Биосфералық процестер. Табиғаттағы азот айналымы

Азот - ең көп таралған заттардың бірі биосфера, тіршілікті қолдайтын Жердің тар қабығы. Сонымен, біз тыныс алатын ауаның 80% дерлік осы элементтен тұрады. Атмосфералық азоттың негізгі бөлігі бос күйде ( см. Химиялық байланыс), онда екі азот атомы қосылып, азот молекуласын түзеді - N 2. Екі атом арасындағы байланыстар өте күшті болғандықтан, тірі организмдер молекулалық азотты тікелей пайдалана алмайды - ол алдымен «байланысқан» күйге айналуы керек. Орындалуда байланыстыруАзот молекулалары бөлінеді, бұл жеке азот атомдарына оттегі сияқты басқа атомдармен химиялық реакцияларға қатысуға мүмкіндік береді және осылайша олардың азот молекуласына қайта қосылуына жол бермейді. Азот атомдары мен басқа атомдар арасындағы байланыс тірі организмдерге азот атомдарын пайдалануға мүмкіндік беретіндей әлсіз. Сондықтан азотты бекіту планетамыздағы тіршілік процестерінің өте маңызды бөлігі болып табылады.

Азот айналымы – жер биосферасында азот айналатын тұйық, өзара байланысты жолдар қатары. Алдымен топырақтағы органикалық заттардың ыдырау процесін қарастырайық. Әртүрлі микроорганизмдер ыдырайтын материалдардан азотты бөліп алып, оны зат алмасуға қажетті молекулаларға айналдырады. Бұл жағдайда қалған азот аммиак (NH 3) немесе аммоний иондары (NH 4+) түрінде бөлінеді. Содан кейін басқа микроорганизмдер бұл азотты байланыстырады, әдетте оны нитраттарға (NO 3 -) айналдырады. Өсімдіктерге енген (және ақыр соңында тірі ағзалардың денесіне енетін) бұл азот биологиялық молекулалардың түзілуіне қатысады. Ағза өлгеннен кейін азот топыраққа қайта оралып, цикл қайтадан басталады. Бұл цикл кезінде азоттың жоғалуы да мүмкін - ол шөгінділерге қосылғанда немесе белгілі бір бактериялардың (денитрификациялаушы бактериялар деп аталатын) өмір сүру кезеңінде босатылған кезде - және жанартау атқылауы мен геологиялық белсенділіктің басқа түрлерінің салдарынан осы шығындарды өтеу.

Биосфера бір-бірімен байланысқан екі азот қоймасынан тұрады деп елестетіңіз - үлкен (атмосфера мен мұхиттағы азот бар) және өте кішкентай (оның құрамында тірі заттардағы азот бар). Бұл резервуарлардың арасында азот бір немесе басқа жолмен байланысатын тар өткел бар. Қалыпты жағдайда қоршаған ортадан азот осы өткел арқылы биологиялық жүйелерге еніп, биологиялық жүйелер өлгеннен кейін ортаға қайтады.

Бірнеше сандарды келтірейік. Атмосферада шамамен 4 квадриллион (4 10 15) тонна азот, ал мұхиттарда 20 триллион (20 10 12) тоннаға жуық азот бар. Бұл мөлшердің аз бөлігі - шамамен 100 миллион тонна - жыл сайын тірі организмдерге қосылады және қосылады. Сол 100 миллион тонна бекітілген азоттың тек 4 миллион тоннасы өсімдіктер мен жануарлар ұлпаларында кездеседі, қалғаны ыдырайтын микроорганизмдерде жиналып, ақырында атмосфераға қайта оралады.

Табиғатта бекітілген азоттың негізгі жеткізушісі бактериялар болып табылады: олардың арқасында шамамен 90-нан 140 миллион тоннаға дейін азот бекітіледі (өкінішке орай, нақты сандар жоқ). Ең танымал азотты түзетін бактериялар бұршақ тұқымдас өсімдіктердің түйіндерінде кездеседі. Топырақтың құнарлылығын арттырудың дәстүрлі әдісі оларды пайдалануға негізделген: алдымен бұршақ немесе басқа бұршақ тұқымдас дақылдарды танапта өсіреді, содан кейін оларды жерге жыртады, олардың түйіндерінде жинақталған байланысқан азот топыраққа өтеді. Содан кейін егістікке басқа дақылдар себіледі, олар осы азотты өздерінің өсуі үшін пайдалана алады.

