Merkmale der Zirkulation von Wasser und einigen Stoffen in der Biosphäre. Welche Funktion erfüllt der Stoffkreislauf in der Biosphäre? Die Chemie rund um den Wasserkreislauf in der Biosphäre

Der Stoffkreislauf in der Biosphäre ist dank der Energie der Sonne die „Reise“ bestimmter chemischer Elemente entlang der Nahrungskette lebender Organismen. Während der „Reise“ fallen einige Elemente aus verschiedenen Gründen heraus und verbleiben in der Regel im Boden. An ihre Stelle treten die gleichen, die normalerweise aus der Atmosphäre stammen. Dies ist die einfachste Beschreibung dessen, was das Leben auf dem Planeten Erde garantiert. Wenn eine solche Reise aus irgendeinem Grund unterbrochen wird, hört die Existenz aller Lebewesen auf.

Um den Stoffkreislauf in der Biosphäre kurz zu beschreiben, ist es notwendig, mehrere Ausgangspunkte zu setzen. Erstens werden von den mehr als neunzig bekannten und in der Natur vorkommenden chemischen Elementen etwa vierzig für lebende Organismen benötigt. Zweitens ist die Menge dieser Stoffe begrenzt. Drittens sprechen wir nur von der Biosphäre, also von der lebenshaltigen Hülle der Erde, und damit von den Wechselwirkungen zwischen lebenden Organismen. Viertens ist die Energie, die zum Kreislauf beiträgt, die Energie, die von der Sonne kommt. Die im Erdinneren durch verschiedene Reaktionen erzeugte Energie nimmt an dem betrachteten Prozess nicht teil. Und noch eine letzte Sache. Es ist notwendig, dem Ausgangspunkt dieser „Reise“ einen Schritt voraus zu sein. Es ist bedingt, da es kein Ende und keinen Anfang eines Kreises geben kann, dies ist jedoch notwendig, um irgendwo mit der Beschreibung des Prozesses beginnen zu können. Beginnen wir mit dem untersten Glied der trophischen Kette – den Zersetzern oder Totengräbern.

Krebstiere, Würmer, Larven, Mikroorganismen, Bakterien und andere Totengräber verarbeiten unter Sauerstoff- und Energieverbrauch anorganische chemische Elemente zu einer organischen Substanz, die für die Ernährung lebender Organismen und deren weitere Bewegung entlang der Nahrungskette geeignet ist. Darüber hinaus werden diese bereits organischen Stoffe von Konsumenten bzw. Konsumenten verzehrt, zu denen nicht nur Tiere, Vögel, Fische und dergleichen, sondern auch Pflanzen gehören. Letztere sind Produzenten bzw. Produzenten. Mithilfe dieser Nährstoffe und Energie produzieren sie Sauerstoff, das wichtigste Element zum Atmen aller Lebewesen auf dem Planeten. Verbraucher, Produzenten und sogar Zersetzer sterben. Ihre Überreste „fallen“ zusammen mit den darin enthaltenen organischen Substanzen den Totengräbern zur Verfügung.

Und alles wiederholt sich noch einmal. Beispielsweise vollendet der gesamte in der Biosphäre vorhandene Sauerstoff seinen Umsatz in 2000 Jahren und Kohlendioxid in 300 Jahren. Ein solcher Kreislauf wird üblicherweise als biogeochemischer Kreislauf bezeichnet.

Einige organische Stoffe gehen auf ihrer „Reise“ Reaktionen und Wechselwirkungen mit anderen Stoffen ein. Dadurch entstehen Gemische, die in der vorliegenden Form nicht von Zersetzern verarbeitet werden können. Solche Gemische bleiben im Boden „gelagert“. Nicht alle organischen Stoffe, die auf den „Tisch“ der Totengräber fallen, können von ihnen nicht verarbeitet werden. Nicht alles kann mit Hilfe von Bakterien verrotten. Solche unverrotteten Überreste werden eingelagert. Alles, was im Speicher oder in der Reserve verbleibt, wird dem Prozess entnommen und gelangt nicht in den Stoffkreislauf der Biosphäre.

So lässt sich in der Biosphäre der Stoffkreislauf, dessen treibende Kraft die Aktivität lebender Organismen ist, in zwei Komponenten gliedern. Einer – der Reservefonds – ist ein Teil der Substanz, der nicht mit der Aktivität lebender Organismen verbunden ist und vorerst nicht am Umlauf teilnimmt. Und der zweite ist der revolvierende Fonds. Es stellt nur einen kleinen Teil der Substanz dar, die von lebenden Organismen aktiv genutzt wird.

Welche chemischen Grundelemente sind Atome, die für das Leben auf der Erde so wichtig sind? Dies sind: Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und einige andere. Von den Verbindungen ist Wasser die wichtigste im Kreislauf.

Sauerstoff

Der Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre sollte mit dem Prozess der Photosynthese beginnen, der vor Milliarden von Jahren entstand. Es wird von Pflanzen unter dem Einfluss von Sonnenenergie aus Wassermolekülen freigesetzt. Sauerstoff entsteht auch in den oberen Schichten der Atmosphäre bei chemischen Reaktionen im Wasserdampf, wo chemische Verbindungen unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung zerfallen. Dies ist jedoch eine untergeordnete Sauerstoffquelle. Die wichtigste davon ist die Photosynthese. Sauerstoff kommt auch im Wasser vor. Obwohl es 21-mal weniger davon gibt als in der Atmosphäre.

Der dabei entstehende Sauerstoff wird von lebenden Organismen zur Atmung genutzt. Es ist auch ein Oxidationsmittel für verschiedene Mineralsalze.

