7.3: Біогеохімічні цикли

Біогеохімічні цикли, також відомі як цикли поживних речовин, описують рух хімічних елементів через різні середовища, такі як атмосфера, грунт, гірські породи, водойми та організми. Біогеохімічні цикли зберігають необхідні елементи, доступні рослинам та іншим організмам.

Енергія тече спрямовано через екосистеми, потрапляючи як сонячне світло (або неорганічні молекули для хемоавтотрофів) і залишаючи як тепло під час перетворення енергії між трофічними рівнями. Замість того, щоб протікати через екосистему, речовина, що складається з організмів, зберігається та переробляється. Закон збереження маси говорить, що матерія ні створена, ні руйнується. Наприклад, після хімічної реакції маса продуктів (кінцевих молекул) буде такою ж, як і маса реагентів (стартових молекул). Те ж саме справедливо і в екосистемі. Матерія рухається через різні середовища, і атоми можуть реагувати, утворюючи нові молекули, але кількість речовини залишається постійною.

Біогеохімічні цикли чотирьох елементів - вуглецю, азоту, фосфору та сірки - розглядаються нижче. Циклічність цих елементів взаємопов'язана з кругообігом води. Наприклад, рух води має вирішальне значення для вимивання сірки та фосфору в річки, озера та океани. Сьогодні антропогенна (людська) діяльність змінює всі основні екосистеми та біогеохімічні цикли, якими вони керують.

Вуглецевий цикл

Вуглець є основним будівельним блоком всіх органічних матеріалів, а отже, і живих організмів. Цикл вуглецю фактично складається з декількох взаємопов'язаних циклів: один стосується швидкого обміну вуглецю між живими організмами, а інший - з довгостроковим циклічним циклом вуглецю через геологічні процеси (малюнок\(\PageIndex{a}\)). Загальний ефект полягає в тому, що вуглець постійно переробляється в динамічних процесах, що відбуваються в атмосфері, на поверхні і в земній корі. Переважна більшість вуглецю знаходиться як неорганічні мінерали в гірських породах земної кори. Інші резервуари вуглецю, місця, де накопичується вуглець, включають океани і атмосферу. Деякі атоми вуглецю у вашому тілі сьогодні, можливо, давно мешкали в тілі динозавра, або, можливо, колись були поховані глибоко в земній корі як карбонатні гірські мінерали.

Малюнок\(\PageIndex{a}\): Вуглекислий газ в атмосфері перетворюється в органічний вуглець за допомогою фотосинтезу наземними організмами (як дерева) та морськими організмами (як водорості). Дихання наземними організмами (такими як дерева та олені) та морські організми (як водорості та риби) вивільняють вуглекислий газ назад в атмосферу. Крім того, мікроби, що розкладають мертві організми, виділяють вуглекислий газ через дихання. Вивітрювання наземних порід також приносить вуглець в грунт. Вуглець в грунт надходить у воду через вилуговування і стік. Він може накопичуватися в океанічних відкладах і знову потрапляти на сушу через підйом. Тривале зберігання органічного вуглецю відбувається, коли речовина живих організмів закопується глибоко під землею і стає скам'янілою. Вулканічна активність і, зовсім недавно, викиди людини зберігали вуглець назад у вуглецевий цикл. Модифікований від Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS з використанням дерева та оленів (як публічне надбання).

Цикли вуглецю повільно між сушею та океаном

На суші вуглець зберігається в грунті у вигляді органічного вуглецю у вигляді розкладається організмів або наземних порід. Розклалися рослини і водорості іноді закопуються і стискаються між шарами відкладень. Через мільйони років утворюються викопні види палива, такі як вугілля, нафта та природний газ. Вивітрювання наземних порід і мінералів виділяють вуглець в грунт.

Вуглецеві сполуки в грунті можуть вимиватися в водойми шляхом вилуговування. Ця вода з часом потрапляє в океан. Атмосферний вуглекислий газ також розчиняється в океані, вступаючи в реакцію з молекулами води з утворенням карбонатних іонів (CO ₃ ^2-). Деякі з цих іонів поєднуються з іонами кальцію в морській воді, утворюючи карбонат кальцію (CaCo ₃), основний компонент оболонок морських організмів. Ці організми з часом гинуть, а їх оболонки утворюють відкладення на дні океану. Протягом геологічного часу карбонат кальцію утворює вапняк, який складається з найбільшого вуглецевого резервуара на Землі.

