46.3: Біогеохімічні цикли

Навички для розвитку

• Обговорити біогеохімічні цикли води, вуглецю, азоту, фосфору та сірки
• Поясніть, як діяльність людини вплинула на ці цикли та потенційні наслідки для Землі

Енергія тече спрямовано через екосистеми, потрапляючи як сонячне світло (або неорганічні молекули для хемоавтотрофів) і залишаючи як тепло під час багатьох передач між трофічними рівнями. Однак матерія, що складається з живих організмів, консервується і переробляється. Шість найпоширеніших елементів, пов'язаних з органічними молекулами - вуглець, азот, водень, кисень, фосфор та сірка - приймають різноманітні хімічні форми і можуть існувати протягом тривалого часу в атмосфері, на суші, у воді або під поверхнею Землі. Геологічні процеси, такі як вивітрювання, ерозія, відведення води та субдукція континентальних плит, відіграють певну роль у цій переробці матеріалів. Оскільки геологія та хімія відіграють головну роль у вивченні цього процесу, рециркуляція неорганічної речовини між живими організмами та їх середовищем називається біогеохімічним циклом.

Вода містить водень і кисень, які необхідні для всіх живих процесів. Гідросфера - це область Землі, де відбувається рух і зберігання води: як рідка вода на поверхні і під поверхнею або замерзла (річки, озера, океани, грунтові води, полярні крижані шапки та льодовики), так і як водяна пара в атмосфері. Вуглець міститься у всіх органічних макромолекулах і є важливою складовою викопного палива. Азот є основним компонентом наших нуклеїнових кислот і білків і має вирішальне значення для сільського господарства людини. Фосфор, основний компонент нуклеїнової кислоти (поряд з азотом), є одним з основних інгредієнтів штучних добрив, що використовуються в сільському господарстві, та пов'язаних з ними впливу на навколишнє середовище на наші поверхневі води. Сірка, критична для 3-D згортання білків (як при дисульфідному зв'язуванні), виділяється в атмосферу при спалюванні викопного палива, такого як вугілля.

Циклювання цих елементів взаємопов'язане між собою. Наприклад, рух води має вирішальне значення для вимивання азоту та фосфатів у річки, озера та океани. Крім того, сам океан є головним резервуаром для вуглецю. Таким чином, мінеральні поживні речовини циркулюються, швидко або повільно, через всю біосферу, від одного живого організму до іншого, а також між біотичним і абіотичним світом.

Водний (гідрологічний) цикл

Вода - основа всіх живих процесів. Людський організм - це більше 1/2 води, а клітини людини - це більше 70 відсотків води. Таким чином, більшість наземних тварин потребують запасу прісної води, щоб вижити. Однак при дослідженні запасів води на Землі 97,5 відсотка її становить непитна солона вода (рис.\(\PageIndex{1}\)). Of the remaining water, 99 percent is locked underground as water or as ice. Thus, less than 1 percent of fresh water is easily accessible from lakes and rivers. Many living things, such as plants, animals, and fungi, are dependent on the small amount of fresh surface water supply, a lack of which can have massive effects on ecosystem dynamics. Humans, of course, have developed technologies to increase water availability, such as digging wells to harvest groundwater, storing rainwater, and using desalination to obtain drinkable water from the ocean. Although this pursuit of drinkable water has been ongoing throughout human history, the supply of fresh water is still a major issue in modern times.

Figure \(\PageIndex{1}\): Only 2.5 percent of water on Earth is fresh water, and less than 1 percent of fresh water is easily accessible to living things.

Water cycling is extremely important to ecosystem dynamics. Water has a major influence on climate and, thus, on the environments of ecosystems, some located on distant parts of the Earth. Most of the water on Earth is stored for long periods in the oceans, underground, and as ice. Figure \(\PageIndex{2}\) illustrates the average time that an individual water molecule may spend in the Earth’s major water reservoirs. Residence time is a measure of the average time an individual water molecule stays in a particular reservoir. A large amount of the Earth’s water is locked in place in these reservoirs as ice, beneath the ground, and in the ocean, and, thus, is unavailable for short-term cycling (only surface water can evaporate).