Und der Mensch ist ein Sauerstoffverbraucher. Doch mit Beginn der wissenschaftlich-technischen Revolution ist dieser Verbrauch um ein Vielfaches gestiegen, da Sauerstoff bei zahlreichen industriellen Produktionen, Transporten, zur Befriedigung von Haushalts- und anderen Bedürfnissen im Laufe des menschlichen Lebens verbrannt oder gebunden wird. Der bisher vorhandene sogenannte Sauerstoffaustauschfonds der Atmosphäre betrug 5 % seines Gesamtvolumens, das heißt, bei der Photosynthese wurde so viel Sauerstoff erzeugt wie verbraucht. Jetzt wird dieses Volumen katastrophal klein. Sauerstoff wird sozusagen aus der Notreserve verbraucht. Von dort, wo es niemanden gibt, der es hinzufügen kann.

Dieses Problem wird dadurch etwas gemildert, dass ein Teil der organischen Abfälle nicht verarbeitet wird und nicht unter den Einfluss von Fäulnisbakterien gerät, sondern in Sedimentgesteinen verbleibt und Torf, Kohle und ähnliche Mineralien bildet.

Wenn das Ergebnis der Photosynthese Sauerstoff ist, dann ist ihr Rohstoff Kohlenstoff.

Stickstoff

Der Stickstoffkreislauf in der Biosphäre ist mit der Bildung so wichtiger organischer Verbindungen wie Proteine, Nukleinsäuren, Lipoproteine, ATP, Chlorophyll und andere verbunden. Stickstoff kommt in molekularer Form in der Atmosphäre vor. Zusammen mit lebenden Organismen sind dies nur etwa 2 % des gesamten Stickstoffs auf der Erde. In dieser Form kann es nur von Bakterien und Blaualgen verzehrt werden. Für den Rest der Pflanzenwelt kann Stickstoff in molekularer Form nicht als Nahrung dienen, sondern nur in Form anorganischer Verbindungen verarbeitet werden. Einige Arten solcher Verbindungen entstehen bei Gewittern und gelangen bei Niederschlägen in Wasser und Boden.

Die aktivsten „Recycler“ von Stickstoff oder Stickstofffixierern sind Knöllchenbakterien. Sie siedeln sich in den Zellen der Hülsenfruchtwurzeln an und wandeln molekularen Stickstoff in seine für Pflanzen geeigneten Verbindungen um. Nach ihrem Absterben wird der Boden zusätzlich mit Stickstoff angereichert.

Fäulnisbakterien zersetzen stickstoffhaltige organische Verbindungen in Ammoniak. Ein Teil davon gelangt in die Atmosphäre, der Rest wird von anderen Bakterienarten zu Nitriten und Nitraten oxidiert. Diese wiederum dienen den Pflanzen als Nahrung und werden durch nitrifizierende Bakterien zu Oxiden und molekularem Stickstoff reduziert. Die wieder in die Atmosphäre gelangen.

Somit ist klar, dass verschiedene Arten von Bakterien die Hauptrolle im Stickstoffkreislauf spielen. Und wenn Sie mindestens 20 dieser Arten vernichten, wird das Leben auf dem Planeten aufhören.

Und wieder wurde der etablierte Kreislauf von Menschenhand durchbrochen. Um die Ernteerträge zu steigern, begann er, aktiv stickstoffhaltige Düngemittel einzusetzen.

Kohlenstoff

Der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre ist untrennbar mit der Zirkulation von Sauerstoff und Stickstoff verbunden.

In der Biosphäre basiert der Kohlenstoffkreislauf auf der Lebensaktivität grüner Pflanzen und ihrer Fähigkeit, Kohlendioxid in Sauerstoff umzuwandeln, also Photosynthese.

Kohlenstoff interagiert auf vielfältige Weise mit anderen Elementen und ist Bestandteil fast aller Klassen organischer Verbindungen. Es ist beispielsweise Bestandteil von Kohlendioxid und Methan. Es ist in Wasser gelöst, wo sein Gehalt viel höher ist als in der Atmosphäre.

Obwohl Kohlenstoff hinsichtlich der Häufigkeit nicht zu den Top Ten gehört, macht er in lebenden Organismen 18 bis 45 % der Trockenmasse aus.

Die Ozeane regulieren den Kohlendioxidgehalt. Sobald sein Anteil in der Luft zunimmt, gleicht das Wasser die Positionen aus, indem es Kohlendioxid aufnimmt. Ein weiterer Kohlenstoffverbraucher im Ozean sind Meeresorganismen, die daraus Muscheln bauen.

Der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre basiert auf dem Vorhandensein von Kohlendioxid in der Atmosphäre und der Hydrosphäre, die eine Art Austauschfonds darstellt. Es wird durch die Atmung lebender Organismen wieder aufgefüllt. Bakterien, Pilze und andere Mikroorganismen, die am Zersetzungsprozess organischer Rückstände im Boden beteiligt sind, sind auch an der Wiederauffüllung von Kohlendioxid in der Atmosphäre beteiligt. Kohlenstoff wird in mineralisierten, unverrotteten organischen Rückständen „konserviert“. In Kohle und Braunkohle, Torf, Ölschiefer und ähnlichen Lagerstätten. Aber die wichtigsten Kohlenstoffreserven sind Kalkstein und Dolomit. Der darin enthaltene Kohlenstoff ist „sicher versteckt“ in den Tiefen des Planeten und wird nur bei tektonischen Verschiebungen und beim Ausstoß vulkanischer Gase bei Ausbrüchen freigesetzt.

Aufgrund der Tatsache, dass der Prozess der Atmung mit der Freisetzung von Kohlenstoff und der Prozess der Photosynthese mit seiner Absorption durch lebende Organismen sehr schnell ablaufen, nimmt nur ein kleiner Bruchteil des gesamten Kohlenstoffs auf dem Planeten am Kreislauf teil. Wenn dieser Prozess nicht reziprok wäre, würden Sushi-Pflanzen allein den gesamten Kohlenstoff in nur 4 bis 5 Jahren verbrauchen.