Найзағай кезінде азоттың бір бөлігі байланысқан күйге айналады. Сіз таң қаласыз, бірақ найзағай жарқырауы сіз ойлағаннан әлдеқайда жиі пайда болады - секунд сайын жүзге жуық найзағай түседі. Сіз осы абзацты оқып жатқанда, дүние жүзінде шамамен 500 найзағай жарқ етті. Электр разряды айналасындағы атмосфераны қыздырады, азот оттегімен қосылып (жану реакциясы жүреді) әртүрлі азот оксидтерін түзеді. Бұл секвестрдің өте керемет түрі болғанымен, ол жылына 10 миллион тонна азотты ғана қамтиды.

Осылайша, табиғи процестердің нәтижесінде жылына 100-ден 150 миллион тоннаға дейін азот байланысады. Адамның іс-әрекеті барысында азот та байланысып, биосфераға ауысады (мысалы, бұршақ тұқымдас егістіктерді бірдей егу жыл сайын 40 миллион тонна байланысқан азоттың түзілуіне әкеледі). Оның үстіне қазба отынды электр генераторларында және іштен жанатын қозғалтқыштарда жағу кезінде ауа қызады, найзағай разряды сияқты. Сіз автокөлікті басқарған сайын биосфераға бекітілген азоттың қосымша мөлшері түседі. Жылына шамамен 20 миллион тонна азот қазбалы отынды жағу кезінде байланысады.

Адамның азот айналымына қосқан үлесін қорытындылайтын болсақ, біз жылына шамамен 140 миллион тонна көрсеткішті аламыз. Табиғатта азоттың шамамен бірдей мөлшері табиғи байланысқан. Осылайша, салыстырмалы түрде қысқа мерзімде адам табиғаттағы азот айналымына айтарлықтай әсер ете бастады. Мұның салдары қандай болады? Әрбір экожүйе азоттың белгілі бір мөлшерін сіңіруге қабілетті және мұның салдары жалпы алғанда қолайлы - өсімдіктер тезірек өседі. Алайда, экожүйе қаныққан кезде азот өзендерге жуыла бастайды. ЭвтрофикацияКөлдердің (балдырлардың ластануы) азотпен байланысты ең күрделі экологиялық проблема болуы мүмкін. Азот көл балдырларын ұрықтандырады және олар көлдегі тіршіліктің барлық басқа түрлерін ығыстырып өседі, өйткені балдырлар өлген кезде суда еріген оттегінің барлығы дерлік олардың ыдырауына жұмсалады.

Соған қарамастан, азот айналымын өзгерту адамзат алдында тұрған ең ауыр мәселе емес екенін мойындауымыз керек. Осыған байланысты өсімдіктерді зерттейтін Стэнфорд университетінің экологы Питер Витошек былай дейді: «Біз жасыл және арамшөпке толы әлемге қарай жылжып жатырмыз, бірақ бұл апат емес. Апат пен деградацияны ажырата білу өте маңызды».

Азот - жер шарындағы әрекеті биологиялық процестермен тығыз байланысты элементтердің бірі. Жердегі азот қорының негізгі бөлігі атмосферада шоғырланған. Өсімдіктер мен жануарлардың биомассасында жүздеген миллион тонна азот кездеседі. Көмірде және басқа қазбалы отындарда, топырақ гумусында және табиғи су бассейндерінде азот мөлшері айтарлықтай жоғары.

Өсімдіктердің өлі бөліктерінің және басқа органикалық қалдықтардың шіруі кезінде микроорганизмдердің қатысуымен өтетін гидролиздік процестер нәтижесінде биоорганикалық қосылыстардың азотының бір бөлігі аммиакқа айналады, ол питрофты бактериялардың әсерінен азот қышқылы иондарына айналады. Топырақ нитраттарының құрамындағы катиондар K + , Na + , NH, Ca 2+ және басқа да кең таралған катиондар болуы мүмкін. Әртүрлі қалдықтардың ыдырауы кезінде биологиялық азоттың бір бөлігі динитрогенге айналып, атмосфераға таралады. Сондай-ақ топырақта нитраттарды азайтатын, нитрат азотының бір бөлігін жай затқа айналдыратын денитрификациялайтын бактериялар бар. Осылайша, топырақ өсімдіктерге қол жетімді азотты үздіксіз жоғалтып, оны атмосфераға қайтарады.