Figure \(\PageIndex{2}\): This graph shows the average residence time for water molecules in the Earth’s water reservoirs.

There are various processes that occur during the cycling of water, shown in Figure \(\PageIndex{3}\). These processes include the following:

• evaporation/sublimation
• condensation/precipitation
• subsurface water flow
• surface runoff/snowmelt
• streamflow

The water cycle is driven by the sun’s energy as it warms the oceans and other surface waters. This leads to the evaporation (water to water vapor) of liquid surface water and the sublimation (ice to water vapor) of frozen water, which deposits large amounts of water vapor into the atmosphere. Over time, this water vapor condenses into clouds as liquid or frozen droplets and is eventually followed by precipitation (rain or snow), which returns water to the Earth’s surface. Rain eventually permeates into the ground, where it may evaporate again if it is near the surface, flow beneath the surface, or be stored for long periods. More easily observed is surface runoff: the flow of fresh water either from rain or melting ice. Runoff can then make its way through streams and lakes to the oceans or flow directly to the oceans themselves.

Link to Learning

Head to this website to learn more about the world’s fresh water supply.

Rain and surface runoff are major ways in which minerals, including carbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur, are cycled from land to water. The environmental effects of runoff will be discussed later as these cycles are described.

Figure \(\PageIndex{3}\): Water from the land and oceans enters the atmosphere by evaporation or sublimation, where it condenses into clouds and falls as rain or snow. Precipitated water may enter freshwater bodies or infiltrate the soil. The cycle is complete when surface or groundwater reenters the ocean. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

The Carbon Cycle

Carbon is the second most abundant element in living organisms. Carbon is present in all organic molecules, and its role in the structure of macromolecules is of primary importance to living organisms. Carbon compounds contain especially high energy, particularly those derived from fossilized organisms, mainly plants, which humans use as fuel. Since the 1800s, the number of countries using massive amounts of fossil fuels has increased. Since the beginning of the Industrial Revolution, global demand for the Earth’s limited fossil fuel supplies has risen; therefore, the amount of carbon dioxide in our atmosphere has increased. This increase in carbon dioxide has been associated with climate change and other disturbances of the Earth’s ecosystems and is a major environmental concern worldwide. Thus, the “carbon footprint” is based on how much carbon dioxide is produced and how much fossil fuel countries consume.

The carbon cycle is most easily studied as two interconnected sub-cycles: one dealing with rapid carbon exchange among living organisms and the other dealing with the long-term cycling of carbon through geologic processes. The entire carbon cycle is shown in Figure \(\PageIndex{4}\).

Figure \(\PageIndex{4}\): Carbon dioxide gas exists in the atmosphere and is dissolved in water. Photosynthesis converts carbon dioxide gas to organic carbon, and respiration cycles the organic carbon back into carbon dioxide gas. Long-term storage of organic carbon occurs when matter from living organisms is buried deep underground and becomes fossilized. Volcanic activity and, more recently, human emissions, bring this stored carbon back into the carbon cycle. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

Link to Learning

Натисніть це посилання, щоб прочитати інформацію про наукову програму вуглецевого циклу США.

Біологічний вуглецевий цикл

Живі організми пов'язані різними способами, навіть між екосистемами. Хорошим прикладом цього зв'язку є обмін вуглецю між автотрофами та гетеротрофами всередині та між екосистемами за допомогою атмосферного вуглекислого газу. Вуглекислий газ є основним будівельним блоком, який більшість автотрофів використовують для створення багатовуглецевих високоенергетичних сполук, таких як глюкоза. Енергія, отримана від сонця, використовується цими організмами для формування ковалентних зв'язків, які пов'язують атоми вуглецю разом. Ці хімічні зв'язки тим самим зберігають цю енергію для подальшого використання в процесі дихання. Більшість наземних автотрофів отримують свій вуглекислий газ безпосередньо з атмосфери, тоді як морські автотрофи набувають його в розчиненому вигляді (вугільна кислота, H ₂ CO ₃ ⁻). Однак вуглекислий газ придбаний, побічним продуктом процесу є кисень. Фотосинтезуючі організми відповідають за осадження приблизно 21 відсотка вмісту кисню в атмосфері, яку ми спостерігаємо сьогодні.

