Биогеохимический круговорот в морях и океанах

Буйный А.В., каф. океанологии, IV курс.

Биогеохимический круговорот в морях и океанах

 

 

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(СПбГУ)

Факультет географии и геоэкологии

Кафедра океанологии

 

 

Реферат по теме:

«Биогеохимический круговорот в морях и океанах»

по курсу:

«Гидрометеорологические аспекты охраны окружающей среды»

 

 

                                                                Выполнил:

Буйный Алексей Васильевич

студент IV курса

 

Проверил:

Савчук Олег Павлович 

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение……………………………………………………………………………3

Цикл углерода……………………………………………………………………..3

Цикл азота………………………………………………………………………….4

Цикл фосфора……………………………………………………………….……..6

Цикл кремния……………………………………………………………….……..8

Цикл серы………………………………………………………………………....10

Заключение…………………………………………………………………..……12

Библиография………………………………………………………………...……13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

«Биогеохимические циклы - круговорот химических веществ из неорганической природы через живые организмы обратно в неорганическую природу. Эта биогенная миграция  атомов совершается с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций и проявляется в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов». [1]

Биогеохимический круговорот охватывает верхнюю часть литосферы, гидросферу и нижнюю часть атмосферы. Живые организмы способствуют замыканию круговоротов многих элементов; кроме того, нередко они на несколько порядков увеличивают скорость трансформации потребляемых веществ по сравнению со скоростью абиотического преобразования вещества.

Биогеохимический цикл в океане  представлен круговоротами нескольких элементов: углерода, азота, фосфора, серы, кремния, о которых и пойдёт речь далее.

 

Цикл углерода.

Углерод является основой жизни, теми «кирпичиками», которые образуют органическое вещество. Неудивительно, что он чрезвычайно сильно вовлечён в биогеохимический круговорот.

Экосистемам, как наземным, так и водным, свойственны общие принципы вовлечения углерода в круговорот, его перемещения и накопления. Различные экосистемы объединяются общими углеродными потоками.

В целом круговорот углерода можно описать так:

Углерод поступает в океан с суши со стоками в виде карбонатов, из атмосферы в виде углекислого газа. Далее в ходе фотосинтеза он закрепляется в биологическом круговороте. Автотрофы включают его в состав своего тела за счёт образования органического вещества и передают таким образом далее по сетям питания. Так или иначе, в отходах жизнедеятельности, в мёртвых организмах соединения углерода доходят по сетям до редуцентов, которые разлагают органическое вещество, минерализуют углерод. Углерод переводится из органики в неорганические соединения, например, в CO2, что замыкает цикл. Также углекислый газ выделяется и при процессах дыхания на каждом звене пищевой сети.

Если рассматривать отдельно CO2, то можно сказать следующее:

Современный глобальный биогеохимический круговорот углерода состоит из двух главных циклов.

Первый биогеохимический цикл углерода можно представить следующим образом:

 «В основе второго цикла лежит взаимодействие CO2 атмосферы и природных вод. Между газами тропосферы и поверхностным слоем океана существует подвижное равновесие. В результате химического взаимодействия CO2 и H2O (карбонат-гидрокарбонатная система) в Мировом океане содержится огромная масса угольной кислоты, в пересчете на растворенный CO2 почти в 60 раз превышающая массу углекислого газа, находящегося в атмосфере.

Оба цикла связаны с деятельностью живых организмов. Биосфера, глобальный круговорот воды и карбонат-гидрокарбонатная система регулируют циклический массообмен углерода между атмосферой, сушей и океаном.