Топырақтағы азот қосылыстарының үздіксіз жоғалуы әлдеқашан тірі организмдер үшін қол жетімді азоттың апатты тапшылығына әкелуі керек еді. Алайда табиғатта атмосфералық азотты химиялық қосылыстарға айналдыру механизмдері бар. Мұндай процестерге атмосферада пайда болатын, азот оксидтерінің белгілі бір мөлшерін түзетін найзағай разрядтары жатады. Кейіннен оттегі мен судың қатысуымен оксидтер азот қышқылына айналады. Ол атмосфералық суда ериді және онымен бірге топыраққа түседі. Мұнда азот қышқылы карбонаттармен әрекеттесіп, нитраттар түзеді. Осының арқасында топырақтағы нитраттардың құрамы толықтырылады.

Топырақтағы азот құрамын арттырудың тағы бір көзі – атмосфералық азотты тікелей игеретін нитробактериялардың тіршілік әрекеті. Бұл бактериялардың құрамында азоттың тотықсыздануын катализдейтін нитрогеназа ферменті бар. Нитрогеназа жан-жақты зерттеліп, бұл ферменттің құрамында азотты тотықсыздандыруда негізгі рөл атқаратын молибден атомдары бар екені анықталды. Нитробактериялар бұршақ тұқымдас өсімдіктердің тамырындағы түйіндерде кездеседі (20.4-сурет). Нитрификациялаушы бактериялар қызылша тамырларында да болады. Бактериялар синтездеген азот қосылыстарын өсімдіктердің өздері де пайдаланады. 1 жыл ішінде нитробактериялар 1 га жерге 48 кг-ға дейін органикалық қосылыстарда азот жинай алады.

Күріш. 20.4.

Азоттың топырақтан атмосфераға шығарылуының және оның топыраққа қосылыстар түрінде қайтарылуының қарсы процестері азот айналымын анықтайды, оның диаграммасы суретте көрсетілген. 20.5.

Күріш. 20.5.

Адамның ауылшаруашылық қызметі кезінде топырақ қосымша азотпен және кейбір басқа элементтермен азаяды. Бұл процесс халық санының жылдам өсуіне байланысты үнемі өсіп отырады. Жер одан да көп мөлшерде азық-түлік өндіруі керек. Адам топырақтағы азотты толтырудың үшінші әдісін жасауға мәжбүр болды. Ол топыраққа минералды азот тыңайтқыштарын қосудан тұрады. Бұл тыңайтқыштар үшін азот аммиактан алынады, оның өндірісі орасан зор ауқымға жетті. Азот тыңайтқыштары ретінде пайдалану үшін өндірілген заттарға аммоний нитраты, аммоний сульфаты, натрий нитраты және кальций нитраты жатады. Азоттық тыңайтқыштардың әлемдік өндірісі азот мөлшері бойынша жылына 100 млн тоннаға жетеді.

Табиғаттағы заттардың айналымы

Тірі организмдердің қызметі қоршаған жансыз табиғаттан пайдалы қазбалардың көп мөлшерін алумен қатар жүреді.

Организмдер өлгеннен кейін олардың құрамдас химиялық элементтері қоршаған ортаға қайтарылады.

Табиғатта заттардың биогендік айналымы осылайша пайда болады, т.б. атмосфера, гидросфера, литосфера және тірі организмдер арасындағы заттардың айналымы.

Табиғаттағы азот айналымы

Азот жердің биосферасында тұйықталған өзара байланысқан жолдар желісі арқылы үздіксіз айналады. Минералды тыңайтқыштар өндірісінде азотты жасанды бекіту табиғи процестерге қосылды.

Азот - биосферадағы ең көп таралған заттардың бірі, тіршілікті қамтамасыз ететін Жердің тар қабығы. Сонымен, біз тыныс алатын ауаның 80% дерлік осы элементтен тұрады. Атмосфералық азоттың көпшілігі бос күйде болады, онда екі азот атомы қосылып, N2 азот молекуласын құрайды. Екі атом арасындағы байланыстар өте күшті болғандықтан, тірі организмдер молекулалық азотты тікелей пайдалана алмайды - оны алдымен «байланысқан» күйге ауыстыру керек. Байланыстыру процесі кезінде азот молекулалары бөлінеді, бұл жеке азот атомдарының басқа атомдармен химиялық реакцияларға қатысуына мүмкіндік береді және осылайша олардың азот молекуласына қайта қосылуына жол бермейді. Азот атомдары мен басқа атомдар арасындағы байланыс тірі организмдерге азот атомдарын пайдалануға мүмкіндік беретіндей әлсіз. Сондықтан азотты бекіту планетамыздағы тіршілік процестерінің өте маңызды бөлігі болып табылады.

Азот айналымы – жер биосферасында азот айналатын тұйық, өзара байланысты жолдар қатары. Алдымен топырақтағы органикалық заттардың ыдырау процесін қарастырайық.