Гетеротрофи і автотрофи є партнерами в біологічному вуглецевому обміні (особливо первинні споживачі, в основному травоїдні). Гетеротрофи набувають високоенергетичні вуглецеві сполуки з автотрофів, споживаючи їх, і руйнуючи їх диханням для отримання клітинної енергії, наприклад АТФ. Найефективніший вид дихання, аеробне дихання, вимагає кисню, отриманого з атмосфери або розчиненого у воді. Таким чином, відбувається постійний обмін киснем і вуглекислим газом між автотрофами (яким потрібен вуглець) і гетеротрофами (яким потрібен кисень). Газообмін через атмосферу і воду - це один із способів, яким вуглецевий цикл з'єднує всі живі організми на Землі.

Біогеохімічний вуглецевий цикл

Рух вуглецю через землю, воду та повітря є складним, і в багатьох випадках воно відбувається набагато повільніше геологічно, ніж це видно між живими організмами. Вуглець зберігається протягом тривалого періоду в так званих вуглецевих резервуарах, які включають атмосферу, водойми рідкої води (переважно океани), океанські осади, ґрунт, наземні відкладення (включаючи викопне паливо) та надр Землі.

Як зазначено, атмосфера є основним резервуаром вуглецю у вигляді вуглекислого газу і має важливе значення для процесу фотосинтезу. На рівень вуглекислого газу в атмосфері великий вплив робить резервуар вуглецю в океанах. Обмін вуглецю між атмосферою та водоймами впливає на те, скільки вуглецю міститься в кожному місці, і кожен впливає на інше взаємно. Вуглекислий газ (СО ₂) з атмосфери розчиняється у воді і з'єднується з молекулами води з утворенням вугільної кислоти, а потім іонізується до карбонатних і бікарбонатних іонів (рис.\(\PageIndex{5}\))

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Вуглекислий газ реагує з водою з утворенням бікарбонатних і карбонатних іонів

Коефіцієнти рівноваги такі, що більше 90 відсотків вуглецю в океані виявляється у вигляді бікарбонатних іонів. Деякі з цих іонів поєднуються з кальцієм морської води, утворюючи карбонат кальцію (CaCo ₃), основний компонент оболонок морського організму. Ці організми з часом утворюють відкладення на дні океану. Протягом геологічного часу карбонат кальцію утворює вапняк, який складається з найбільшого вуглецевого резервуара на Землі.

На суші вуглець зберігається в грунті в результаті розкладання живих організмів (розкладачами) або від вивітрювання земних порід і мінералів. Цей вуглець може бути вилугований у водойми поверхневим стоком. Глибше під землею, на суші та в морі, знаходяться викопне паливо: анаеробно розкладені залишки рослин, на формування яких потрібні мільйони років. Викопне паливо вважається невідновлюваним ресурсом, оскільки їх використання значно перевищує темпи їх утворення. Невідновлюваний ресурс, такий як викопне паливо, або регенерується дуже повільно, або зовсім не регенерується. Інший спосіб потрапляння вуглецю в атмосферу - з суші (включаючи землю під поверхнею океану) шляхом виверження вулканів та інших геотермальних систем. Вуглецеві відкладення з дна океану забираються глибоко всередині Землі процесом субдукції: рухом однієї тектонічної плити під іншою. Вуглець виділяється у вигляді вуглекислого газу при виверженні вулкана або з вулканічних гідротермальних отворів.

Вуглекислий газ також додається в атмосферу тваринницькими практиками людини. Велика кількість наземних тварин, вирощених для годування зростаючого населення Землі, призводить до підвищення рівня вуглекислого газу в атмосфері завдяки практикам ведення сільського господарства та дихання та виробництва метану. Це ще один приклад того, як діяльність людини опосередковано впливає на біогеохімічні цикли значним чином. Хоча значна частина суперечок про майбутні наслідки збільшення атмосферного вуглецю на зміну клімату зосереджена на викопному паливі, вчені враховують природні процеси, такі як вулкани та дихання, коли вони моделюють та прогнозують майбутній вплив цього збільшення.