Dank menschlicher Aktivitäten herrscht in der Pflanzenwelt derzeit kein Mangel an Kohlendioxid. Der Nachschub erfolgt sofort und gleichzeitig aus zwei Quellen. Durch die Verbrennung von Sauerstoff während des Betriebs von Industrie, Produktion und Transport sowie im Zusammenhang mit der Verwendung dieser „Konserven“ – Kohle, Torf, Schiefer usw. – für die Arbeit dieser Art menschlicher Aktivitäten. Warum ist der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre um 25 % gestiegen?

Phosphor

Der Phosphorkreislauf in der Biosphäre ist untrennbar mit der Synthese organischer Substanzen wie ATP, DNA, RNA und anderen verbunden.

Der Phosphorgehalt in Boden und Wasser ist sehr gering. Seine Hauptreserven liegen in Gesteinen, die in der fernen Vergangenheit entstanden sind. Mit der Verwitterung dieser Gesteine beginnt der Phosphorkreislauf.

Phosphor wird von Pflanzen nur in Form von Orthophosphorsäureionen aufgenommen. Dies ist hauptsächlich ein Produkt der Verarbeitung organischer Überreste durch Totengräber. Wenn die Böden jedoch einen hohen alkalischen oder sauren Faktor aufweisen, lösen sich Phosphate darin praktisch nicht auf.

Phosphor ist ein hervorragender Nährstoff für verschiedene Bakterienarten. Vor allem Blaualgen, die sich bei erhöhtem Phosphorgehalt schnell entwickeln.

Der größte Teil des Phosphors wird jedoch mit Flüssen und anderen Gewässern ins Meer verschleppt. Dort wird es aktiv vom Phytoplankton und damit von Seevögeln und anderen Tierarten gefressen. Anschließend sinkt Phosphor auf den Meeresboden und bildet Sedimentgesteine. Das heißt, es kehrt nur unter einer Meerwasserschicht zum Boden zurück.

Wie Sie sehen, ist der Phosphorkreislauf spezifisch. Es ist schwierig, von einem Kreislauf zu sprechen, da er nicht geschlossen ist.

Schwefel

In der Biosphäre ist der Schwefelkreislauf für die Bildung von Aminosäuren notwendig. Es erzeugt die dreidimensionale Struktur von Proteinen. Dabei handelt es sich um Bakterien und Organismen, die Sauerstoff verbrauchen, um Energie zu synthetisieren. Sie oxidieren Schwefel zu Sulfaten und einzellige pränukleäre Lebewesen reduzieren Sulfate zu Schwefelwasserstoff. Darüber hinaus oxidieren ganze Gruppen von Schwefelbakterien Schwefelwasserstoff zu Schwefel und dann zu Sulfaten. Pflanzen können nur Schwefelionen aus dem Boden aufnehmen – SO 2-4. Daher sind einige Mikroorganismen Oxidationsmittel, während andere Reduktionsmittel sind.

Die Orte, an denen sich Schwefel und seine Derivate in der Biosphäre ansammeln, sind der Ozean und die Atmosphäre. Durch die Freisetzung von Schwefelwasserstoff aus Wasser gelangt Schwefel in die Atmosphäre. Darüber hinaus gelangt Schwefel in Form von Kohlendioxid in die Atmosphäre, wenn fossile Brennstoffe in der Produktion und für Haushaltszwecke verbrannt werden. Hauptsächlich Kohle. Dort oxidiert es und fällt im Regenwasser zu Schwefelsäure und fällt mit ihm zu Boden. Saurer Regen selbst verursacht erheblichen Schaden für die gesamte Pflanzen- und Tierwelt und gelangt darüber hinaus mit Sturm- und Schmelzwasser in Flüsse. Flüsse transportieren Schwefelsulfat-Ionen in den Ozean.

Schwefel kommt auch in Gesteinen in Form von Sulfiden und in gasförmiger Form vor – Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. Auf dem Meeresgrund gibt es Vorkommen von natürlichem Schwefel. Aber das ist alles „Reserve“.

Wasser

Es gibt keinen weiter verbreiteten Stoff in der Biosphäre. Seine Reserven liegen hauptsächlich in der salzig-bitteren Form des Wassers der Meere und Ozeane vor – etwa 97 %. Der Rest ist Süßwasser, Gletscher sowie Grund- und Grundwasser.

Der Wasserkreislauf in der Biosphäre beginnt herkömmlicherweise mit der Verdunstung an der Oberfläche von Stauseen und Pflanzenblättern und beträgt etwa 500.000 Kubikmeter. km. Es kehrt in Form von Niederschlägen zurück, die entweder direkt in Gewässer zurückfallen oder über den Boden und das Grundwasser gelangen.

Die Rolle des Wassers in der Biosphäre und die Geschichte seiner Entwicklung ist so groß, dass alles Leben vom Moment seines Erscheinens an vollständig vom Wasser abhängig war. In der Biosphäre hat Wasser durch lebende Organismen viele Male Zyklen der Zersetzung und Entstehung durchlaufen.

Der Wasserkreislauf ist größtenteils ein physikalischer Prozess. Dabei spielt jedoch die Tier- und vor allem die Pflanzenwelt eine wichtige Rolle. Die Verdunstung von Wasser aus den Blattoberflächen von Bäumen ist so groß, dass beispielsweise ein Hektar Wald bis zu 50 Tonnen Wasser pro Tag verdunstet.