Әртүрлі микроорганизмдер ыдырайтын материалдардан азотты бөліп алып, оны зат алмасуға қажетті молекулаларға айналдырады. Бұл жағдайда қалған азот аммиак (NH3) немесе аммоний иондары (NH4+) түрінде бөлінеді. Содан кейін басқа микроорганизмдер бұл азотты бекітеді, әдетте оны нитраттарға (NO3–) айналдырады. Өсімдіктерге енген бұл азот биологиялық молекулалардың түзілуіне қатысады. Ағза өлгеннен кейін азот топыраққа қайта оралып, цикл қайтадан басталады. Бұл цикл кезінде азоттың жоғалуы да, жанартау атқылауы мен геологиялық белсенділіктің басқа түрлерінің салдарынан осы шығындардың орнын толтыру да мүмкін.

Елестетіп көріңізші, биосфера бір-бірімен байланысқан екі азот қоймасынан тұрады - үлкен (атмосферадағы және мұхиттағы азот) және өте кішкентай (тірі заттардағы азот). Бұл резервуарлардың арасында азот бір немесе басқа жолмен байланысатын тар өткел бар. Қалыпты жағдайда қоршаған ортадан азот осы өткел арқылы биологиялық жүйелерге еніп, биологиялық жүйелер өлгеннен кейін ортаға қайтады.

Бірнеше сандарды келтірейік. Атмосферада шамамен 4 квадриллион (4 1015) тонна азот, ал мұхиттарда шамамен 20 триллион (20 1012) тонна азот бар. Бұл мөлшердің аз бөлігі - шамамен 100 миллион тонна - жыл сайын тірі организмдермен байланысады және қосылады. Осы 100 миллион тонна бекітілген азоттың тек 4 миллион тоннасы өсімдіктер мен жануарлар ұлпаларында кездеседі — қалғаны ыдырайтын микроорганизмдерде жиналып, атмосфераға қайта оралады.

Табиғатта бекітілген азоттың негізгі жеткізушісі бактериялар болып табылады: олардың арқасында шамамен 90-нан 140 миллион тоннаға дейін азот бекітіледі. Ең танымал азотты түзетін бактериялар бұршақ тұқымдас өсімдіктердің түйіндерінде кездеседі. Топырақтың құнарлылығын арттырудың дәстүрлі әдісі оларды пайдалануға негізделген: алдымен бұршақ немесе басқа бұршақ тұқымдас дақылдарды танапта өсіреді, содан кейін оларды жерге жыртады, олардың түйіндерінде жинақталған байланысқан азот топыраққа өтеді. Содан кейін егістікке басқа дақылдар себіледі, олар осы азотты өздерінің өсуі үшін пайдалана алады.

Найзағай кезінде азоттың бір бөлігі байланысқан күйге айналады. Сіз таң қаласыз, бірақ найзағай жарқырауы сіз ойлағаннан әлдеқайда жиі пайда болады - секунд сайын жүзге жуық найзағай түседі. Сіз осы абзацты оқып жатқанда, дүние жүзінде шамамен 500 найзағай жарқ етті. Электр разряды айналасындағы атмосфераны қыздырады, азот оттегімен қосылып (жану реакциясы) әртүрлі азот оксидтерін түзеді. Бұл секвестрдің өте керемет түрі болғанымен, ол жылына 10 миллион тонна азотты ғана қамтиды.

Осылайша, табиғи процестердің нәтижесінде жылына 100-ден 150 миллион тоннаға дейін азот байланысады. Адамның іс-әрекеті барысында азот та бекітіліп, биосфераға беріледі (мысалы, бұршақ тұқымдас егістік алқаптары жыл сайын 40 млн. т бекітілген азоттың түзілуіне әкеледі). Оның үстіне қазба отынды электр генераторларында және іштен жанатын қозғалтқыштарда жағу кезінде ауа қызады, найзағай разряды сияқты. Сіз автокөлікті басқарған сайын биосфераға бекітілген азоттың қосымша мөлшері түседі. Жылына шамамен 20 миллион тонна азот қазбалы отынды жағу кезінде байланысады.