Характерная черта этих главных циклов - выведение из них части углерода в форме неживого органического вещества и карбонатов. Если бы первый цикл был замкнутым, то выделившийся в ходе фотосинтеза кислород полностью тратился бы на окисление углерода. Если бы полностью замкнутым был второй цикл, то количество CO2 в атмосфере могло бы достичь уровня, при котором температура ее нижних слоев составила сотни градусов Цельсия вследствие парникового эффекта CO2

Ключевая роль в регулировании и поддержании баланса CO2 в атмосфере принадлежит океану. Фотосинтез органических веществ и потребление растворенного CO2 осуществляются в поверхностном слое воды, куда проникает солнечный свет. Органические же вещества могут разлагаться на любой глубине, поэтому концентрация углекислого газа в глубине выше, чем у поверхности. Концентрация же CO2 на поверхности находится в равновесии с концентрацией его в атмосфере. Биота океана регулирует концентрацию CО2 в атмосфере и тем самым сохраняет приземную температуру в пределах, оптимальных для жизни». [5]

Кроме CО2, значительное количество углерода совершает круговорот в виде CH4.

В водную толщу может поступать до 98% метана, образующегося в восстановленной среде донных осадков. Часть метана образуется в водной толще, поступает из метановых газогидратов, донных осадков, из «черных курильщиков» в рифтовых зонах океана.

Аэробные условия существуют в верхних слоях (150-200 м) водной толщи. В этой зоне больше всего аэробных метанотрофов, интенсивно окисляющих метан. Конечным продуктом окисления метана является углекислый газ. Метанотрофы потребляют почти весь метан, и из морских экосистем он поступает в атмосферу в ничтожном количестве. Кроме того, существует гипотеза об анаэробном окислении метана археями, где вместо свободного кислорода используется кислород сульфатов, но подобные процессы мало изучены.

 

 

Цикл азота.

Азот является важным элементом. Он входит в состав аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла.

В цикле азота исключительную роль играют живые организмы.

Азот поступает из атмосферы и с суши во влажных и сухих осаждениях, а также из атмосферы в виде молекулярного азота N2. Молекулярный азот обладает весьма сильной тройной связью между атомами, что представляет проблему для его использования многими организмами. Цианобактерии вводят его в биогеохимический круговорот. Цианобактерии фиксируют азот, одним из конечных продуктов фиксации является катион NH4. При попадании в окислительную среду, а также под действием бактерий-нитрификаторов он быстро «сгорает», образуя анион NO2 и воду, а при дальнейшем окислении переходит в анион NO3 в процессе так называемой нитрификации.

Нитрифицирующие микроорганизмы являются хемосинтетиками, используют энергию окисления аммиака до нитритов и нитритов до нитратов для обеспечения всех процессов жизнедеятельности. За счет этой энергии нитрификаторы строят органические вещества своего тела. Окисление аммиака при нитрификации протекает по реакциям:

 

NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + 600 кДж (148 ккал).

2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 198 кДж (48 ккал).

 

Эти неорганические соединения могут находиться в растворённом виде в воде, а могут быть усвоены организмами и включены в биогеохимический круговорот через пищевые цепи. Соединения азота поглощаются растениями, как фитопланктоном, так и макрофитами. Таким образом азот перемещается по пищевым сетям между различными организмами и трофическим уровнями, соответственно.

При попадании в восстановительные условия или под действием микроорганизмов-денитрификаторов нитраты проходят процесс денитрификации, в результате чего азот восстанавливается сначала до аниона NO2, NH3, а потом и до N2. Денитрификаторы являются своего рода антагонистами нитрификаторов и в конечном итоге способствуют возвращению азота в атмосферу. Денитрификаторы используют кислород нитратов при недостатке свободного кислорода для окисления органических веществ. Освобождающаяся энергия служит основой для жизнедеятельности денитрификаторов.

Схема подобной реакции приведена ниже:

5C6H12O6 + 24KNO3 = 24KHCO3 + 6CO2 + 12N2 + 18H2O + энергия

Таким образом, во всех звеньях круговорота исключительную роль играют живые вещества.

 

 

 Рис. 1. Биологический круговорот азота. Источник: [5].

 

 

Цикл фосфора.

Фосфор является важным биогенным элементом. Он входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов, ферментов, АТФ. Фосфор в природе находится в основном в виде фосфат-ионов и полифосфатов.