Цикл азоту

Потрапити азот в живий світ складно. Рослини та фітопланктон не обладнані для включення азоту з атмосфери (який існує як щільно зв'язаний, потрійний ковалентний N ₂), хоча ця молекула містить приблизно 78 відсотків атмосфери. Азот потрапляє в живий світ через вільно живі та симбіотичні бактерії, які включають азот у свої макромолекули шляхом фіксації азоту (перетворення N ₂). Ціанобактерії живуть у більшості водних екосистем, де присутній сонячне світло; вони відіграють ключову роль у фіксації азоту. Ціанобактерії здатні використовувати неорганічні джерела азоту для «фіксації» азоту. Бактерії ризобію живуть симбіотично в кореневих бульбочках бобових культур (таких як горох, квасоля та арахіс) і забезпечують їх необхідним органічним азотом. Вільноживі бактерії, такі як Azotobacter, також є важливими фіксаторами азоту.

Органічний азот особливо важливий для вивчення динаміки екосистем, оскільки багато екосистемних процесів, таких як первинне виробництво та розкладання, обмежені наявним запасом азоту. Як показано на малюнку\(\PageIndex{6}\), азот, який потрапляє в живі системи шляхом фіксації азоту, послідовно перетворюється з органічного азоту назад в азотний газ бактеріями. Цей процес відбувається в три етапи в наземних системах: амоніфікація, нітрифікація та денітрифікація. По-перше, процес амоніфікації перетворює азотисті відходи живих тварин або з залишків мертвих тварин в амоній (NH ₄ ⁺) певними бактеріями та грибами. По-друге, амоній перетворюється на нітрити (NO ₂ ⁻) шляхом нітрифікації бактерій, таких як нітросомони, шляхом нітрифікації. Згодом нітрити перетворюються на нітрати (NO ₃ ⁻) подібними організмами. По-третє, відбувається процес денітрифікації, за допомогою якого бактерії, такі як Pseudomonas і Clostridium, перетворюють нітрати в газ азоту, дозволяючи йому знову потрапляти в атмосферу.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Азот потрапляє в живий світ з атмосфери через азотфіксуючі бактерії. Ці азотні та азотисті відходи тварин потім переробляються назад у газоподібний азот ґрунтовими бактеріями, які також постачають наземні харчові мережі необхідним їм органічним азотом. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)

Вправа

Яке з наведених нижче тверджень про цикл азоту є помилковим?

1. Амоніфікація перетворює органічні азотисті речовини з живих організмів в амоній (NH ₄ ⁺).
2. Денітрифікація бактеріями перетворює нітрати (NO ₃ ⁻) в газ азоту (N ₂).
3. Нітрифікація бактеріями перетворює нітрати (NO ₃ ⁻) на нітрити (NO ₂ ⁻).
4. Бактерії, що фіксують азоту, перетворюють газ азоту (N ₂) в органічні сполуки.

Відповідь

C: Нітрифікація бактеріями перетворює нітрати (NO ₃ ⁻) на нітрити (NO ₂ ⁻).

Діяльність людини може виділяти азот у навколишнє середовище двома основними способами: спалюванням викопного палива, яке виділяє різні оксиди азоту, і за допомогою використання штучних добрив у сільському господарстві, які потім змиваються в озера, струмки та річки поверхневим стоком. Атмосферний азот пов'язаний з декількома впливами на екосистеми Землі, включаючи виробництво кислотних дощів (як азотна кислота, HNO ₃) та парникових газів (як закис азоту, N ₂ O), потенційно спричиняючи зміни клімату. Основним ефектом стоку добрив є евтрофікація морської води та прісної води, процес, за допомогою якого стік поживних речовин викликає надлишковий ріст мікроорганізмів, виснажуючи рівень розчиненого кисню та вбиваючи фауну екосистеми.

Подібний процес відбувається в морському циклі азоту, де процеси амоніфікації, нітрифікації та денітрифікації здійснюються морськими бактеріями. Частина цього азоту падає на дно океану як осад, який потім може бути переміщений на сушу в геологічний час шляхом підняття поверхні Землі і тим самим включений в земну породу. Хоча рух азоту з гірської породи безпосередньо в живі системи традиційно розглядається як незначне порівняно з азотом, закріпленим з атмосфери, недавнє дослідження показало, що цей процес дійсно може бути значним і повинен бути включений в будь-яке дослідження глобального циклу азоту. ¹

Фосфорний цикл

Фосфор є необхідною поживною речовиною для життєвих процесів; він є основним компонентом нуклеїнової кислоти та фосфоліпідів, і, як фосфат кальцію, становить підтримуючі компоненти наших кісток. Фосфор часто є граничною поживною речовиною (необхідною для росту) у водних екосистемах (рис.\(\PageIndex{7}\)).