Карбонат також випадає в опадах, утворюючи карбонатні породи, такі як вапняк. Вуглецеві відкладення з дна океану забираються глибоко всередині Землі процесом субдукції: рухом однієї тектонічної плити під іншою. Океанічні опади підпорядковуються діями тектоніки плит, розплавляються, а потім повертаються на поверхню під час вулканічної діяльності. Тектоніка плит також може викликати підйом, повертаючи океанські відкладення на сушу.

Цикли вуглецю швидко між організмами та атмосферою

Вуглекислий газ перетворюється в глюкозу, багату енергією органічну молекулу за допомогою фотосинтезу рослинами, водоростями та деякими бактеріями (малюнок\(\PageIndex{b}\)). Потім вони можуть виробляти інші органічні молекули, такі як складні вуглеводи (наприклад, крохмаль), білки та ліпіди, які тварини можуть їсти. Більшість наземних автотрофів отримують свій вуглекислий газ безпосередньо з атмосфери, тоді як морські автотрофи набувають його в розчиненому вигляді (бікарбонат, HCO ₃ ^—).

Малюнок\(\PageIndex{b}\): (а) Рослини, (б) водорості та (в) певні бактерії, звані ціанобактеріями, можуть здійснювати фотосинтез. Водорості можуть рости на величезних ділянках у воді, часом повністю покриваючи поверхню. (кредит a: Стів Хіллебранд, Служба риби та дикої природи США; кредит b: «евтрофікація та гіпоксія» /Flickr; кредит c: NASA; дані шкали від Метта Рассела)

Рослини, тварини та інші організми розщеплюють ці органічні молекули в процесі аеробного клітинного дихання, яке споживає кисень і виділяє енергію, воду і вуглекислий газ. Вуглекислий газ повертається в атмосферу при газоподібному обміні. Ще один процес, за допомогою якого органічний матеріал переробляється, - це розкладання мертвих організмів. Під час цього процесу бактерії і грибки розщеплюють складні органічні сполуки. Розкладачі можуть робити дихання, виділяючи вуглекислий газ або інші процеси, що виділяють метан (CH ₄).

Фотосинтез і дихання фактично взаємні один одному щодо циклічності вуглецю: фотосинтез виводить вуглекислий газ з атмосфери і дихання повертає його (малюнок\(\PageIndex{c}\)). Таким чином, значне порушення одного процесу може вплинути на кількість вуглекислого газу в атмосфері.

Малюнок\(\PageIndex{c}\): Це рівняння означає, що шість молекул вуглекислого газу (CO ₂) з'єднуються з шістьма молекулами води (H ₂ O) в присутності сонячного світла. При цьому виробляється одна молекула глюкози (C ₆ H ₁₂ O ₆) і шість молекул кисню (O ₂).

Клітинне дихання - це лише один процес, який виділяє вуглекислий газ. Фізичні процеси, такі як виверження вулканів і виділення з гідротермальних жерл (отворів на дні океану), додають в атмосферу вуглекислий газ. Крім того, при спалюванні деревини та викопного палива виділяється вуглекислий газ. На рівень вуглекислого газу в атмосфері великий вплив робить резервуар вуглецю в океанах. Обмін вуглецю між атмосферою і водоймами впливає на те, скільки вуглецю міститься в кожному.

Важливість вуглецевого циклу

Цикл вуглецю має вирішальне значення для біосфери. Якби не процеси переробки, вуглець давно міг би повністю секвеструватися в гірських породах і відкладеннях, і життя більше не існувало б (малюнок\(\PageIndex{e}\)). Фотосинтез не тільки робить енергію і вуглець доступними для більш високих трофічних рівнів, але він також виділяє газоподібний кисень (O ₂). Для клітинного дихання необхідний газоподібний кисень. Фотосинтетичні бактерії, ймовірно, були першими організмами, які здійснили фотосинтез, починаючи 2-3 мільярди років тому. Завдяки їх активності та різноманітності сучасних фотосинтезуючих організмів, атмосфера Землі в даний час становить близько 21% O ₂. Також цей О ₂ життєво необхідний для створення озонового шару, який захищає життя від шкідливого ультрафіолетового випромінювання, що випромінюється сонцем. Озон (О ₃) створюється з пробою і повторної збірки О ₂.

