8.7: Цикли речовини

Фізичні зв'язки між сферами навколишнього середовища значною мірою проходять через цикли речовини. Залучаючи фізичні процеси, хімічні реакції, біохімічні процеси, вони називаються біогеохімічними циклами. Вони зазвичай називаються за основним елементом, який бере участь у кожному, як правило, важливою поживною речовиною організму, включаючи вуглець, азот, кисень, сірку та фосфор. Особливо важливим циклом є гідрологічний цикл води, показаний на малюнку 8.1. На малюнку 8.5 показані аспекти циклу гірських порід, в яких розплавлена порода твердне, піддається вивітрювання, може бути переноситься водою і осідає як осадові породи, перетворюється в метаморфічну породу теплом і тиском, і врешті-решт закопується на великих глибині і розплавляється до знову виробляють розплавлену породу. Антросферні процеси також дуже беруть участь у важливих циклах речовини, таких як введення хімічно фіксованого азоту, синтезованого з атмосферного N ₂ в циклі азоту.

Дві основні частини біогеохімічних циклів - це резервуари, в яких речовина міститься протягом деякого часу, і канали, через які рухається речовина та енергія. Океани, атмосфера, частини земної кори та організми є резервуарами матерії. Атмосфера діє як трубопровід для перенесення водяної пари в гідрологічному циклі, а потоки несуть осадові речовини в скельному циклі. Ендогенні цикли, прикладом яких є цикл фосфору, - це ті, що відбуваються нижче або безпосередньо на поверхні геосфери без значної атмосферної складової; більшість біогеохімічних циклів є екзогенними циклами, в яких атмосфера служить каналом і часто як водосховище.

Малюнок 8.8 ілюструє один з ключових біогеохімічних циклів, вуглецевий цикл. Важливий резервуар вуглецю знаходиться в атмосфері у вигляді вуглекислого газу. Фотосинтетичні процеси рослинами витягують значну кількість вуглецю з атмосфери і фіксують його як біологічний вуглець у біосфері. У свою чергу, тварини та інші організми в біосфері вивільняють вуглекислий газ назад в атмосферу через процеси дихання, за допомогою яких вони використовують кисень і їжу для виробництва енергії. Більше вуглекислого газу виділяється в атмосферу при спалюванні біологічних матеріалів, таких як деревина та викопне паливо, включаючи вугілля та нафту. Вуглекислий газ з атмосфери розчиняється у воді з утворенням розчиненого вуглекислого газу та неорганічних карбонатів. Тверді карбонати, особливо вапняк, розчиняються у водоймах, щоб також отримати розчинений неорганічний вуглець. Дихання органічних речовин організмами у воді та відкладеннях також

Малюнок 8.8. Цикл вуглецю, що показує різні резервуари та канали видів вуглецю в навколишньому середовищі. Оскільки деякі важливі вуглецеві сполуки містять кисень, а елементарний кисень виділяється в атмосферу фотосинтетичним процесом, який фіксує вуглець з атмосферного вуглецю як біомаси, вуглецевий цикл тісно пов'язаний з кисневим циклом.

виробляє розчинені неорганічні види вуглецю у воді. Велика кількість вуглецю утримується в геосфері. Основними формами цього вуглецю є викопний вуглець давнього рослинного походження, що утримується викопним паливом, таким як вугілля та нафта, і неорганічний вуглець у карбонатних породах, особливо вапняку. Органічний вуглець з частково деградованого рослинного матеріалу присутній як гуміновий матеріал у ґрунті, джерело, яке додається організмами, що руйнують рослинну біомасу з біосфери.

Цикл вуглецю надзвичайно важливий для підтримки стійкості, оскільки більшою його частиною є фіксація вуглецю з сильно розведеного атмосферного вуглекислого газу в біомасу шляхом фотосинтезу, що здійснюється зеленими рослинами. Біомаса є джерелом їжі, хімічної енергії та сировини, а вуглецевий цикл містить основний шлях, за допомогою якого сонячна енергія захоплюється та перетворюється у форму енергії, яка може бути використана організмами та як паливо.