Wenn die Verdunstung von Wasser von den Oberflächen von Stauseen für seine Zirkulation natürlich ist, dann ist ein solcher Prozess für Kontinente mit ihren Waldgebieten die einzige und wichtigste Möglichkeit, es zu erhalten. Hier erfolgt die Zirkulation wie in einem geschlossenen Kreislauf. Niederschlag entsteht durch Verdunstung von Böden und Pflanzenoberflächen.

Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen den in einem Wassermolekül enthaltenen Wasserstoff, um eine neue organische Verbindung zu bilden und Sauerstoff freizusetzen. Und umgekehrt durchlaufen lebende Organismen beim Atmen einen Oxidationsprozess und es entsteht wieder Wasser.

Wenn wir die Zirkulation verschiedener Arten von Chemikalien beschreiben, sehen wir uns mit einem aktiveren menschlichen Einfluss auf diese Prozesse konfrontiert. Derzeit ist die Natur aufgrund ihrer mehrmilliardenjährigen Überlebensgeschichte mit der Regulierung und Wiederherstellung gestörter Gleichgewichte beschäftigt. Aber die ersten Symptome der „Krankheit“ sind bereits da. Und das ist der „Treibhauseffekt“. Wenn zwei Energien, die Sonnenenergie und die von der Erde reflektierte, lebende Organismen nicht schützen, sondern sich im Gegenteil gegenseitig stärken. Dadurch steigt die Umgebungstemperatur. Welche Folgen könnte ein solcher Anstieg neben dem beschleunigten Abschmelzen der Gletscher und der Verdunstung von Wasser von den Meeres-, Land- und Pflanzenoberflächen haben?

Video - Stoffkreislauf in der Biosphäre

Biogeochemische Kreisläufe. V.I. Wernadski schrieb: „Lebende Materie umfasst alle chemischen Prozesse der Biosphäre und ordnet sie neu, ihre effektive Energie ist enorm.“ Lebende Materie ist die mächtigste geologische Kraft und wächst mit der Konvergenz der Zeit.“ Diese Aussage ist ein Postulat über die wichtigste Rolle lebender Organismen bei der Bildung und Aufrechterhaltung der grundlegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften der Erdhüllen. Das Konzept der Biosphäre offenbart die Integrität des Funktionssystems im vom Leben eingenommenen Raum, in dem die Einheit der geologischen und biologischen Kräfte auf unserem Planeten verwirklicht wird. Die grundlegenden Eigenschaften des Lebens werden durch die hohe chemische Aktivität lebender Organismen, ihre Mobilität und Fähigkeit zur Selbstproduktion und Evolution verwirklicht. Für die Erhaltung des Lebens als planetarisches Phänomen ist die biologische Vielfalt von größter Bedeutung, eine Vielfalt von Lebensformen, die sich in der Menge der von ihnen aufgenommenen Substanzen und der in die Umwelt freigesetzten Abfallprodukte unterscheiden. Biodiversität ist die Grundlage für das nachhaltige (selbsttragende) Funktionieren der Biosphäre, die biogeochemische Stoffkreisläufe, Energieumwandlung und Informationsnutzung schafft.

Nährstoffkreislauf. Von den fast 100 chemischen Elementen, die in der natürlichen Umwelt vorkommen, sind fast 40 für das Funktionieren lebender Organismen unerlässlich. Von diesen chemischen Elementen gehören N (Stickstoff), C (Kohlenstoff), H (Wasserstoff), O (Sauerstoff), P (Phosphor) und B (Schwefel) (auch in kationischer Form) zu den Hauptnährstoffen, die in erheblichem Maße benötigt werden Bände. Chemische Elemente zirkulieren in der Biosphäre auf verschiedenen Wegen des biologischen Kreislaufs: Sie werden von lebender Materie absorbiert, mit Energie „aufgeladen“, verlassen dann die lebende Materie und geben die angesammelte Energie an die äußere Umgebung ab (Tabelle 19).

Biogeochemische Kreisläufe mit zirkulären Funktionsprinzipien in den Geosphären der Erde werden in zwei Haupttypen unterteilt: 1) die Zirkulation gasförmiger Stoffe mit einem Reservefonds in der Atmosphäre oder Hydrosphäre (Ozean) und 2) der Sedimentkreislauf mit einem Reservefonds in der Erde Kruste.

Kreislaufprozesse finden in bestimmten Ökosystemen statt, biogeochemische Kreisläufe werden jedoch nur auf der Ebene der gesamten Biosphäre vollständig realisiert.

Kohlenstoffkreislauf. Kohlenstoff ist wahrscheinlich eines der am häufigsten genannten chemischen Elemente, wenn es um geologische, biologische und in den letzten Jahren auch technische Probleme geht. Kohlenstoff (C) kommt auf unserem Planeten in extremen Mengen vor

verschiedene Verbindungen, beginnend in Form von reinem Kohlenstoff (Graphit, Kohle usw.) bis hin zu hochmolekularen organischen Verbindungen. Die dem biogenen Kreislauf dieses Elements zugrunde liegende anorganische Substanz ist Kohlendioxid (Kohlendioxid C0 2). Kohlendioxid ist einer der Hauptbestandteile der Atmosphäre und kommt in gelöstem Zustand auch in der Hydrosphäre vor. Bei der Beschreibung der Photosynthese wurde der Prozess der Umwandlung von Kohlenstoff von Kohlendioxid in Zucker (Glukose usw.) berücksichtigt. Anschließend wandeln verschiedene andere Synthesereaktionen in biologischen Systemen die resultierenden Kohlenhydrate in komplexere hochmolekulare organische Verbindungen um: Lipide, Stärke, Glykogen usw. Allmählich kommt es aufgrund der neu gebildeten Verbindungen zu Gewebebildung und Wachstum. Gleichzeitig sind diese Stoffe eine Quelle organischer Verbindungen für andere Lebewesen. In späteren Lebensprozessen kommt es aufgrund des bei der Atmung zugeführten Sauerstoffs zur Oxidation organischer Verbindungen, die in diesem Fall eine Reihe aufeinanderfolgender Reaktionen darstellt, die zur Bildung von Kohlendioxid führen, das aus dem Körper entfernt wird und entweder in die Atmosphäre gelangt oder löst sich in Wasser auf (Abb. 97).