Малюнок\(\PageIndex{e}\): Розкладачі розщеплюють органічні сполуки в цьому поваленому дереві в скелі парку штату Нойз в окрузі Уейн, Північна Кароліна, виділяючи вуглекислий газ в атмосферу. Розпад гарантує, що вуглекислий газ буде доступний в атмосфері для фотосинтетичних організмів, які потім забезпечують вуглець для споживачів. Зображення Джеррі Дінчера (CC-BY-SA).

Глобальний вуглецевий цикл суттєво сприяє забезпеченню екосистемних послуг, від яких залежить людина. Ми збираємо приблизно 25% всієї рослинної біомаси, яка щороку виробляється на поверхні землі, щоб постачати їжу, паливну деревину та клітковину з пасовищ, пасовищ та лісів. Крім того, глобальний вуглецевий цикл відіграє ключову роль у регулюванні екосистемних послуг, оскільки він значно впливає на клімат через вплив на атмосферні концентрації CO ₂.

Людська зміна вуглецевого циклу

Атмосферна концентрація CO ₂ зросла з 280 частин на мільйон (ppm) до 413 ppm між початком промислової революції в кінці XVIII століття і 2020 рр. Це відбило новий потік у глобальному циклі вуглецю - антропогенні викиди CO ₂ - коли люди виділяють CO ₂ в атмосферу шляхом спалювання викопного палива та зміни землекористування. Спалювання викопного палива забирає вуглець із запасів вугілля, газу та нафти, де він інакше зберігатиметься на дуже тривалих масштабах часу, і вводить його в цикл активного вуглецю. Зміна землекористування вивільняє вуглець з ґрунту та басейнів біомаси рослин в атмосферу, особливо через процес вирубки лісів для видобутку деревини або перетворення землі в сільське господарство. У 2018 році додатковий потік вуглецю в атмосферу з антропогенних джерел оцінювався як 36,6 гігатонни вуглецю (GtC = 1 млрд тонн вуглецю) - значне порушення природного вуглецевого циклу, який був в балансі протягом декількох тисяч років тому. Високий рівень вуглекислого газу в атмосфері викликає потепління, що призводить до зміни клімату. (Див. Загрози біорізноманіття та зміни клімату для більш докладної інформації.)

Цикл азоту

Всі організми потребують азоту, оскільки він є важливим компонентом нуклеїнових кислот, білків та інших органічних молекул. Потрапляння азоту в живі організми важко. Рослини та водорості не обладнані для включення азоту з атмосфери (там, де він існує як щільно пов'язаний, потрійний ковалентний N ₂), хоча ця молекула містить приблизно 78 відсотків атмосфери. Оскільки більша частина азоту зберігається в атмосфері, атмосфера вважається резервуаром азоту.

Молекула азоту (N ₂) досить інертна. Щоб розбити його, щоб його атоми могли поєднуватися з іншими атомами, потрібно введення значної кількості енергії. Фіксація азоту - це процес перетворення газу азоту в аміак (NH ₃), який мимовільно стає амонієм (NH ₄ ⁺). Амоній міститься в водоймах і в грунті (рис.\(\PageIndex{f}\)).

Малюнок\(\PageIndex{f}\): В азотному циклі азотфіксуючі бактерії в грунті або бульбочках коренів бобових перетворюють газ азоту (N ₂) з атмосфери в амоній (NH ₄ ⁺). Нітрифікація відбувається, коли бактерії перетворюють амоній в нітрити (NO ₂ ^-), а потім в нітрати (NO ₃ ^-). Нітрати знову потрапляють в атмосферу як азотний газ через денітрифікацію бактеріями. Рослини засвоюють амоній і нітрати, виробляючи органічний азот, який доступний споживачам. Розкладачі, включаючи аеробні та анаеробні бактерії та гриби, розщеплюють органічний азот і виділяють амонію шляхом амоніфікації. (кредит: «Цикл азоту» Йоганна Дрео та Раекі ліцензується відповідно до CC BY-SA 3.0)

Три процеси відповідають за більшу частину фіксації азоту в біосфері. Перший - атмосферна фіксація блискавкою. Величезна енергія блискавки розбиває молекули азоту і дозволяє їх атомам поєднуватися з киснем у повітрі, утворюючи оксиди азоту. Вони розчиняються в дощі, утворюючи нітрати, які переносяться на землю. Фіксація атмосферного азоту, ймовірно, сприяє деяким 5-8% від загального зафіксованого азоту. Другий процес - промислова фіксація. Під великим тиском, при температурі 600° C (1112° F) і з використанням каталізатора (що полегшує хімічні реакції) атмосферний азот і водень можуть бути об'єднані з утворенням аміаку (NH ₃). Аміак можна використовувати безпосередньо як добриво, але велика його частина додатково переробляється до сечовини і аміачної селітри (NH ₄ NO ₃).