Фосфор привносится в экосистемы в основном в результате выветривания горных пород. Этот элемент «путешествует» через экосистемы одним способом, из почвы в поверхностные воды и окончательно в море.

В водную среду он попадает с суши. Основной источник фосфора в океане – речной сток. Далее соединения фосфора встраиваются в биотический круговорот, поглощаясь автотрофами (растениями, бактериями), и далее передаваясь по пищевым сетям. Останки организмов, их отходы жизнедеятельности попадают на дно, где фосфор с течением времени связывается с частицами донных осадков и откладывается в толщах осадочных пород.

Важную роль в отложении фосфора на дне играют цианобактерии и диатомовые водоросли. Так, например, диатомеи в течение жизни накапливают в своих клетках фосфор в виде полифосфатов (волютиновые гранулы). Клетка использует полифосфаты как запасной источник фосфора для построения энергетических молекул.

Согласно [7], первая точка концентрации фосфатов – это гранулы волютина внутри клеток, а полифосфаты в морской воде – это в большей степени производные клеточной деятельности. Отмирая и опускаясь на дно, клетки переносят полифосфатные гранулы в осадок. Там клетки распадаются, а гранулы волютина остаются в осадке. За счёт малой растворимости полифосфатов они остаются на дне. Таким образом, фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам.

Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах,  не участвуют в малом круговороте.

Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к

поверхности. Если рассматривать геологическую историю Земли, то в результате регрессии морское дно может стать сушей, породы вновь подвергнутся эрозии, и круговорот замкнётся.

Фосфор в газообразном состоянии не встречается на Земле, что исключает более быстрое замыкание круговорота фосфора. Тем не менее, имеется возможность нового включения донного фосфора в биогеохимический круговорот. В небольшом количестве мест Мирового океана за счёт особенностей вращения Земли, расположения берегов наблюдается такое явление, как апвеллинг, проявляющееся в подъёме глубинных, придонных вод на поверхность. Глубинные воды содержат в себе значительное количество соединений фосфора, поднятых со дна. Эти соединения ассимилируются живыми организмами, и круговорот замыкается. Но таким образом обращается лишь относительно небольшая часть фосфора, основная же часть проходит по «долгому пути».

Кроме того, имеется другая возможность изъятия фосфора из водной среды на сушу через наземных и наземно-воздушных хищников, питающихся морскими существами. При таком способе возврата фосфора на сушу он откладывается как останки морских существ, продукты жизнедеятельности хищников. Но этот поток фосфора на сушу также незначителен.

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий

период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут.

 

Рис. 2. Круговорот фосфора в биосфере. Источник: [2].

 

 

Цикл кремния.

В жизни планеты Земля элемент кремний  играет важную роль. Он широко распространен, содержание кремния в поверхностной земной оболочке достигает 30%. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки.  В морской воде кремний находится в форме кремниевой кислоты, некоторых её полимерных форм, аморфного кремнезёма и некоторого количества дисперсного кристаллического диоксида кварца, силикатов и алюмосиликатов.

Круговорот кремния напоминает круговорот фосфора своей незамкнутостью при рассмотрении на коротком временном промежутке.

«Главную роль в биохимическом круговороте кремния играли и играют низшие классы организмов и растения, поглощающие его из окружающей среды и возвращающие в измененном виде после своей гибели.

Существенное влияние на круговорот кремния в природе также оказывают высшие беспозвоночные (черви, моллюски, членистоногие, иглокожие, оболочники и т. д.). Последние содержат очень мало этого элемента, но следует учитывать их огромную численность и весьма интенсивную деятельность. При их воздействии грунт постоянно разрыхляется, перемешивается и размельчается, а разложение растительного материала и высвобождение кремнезема протекает в 2—3 раза быстрее, чем при их отсутствии».[6]

Главным источником кремния в океанских водах является материковый сток. Также существенную роль играют процессы вулканизма (в частности, в выбросах пирокластического материала преобладает обсидиан, т.е. диоксид кремния) и эоловый вынос.

За начало круговорота кремния принимается разрушение горной породы.