Інші важливі цикли речовини пов'язані з вуглецевим циклом. Кисневий цикл описує рух кисню в різних хімічних формах через п'ять сфер навколишнього середовища. При 21% елементарного кисню за обсягом атмосфера є великим резервуаром цього елемента. Цей кисень стає хімічно пов'язаним як вуглекислий газ дихальними процесами організмів і горінням. Резервуар атмосферного кисню додається за допомогою фотосинтезу. Кисень є компонентом біомаси в біосфері, і більшість порід земної кори складаються з кисневмісних сполук. При своїй хімічній формулі Н ₂ О вода в гідросфері - це переважно кисень.

Окрім циклів вуглецю та кисню, описаних вище, трьома іншими важливими циклами життєвих елементів є цикли азоту, сірки та фосфору:

• Цикл азоту: Біохімічно пов'язаний азот необхідний для життєвих молекул, включаючи білки та нуклеїнові кислоти. Хоча атмосфера становить близько 80% за об'ємом елементарного N ₂, ця молекула настільки стабільна, що її важко розділити, щоб N міг поєднуватися з іншими елементами. Цей процес виконується в антросфері шляхом синтезу NH ₃, з N _{2 і H 2} над каталізатором при високих температурах і дуже високих тисках. Крім того, забруднювачі повітря NO і NO ₂ утворюються в результаті реакції N ₂ і O ₂ в екстремальних умовах двигунів внутрішнього згоряння. На відміну від цього, деякі бактерії, включаючи бактерії Rhizobium, що ростуть на коренях бобових рослин, перетворюють атмосферний азот у сполуки азоту в дуже м'яких умовах трохи нижче поверхні грунту. Рослини перетворюють азот в NH ₄ ⁺ і NO ₃ ^- в біохімічно пов'язаний N. У рамках азотного циклу біохімічно пов'язаний азот виділяється як NH ₄ ⁺ шляхом біодеградації органічних сполук. Цикл азоту завершується мікроорганізмами, які використовують NO ₃ ^- як замінник O ₂ в енергопродуктивних обмінних процесах і виділяють молекулярний газ N ₂ в атмосферу. Крім фіксації азоту в антросфері і утворення оксидів азоту в атмосфері від блискавичних розрядів, більшість переходів в циклі азоту здійснюють організми, особливо мікроорганізми.

• Цикл сірки: Сірчаний цикл включає як хімічні, так і біохімічні процеси і включає всі сфери навколишнього середовища. Хімічно комбінована сірка потрапляє в атмосферу як забруднюючі гази H _{2 S і SO 2}, які також виділяються природними джерелами, включаючи вулкани. Великі кількості Н ₂ S виробляються аноксичними мікроорганізмами, що руйнують органічні сполуки сірки і використовують сульфат, SO ₄ ^2-, як окислювач і викидаються в атмосферу. У глобальному масштабі основний потік сірки в атмосферу знаходиться у вигляді летючого диметилсульфіду (CH ₃ S), що виробляється морськими мікроорганізмами. Основним забруднювачем атмосфери сполукою сірки є SO ₂, що виділяється при згорянні сірковмісних палив, особливо вугілля. В атмосфері газоподібні сполуки сірки окислюються до сульфату, в основному у формах H ₂ SO ₄ (забруднюючі кислотні дощі) і агресивних амонійних солей (NH ₄ HSO ₄), які осідають з атмосфери або вимиваються опадами. Геосфера - це великий резервуар сірчаних мінералів, включаючи сульфатні солі (CaSO ₄), сульфідні солі (FeS) і навіть елементарну сірку. Сірка є відносно незначною складовою біомолекул, що зустрічається в двох незамінних амінокислотах, але різні сполуки сірки переробляються окисно-відновними біохімічними реакціями мікроорганізмів.

• Цикл фосфору: На відміну від усіх екзогенних циклів з атмосферним компонентом, розглянутим вище, цикл фосфору є ендогенним без значної участі в атмосфері. Це важливий життєвий елемент і інгредієнт ДНК, а також АТФ і АДФ, через які енергія передається в організмах. Розчинений фосфат у гідросфері є важливою поживною речовиною для водних організмів, хоча надлишок фосфату може призвести до занадто великого росту водоростей, викликаючи нездоровий стан, який називається евтрофікацією. Фосфору багато в геосфері, особливо як мінерал гідроксиапатит, хімічна формула Ca ₅ OH (PO ₄) ₃. Значні відкладення багатого фосфором матеріалу утворилися з фекалій птахів і кажанів (гуано).