2.Поняття про біохімічні цикли

Важливу роль при переносі матерії в екосистемі відіграють постійні цикли елементів. Здійснюючи кругообіги в біогеоценозі, кожний хімічний елемент рухається завдяки енергетичному потоку чітко визначеним шляхом, раз у раз переходячи із органічної форми в неорганічну, і навпаки.

В більшості випадків обмін біогенних елементів між живими організмами і неорганічним середовищем є збалансованим.

2.1. Кругообіг вуглецю

Єдиним джерелом вуглецю, який використовується для синтезу органічної речовини, є вуглекислий газ, що входить до складу атмосфери або перебуває у розчиненому стані у воді. Вуглець гірських порід рослини не використовують.

У процесі фотосинтезу вуглекислий газ перетворюється на органічну речовину, яка служить кормом для тварин. Дихання, бродіння і згорання палива повертає вуглекислий газ в атмосферу.

У лісових біогеоценозах, розташованих у глибоких долинах, а також у молодих і загущених посадках, які слабо провітрюються, концентрація СО2 значно вища, ніж у насадженнях старшого віку, розташованих на підвищених, добре освітлених, добре провітрюваних.

Порівняно більше виділяє СО2 у процесі дихання коріння таких дерев: берези, вільхи, осики, липи, менше – модрини, дуба, бука, сосни, найменше – смереки й ялиці.водночас виділення СО2 в процесі дихання листя відносно біль інтенсивне в берези, менше – у дуба і бука, найменше – у модрини, сосни й ялиці.

В біологічному кругообігу вуглецю беруть участь тільки органічні сполуки і вуглекислий газ. Фотосинтез і дихання повністю комплементарні і взаємно відповідні: весь асимільований у процесі фотосинтезу вуглець включається у вуглеводи, а в процесі дихання весь вуглець, який міститься в органічних сполуках, перетворюється на вуглекислий газ.

2.2. Кругообіг азоту

Проходження азоту через біогеоценоз має свої особливості. Виділяють чотири такі відмінності кругообігу азоту і вуглецю. По-перше, більшість організмів не можуть асимілювати його із велетенського фонду, який є в атмосфері. По-друге, азот не бере безпосередньої участі у вивільненні хімічної енергії в процесі дихання. Головна його роль полягає в тому, що він входить до складу білків і нуклеїнових кислот, які створюють структуру біологічних систем і регулюють їх функціонування. По-третє, біологічний розклад азотвмісних органічних сполук до органічних форм складається з кількох стадій. По-четверте, більша частина біохімічних перетворень,які беруть участь у розкладі азотвмісних сполук, відбувається в ґрунті, де доступність азоту для рослин полегшується розчинністю його неорганічних форм. Вміст азоту в живих тканинах трохи більша 3% його вмісту в активних фондах екосистеми. Решта азоту розподілена між детритом і нітритами ґрунту.

Отже, джерело азоту – це, з одного боку, атмосферне повітря, а з іншого – азот, який міститься у відмерлих рослинах і тваринах. Вільний азот атмосфери можуть використовувати лише окремі організми – азотфіксуючі бактерії, які живуть у бульбочках на корінні бобових, і деякі синьо-зелені водорості. Білкові речовини трупів завдяки діяльності бактерій поступово перетворюються на амонійні сполуки, а також нітрити і нітрати. Ці речовини і служать основним джерелом азоту для зелених рослин.

Ґрунтові бактерії, які перетворюють аміак на нітрати і нітрити, залежать від джерела кисню, і, якщо в ґрунті спостерігається його дефіцит, то вони не можуть функціонувати. В такому разі сполуки, які містять азот, перетворюються іншою групою бактерій на газоподібний азот, який надходить в атмосферу.

На вміст зв’язаних форм азоту в біогеоценозах впливає принесення і відчуження їх під впливом атмосферних, гідрологічних, біотичних і антропогенних факторів. Запас азоту в біогеоценозах частково сформувався за рахунок його вмісту в грунтоутворюючій породі, але більша його кількість нагромадилась у процесі розвитку біогеоценозів. Джерелами його могли бути надходження ззовні внаслідок впливу атмосферних, гідрологічних, біогенних і антропогенних факторів, а також фіксації N2 прокаріотами.

У процесі кругообігу азоту відбувається поетапний розпад органічних сполук, внаслідок чого він переходить у нітратну форму. Найкраща сполука для споживання рослинами – аміак. Проте його токсичність для рослинних тканин не дає можливості йому бути джерелом азоту, крім того, він легко розчиняється у воді і швидко вимивається з ґрунту. Той аміак, який не вимивається, піддається дії бактерій, котрі добувають енергію шляхом окислення азоту аміаку до нітритів і нітратів. Утворені в ґрунті нітрати швидко асимілюються корінням рослин.

У тваринних організмів виведення надлишків азоту відбувається шляхом відщеплення амінів від органічних сполук і виділення їх у зовнішнє середовище у вигляді аміаку або сечовини.

Вирішальним етапом кругообігу азоту є нітрифікація, яка забезпечує швидкий перехід нітритів у форми, доступні рослинним організмам. Тому походження едафічних умов негативно впливає на азотфіксаційні процеси, і таким чином, веде до азотного голодування рослинних організмів.

У процесі денітрифікації виділяється закис азоту і молекулярний азот, які поповнюють його вміст в атмосфері, виводячи тим самим із фондів активного азоту.

Не менш важливим з енергетичної точки зору є процес фіксації азоту. Завдяки хімічній енергії, зосередженій в молекулі глюкози, деякі синьо-зелені водорості та бактерії азотобактер можуть асимілювати вісім атомів азоту.

Надмірне використання азотних добрив у сільському господарстві сприяє забрудненню нітратами та нітритами як води, так і рослинних продуктів харчування. Особливо високий рівень нагромадження цих токсикантів у рослинах закрито ґрунту, де має місце неконтрольоване внесення добрив у ґрунт.

2.3. Кругообіг фосфору

Фосфор належить до головних органогенних елементів, який живі організми вживають у достатньо великій кількості. Він входить до складу нуклеїнових кислот, складних білків, клітинних мембран, кісткової тканини і дентину, є основою біоенергетичних процесів.

У наземних біогеоценозах відбувається активний кругообіг фосфору в системі ґрунт – рослина – тварина – грунт. Рослини асимілюють фосфор у вигляді фосфат-іона безпосередньо із ґрунту