Nach Abschluss des Lebenszyklus – Tod (Tod) des Organismus – werden seine Gewebe unter dem Einfluss von Zersetzern biologisch zersetzt, was auch zur Freisetzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre führt. Dieser Prozess ist auf Bodenhorizonte beschränkt und bestimmt das Wesen der Bodenatmung.

Ein weiterer Prozess, der Kohlenstoff antreibt, ist die Humusbildung mit Hilfe von Saprophagen und die anschließende Mineralisierung des Stoffes unter Einwirkung von Pilzen und Bakterien. Dies ist ein sehr langsamer Prozess, dessen Geschwindigkeit von der Sauerstoffmenge, der chemischen Zusammensetzung des Bodens und der Temperatur abhängt. Bei Sauerstoffmangel und hohem Säuregehalt reichert sich Kohlenstoff im Torf an. Durch ähnliche Prozesse entstanden in fernen geologischen Epochen Kohle- und Ölvorkommen, die den Kohlenstoffkreislauf stoppten.

Wenn alle Lebensprozesse in der Hydrosphäre stattfinden, entsteht eine ähnliche Suspension durch die Bindung von Kohlenstoff in Calcit (CaCO), das Bestandteil von Korallen, Fusulin, Muschelkalk, Kreide usw. ist. Dies ist die tiefste Erhaltung von Kohlenstoff, dessen Freisetzung nur bei Rückbildung des Meeres und weiterer Auswaschung von Karbonatgesteinen durch Niederschläge oder biologische Verwitterung unter dem Einfluss von Flechten, Pflanzenwurzeln und Mikroorganismen möglich ist.

In lebenden Organismen enthaltene chemische Elemente und ihr Vorkommen in der Umwelt (B. Nebel, 1993)

	Biologisch wichtige Moleküle oder Ionen, die ein bestimmtes Element enthalten	Präsenz in der Umwelt
	Name		Steine und Böden
	Kohlendioxid (Kohlendioxid)

Sauerstoff (zum Atmen)	Gasförmig Sauerstoff
Sauerstoff (wird bei der Photosynthese freigesetzt)
	Stickstoffgas
	Ammoniumion
	Nitration
	Sulfation
	Phosphation
	Kaliumion
	Calciumion
	Magnesiumion
Mikroelemente:
	Eisenionen
Mangan	Mangan-Ion

	Zinkion

Molybdän	Molybdän-Ion
	Chlorion

Notiz. Die aufgeführten Elemente kommen in allen lebenden Organismen vor – Pflanzen, Tieren, Mikroben. Einige Arten benötigen auch andere Elemente (zum Beispiel benötigt der Mensch Natrium und Jod).

Auffüllung der CO2-Ressourcen im Gange l^ menschliche Aktivität

Gleichgewichtsatmosphäre - Wasser

Kalkstein

Reis. 97. Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre

Kalkstein| P_07 und (Koralle) R‘ Riffe x m

Phosphorkreislauf. Phosphor ist eines der ziemlich weit verbreiteten chemischen Elemente, die Teil verschiedener, auch gesteinsbildender, Mineralien sind, die eine Reihe von Gesteinen bilden. Bei der Verwitterung dieser Gesteine gelangt Phosphor in erheblichen Mengen in Biogeozänosen sowie durch Auswaschung durch atmosphärische Niederschläge und reichert sich schließlich in der Hydrosphäre an. In allen Fällen gelangt Phosphor in Lebensmittelsysteme, seine Herstellung ist jedoch nicht einfach. Phosphor ist für Organismen notwendig, um Gene und Moleküle von Verbindungen aufzubauen, die Energie innerhalb der Zellen übertragen (Abb. 98).

Mineralien enthalten Phosphor in Form anorganischer Phosphationen (PO4 3). Phosphate sind löslich, bilden aber keine gasförmige Form, d. h. sie sind nichtflüchtig. Pflanzen sind in der Lage, Phosphat aus einer wässrigen Lösung aufzunehmen und in verschiedene organische Verbindungen einzubauen. In Pflanzen kommt Phosphor in Form von sogenanntem organischem Phosphat vor. In dieser Form ist es bereits in der Lage, sich entlang der Nahrungsketten zu bewegen und auf Organismen zu übertragen.

Abbildung 98.

Organismen von Ökosystemen. Bei jedem Übergang von einer trophischen Ebene zur anderen wird während der Zellatmung eine ausreichende Menge an phosphorhaltiger Verbindung oxidiert, damit der Körper Energie gewinnen kann. In diesem Fall kann Phosphor nur im Urin oder seinen Analoga vorkommen und außerhalb des Körpers in die Umwelt abgegeben werden, wo es durch die Aufnahme durch Pflanzen einen weiteren Zyklus beginnen kann.

Es ist notwendig, näher auf die Unterschiede im Phosphor- und Kohlenstoffkreislauf einzugehen. Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid gelangt als Gas in die Atmosphäre, wo er sich durch Luftströmungen überall frei verteilt, bis er von Pflanzen wieder aufgenommen wird. Phosphor bildet keine vergleichbare Gasform und es gibt keine freie Rückkehr in das Ökosystem. Flüssige Phosphorverbindungen gelangen in Gewässer und sättigen dort aktiv (bis zur Übersättigung) aquatischer Ökosysteme. Aus einem Gewässer kann Phosphor nicht an Land zurückkehren, mit Ausnahme einer geringen Menge in Form von Kot fischfressender Vögel, der an der Küste abgelagert wird

Ein Beispiel für Guanovorkommen an der Küste Perus: Phosphate lagern sich am Boden von Stauseen ab. Phosphorhaltige Gesteine kehren im Zuge der Meeresregression und während der Orogenese an Land zurück.

