Кругообіг вуглецю

Вуглець входить до складу всіх органічних речовин, а тому його кругообіг найбільш поширений у природі .Він здійснюється за допомо-гою трьох груп організмів: продуцентів, консументів, редуцентів. Органічна речовина синтезується зеленими рослинами в процесі фотосинтезу з вуглекислого газу атмосфери, вміст якого дорівнює лише 0,03-0,04%.

Рис.2.6. Кругообіг вуглецю в біосфері.

Якби вуглекислий газ не поповнювався за рахунок надходження із Землі, то його запаси вичерпалися б за 4-35 років (табл.2.3). У найближ-чі 50—60 років завдяки зростанню спалювання горючих речовин вміст вуглекислого газу в атмосфері подвоїться. Такі швидкі зміни вмісту вуглекислого газу в атмосфері, внаслідок якого відбувається так званий парниковий ефект (нагрівання атмосфери інфрачервоним промінням завдяки вмісту в ній СО2), може призвести до перегрівання географічної оболонки. Частина СО2 утворюється при виверженні вулканів і надхо-дить зі збагачених ним водних джерел. Головний споживач СО2 -- фо-тосинтетичний апарат рослин (рис.2.6.).

Таблиця 2.3. Кількість вуглекислого газу в біосфері, кг

Кількість СО2 | За Ю.Саксом

2500-1012 | За Г.Гредером 2100-10'2 | За Е.Рейнау 1530-10"

Засвоюється рослинами за рік | 48-1012 | 60-1012 | 86,5-Ю12

Варто нагадати, що про явище фотосинтезу, яке є головним чинником руху речовини й енергії в біосфері, стало відомо лише в другій половині XVIII ст. В 1772-1782 pp. Д.Прістлі, Я.Інгенхауз і Ж.Сенсб'є, доповнюю-чи один одного, описали процес повітряного вуглецевого живлення, або

Рис. 7.26. Основні глобальні пули вуглецю і річні швидкості обміну між ними.

фотосинтез. Через століття К.А.Тимірязєв (1843-1920) розкрив енергетич-ну закономірність фотосинтезу як процесу використання світла для ут-ворення органічної речовини в рослинах. Механізм фотосинтезу був роз-критий американським біохіміком Кальвіном, за що йому було присуд-жено Нобелівську премію. Сьогодні під фотосинтезом розуміють перетво-рення зеленими рослинами і фотосинтезуючими організмами промени-стої енергії Сонця. Процес фотосинтезу відбувається за участю поглинаючих світло пігментів (хлорофіл та ін.).

Попадаючи в клітину зеленого листя вуглекислий газ приєднується до акцептора (вуглевод рибулезодифосфат), з яким продовжує подальший рух і перетворення. Завдяки ферменту альдолази утворюється простий цукор — глюкоза, а з нього — цукроза і крохмаль. Частина синтезованої речовини в цьому процесі переходить знову в акцептор — так утворюєть-ся саморегульований циклічний процес. Далі з участю інших ферментів цукри перетворюються у білки, жири та інші органічні речовини, потрібні для життя рослини.

Основна реакція фотосинтезу має такий вигляд:

( ) або в розрахунку на моль СО2:

( )

За рік рослини суші і океану засвоюють майже 5 * 1010 т вуглецю (вбирають, за різними авторами, 1,7 —2,0* 10" СО2), розкладають 1,3 * 10й т води, виділяють 1,2 * 1011 т молекулярного кисню і запаса-ють 4 * 1017 ккал сонячної енергії у вигляді хімічної енергії продуктів фотосинтезу, що в 100 разів перевищує виробництво енергії всіма електростанціями світу.

Річний кругообіг маси СО2 на суші визначається як масою складових його ланок біосфери, так і кількістю, яку захоплює кожна ланка (т/рік): Сумарне захоплення фотосинтезом 60*109

Повернення від дихання (розкладу) 48-109

Надходження в гумосферу і консервація в багаторічних фітоценозах 10-109

Захоронения в осадовій товщі літосфери, включаючи реакцію СО2 із гірськими породами 1-Ю9

Надходження від спалення палива 4-Ю9

У гідросфері кругообіг СО2 значно складніший, ніж на суші. Вирішальну роль тут відіграє Світовий океан, який акумулює винесе-ний ріками із суші вуглець у формі карбонатних і органічних сполук. Повернення вуглецю із океану чи суші відбувається з великим дефіцитом, головним чином, повітряними потоками у вигляді СО2. Наявність вуг-лекислого газу у гідросфері залежить від надходження кисню у верхні шари як із атмосфери, так із нижчих шарів води. В загальному виразі

річний кругообіг маси вуглецю у Світовому океані майже удвічі мен-ший, ніж на суші:

Сумарне захоплення в процесі фотосинтезу | 30-109

Повернення у водне середовище від дихання і розкладу органічної речовини | 26-109

Випадання в донний осад | 1.5-109

Надходження із атмосфери від спалювання палива | 1-Ю9

Те ж із річним стоком | 0.6-109

Перехід у розчинні органічні сполуки | 10.9-Ю9

Багато вуглецю вилучається з біологічного кругообігу речовин і по-трапляє в океан переважно у вигляді вуглекислих солей. Ці солі, особли-во СаСО3, витрачаються на побудову панцирів тварин, дуже багато їх і в морській воді. Якщо в атмосфері підвищується вміст СО2, частина його розчиняється у воді, вступає в реакцію з карбонатом кальцію, утворюючи розчинний у воді бікарбонат кальцію. І навпаки, при зниженні вмісту вуглекислого газу в атмосфері бікарбонати, що завжди містяться у морсь-кій воді, перетворюються у карбонати кальцію, які випадають з розчину, використовуються організмами для побудови скелетів або панцирів, осідають на морське дно. Реакція має такий вигляд:

Са (НСО3)2 - СаСО3 + Н2О + СО2 .

Сумарна кількість вуглекислого газу на планеті становить не менше 2,3* 1012 т, тоді як вміст його у Світовому океані оцінюється в 1,3* 1012 т. У літосфері у зв'язаному стані перебуває 2-Ю17 т вуглекислого газу. В живій речовині біосфери міститься близько 1,5*1012 т (майже стільки, скільки у всій атмосфері). Вуглекислий газ атмосфери і гідросфери обмінюється і обновлюється живими організмами за 300 років (рис.2.8.).

Рис.2.9. Тривалість циклу кругообігу вуглецю, кисню та води між абіотичним середовищем і біосферою (кількість років).

2.3.Кругообіг азоту

Азот, який є уособленням білкового життя у біосфері, в основному зосе-реджений в атмосфері, де його частина становить близько 78%. Тобто на 1 га поверхні Землі припадає товща повітря з приблизно 80 тис. т азоту. Проте в такому вигляді він недоступний рослинам. У кругообізі сполук азоту надзвичайно велике значення відводиться мікроорганізмам і азотофіксаторам, нітрофіксаторам і