22. Геологический круговорот веществ.

Геологический круговорот веществ — процесс циркуляции воды, минеральных веществ и газов между сушей, атмосферой и Мировым океаном.

В процессе геологического круговорота с одного места в другое в масштабе всей Земли перемещаются минеральные соединения, вода, газы, а также изменяется агрегатное состояние воды (жидкая; твердая — снег, лед; газообразная — пар). В основе этого круговорота лежит абиотический круговорот воды, который происходит без участия живых организмов. Наиболее интенсивно вода циркулирует в газообразном состоянии.

Источником энергии для большого круговорота выступает Солнце. Геологический круговорот очень энергоемкий процесс. Около половины от всей поступающей энергии от Солнца расходуется на испарение воды. До 30% солнечной энергии отражается облаками и поверхностью Земли, около 20% поглощается в верхних слоях атмосферы облаками и пылевыми частицами, содержащимися в воздухе.

Солнце нагревает поверхность Мирового океана, и вода испаряется. В процессе этого она меняет свое агрегатное состояние, т. е. из жидкого состояния переходит в газообразное — пар (рис. 5.1.3).

В атмосфере водяной пар конденсируется в мельчайшие капельки воды, из которых состоят облака. Затем вода выпадает в виде осадков (дождь, град, снег) на землю. Испарение воды происходит и с поверхности суши, хотя и в значительно меньших количествах, чем с поверхности океана. Круговорот воды в биосфере основан на том, что ее суммарное испарение с поверхности Земли компенсируется выпадением осадков. При этом из океана испаряется воды больше (что объясняется большей площадью), чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в водоемы и водотоки, а оттуда снова попадают в океан.

Вместе с водой в биосфере осуществляется интенсивная миграция газов. Благодаря круговороту воды с суши в Мировой океан в растворенном виде попадает масса минеральных веществ. В обратном направлении минеральные вещества из океана мигрируют на сушу в результате приливов.

23. Биологический круговорот веществ. Круговороты углерода и серы.

Биологический круговорот веществ — процесс циркуляции биологически важных химических соединений между живыми организмами и окружающей средой в пределах экосистем и биосферы.

В биологическом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических веществ.

В противоположность геологическому, биологический круговорот не является энергоемким процессом. На создание первичного органического вещества затрачивается всего 0,1—0,2% падающей на Землю солнечной энергии. Больше половины аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии расходуется продуцентами на дыхание и другие жизненные процессы, а остальная часть поступает в пищевые цепи.

Миграцию веществ в биогеохимических циклах можно рассмотреть на примере круговорота углерода. В атмосфере углерод содержится в виде углекислого газа. Круговорот углерода начинается с фиксации углекислого газа фотосинтезирующими растениями, зелеными и пурпурными бактериями, а также цианобактериями в процессе фотосинтеза.

Углерод, входящий в состав молекул углекислого газа, идет на построение молекул первичного органического вещества продуцентов, при этом высвобождается кислород. Частично, в виде углекислого газа, углерод выделяется из организма продуцентов во время дыхания растений. Фиксированный в молекулах органического вещества продуцентов углерод потребляется консументами, которые в ходе миграции веществ по пищевым цепям перераспределяют это вещество между собой. Консументы при дыхании также выделяют углекислый газ. Умершие продуценты и консументы разлагаются редуцентами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и на суше, и в водной среде.

Круговорот серы совершается в результате жизнедеятельности бактерий, окисляющих или восстанавливающих ее. Процессы восстановления серы происходят несколькими путями.

Под влиянием гнилостных бактерий - клостридий, протея - в анаэробных условиях при гниении белков, содержащих серу, происходит образование сероводорода и, реже, меркаптана. Большие количества сероводорода накапливаются также в результате жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий. Они восстанавливают сульфаты почвы, ила и воды. Сероводород, образовавшийся в процессе восстановления, частично улетучивается в атмосферу, а частично накапливается в почве и воде. В дальнейшем он окисляется.

Процессы окисления, которым подвергается образовавшийся сероводород, совершаются при участии серобактерий и тиобацилл. Серобактерии используют сероводород в биоэнергетических процессах окисления, обеспечивая себя энергией. В результате этих реакций сероводород окисляется до серы, которая накапливается в цитоплазме бактерий. После того как запасы сероводорода во внешней среде исчерпаны, сера окисляется до серной кислоты и сульфатов, используемых растениями. Тиобациллы окисляют серу, сероводород, гипосульфит. Они накапливают серу внутри клетки и вне ее, иногда окисляют серу до сульфатов. Среди тиобацилл встречаются аутотрофы и гетеротрофы.