Laut B. Nebel zirkulieren Phosphat und ähnliche mineralische Nährstoffe im Boden nur dann im Ökosystem, wenn der sie enthaltende „Abfall“ an Orten abgelagert wird, an denen dieses Element absorbiert wird. Dies ist typisch für alle natürlichen Ökosysteme (B. Nebel, 1993).

Sauerstoffkreislauf. Der biochemische Kreislauf ist ein planetarischer Prozess, der ein verbindendes Element für Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre darstellt. In der Atmosphäre ist die vorherrschende Form von Sauerstoff das Og-Molekül, es gibt aber, wie bereits erwähnt, auch O2-Ozon und O-atomaren Sauerstoff. Sauerstoff in freier Form ist sowohl ein Abfallprodukt als auch ein lebenserhaltendes Element. V.I. Wernadski schrieb: „Leben, das in der Erdkruste freien Sauerstoff erzeugt, erzeugt dadurch Ozon und schützt die Biosphäre vor der zerstörerischen kurzfristigen Strahlung der Himmelskörper.“ In Abb. Abbildung 99 zeigt den Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre, woraus deutlich wird, dass es sich um die Summe sehr komplexer Prozesse handelt, da Sauerstoff Bestandteil vieler verschiedener organischer und anorganischer Verbindungen ist. Im Vordergrund steht jedoch der Austausch zwischen der Atmosphäre und den Lebewesen. Photosyn-Prozess

Ozon

Bildschirm

Reis. 99. Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Phytoplankton OK "im beleuchteten Bereich G G

HgO+SRgNgCOgHCH^^H -2HC0 3 -H 2 0+C0^

Dabei entsteht Sauerstoff, der durch Zersetzungsprozesse gebunden wird. Bei der Dissoziation von Wasser- und Ozonmolekülen in der oberen Atmosphäre unter dem Einfluss ultravioletter Strahlung entsteht eine geringe Menge Sauerstoff. Ein erheblicher Teil des Sauerstoffs wird für oxidative Prozesse in der Erdkruste, bei Vulkanausbrüchen usw. verbraucht.

Stickstoffkreislauf. Die Bewegung von Stickstoff ist ein recht komplexer Prozess, der sich vom Kreislauf anderer Nährstoffe unterscheidet, da er eine gasförmige und eine mineralische Phase umfasst. Die Atmosphäre enthält 78 % Stickstoff (N 2). Trotz der enormen Bedeutung von Stickstoff für das Leben lebender Organismen können sie dieses Gas nicht direkt aus der Atmosphäre verbrauchen. Pflanzen nehmen Ammoniumionen (NH^) oder Nitrat (N0^) auf. Damit Stickstoff in diese Formen umgewandelt werden kann, ist die Beteiligung bestimmter Bakterien oder Blaualgen (Cyanobakterien) notwendig. Der Prozess der Umwandlung von Stickstoffgas (N) in Ammoniumform wird Stickstofffixierung genannt. Die wichtigste Rolle unter den stickstofffixierenden Mikroorganismen spielen Bakterien der Gattung YugoYit, die symbiotische Beziehungen mit Hülsenfrüchten eingehen. Unter letzteren sind Klee und Luzerne von größter Bedeutung. Stickstofffixierende Bakterien, die durch symbiotische Interaktion eine Form von Stickstoff erzeugen, der von Pflanzen absorbiert wird, ermöglichen die Ansammlung von Stickstoff in ober- und unterirdischen Pflanzenteilen; Beispielsweise fallen auf einem Hektar Klee oder Luzerne pro Jahr 150 bis 400 kg Stickstoff an. Die stickstofffixierenden Mikroorganismen selbst, darunter auch Arten, die synthetisieren

.Atmosphärischer Stickstoff

Protein

Ausgebrochen

Rassen

Biologen- PlantRestoring Denitri-

Nitratfixierung auf Kopfhaut und Bauch

Fixierung"Sei Abfall,

)tote Organismen

imiac

iitri^i

Ins Grundwasser

Stickoxid (!)

Nitrate

Reis. 100. Stickstoffkreislauf in der Biosphäre

komplexe Proteine, die absterben, reichern den Boden mit organischem Stickstoff an. Gleichzeitig gelangen pro Jahr etwa 25 kg Stickstoff pro Hektar in den Boden (I.A. Shilov, 2000) (Abb. 100).

In der Natur gibt es auch Mikroorganismen, die nicht nur mit Hülsenfrüchten, sondern auch mit anderen Pflanzen symbiotische Beziehungen eingehen. In der aquatischen Umwelt und auf durchnässten Böden erfolgt die Stickstofffixierung durch Blaualgen (die gleichzeitig zur Photosynthese fähig sind). In jedem der beschriebenen Fälle wird Stickstoff entweder in Form von Nitraten oder in Ammoniumform verbraucht.