Третій процес - біологічна фіксація певними вільноживучими або симбіотичними бактеріями. Деякі формують симбіотичні відносини з рослинами сімейства бобових, до складу якого входять квасоля, горох, соя, люцерна та конюшина (малюнок\(\PageIndex{g}\)). Деякі азотфіксуючі бактерії навіть встановлюють симбіотичні відносини з тваринами, наприклад, термітами та «корабельними черв'яками» (двостулкові дрова). Ціанобактерії, що фіксують азот, мають важливе значення для підтримки родючості напівводних середовищ, таких як рисові поля. Хоча першим стабільним продуктом процесу є аміак, він швидко включається в білок та інші органічні сполуки азоту.

Малюнок\(\PageIndex{g}\): Азотофіксуючі бактерії живуть в кулястих бульбочках цього кореня сої. Зображення Об'єднаної соєвої ради (CC-BY).

Амоній перетворюється бактеріями та археєю в нітрити (NO ₂ ⁻), а потім нітрати (NO ₃ ⁻) в процесі нітрифікації. Як і амоній, нітрити та нітрати містяться у воді та грунті. Деякі нітрати перетворюються назад в азотний газ, який виділяється в атмосферу. Процес, званий денітрифікацією, ведеться бактеріями.

Рослини та інші виробники безпосередньо використовують амоній та нітрати, щоб зробити органічні молекули через процес засвоєння. Цей азот тепер доступний споживачам. Органічний азот особливо важливий для вивчення динаміки екосистем, оскільки багато процесів, таких як первинне виробництво, обмежені наявним запасом азоту.

Споживачі виділяють органічні сполуки азоту, які повертаються в навколишнє середовище. Додатково мертві організми на кожному трофічному рівні містять органічний азот. Мікроорганізми, такі як бактерії та гриби, розкладають ці відходи та мертві тканини, в кінцевому підсумку виробляючи амонію в процесі амоніфікації.

У морських екосистемах сполуки азоту, створені бактеріями, або шляхом розкладання, збираються в відкладах океанічного дна. Потім його можна перенести на землю в геологічний час шляхом підняття земної кори і тим самим включити до земної породи. 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.

Діяльність людини може змінити цикл азоту двома основними способами: спалюванням викопного палива, яке виділяє різні оксиди азоту в атмосферу, і за допомогою використання штучних добрив у сільському господарстві. Атмосферний азот (крім N ₂) пов'язаний з декількома впливами на екосистеми Землі. Оксиди азоту (HNO ₃) можуть реагувати в атмосфері з утворенням азотної кислоти, форми кислотного осадження, також відомого як кислотні дощі. Кислотне осадження пошкоджує здорові дерева, руйнує водні системи та розмиває будівельні матеріали, такі як мармур та вапняк. Як і вуглекислий газ, закис азоту (N ₂ O) викликає потепління, що призводить до зміни клімату.

Люди в першу чергу залежать від циклу азоту як допоміжного екосистемного сервісу для врожайності та лісів. Азотні добрива додають для посилення росту багатьох культур і насаджень (рис.\(\PageIndex{h}\)). Посилене використання добрив у сільському господарстві було ключовою особливістю зеленої революції, яка підвищила світову врожайність сільськогосподарських культур у 1970-х роках. Промислове виробництво багатих азотом добрив значно збільшилося з плином часу і тепер відповідає більше половини надходжень на землю від біологічної азотфіксації (90 мегатонн = 1 млн тонн азоту щороку). Якщо включити азотфіксацію від бобових культур, то антропогенний потік азоту з атмосфери в землю перевищує природні потоки в землю. Добрива змиваються в озера, струмки та річки поверхневим стоком, що призводить до евтрофікації морської води та прісної води, процес, за допомогою якого стік поживних речовин викликає заростання водоростей, виснаження кисню та загибель водної фауни.

Малюнок\(\PageIndex{h}\): Добриво, що містить азот, умовно застосовується у великих масштабах в сільському господарстві. Зображення Боба Ніколса, Служби збереження природних ресурсів USDA (суспільне надбання).

Фосфорний цикл

У циклі азоту брали участь кілька форм азоту (газ азоту, амоній, нітрати тощо), але фосфор залишається переважно у вигляді фосфатного іона (PO ₄ ^3-). Також на відміну від азотного кругообігу, в атмосфері відсутня форма фосфору. Фосфор використовується для отримання нуклеїнових кислот та фосфоліпідів, що входять до складу біологічних мембран.