«Основной причиной его является биохимическое действие таких организмов, как бактерии, простейшие, грибы, водоросли и лишайники……..

Важную роль в геохимии кремния играют бактерии, и прежде всего силикатные. Они активно разрушают силикаты, высвобождая кремнезем, калий, фосфор и другие минеральные элементы в растворимой и усваиваемой растениями форме. Таким образом, бактерии, по-видимому, оказались первыми живыми существами, которые подготовили на суше условия для появления низшей растительности…….

Мощнейшим агентом разрушения горных пород являются водоросли, особенно диатомовые».[6]

Высвобожденный таким образом из силикатных минералов кремнезём усваивается бактериями, низшими растениями и посредством их преобразуется во вторичные минералы (глины, слюды, цеолиты и др.)

«После разложения остатков низшей растительности часть аморфного кремнезема усваивается высшими растениями. Другая часть его вымывается и, попадая в ручьи и реки, выносится в озера, моря и океаны…

В океанах, морях и озерах начинается самый мощный и масштабный цикл круговорота кремния. Осаждение растворенного в морской воде кремния происходит лишь биогенным путем. Об этом свидетельствуют современные морские и озерные отложения кремнезема, состоящие из остатков низших организмов (скелеты диатомей, спикулы губок и др.). Исключительно биогенное происхождение имеет и взвешенный в воде кремний». [6]

 

В океане диатомовые водоросли, радиолярии концентрируют в  «телах» соединения кремния, строя из них свои покровы. После смерти эти организмы в массовых количествах опадают на дно, образуя там залежи соединений кремния в виде диатомового, глауконитового и радиоляриевого илов, яшмы, халцедона и т.д.

«Наиболее распространены в этих отложениях диатомовые осадки. Они составляют 70-75% всех кремнеземистых осадков и расположены в основном в холодных частях океана, ближе к его северным областям. В отложениях тропических и субтропических областей океанов преобладают скелеты радиолярий. Вместе с диатомовыми отложениями они составляют 98—99% всех кремнеземистых осадков Мирового океана».[6]

В придонном слое вода насыщена кремнием за счёт частичного растворения последнего.

Так же, как и в случае с соединениями фосфора, соединения кремния могут быть вынесены на поверхность и заново включены в биогеохимический круговорот за счёт восходящих токов воды, возникающих в районах апвеллингов.

 

 

 

 

Цикл серы.

Сера встречается в природе как в свободном состоянии (самородная сера), так и в различных соединениях. Очень распространены соединения серы с различными металлами. Из соединений серы в природе распространены также сульфаты, главным образом, кальция и магния. В организме сера содержится в белковых молекулах, входит в состав некоторых аминокислот (цистеин, метионин), витаминов (биотин, тиамин), ферментов.

Круговорот серы происходит в основном в атмосфере и литосфере. В атмосферу элемент поступает в виде аэрозолей сульфатов, диоксида серы, серного ангидрида, сероводорода и собственно серы при вулканической активности. Источником сероводорода также может быть распад пирита и органических соединений. Но с интенсификацией промышленной деятельности человека около одной трети соединений серы и 99% диоксида серы стало иметь  антропогенное происхождение. Далее, после попадания в атмосферу с сульфидами протекают реакции, приводящие к кислотным осадкам, которые выпадают на поверхность суши либо на водную поверхность:

2SO2 + O2 = 2SO3 ,

SO3 + H2O = H2SO4

 

Так, напрямую из атмосферы или со стоком рек соединения серы (в основном в виде сульфатов) поступают в океан. Кроме того, сера может поступать в океан и из гидротермальных источников на дне, но в виде самородной серы или сероводорода.

В биогенных процессах трансформации серы ведущую роль выполняют микроорганизмы, причём имеются как организмы, окисляющие серу, так и организмы, восстанавливающие её. Биогеохимический круговорот серы может отличаться большей замкнутостью, чем круговорот фосфора и кремния при наличии соответствующих организмов.