Nachdem Stickstoff von Pflanzen aufgenommen wurde, ist er an der Synthese von Proteinen beteiligt, die, konzentriert in den Blättern der Pflanzen, dann Phytophagen mit Stickstoffnahrung versorgen. Abgestorbene Organismen und Abfallprodukte (Exkremente) bieten Lebensraum und dienen als Nahrung für Saprophagen, die, wie oben erwähnt, organische stickstoffhaltige Verbindungen nach und nach in anorganische zersetzen. Laut Y.A. Shilov (2000) sind ammonisierende Organismen das letzte Glied in dieser Kette, die Ammoniak (N14) produzieren, das übrigens am Nitrifikationszyklus beteiligt sein kann. Shggozotopa oxidieren Ammoniak zu Nitriten und Nein(goac(er oxidieren Nitrite zu Nitraten und so kann der Stickstoffkreislauf fortgesetzt werden. Parallel zu den beschriebenen Prozessen kommt es aufgrund der Aktivität denitrifizierender Bakterien, die Nitrate in Stickstoff (N2) zersetzen können, zu einem ständigen Stickstoffrückfluss in die Atmosphäre. Diese Bakterien sind in der Regel in fruchtbaren Böden weit verbreitet, in denen Stickstoff und Kohlenstoff reichlich vorhanden sind. Diese Bakterien geben pro Jahr und Hektar Bodenoberfläche bis zu 50-60 kg Stickstoff in die Atmosphäre ab (Abb. 101).

Zusätzlich zu den oben genannten Prozessen der Stickstofffixierung ist in der natürlichen Umwelt die Bildung von Stickoxiden bei elektrischen Blitzentladungen möglich. Diese Oxide gelangen dann in Form von Nitrat oder Salpetersäure, vermischt mit Niederschlägen, in den Boden (bei Blitzentladungen werden 4 bis 10 kg Stickstoff pro 1 ha erfasst). Es findet auch eine photochemische Stickstofffixierung statt.

Reis. 101. *Knötchen“ an den Wurzeln von Hülsenfrüchten (B. Nebel, 1992)

Atmosphäre

Kugel

Boden und * Niederschlag

Eisensulfide

Reis. 102. Schwefelkreislauf in der Biosphäre

Durch die Anreicherung seiner Verbindungen in Tiefseesedimenten ist es möglich, Stickstoff von Kreislaufprozessen auszuschließen, was jedoch durch die teilweise Freisetzung von Stickstoff (N2) bei Vulkanausbrüchen kompensiert wird.

Schwefelkreislauf. Dies ist einer der Hauptnährstoffe, der durch die natürliche Zersetzung einzelner Gesteine, die Mineralien wie Pyrit enthalten – Schwefelpyrit (Pe8 2), Kupferpyrit (CuPe8 3) – und bei der Zersetzung organischer Substanzen, hauptsächlich von, in den Bodenhorizont gelangt pflanzlichen Ursprungs. Aus dem Boden gelangt Schwefel über die Wurzelsysteme in die Pflanzen, wo schwefelhaltige Aminosäuren – Cystin, Cystein, Methionin – synthetisiert werden. Für lebenswichtige Prozesse benötigen Tiere Schwefel in erheblichen Mengen; er kommt mit der Nahrung zu ihnen (Abb. 102).

Aus organischen Verbindungen gelangt Schwefel bei der Zersetzung hauptsächlich von Pflanzenresten durch Mikroorganismen in den Boden. Schwefel organischen Ursprungs wird zu Schwefelwasserstoff (H 2 3), mineralischem Schwefel reduziert oder zu Sulfaten oxidiert, die wieder von Pflanzenwurzeln aufgenommen werden können, also wieder in den biologischen Kreislauf gelangen.

Wasserkreislauf. In diesem Fall handelt es sich nicht um ein separates Biogen, sondern um eine Kombination der beiden wichtigsten Biogene, Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O), also Wasser, dessen Bedeutung für das Leben auf der Erde absolut ist. Der Wasserkreislauf ist der Prozess der kontinuierlichen, miteinander verbundenen Bewegung von Wasser auf globaler Ebene. Der Wasserkreislauf erfolgt unter dem Einfluss von Sonnenenergie,

Schwerkraft, lebenswichtige Aktivität von Organismen. Im Allgemeinen ist für den Planeten die Hauptquelle des Wasserzuflusses der Niederschlag und die Hauptquelle des Wasserflusses die Verdunstung, die sich insgesamt auf 525.000 km beläuft! oder 1030 mm pro Jahr.

In Abb. 103 zeigt den Wasserkreislauf, in dem das sogenannte Kleine und Große unterschieden werden kann. In einem kleinen Kreislauf gelangt Wasser, das von der Meeresoberfläche verdunstet ist, in Form von Niederschlag wieder dorthin zurück. Während eines großen Kreislaufs gelangt ein Teil der von der Wasseroberfläche verdunsteten Feuchtigkeit nicht nur in den Ozean, sondern auch an Land, wo er Flüsse und andere Gewässer speist, aber letztendlich mit unterirdischem oder oberflächlichem Abfluss in den Ozean zurückfließt.

Aspekte des Wasserhaushalts der Hydrosphäre wurden oben diskutiert. Es ist zu beachten, dass Flusswasser die größte Aktivität im Wasseraustausch aufweist (Erneuerung alle 11 Tage) im Vergleich zum Beispiel zum Wasser polarer Gletscher (der Austausch findet über 8000 Jahre statt). Unter natürlichen Bedingungen ist Flusswasser fast immer frisch und wird von vielen Lebewesen zum Verzehr genutzt. Nach Ansicht vieler Wissenschaftler ist der Wasserkreislauf eine globale riesige Entsalzungsanlage.

