Биогенная миграция

При дыхании организмов СО2 возвращается в атмосферу. Когда наступает смерть, то бактерии разлагают и минерализуют трупы, в результате «почвенного дыхания» углерод остатков окисляется до углекислого газа и поступает в атмосферу. Микроорганизмы, обитающие в почве, превращают накопившиеся в ней остатки в органический материал гумус. Естественными источниками СО2 также являются извержения вулканов и лесные пожары. Из-за недостатка воздуха или высокой кислотности часть углерода покидает цикл, переходит в ископаемое состояние в виде торфа, залежей каменного угля, нефти (каустобиолиты ).

Каустобиолиты ( от греч. кaustos - горючий, bios - жизнь, lithos - камень) – твердые горючие ископаемые органического происхождения, представляющие собой продукты преобразования остатков растительных и животных организмов под воздействием физико-химических, биологических и геологических факторов. Термин «каустобиолиты» предложен Г. Потонье в 1888 г.

Поглощение СО2 происходит Мировым океаном, откуда часть СО2 покидает цикл в виде отложений известняка. Благодаря этому океан способен к дальнейшему поглощению СО2 . При повышении температуры СО2вновь способен выделяться из океана в атмосферу.

Однако в настоящее время человек интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе и углерода:

1. Суммарная биомасса всех домашних  животных уже превышает биомассу  всех диких наземных животных.

2. Площади культурных растений приближаются к площади естественных биогеоценозов, многие культурные растения экосистемы по своей продуктивности значительно превосходят природные.

3. Поступление диоксида углерода  в атмосферу в результате сжигания энергоносителей ведет к глобальному нарушению теплового баланса, «парниковому эффекту». За последнее столетие содержание СО2 увеличилось на 10%, за 33 года содержание СО2 возросло на 25% от первоначальной величины. По прогнозам, к середине XXI века содержание СО2 в атмосфере удвоится.

Круговорот азота

Для круговорота азота в элементарной наземной экосистеме характерны три основные «экологические проблемы»:

1) огромные запасы атмосферного  азота (N2 ) непосредственно не могут использоваться высшими растениями - высшие растения усваивают азот в нитратной (NО ) или аммонийной (NH ) форме;

2) неорганические соединения азота  обладают высокой растворимостью, слабо удерживаются почвой и легко вымываются за пределы почвенного профиля;

3) материнские (почвообразующие) породы  практически не содержат азота.

Процессы и механизмы круговорота азота

Основу круговорота азота в экосистеме составляют четыре типа процессов: азотфиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация .

1. Азотфиксация

Молекулярный азот атмосферного воздуха (N2 ) может быть «зафиксирован», связан с другими химическими элементами и поступать в экосистему уже в доступной форме путем так называемой азотфиксации. Различают абиотическую и биотическую (биологическую) азотфиксацию.

Азотфиксация биологическая - усвоение молекулярного азота воздуха (N2 ) азотфиксирующими бактериями с образованием соединений азота, доступных для использования другими организмами.

Азотфиксация осуществляется как свободноживущими азотфиксирующими бактериями - азотобактером, цианобактериями и др. (несимбиотическая азотфиксация), так и симбиотическимы азотфиксаторами, живущими в симбиозе с высшими растениями (например, клубеньковыми бактериями). Происходит с участием фермента нитрогеназы, которая катализирует восстановление N2 до NH3 в присутствии АТФ (источника энергии) и восстановителя.

Один из характерных путей попадания связанного азота в экосистему - так называемая абиотическая азотфиксация: п ри грозах воздух под действием электрических разрядов локально разогревается до огромной температуры (до 2000 °С), что приводит к расщеплению части молекул азота и кислорода на ионизированные атомы, которые могут реагировать друг с другом, образуя оксиды азота NOX . Взаимодействуя с водой, оксиды азота образуют соответствующие кислоты. Например NO2 образует азотную кислоту по схеме:

Таким путем связанный в форме нитратов азот (вместе с атмосферными осадками) попадает в экосистему. Диссоциируя в воде, азотная кислота подкисляет атмосферные осадки, а нитратный ион из почвенных растворов и водоемов легко усваивается растениями при любой реакции среды.

2. Аммонификация

Поглощенный из почвы (в нитратной и аммонийной форме) или полученный от симбиотрофов (в основном в аммонийной форме) минеральный азот, растения используют для синтеза аминокислот (белков), нуклеиновых кислот и других органических азотсодержащих соединений. Таким образом, азот из минеральной формы нахождения переходит в органическую. В составе органических соединений азот пребывает в фитомассе растений до ее отмирания и/или поедания животными-фитофагами, а также передается по пастбищной пищевой цепи экосистемы. В конечном итоге, все азотсодержащие органические соединения попадают в детритную пищевую цепь, где и происходит их разложение до минеральных форм, начинающееся с процессов так называемой аммонификации.

Аммонификация - разложение микроорганизмами азотсодержащих органических соединений (белков, мочевины, нуклеиновых кислот и др.) с образованием свободного аммиака :

3. Нитрификация

Нитрификация - процесс биологического превращения восстановленных соединений азота в окисленные неорганические по схеме :

4. Денитрификация

Денитрификация - микробиологический процесс восстановления окисленных соединений азота (нитратов, нитритов) до газообразных азотистых продуктов (обычно до N2 ):

Денитрификация происходит в результате жизнедеятельности бактерий, факультативных анаэробов, использующих в отсутствие кислорода нитраты и нитриты в качестве окислителей (анаэробное дыхание). Процесс сопряжен с окислением органических веществ и катализируется особыми ферментами. В ходе денитрификации азот удаляется из почвы и воды в виде газообразного N2 , поступающего в атмосферу.

Процесс денитрификации активно протекает во влажных, плохо аэрируемых или затопляемых почвах, эвтрофных водоемах, при рН 7-8, достаточном количестве нитратов и легкодоступного органического вещества. Денитрификацию считают главной причиной потерь азота в земледелии - удобрения могут утрачивать в результате денитрификации до 50% связанного азота. Хотя процессы денитрификации осуществляются микроорганизмами не с целью получения азота, но именно они «замыкают» круговорот азота в экосистеме, возвращая газообразный N2 в атмосферу.

Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека. К значительным изменениям в цикле азота приводят процессы:

- массовое производство азотных удобрений и их использование приводит к избыточному накоплению нитратов;

- подавление деятельности микроорганизмов в результате загрязнения почвы отходами промышленности приводит к снижению скорости превращения аммиака в нитраты;

- азот, поступающий на поля в  виде удобрений, теряется из-за  отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации, происходит накопление аммонийных удобрений в почве;

- в результате промышленной  фиксации молекулярного азота  из атмосферы с целью производства  азотных удобрений резко нарушается  природное азотное равновесие.

Однако эти процессы носят локальный характер. Гораздо большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на ТЭЦ, транспорте, заводах, особенно в промышленных районах. Под воздействием излучения в атмосфере происходят реакции углеводородов с оксидами азота с образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений.