Друг източник на попълване на азотни съединения в почвата е жизнената дейност на така наречените азотобактерии, които са способни да усвояват атмосферния азот. Някои от тези бактерии се заселват по корените на растенията от семейство Бобови, като предизвикват образуването на характерни подутини – „нодули“, поради което се наричат нодулни бактерии. Поглъщайки атмосферния азот, нодулните бактерии го превръщат в азотни съединения, а растенията от своя страна ги превръщат в протеини и други сложни вещества.
Така в природата протича непрекъснат цикъл на азота. Въпреки това всяка година с прибирането на реколтата най-богатите на протеини части се отстраняват от нивите.растения, като зърно. Ето защо е необходимо да се прилагат торове в почвата, като се компенсира загубата в нея на най-важните хранителни вещества за растенията. Основните употреби са калциев нитрат Ca(NO3)2, амониев нитрат NH4NO3, натриев нитрат NANO3 и калиев нитрат KNO3. Например в Тайланд листата на левкената се използват като органичен тор. Leukaena принадлежи към бобовите растения и като всички тях съдържа много азот. Поради това може да се използва вместо химически тор.
Напоследък се наблюдава увеличение на съдържанието на нитрати в питейната вода, което се дължи главно на засиленото използване на изкуствени азотни торове в селското стопанство. Въпреки че самите нитрати не са толкова опасни за възрастните, те могат да се превърнат в нитрити в човешкото тяло. Освен това нитратите и нитритите се използват за обработка и консервиране на много храни, включително шунка, бекон, говеждо месо и някои сирена и риба. Някои учени смятат, че в човешкото тяло нитратите могат да се превърнат в нитрозамини:
Източникът на фосфор в биосферата е главно апатитът, открит във всички магмени скали. Живата материя играе важна роля в трансформацията на фосфора. Организмите извличат фосфор от почви, водни разтвори. Усвояването на фосфор от растенията до голяма степен зависи от киселинността на почвата. Фосфорът е включен в множествосъединения в организмите: протеини, нуклеинови киселини, костна тъкан, лецитини, фитин и други съединения; особено много фосфор е част от костите. Фосфорът е жизненоважен за животните в метаболитните процеси за съхраняване на енергия. Със смъртта на организмите фосфорът се връща в почвата и в тинята на моретата. Той е концентриран под формата на морски фосфатни нодули, отлагания на рибени кости, което създава условия за създаване на богати на фосфор скали, които от своя страна са източник на фосфор в биогенния цикъл.
Съдържанието на фосфор в земната кора е 8 * 10 -20% (тегловни). В свободно състояние фосфорът не се среща в природата поради лесната си окисляемост. В земната кора се намира под формата на минерали (флуорапатит, хлорапатит, вивианит и др.), които са част от естествените фосфати - апатити и фосфорити. Фосфорът е от изключително значение за живота на животните и растенията.
Тъй като растенията изнасят значително количество фосфор от почвата, а естественото попълване на почвените фосфорни съединения е изключително незначително, прилагането на фосфорни торове в почвата е една от най-важните мерки за повишаване на производителността. Годишно в света се добиват приблизително 125 милиона тона фосфатна руда. Повечето от тях се изразходват за производството на фосфорни торове.
Цикълът на сярата също е тясно свързан с живата материя. Сярата под формата на SO2, SO3, H2S и елементарна сяра се отделя от вулканите в атмосферата. От друга страна, различни метални сулфиди са известни в природата в големи количества: желязо, олово, цинк и др. Сулфидната сяра се окислява в биосферата с участието на множество микроорганизми, за да сулфатира сярата SO4 2 на почвите и водните тела. Сулфатите се усвояват от растенията. В организмите сярата е част от аминокиселините и протеините, а в растенията освен това е част отетерични масла и др. Процесите на разрушаване на останките от организми в почвата и в тинята на моретата са придружени от много сложни трансформации на сярата. Когато протеините се разрушават с участието на микроорганизми, се образува сероводород. Освен това сероводородът се окислява до елементарна сяра или до сулфати. Този процес включва различни микроорганизми, които създават множество междинни серни съединения. Известни са залежи на сяра от биогенен произход. Сероводородът може да образува отново "вторични" сулфиди, а сулфатната сяра създава гипс. На свой ред сулфидите и гипсът отново се разрушават и сярата възобновява миграцията си.