Бірақ адамдар минералды тыңайтқыштар түрінде ең бекітілген азотты шығарады. Технологиялық прогрестің жетістіктерімен жиі болатындай, біз өнеркәсіптік ауқымда азотты бекіту технологиясына әскерилерге қарыздармыз. Германияда бірінші дүниежүзілік соғысқа дейін әскери өнеркәсіп қажеттіліктері үшін аммиак (тұрақты азоттың бір түрі) алу әдісі жасалды. Азоттың жетіспеушілігі көбінесе өсімдіктердің өсуін тежейді, ал фермерлер өнімділікті арттыру үшін минералды тыңайтқыштар түрінде жасанды бекітілген азотты сатып алады. Қазіргі уақытта ауыл шаруашылығына жыл сайын 80 миллион тоннадан сәл астам бекітілген азот өндіріледі. Адамның азот айналымына қосқан үлесін қорытындылайтын болсақ, біз жылына шамамен 140 миллион тонна көрсеткішті аламыз. Табиғатта азоттың шамамен бірдей мөлшері табиғи байланысқан. Осылайша, салыстырмалы түрде қысқа мерзімде адам табиғаттағы азот айналымына айтарлықтай әсер ете бастады. Мұның салдары қандай болады? Әрбір экожүйе азоттың белгілі бір мөлшерін сіңіре алады және мұның салдары жалпы алғанда қолайлы - өсімдіктер тезірек өседі. Алайда, экожүйе қаныққан кезде азот өзендерге жуыла бастайды. Көлдің балдырларының ластануы азотпен байланысты ең күрделі экологиялық проблема болып табылады. Азот көл балдырларын ұрықтандырады және олар өседі, тіршіліктің барлық басқа түрлерін басып шығарады.

Азот биоорганикалық қосылыстардың (белоктардың бөлігі және) негізі болып табылады, сондықтан оның табиғаттағы айналымы және азот айналымын жүзеге асыратын процестерге адам қызметінің әсері туралы білім экологиялық дағдарыс пен онымен байланысты апаттардың алдын алу үшін өте маңызды.

Азот мөлшері салыстырмалы түрде тұрақты және көлемі бойынша 78% құрайды. Молекулярлық азот қалыпты жағдайда іс жүзінде ешбір заттармен әрекеттеспейді өте инертті зат. Тек найзағай разрядтары кезінде азот оксидтері азот пен молекулалық оттегіден (алдымен азот оксиді (II), содан кейін азот оксиді (IV)) түзіледі, олар оттегімен әрекеттесіп, азот қышқылын түзеді, ал ол топыраққа түседі. жаңбыр, өсімдіктердің құрамында азот бар органикалық заттарды синтездеу үшін пайдаланатын нитраттарды түзеді.

Бұл циклге молекулалық азотты табиғи түрде қосу тәсілдерінің бірі. Молекулярлық азоттың бір бөлігі азотты бекітетін бактериялармен бекітіледі. Атқылау кезінде азот оксидтерінің белгілі бір мөлшері түзіледі. Бейорганикалық азот қосылыстары, атап айтқанда аммиак, жануарлар қалдықтарының ыдырауынан (мочевинаның ыдырауынан), сондай-ақ жануарлардың, өсімдіктердің және басқа да организмдердің қалдықтарына шіру бактерияларының әсерінен алынады. Органикалық заттар жанған кезде атмосфералық азотты толтыратын молекулалық азот түзіледі. Құрамында азот бар органикалық заттардың бір бөлігі тау жыныстарының құрамына еніп, процестерден ұзақ уақыт бойы жойылады. Азоттың бір бірліктен екіншісіне ауысуын қамтамасыз ететін процестердің өзара байланысы ыдырау және бейорганикалық қосылыстардың (аммиак, аммоний тұздары және органикалық заттар – мочевина) түзілу процестері арқылы жүзеге асады, оларды синтездеу үшін өсімдіктер сіңіреді. күрделі биоорганикалық қосылыстар. Азот қосылыстарының бір аумақтан екінші аумаққа ауысуы жануарлардың, желдің, судың, өзендердің және т.б.

Табиғаттағы азот айналымының жүзеге асуында болатын табиғи процестерге адам әрекеті үлкен әсер етеді. Адамдар ауылшаруашылық өнімдерін көп мөлшерде алады және соның нәтижесінде топырақты азотты қосылыстармен айтарлықтай сарқылады. Топырақ құнарлығын арттыру үшін құрамында азот бар тыңайтқыштарды қолдану қажет, олар үшін органикалық және бейорганикалық тыңайтқыштар, сондай-ақ органоминералды қоспалар қолданылады. Белгілі болғандай, барлық азот қосылыстары (күрделі органикалық қосылыстардан басқа) ериді және топырақта бекітілмейді - егер олар өсімдіктерге сіңбесе, олар шайылып, сумен әртүрлі аймақтарға тасымалданып, жер асты суларына түседі. Жоғарыда көрсетілгендей, азот қосылыстары жылы қанды жануарлар мен адамдарға зиянды әсер етіп, табиғи суларды ластап, оларды пайдалануға жарамсыз етеді. Сонымен қатар, өсімдіктер органикалық емес азот қосылыстарын нитраттар түрінде жинап, адам мен жануарлардың тұтынуына жарамсыз болып қалады.