Скелі є резервуаром для фосфору, і ці породи мають свій початок в океані. Фосфатсодержащие океанічні відкладення утворюються переважно з тіл океанічних організмів і з їх виділень. Однак вулканічний попіл, аерозолі та мінеральний пил також можуть бути значними джерелами фосфатів. Потім цей осад переміщується на землю протягом геологічного часу шляхом підняття поверхні Землі (малюнок\(\PageIndex{i}\)). 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\(\PageIndex{i}\): У природі фосфор існує як фосфатний іон (PO ₄ ^3-). Фосфат потрапляє в атмосферу з вулканічних аерозолів, які випадають в осад на Землю. Вивітрювання гірських порід також виділяє фосфат в грунт і воду, де він стає доступним для наземних харчових павутин. Частина фосфату з наземних харчових павутин розчиняється в струмках і озерах, а решта потрапляє в грунт. Фосфат потрапляє в океан через поверхневий стік, підземні води та річковий потік, де він розчиняється у воді океану або потрапляє в морські харчові мережі. Деякий фосфат падає на дно океану, де він стає осадом. Якщо відбувається підняття настрою, цей осад може повернутися на землю. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)

Морські птахи відіграють унікальну роль у циклі фосфору. Ці птахи забирають фосфор у океанських риб. Їх послід на суші (гуано) містить високий вміст фосфору і іноді видобувається для комерційного використання. Дослідження 2020 року підрахувало, що екосистемні послуги (природні процеси та продукти, що приносять користь людям), що надаються гуано, коштують 470 мільйонів доларів на рік.

Вивітрювання гірських порід виділяє фосфати в грунт і водойми. Рослини можуть засвоювати фосфати в ґрунті та включати його в органічні молекули, роблячи фосфор доступним для споживачів у наземних харчових мережах. Відходи і мертві організми розкладаються грибами і бактеріями, виділяючи фосфати назад в грунт. Частина фосфатів вимивається з грунту, потрапляючи в річки, озера, океан. Первинні виробники у водних харчових павутині, такі як водорості та фотосинтетичні бактерії, асимілюють фосфат та органічний фосфат, таким чином, доступні споживачам у водних харчових мережах. Подібно до наземних харчових павутинь, фосфор взаємно обмінюється між фосфатом, розчиненим в океані, та органічним фосфором у морських організмах.

Переміщення фосфору від гірських порід до живих організмів, як правило, дуже повільний процес, але деякі дії людини прискорюють процес. Фосфатноносну породу часто добувають для використання у виробництві добрив і миючих засобів. Це комерційне виробництво значно прискорює цикл фосфору. Крім того, стік з сільськогосподарських угідь і викид стічних вод у водопровідні системи можуть викликати місцеве перевантаження фосфатів. Підвищена доступність фосфату може викликати заростання водоростей. Це знижує рівень кисню, викликаючи евтрофікацію і знищення інших водних видів.

Евтрофікація і мертві зони

Евтрофікація відбувається, коли надлишок фосфору та азоту зі стоку добрив або стічних вод викликає надмірне зростання водоростей. Водорості цвітуть, які блокують світло і тому вбивають водні рослини в річках, озерах та морях. Подальша загибель і гниття цих організмів виснажує розчинений кисень, що призводить до загибелі таких водних організмів, як молюски і риба. Цей процес відповідає за мертві зони, великі площі в озерах і океанах біля гирла річок, які періодично виснажуються своєю нормальною флорою і фауною, і за масові вбивства риб, які часто відбуваються в літні місяці (рис.\(\PageIndex{j}\)). У всьому світі налічується понад 500 мертвих зон. Одна з найгірших мертвих зон знаходиться біля узбережжя США в Мексиканській затоці. Стік добрив з басейну річки Міссісіпі створив мертву зону, яка досягла свого пікового розміру 8,776 квадратних миль у 2017 році. Фосфатні та нітратні стоки добрив також негативно впливають на кілька екосистем озер та бухт, включаючи Чесапікський затоку на сході США.

Малюнок\(\PageIndex{j}\): Мертві зони виникають, коли фосфор і азот з добрив викликають надмірне зростання мікроорганізмів, що виснажує кисень і вбиває фауну. Ця карта показує мертві зони по всьому світу в 2008 році. У всьому світі великі мертві зони зустрічаються в прибережних районах з високою щільністю населення. (кредит: Обсерваторія Землі НАСА)

Щоденне з'єднання: Чесапікська бухта

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 (фігура\(\PageIndex{k}\)). 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.