Фосфор зустрічається в природі як фосфатний іон (PO ₄ ^{3 −}). Крім фосфатного стоку в результаті діяльності людини відбувається природний поверхневий стік, коли його вилуговують з фосфатсодержащих гірських порід шляхом вивітрювання, тим самим відправляючи фосфати в річки, озера та океан. Ця скеля бере свій початок в океані. Фосфатсодержащие океанічні відкладення утворюються переважно з тіл океанічних організмів і з їх виділень. Однак у віддалених регіонах вулканічний попіл, аерозолі та мінеральний пил також можуть бути значними джерелами фосфатів. Потім цей осад переміщується на сушу протягом геологічного часу шляхом підняття ділянок земної поверхні.

Фосфор також взаємно обмінюється між фосфатами, розчиненими в океані, і морськими екосистемами. Рух фосфатів з океану до суші та через ґрунт надзвичайно повільний, при цьому середній фосфатний іон має час перебування в океанічному середовищі від 20 000 до 100 000 років.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): У природі фосфор існує як фосфатний іон (PO ₄ ^{3 −}). Вивітрювання гірських порід і вулканічна активність виділяє фосфат у ґрунт, воду та повітря, де він стає доступним для наземних харчових павутин. Фосфат потрапляє в океани через поверхневий стік, підземні води та річковий потік. Фосфат, розчинений у воді океану, циклів у морських харчових павутині. Деяка кількість фосфатів з морських харчових павутин потрапляє на дно океану, де утворює осад. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)

Надлишок фосфору та азоту, що потрапляє в ці екосистеми зі стоку добрив та з стічних вод, викликає надмірне зростання мікроорганізмів і виснажує розчинений кисень, що призводить до загибелі багатьох екосистемних фауни, таких як молюски та плавники. Цей процес відповідає за мертві зони в озерах і в гирлах багатьох великих річок (рис.\(\PageIndex{8}\)).

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Мертві зони виникають, коли фосфор і азот з добрив викликають надмірне зростання мікроорганізмів, що виснажує кисень і вбиває фауну. У всьому світі великі мертві зони зустрічаються в прибережних районах з високою щільністю населення. (кредит: Обсерваторія Землі НАСА)

Мертва зона - це територія в межах прісноводної або морської екосистеми, де великі площі виснажені їх нормальної флори та фауни; ці зони можуть бути спричинені евтрофікацією, розливами нафти, скиданням токсичних хімічних речовин та іншою діяльністю людини. Кількість мертвих зон зростає вже кілька років, і станом на 2008 рік їх було понад 400. Одна з найгірших мертвих зон знаходиться біля узбережжя США в Мексиканській затоці, де стік добрив з басейну річки Міссісіпі створив мертву зону площею понад 8463 квадратних миль. Фосфатні та нітратні стоки добрив також негативно впливають на кілька екосистем озер та бухт, включаючи Чесапікський затоку на сході США.

Щоденне з'єднання: Чесапікська бухта

Малюнок\(\PageIndex{9}\): Цей (a) супутниковий знімок показує Чесапікську затоку, екосистему, уражену стоком фосфатів та нітратів. (б) член армійського корпусу інженерів тримає грудочку устриць, які використовуються як частина зусиль по відновленню устриць в бухті. (кредит а: модифікація роботи NASA/MODIS; кредит b: модифікація роботи армії США)

Чесапікська бухта здавна цінується як одна з наймальовничіших районів на Землі; зараз вона переживає лихо і визнана занепадає екосистемою. У 1970-х роках Чесапікська бухта була однією з перших екосистем, яка визначила мертві зони, які продовжують вбивати багатьох риб та видів, що мешкають на дні, таких як молюски, устриці та черв'яки. Кілька видів знизилися в Чесапікській затоці через стік поверхневих вод, що містять надлишок поживних речовин від штучних добрив, що використовуються на суші. Джерело добрив (з високим вмістом азоту і фосфатів) не обмежується сільськогосподарською практикою. Є багато сусідніх міських районів і понад 150 річок і струмків порожніх в затоку, які несуть стоки добрив з газонів і садів. Таким чином, занепад Чесапікської затоки є складним питанням і вимагає співпраці промисловості, сільського господарства та побутових домовласників.