Тыңайтқыштарды алу үшін молекулалық азотты бекіту технологиясы әзірленді (ол алдымен аммиакқа айналады, одан аммиак селитрасы немесе тыңайтқыш ретінде пайдаланылатын басқа нитраттарды алуға болады).

Жануарлардың қалдықтары ретінде құрамында азот бар заттардың көп мөлшері алынады. Бейорганикалық азот қосылыстары (азот және оның оксидтері) отынды жағу кезінде, өндіріс кезінде және басқа салаларда түзіледі. Бұл заттар айналымының табиғи процестерін бұзады және планетаның экологиялық жағдайын бұзады.

Органикалық қосылыстардан алынатын азоттың негізгі көзі атмосферадағы N2 азот газы болып табылады. Молекулалық азотты тірі организмдер сіңірмейді. Оның тірі организмдерге қолжетімді қосылыстарға ауысуы (фиксация) бірнеше жолмен жүруі мүмкін. Азотты бекіту атмосферада ішінара жүреді, онда найзағай разрядтары азот оксиді (II) түзеді, ол азот оксидіне (IV) дейін тотығады, содан кейін жауын-шашынмен бірге жер бетіне түсетін азот қышқылы мен нитраттардың пайда болуы.

Азот фиксациясының ең маңызды түрі – азотфиксациялаушы организмдердің салыстырмалы түрде аз түрлерінің тіршілік әрекеті кезіндегі ферментативті фиксинг. Олар өлген кезде қоршаған ортаны органикалық азотпен байытады, ол тез минералданады. Азоттың ең тиімді фиксациясы бұршақ тұқымдас өсімдіктермен симбиотикалық қатынас түзетін бактериялармен жүзеге асырылады.

Олардың қызметінің нәтижесінде өсімдіктердің жер үсті және жер асты мүшелерінде (мысалы, беде немесе жоңышқа) жылына 1 гектарға 150-400 кг-ға дейін азот жиналады. Азот сонымен қатар еркін тіршілік ететін азотты топырақ бактерияларымен, ал су ортасында көк-жасыл балдырлармен (цианобактериялар) бекітіледі. Барлық азот бекіткіштерге аммиактағы азот (NH 3) кіреді және ол бірден органикалық заттардың түзілуіне, негізінен белоктардың синтезіне қолданылады. Азоты бар органикалық заттардың ыдыратушылармен минералдануы процестердің нәтижесінде жүреді. аммонизацияЖәне нитрификация .

Аммонификациялаушы бактериялар өлі органикалық заттардың биохимиялық ыдырау процесінде органикалық қосылыстардың азотын аммиакқа айналдырады, ол сулы ерітіндіде аммоний иондарын (NH 4+) түзеді. Аэробты ортада нитрификациялаушы бактериялардың әрекеті нәтижесінде аммиак нитриттерге (NO 2 -), содан кейін нитраттарға (NO 3 -) тотығады.

Көптеген өсімдіктер азотты топырақтан нитраттар түрінде алады. Өсімдік жасушасына түскен нитраттар нитриттерге, содан кейін аммиакқа дейін тотықсызданады, одан кейін азот белоктарды құрайтын аминқышқылдарының құрамына кіреді. Азоттың бір бөлігін өсімдіктер топырақ ерітіндісінен аммоний иондары түрінде тікелей сіңіреді.

Жануарлар азотты қоректік тізбектер арқылы тікелей немесе жанама түрде өсімдіктерден алады. Детриттік қоректік тізбектердің негізін құрайтын экскрециялар мен өлі организмдер органикалық азотты бейорганикалық азотқа айналдыратын ыдыратушы организмдер арқылы ыдырап, минералданады.

Атмосфераға азоттың қайтарылуы нитрификацияға кері реакция болып табылатын анаэробты ортада нитраттарды бос азотқа дейін тотықсыздандыратын процесті жүзеге асыратын денитрификациялаушы бактериялардың қызметі нәтижесінде болады.