Малюнок\(\PageIndex{k}\): 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)

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 надмірною експлуатацією. 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.

Цикл сірки

Сірка є необхідним елементом для молекул живих істот. У складі амінокислоти цистеїн він має вирішальне значення для тривимірної форми білків. Як показано на малюнку\(\PageIndex{l}\), сірчані цикли серед океанів, суші та атмосфери. Атмосферна сірка міститься у вигляді діоксиду сірки (SO ₂), який потрапляє в атмосферу трьома шляхами: по-перше, від розкладання органічних молекул; по-друге, від вулканічної активності та геотермальних отворів; і, по-третє, від спалювання викопного палива людиною.

Малюнок\(\PageIndex{l}\): Цикл сірки. Діоксид сірки (SO ₂) з атмосфери розчиняється в опадах у вигляді слабкої сірчаної кислоти або потрапляє безпосередньо на Землю у вигляді випадання. Це виділяє сульфати (SO ₄ ^2-) в грунт і воду. Сульфати грунту можуть переноситися як стік у воду. Морський сульфат може утворювати пірит, і це може руйнуватися, виділяючи сульфати грунту. Організми в наземних і морських екосистемах асимілюють сульфат, додаючи сірку в органічні молекули, такі як білки (не показано). Розпад цих організмів повертає сульфати в грунт. Мікроорганізми можуть перетворювати сульфати в сірководень (H ₂ S) і навпаки. Розпад, виверження вулканів та діяльність людини (включаючи спалювання викопного палива) можуть виділяти в атмосферу сірководень (H ₂ S) або діоксид сірки. (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 та геотермальними вентиляційними отворами. 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 в міру погодних явищ сірковмісних порід сірка виділяється в грунт. Ці породи походять з океанських відкладень, які переміщуються на сушу шляхом геологічного підняття океанських відкладень. Потім наземні екосистеми можуть використовувати ці сульфати ґрунту (SO ₄ ^2-), які потрапляють у харчову павутину, захоплюючись корінням рослин. Коли ці рослини розкладаються і гинуть, сірка виділяється назад в атмосферу у вигляді сірководню (H ₂ S) газу.

Сірка потрапляє в океан у стоці з суші, від атмосферних опадів та з гідротермальних жерл. Деякі екосистеми покладаються на мікроорганізми, які використовують сірку як біологічне джерело енергії (на відміну від екосистем з виробниками фотосинтезу). Потім ця сірка підтримує морські екосистеми у вигляді сульфатів.

Діяльність людини зіграла важливу роль у зміні балансу глобального циклу сірки. При спалюванні великої кількості викопного палива, особливо з вугілля, виділяється діоксид сірки, який вступає в реакцію з атмосферою з утворенням сірчаної кислоти. Як і азотна кислота, сірчана кислота сприяє відкладенню кислоти.

Пропоноване додаткове читання

Брукнер, М. 2018. Мертва зона Мексиканської затоки. [Веб-сайт]

Посилання

Клітинна преса. (2020, 6 серпня). Дослідники сподіваються врятувати морських птахів, підрахувавши значення їх екскрементів. Отримано 7 серпня 2020 року з ScienceDaily.

Атрибуції

Модифікований Мелісою Ха з наступних джерел:

• Біогеохімічні цикли, енергія та енергія потрапляють в екосистеми через фотосинтез з екологічної біології Метью Р. Фішер (ліцензований відповідно до CC-BY)
• Цикл вуглецю та азотний цикл з біології Джона Кімбалла (ліцензована відповідно до CC-BY)
• Потік енергії через екосистеми із загальної біології OpenStax (ліцензований відповідно до CC-BY)
• Ґрунт та стійкість та біогеохімічні цикли та потік енергії в земній системі від сталого розвитку: Комплексний фонд Тома Тайса та Джонатана Томкіна, редакторів (ліцензований відповідно до CC-BY). Завантажити безкоштовно на CNX.
• Велоспорт матерії від AP Environmental Science за підготовкою до коледжу Каліфорнійського університету, Каліфорнійський університет (ліцензований відповідно до CC-BY). Завантажити безкоштовно на CNX.
• Цикли поживних речовин з наук про життя 10 класу Сіявула (CC-BY)