Круговороты азота, серы и фосфора

Круговорот азота. Азот и его соединения играют в жизни биосферы, в формировании почвенного покрова и плодородия экосистемы такую же важную роль, как и углерод. Общая направленность биогеохимического круговорота азота на планете – аккумуляция в молекулярной форме в атмосфере, которая на 78% состоит из молекул N2. Начальное появление азота в атмосфере, вероятно, было связано с дегазацией верхней мантии, магмы и вулканическими выделениями.

В атмосфере планеты сосредоточена большая часть запасов молекулярного азота, что связано с направлением биогеохимических потоков соединений азота, образующихся при денитрификации. Соединения азота образуются в атмосфере в основном за счет биологической фиксации в результате деятельности азотфиксирующих бактерий. Кроме того, часть азота фиксируется в результате электрических и фотохимических реакций, вулканической деятельности и поступает на сушу и в океан с атмосферными осадками.

Рис. 2.6. Схема цикла азота в сухопутных системах, где микориза – симбиоз гриба с корнем высшего растения

Этот азот включается в общий биогеохимический поток растворенных соединений, мигрирующих с водными массами, участвует в почвообразовательных процессах и формировании биомассы растений. В результате биосфера содержит большое количество азота в связанном виде: в органическом веществе почвенного покрова (более 1011 т), а также в биомассе растений и животных. Большинство живых организмов нуждается в получении азота в химически связанном состоянии, что обеспечивают азотфиксирующие бактерии, усваивающие молекулярный азот. На рис. 2.6 приведена схема круговорота азота в сухопутных системах. Вместе с тем, вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и аммония, азота в почве почти всегда недостаточно для питания растений. Поэтому большое количество азота вносится человеком в почву в виде минеральных удобрений. Это, в свою очередь, приводит к загрязнению окружающей среды и заболеваниям человека и животных.

Круговорот фосфора и серы. Фосфор и сера играют важную роль в круговороте веществ биосферы. Круговорот фосфора сильно отличается от биогеохимических циклов углерода, кислорода и азота, так как газовая форма соединений фосфора практически не участвует в биогеохимическом цикле. Этот круговорот входит в общий осадочный цикл, циркуляция в котором поддерживается путем образования осадков, эрозии, вулканической деятельности, а также биологического переноса. Фосфор совершает кругооборот в наземных экосистемах в качестве важной и необходимой составной части живых клеток. Как и в других биогеохимических циклах, после усвоения неорганического фосфата растениями он переходит в органические соединения и по цепям питания попадает к организмам более высоких трофических уровней. Биоредуценты минерализуют органические соединения фосфора из отмерших организмов в фосфаты, которые вновь потребляют корни растений и клетки водорослей. Резервуаром фосфора в отличие от азота служит не атмосфера, а изверженные (апатиты) или осадочные (фосфориты) горные породы. В процессе разрушения горных пород огромные запасы фосфора, накопившиеся за геологические эпохи, передаются наземным экосистемам. Фосфаты в большом количестве оказываются вовлеченными в круговорот воды, когда происходит их выщелачивание водой и вынос в моря и океаны. Необходимо отметить, что дефицит фосфора довольно скоро может стать актуальной проблемой для сельского хозяйства. Сера определяет многие биохимические процессы клетки, является компонентом питания растений и микрофлоры. Соединения серы участвуют в формировании химического состава почв, содержатся в подземных водах, что играет важную роль при засолении почв.

Существуют многочисленные газообразные соединения серы (оксид и диоксид серы, сероводород). Однако преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почвах и воде, хотя перенос серы в атмосфере также имеет определенное значение для биосферы.

Основной источник серы, доступный организмам, – сульфаты, значительная часть которых хорошо растворима в воде. Экосистеме требуется не так много серы, как азота или фосфора. Тем не менее круговорот серы является ключевым в процессе продукции и редукции биомассы. Осадочные породы в биосфере содержат главные запасы

серы (пирит, сульфаты кальция и магния), некоторое количество серы поступает в результате вулканической деятельности. В биогеохимическом круговороте серы можно выделить четыре стадии (рис. 2.7): усвоение минеральных соединений серы растениями и бактериями с включением ее в состав белков и аминокислот и других соединений; превращение органической серы животными и бактериями в сероводород; окисление минеральной серы живыми организмами (серобактериями) при сульфатредукции; восстановление минеральной серы десульфоредуцирующими бактериями до сероводорода.

Рис.2.7. Биогеохимический цикл серы: I – десульфофикация; II - минерализация органической серы живыми организмами до сероводорода