Мұхитқа түсетін азоттың едәуір бөлігін (негізінен континенттерден су ағынымен) судағы фотосинтетикалық организмдер, ең алдымен фитопланктон пайдаланады, содан кейін жануарлардың қоректік тізбегіне еніп, жартылай теңіз өнімдерімен немесе құрлыққа қайтарылады. құстар. Азоттың аз бөлігі теңіз шөгінділеріне түседі. Азот айналымының диаграммасы 6-суретте көрсетілген.

Фосфор айналымы

Фосфор циклінде көміртегі мен азот циклдарынан айырмашылығы газ фазасы болмайды. Фосфор табиғи түрде тау жыныстарының минералдарында көп мөлшерде кездеседі және олардың жойылуы кезінде жердегі экожүйеге түседі. Фосфордың жауын-шашынмен шайылуы оның гидросфераға, сәйкесінше су экожүйесіне түсуіне әкеледі. Өсімдіктер фосфорды сулы немесе топырақ ерітіндісінен еритін фосфаттар түрінде сіңіріп, оны органикалық қосылыстарға – нуклеин қышқылдарына, энергия тасымалдау жүйелеріне (АДФ, АТФ), жасуша мембраналарына енгізеді. Басқа организмдер фосфорды қоректік тізбектер арқылы алады. Жануарлар ағзасында фосфор сүйек тінінің, дентиннің бөлігі болып табылады.

Жасушалық тыныс алу процесінде құрамында фосфоры бар органикалық қосылыстар тотығады, ал органикалық фосфаттар сыртқы ортаға нәжістің бөлігі ретінде түседі. Ыдыратушы организмдер құрамында фосфоры бар органикалық заттарды өсімдіктер қайтадан пайдалана алатын бейорганикалық фосфаттарға минералдандырады және осылайша айналымға қайта түседі.

Фосфор циклінде газ фазасы болмағандықтан, фосфор басқа да топырақ қоректік заттары сияқты, қалдықтар осы элементті сіңіретін жерлерге жиналған жағдайда ғана экожүйеде айналады. Фосфор айналымының бұзылуы, мысалы, агроэкожүйелерде дақылдар топырақтан алынған қоректік заттармен бірге айтарлықтай қашықтыққа тасымалданған кезде және олар тұтыну орнында топыраққа оралмаған кезде болуы мүмкін.

Құрлықтағы және су ортасындағы организмдер фосфорды бірнеше рет тұтынғаннан кейін ол ақырында ерімейтін фосфаттар түрінде шөгінділерге бөлінеді. Үлкен цикл барысында шөгінді жыныстар теңіз деңгейінен көтерілгеннен кейін шаймалану және бигеннің жойылу процестері қайтадан әрекет ете бастайды.

Шөгінді жыныстарды өңдеу өнімдері болып табылатын фосфор тыңайтқыштарын қолдану ауыл шаруашылығы өндірісі қарқынды дамыған аймақтарда тұтынылатын фосфорды толықтыруға мүмкіндік береді. Бірақ танаптардағы тыңайтқыштардың шайылуы, сонымен қатар фосфаттардың жануарлар мен адамдардың қалдықтарымен су айдындарына түсуі су экожүйелерінің фосфаттармен шамадан тыс қанығуына және олардағы экологиялық тепе-теңдіктің бұзылуына әкелуі мүмкін.

Фосфор айналымының диаграммасы күріште көрсетілген. 7.

Күкірт айналымы

Жаһандық деңгейде күкірт айналымы(8-сурет) құрамында күкірті бар аминқышқылдарын синтездеу үшін табиғи сулар мен топырақтың сульфатын пайдаланатын бактериялар, саңырауқұлақтар мен өсімдіктерден басқа H 2 S шамамен реакцияларында түрлендіруді жүзеге асыратын арнайы бактериялардың тағы бірнеше топтары бар. С<=>SO 4 және H 2 S<=>SO4.

Биотаның күкіртке деген қажеттілігі салыстырмалы түрде аз (биофильділігі S»1), ал күкірттің табиғи резервуарлары өте үлкен. Сондықтан күкірт сирек шектеуші биогенге айналады. Күкірттің биотикалық циклі ежелгі Жердің тотықсыздандырғыш ортасында түзілген күкірттің (негізінен сульфидті рудалардың) тотықсызданған түрлеріне біртіндеп айналуының жалпы, негізінен абиогенді процесіне кіреді. Бұл тенденция техногенез арқылы айтарлықтай күшейеді.

Күкірт айналымының жеңілдетілген диаграммасы

Биогендік катиондардың – Na, K, Ca, Mg – және құрлықтағы микроэлементтердің биотикалық айналымы олардың топырақтан тұтынылуымен, кейіннен толық трофикалық тізбектер бойынша миграциясымен және минералдандырғыш ыдыратушылар көмегімен топыраққа қайта оралуымен шектеледі.