Eine wichtige Rolle im Prozess des Wasserkreislaufs spielt die Evapotranspiration. Dabei handelt es sich um die Feuchtigkeitsmenge, die durch die Transpiration grüner Pflanzen und die Verdunstung von der Bodenoberfläche in die Atmosphäre gelangt, d. (dm 5 h). Unter Transpiration versteht man die Verdunstung von Wasser aus den grünen Pflanzenteilen und zwar von der gesamten äußeren und allen inneren Oberflächen der Pflanzen, mit denen sie in Kontakt kommen

Luft. Die Gesamttranspiration hängt von vielen Umweltfaktoren ab (Beleuchtung, trockene Luft, Wind, Relief usw.). Die größte Transpiration wird von Sumpf- und Schwimmpflanzen (Rohrkolben, Chastukha, Laichkraut – bis zu 4000 mg/(dm 2 -h)) charakterisiert. Von den Landpflanzen transpirieren krautige Pflanzen sonniger Standorte am stärksten – bis zu 2500 mg/(dm 2 – h); Sträucher in der Tundra geben nur 150 mg/(dm 2 -h) und tropische Bäume in den Wäldern der Nebelregion nur bis zu 120 mg/(dm 2 -h). Bei immergrünen Nadelbäumen haben die nadelförmigen Nadeln im vorderen Teil des Spaltöffnungsapparates einen hohen Pfropfen, der als zusätzliches Hindernis für die Transpiration dient. Bei Wüstenpflanzen ist die Transpiration die einzige Möglichkeit, den Körper vor den tödlichen Auswirkungen hoher Temperaturen zu schützen.

Quantitative Bewertungen der Rolle der Evapotranspiration im Wasserkreislauf durch deutsche Spezialisten ergaben Folgendes: Bei einem durchschnittlichen Jahresniederschlag von 771 mm gelangt weniger als die Hälfte davon – 367 mm – mit unterirdischem und oberflächlichem Abfluss ins Meer, der Rest 404 mm werden verdunstet. Schwedische Wissenschaftler haben herausgefunden, dass 1 Hektar Fichtenwald auf trockenem Boden in einem Jahr bis zu 2100 m 1 Wasser verdunstet. Die Evapotranspirationsmenge für Pflanzenformationen in Mitteleuropa beträgt bis zu 7000 Tonnen pro 1 Hektar und Jahr. Bestimmte Baumarten können erfolgreich zur Entwässerung von Sümpfen eingesetzt werden. Ein klassisches Beispiel ist die Entwässerung der Kolchis-Sümpfe in Georgien durch die Anpflanzung von Eukalyptusbäumen [25, 42].

Zyklus biogener Kationen. Die Stoffwechselprozesse lebender Organismen erfordern die Beteiligung verschiedener Kationen. Einige von ihnen sind in erheblichen Mengen enthalten und werden daher als Mikroelemente klassifiziert – Natrium (Na), Kalium (K), Calcium (Ca), Magnesium (Q). Andere sind in geringen Mengen (ppm Trockenmasse) enthalten, werden aber auch für das nachhaltige Funktionieren lebender Organismen benötigt. Dies sind Mikroelemente in Form von Eisenkationen (Fe), Zink (Ъп), Kupfer (Cu), Mangan (Mn) und einige andere.

Die Hauptquelle biogener Kationen an Land ist der Boden, wo sie bei der Verwitterung von Gesteinen eindringen. Aus dem Boden gelangen Kationen mit Hilfe des Wurzelsystems der Pflanzen zunächst in das Pflanzengewebe und werden dann von Pflanzenfressern usw. aufgenommen. Eine Reihe von Tieren ist in der Lage, biogene Kationen teilweise direkt aus dem Boden zu gewinnen – der Prozess der Solonetzation. Durch die Mineralisierung von Exkrementen und Überresten lebender Organismen können Makro- und Mikroelemente in den Boden zurückkehren, wodurch sie wieder für die Einbeziehung in den wiederholten biogenen Kreislauf verfügbar werden.

Dieser eher einfache Kreislauf wird durch den Abtransport von Nährstoffen in Flüsse und von dort in die Meere und Ozeane gestört. Die Auswaschung durch Regenwasser führt zum Abbau des kolloidalen Absorptionskomplexes und zur Schwächung der Pflanzenwurzelsysteme. Dieser Vorgang macht sich besonders in feuchten Klimazonen bemerkbar; in der gemäßigten Zone führt dies zur Podsolisierung der Böden.

Biogeochemische Prozesse in verschiedenen Organismen. Verschiedene biologische Verbindungen und anorganische Elemente, die in biogeochemischen Kreisläufen enthalten sind, sind an sehr unterschiedlichen, mehrstufigen Prozessen beteiligt: der organischen Synthese, der mehrfachen Umwandlung organischer Substanzen während des Stoffwechsels und deren Zersetzung in mineralische Bestandteile während der Reduktion. Die einzelnen Elemente der oben diskutierten Kreislaufprozesse der Hauptnährstoffe bilden den biologischen Stoffkreislauf. Die wichtigsten trophischen Ebenen, die diesem Zyklus zugrunde liegen, werden durch bestimmte Arten von Produzenten, Konsumenten und Zersetzern repräsentiert und unterscheiden sich natürlich erheblich voneinander in der Art des Stoffwechsels, d. h. in der spezifischen Funktion, die bei einem bestimmten trophischen Zustand ausgeübt wird Ebene.

Autotrophe und Heterotrophe stellen die Hauptabteilung lebender Organismen dar, basierend auf Ernährungsmerkmalen; Autotrophe werden als Produzenten klassifiziert, Heterotrophe werden als Konsumenten bzw. Zersetzer klassifiziert.

Autotrophe synthetisieren mithilfe von Sonnenenergie (Photosynthese) oder der Energie chemischer Bindungen (Chemosynthese) aus Kohlendioxid, Wasser und essentiellen Mineralbestandteilen die Hauptklassen organischer Substanzen: Kohlenhydrate, Fette (Lipide), Proteine, Nukleinsäuren usw. Jeder dieser Stoffe haben ihre Bedeutung für das Leben von Organismen.

Kohlenhydrate. Die Grundformel dieser Verbindungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff lautet C t (H.0)„. Die Klasse der Kohlenhydrate umfasst Zucker: Monosaccharide - C 6 H)