При этом цикл «окисление-восстановление» может происходить как между аэробной и анаэробной частями океана (где серу восстанавливают бактерии-сульфатредукторы и окисляют серобактерии), так и внутри анаэробной зоны (где серу восстанавливают бактерии-сульфатредукторы и окисляют фотосинтезирующие бактерии)

 

В водных экосистемах, куда с водой поступают растворенные сульфаты, активно развиваются сульфатредуцирующие бактерии, которые восстанавливают сульфаты до сероводорода. Данный процесс проходит в анаэробных условиях, что выполняется в плохо аэрируемых либо в эвтрофированных водоёмах. В водоёмах с достаточным количеством кислорода сульфатредуцирующие бактерии обитают в илах, где и происходит восстановление серы. Получившийся при этом сероводород переводит растворенные в воде соединения железа и других металлов в труднорастворимые сульфиды, которые аккумулируются в осадках морей и океанов. Сера этих сульфидов может быть высвобождена тио-бактериями и железобактериями в аэробных условиях:

Также в анаэробных условиях возможно окисление сероводорода до серы или сульфатов за счёт деятельности фотосинтезирущих бактерий при аноксигенном фотосинтезе. Так, для пурпурных фотосинтезирующих бактерий процесс выглядит так:

Остальная часть сероводорода либо уходит в атмосферу, либо окисляется в верхней, аэробной зоне (при наличии достаточного количества кислорода) химически или биологически. В аэробных зонах сероводород окисляется до элементарной серы или сульфатов бесцветными аэробными хемолитотрофными серобактериями, использующими неорганические соединения серы в качестве донора электронов.

При регрессии моря либо при погружении края литосферной плиты в мантию с последующей переплавкой горной породы и извержением вулкана сера в сульфидах может вновь попасть на земную поверхность, замкнув круговорот. 

 

Рис. 3. Биологический круговорот серы. Источник: [5].

 

 

 

 

Заключение.

В мире имеется много элементов и веществ, так или иначе вовлечённых в биотический круговорот.. Здесь были перечислены лишь 5 элементов, но и они имеют свои, индивидуальные пути в круговороте. Так, элементы, «находящие» на своём пути в круговороте сопоставимое число как организмов-окислителей, так и организмов-восстановителей, имеют более замкнутый цикл, чем элементы, «имеющие предпочтения» только к одной из этих групп организмов.

Если говорить конкретно о перечисленных элементах, то их можно скооперировать с 2 группы: те, которые могут составлять вещества в газовой фазе (C, N, S) и те, которые не могут (P, Si). Первая характеризуются более замкнутым биотическим круговоротом (что понятно, так как газ выталкивается на поверхность либо растворяется в воде), у второй круговорот более разомкнут (если соединение растворимо, оно растворяется и вовлекается в круговорот, а если нет, то откладывается на дне океана, так как тяжелее воды, и круговорот в коротком промежутке времени размыкается).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиография:

Используемые Интернет-источники:

1. http://dic.academic.ru (дата посещения – 10.10.2012)
2. http://www.ecology-portal.ru/photo-6 (дата посещения - 9.10.2012)
3. http://goloschr.net/kremniy.html (дата посещения - 17.12.2012)
4. http://ru.wikipedia.org (дата посещения – 22.12.2012)

 

Литературные источники:

5. Кузнецов A. E., Градова Η. Б. Научные основы экобиотехнологии / Учебное пособие для студентов. - M.: Мир, 2006. - 504 с.:
6. Семёнова Н. А., Холопов А. П., Шашель В. А., Чаплыгина Н. А., Морозов  Н. Г. Кремний — элемент жизни. Экология и медицина. - СПб.: Издательство «ДИЛЯ», 2008. - 448 с.
7. Julia Diaz, Ellery Ingall, Claudia Benitez-Nelson, David Paterson, Martin D. de Jonge, Ian McNulty, Jay A. Brandes. Marine Polyphosphate: A Key Player in Geologic Phosphorus Sequestration // Science. 2 May 2008. V. 320. P. 652–655