Катиондар үшін циркуляцияның ағыны (ағызу) өте жоғары. Табиғи суларда, әсіресе мұхитта, кальций мен магнийге қатысты су ағзаларының күшті шоғырлану функциясы жүзеге асырылады.

Биосферадағы зат алмасу мен энергияның жоғары дәлдіктегі биологиялық реттелуі қоршаған ортаның негізгі параметрлерінің реттелуін де анықтайды. Экологиялық тұрғыдан алғанда бұл биосфераның динамикалық жүйе ретіндегі ең маңызды қасиеттері.

Заттардың үлкен айналымы табиғатта ( геологиялық ) Күн энергиясының Жердің терең энергиясымен әрекеттесуі нәтижесінде пайда болады және биосфера мен Жердің тереңірек горизонттары арасында заттардың қайта бөлінуін жүзеге асырады.

Жер қыртысының жылжымалы аймақтарында магмалық тау жыныстарының үгілу нәтижесінде пайда болған шөгінді жыныстар қайтадан жоғары температура мен қысым аймағына батырылады. Онда олар еріп, магма түзеді - жаңа магмалық тау жыныстарының көзі. Бұл жыныстар жер бетіне көтеріліп, үгілу процестерінен өткеннен кейін олар қайтадан жаңа шөгінді жыныстарға айналады. Заттардың айналымының символы шеңбер емес, спираль болып табылады. Бұл жаңа цикл бұрынғысын дәл қайталамайды, бірақ уақыт өте келе өте маңызды өзгерістерге әкелетін жаңа нәрсені енгізеді дегенді білдіреді.

Ұлы Гир- бұл су айналымыатмосфера арқылы құрлық пен мұхит арасында. Дүниежүзілік мұхит бетінен буланған ылғал (жер бетіне түсетін күн энергиясының жартысына жуығын тұтынады) құрлыққа ауысады, ол жерде жауын-шашын түрінде түседі, ол мұхитқа беткі және жер асты ағындары түрінде қайтады. , немесе мұхиттың бір су бетінде құлайды.

Жердегі су айналымына жыл сайын 500 мың км 3-тен астам су қатысады деп есептеледі.

Жалпы су айналымы біздің планетамыздағы табиғи жағдайларды қалыптастыруда үлкен рөл атқарады. Өсімдіктердің судың транспирациясын және биогеохимиялық айналымда сіңірілуін ескере отырып, Жердегі судың барлық қоры ыдырап, 2 миллион жылдан кейін қалпына келеді.

Заттардың шағын айналымы биосферада ( биогеохимиялық ), үлкенінен айырмашылығы, тек биосферада болады. Оның мәні фотосинтез процесінде бейорганикалық қосылыстардан тірі заттың түзілуі және ыдырау кезінде органикалық заттардың қайтадан бейорганикалық қосылыстарға айналуы.

Биосфера тіршілігінің бұл циклі негізгі болып табылады, ал оның өзі өмірдің жемісі. Тірі материя өзгеріп, туып, өле отырып, заттардың биогеохимиялық айналымын қамтамасыз ете отырып, біздің планетамыздағы тіршілікті қолдайды.

Циклдегі негізгі энергия көзі фотосинтезде қолданылатын күн радиациясы болып табылады. Бұл энергия жер бетінде біркелкі емес таралады. Мысалы, экваторда аудан бірлігіне келетін жылу мөлшері Шпицберген архипелагына (80° солтүстік) қарағанда үш есе көп. Сонымен қатар, ол шағылысу арқылы жоғалады, топырақпен сіңіріледі, судың транспирациясына және т.б. және жалпы энергияның 5% -дан аспайтыны фотосинтезге жұмсалады, бірақ көбінесе 2-3%.

Бірқатар экожүйелерде зат пен энергияның тасымалдануы ең алдымен трофикалық тізбектер арқылы жүзеге асады. Мұндай цикл әдетте шақырылады биологиялық. Ол трофикалық нысана бірнеше рет қолданылатын заттардың тұйық циклін болжайды.

Алайда, бүкіл биосфера масштабында мұндай цикл мүмкін емес. Мұнда макро- және микроэлементтер мен қарапайым бейорганикалық заттардың (CO 2, H 2 O) атмосфераның, гидросфераның және литосфераның затымен алмасуы болып табылатын биогеохимиялық цикл жұмыс істейді.