Особливий інтерес для природоохоронців представляє популяція устриць; за оцінками, понад 200 000 акрів устричних рифів існувало в затоці в 1700-х роках, але зараз ця кількість зменшилася лише до 36 000 акрів. Збирання устриць колись була основною галуззю для Чесапікської затоки, але вона знизилася на 88 відсотків між 1982 і 2007 роками. Це зниження було обумовлено не тільки стоком добрив і мертвими зонами, а й перезбиранням врожаю. Устриці вимагають певної мінімальної щільності населення, оскільки вони повинні знаходитися в безпосередній близькості, щоб розмножуватися. Людська діяльність змінила популяцію та місцезнаходження устриць, сильно порушивши екосистему.

Відновлення популяції устриць в Чесапікському затоці триває вже кілька років зі змішаним успіхом. Багато людей не тільки вважають устриці корисними для їжі, але й прибирають бухту. Устриці - це фільтруючі годівниці, і в міру їжі вони очищають воду навколо себе. У 1700-х роках було підраховано, що популяція устриць відфільтрувала весь обсяг затоки всього кілька днів. Сьогодні, зі зміненими водними умовами, підраховано, що нинішньому населенню знадобиться майже рік, щоб виконати ту саму роботу.

Зусилля по відновленню тривають вже кілька років некомерційними організаціями, такими як Фонд Чесапікської затоки. Мета відновлення - знайти спосіб збільшити щільність населення, щоб устриці могли ефективніше розмножуватися. Багато стійкі до захворювань сорти (розроблені в Вірджинському інституті морських наук для коледжу Вільяма і Марії) тепер доступні і використовуються при будівництві експериментальних устричних рифів. Зусилля щодо очищення та відновлення затоки Вірджинією та Делавером були утруднені, оскільки значна частина забруднення, що потрапляє в затоку, надходить від інших штатів, що підкреслює необхідність міждержавного співробітництва для успішного відновлення.

Нові, ситні штами устриць також породили нову та економічно життєздатну галузь - аквакультуру устриць - яка не тільки постачає устриць для їжі та прибутку, але й має додаткову користь від очищення затоки.

Сірчаний цикл

Сірка є необхідним елементом для макромолекул живих істот. У складі амінокислоти цистеїну він бере участь у формуванні дисульфідних зв'язків всередині білків, які допомагають визначити їх 3-D схеми згортання, а отже, і їх функції. Як показано на малюнку\(\PageIndex{10}\), сірчані цикли між океанами, сушею та атмосферою. Атмосферна сірка зустрічається у вигляді діоксиду сірки (SO ₂) і надходить в атмосферу трьома шляхами: від розкладання органічних молекул, від вулканічної активності і геотермальних жерл, і від спалювання викопного палива людиною.

Малюнок\(\PageIndex{10}\): Діоксид сірки з атмосфери стає доступним для наземних і морських екосистем, коли він розчиняється в опадах у вигляді слабкої сірчаної кислоти або коли він потрапляє безпосередньо на Землю як випадання. Вивітрювання гірських порід також робить сульфати доступними для наземних екосистем. Розпад живих організмів повертає сульфати в океан, грунт і атмосферу. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)

На суші сірка відкладається чотирма основними способами: опадами, прямими випаданнями з атмосфери, вивітрювання гірських порід і геотермальними жерлами (рис.\(\PageIndex{11}\)). Атмосферна сірка зустрічається у вигляді діоксиду сірки (SO ₂), а в міру потрапляння дощу через атмосферу сірка розчиняється у вигляді слабкої сірчаної кислоти (H ₂ SO ₄). Сірка також може потрапляти безпосередньо з атмосфери в процесі, який називається випаданням. Також вивітрювання сірковмісних порід виділяє в грунт сірку. Ці породи походять з океанських відкладень, які переміщуються на сушу шляхом геологічного підняття океанських відкладень. Наземні екосистеми можуть потім використовувати ці сульфати ґрунту (\(\text{SO}_4^{2-}\)), а після загибелі та розкладання цих організмів вивільнити сірку назад в атмосферу у вигляді сірководню (H ₂ S) газу.

Малюнок\(\PageIndex{11}\): На цьому отворі сірки в національному парку Лассен Вулканічний на північному сході Каліфорнії жовтуваті відкладення сірки видно біля гирла вентиляційного отвору.

Сірка потрапляє в океан через стік з суші, від атмосферних опадів та з підводних геотермальних отворів. Деякі екосистеми покладаються на хемоавтотрофи, що використовують сірку як біологічне джерело енергії. Потім ця сірка підтримує морські екосистеми у вигляді сульфатів.

Діяльність людини зіграла важливу роль у зміні балансу глобального циклу сірки. Спалювання великої кількості викопного палива, особливо з вугілля, виділяє більшу кількість сірководневого газу в атмосферу. Коли дощ падає через цей газ, він створює явище, відоме як кислотний дощ. Кислотний дощ - це корозійний дощ, спричинений падінням дощової води на землю через газ діоксиду сірки, перетворюючи її на слабку сірчану кислоту, що завдає шкоди водним екосистемам. Кислотні дощі завдають шкоди природному середовищу, знижуючи рН озер, що вбиває багато мешканців фауни; він також впливає на техногенне середовище через хімічну деградацію будівель. Наприклад, багато мармурові пам'ятники, такі як Меморіал Лінкольна у Вашингтоні, округ Колумбія, зазнали значної шкоди від кислотних дощів протягом багатьох років. Ці приклади показують широкий вплив людської діяльності на навколишнє середовище та проблеми, які залишаються для нашого майбутнього.

Посилання на навчання

Натисніть це посилання, щоб дізнатися більше про глобальні зміни клімату.

Резюме

Мінеральні поживні речовини циклічно проходять через екосистеми та їх навколишнє середовище. Особливе значення мають вода, вуглець, азот, фосфор, сірка. Усі ці цикли мають значний вплив на структуру та функцію екосистеми. Оскільки людська діяльність спричинила серйозні порушення цих циклів, їх вивчення та моделювання особливо важливо. Різноманітні види діяльності людини, такі як забруднення, розливи нафти та інші події, пошкодили екосистеми, потенційно спричинивши глобальні зміни клімату. Здоров'я Землі залежить від розуміння цих циклів і того, як захистити навколишнє середовище від незворотної шкоди.

Виноски

1. 1 Скотт Л. Морфорд, Бенджамін З. Хоултон, і Ренді А. Дальгрен, «Збільшення лісової екосистеми зберігання вуглецю та азоту з багатих азотними породами,» Природа 477, № 7362 (2011): 78—81.

Глосарій

кислотний дощ

корозійний дощ, спричинений падінням дощової води на землю через газ діоксиду сірки, перетворюючи її на слабку сірчану кислоту; може пошкодити структури та екосистеми

біогеохімічний цикл

циклічність мінеральних поживних речовин через екосистеми та через неживий світ

мертва зона

територія в межах екосистеми в озерах і біля гирла річок, де великі площі екосистем виснажені їх нормальною флорою і фауною; ці зони можуть бути викликані евтрофікацією, розливами нафти, скиданням токсичних хімічних речовин та іншою діяльністю людини

евтрофікацію

процес, за допомогою якого стік поживних речовин викликає надлишковий ріст мікроорганізмів, виснажуючи рівень розчиненого кисню і вбиваючи фауну еко

випадання

пряме покладання твердих корисних копалин на суші або в океані з атмосфери

гідросфера

область Землі, де відбувається рух і зберігання води

невідновлюваний ресурс

ресурс, такий як викопне паливо, тобто або регенерується дуже повільно, або зовсім не

час проживання

міра середнього часу перебування окремої молекули води в певному резервуарі

субдукція

рух однієї тектонічної плити під іншою