Ecologia_obsch_kurs_dop_mater_biosph (А.М. Гиляров - Экология, Часть 2)

Распределение углерода по основным резервуарам биосферы:

(По: P.Falkowsi et al., 2000. Science, Vol. 290, pp. 291-296)

МЕТАН

Все метаногены – строгие анаэробы, представители домена архебактерий. Необходимую для жизнедеятельности энергию получают в результате реакции синтеза метана. Они автотрофы – используют СО₂ в качестве источника углерода. Окислителем является СО₂. В качестве доноров электронов могут использовать водород, формиат, ацетат или метилотрофные соединения).

Примеры возможных реакций:

3H₂ + CO₂ → CH₄ + H₂O

4HCOOH → CH₄ + 3CO₂ +2 H₂O

4CO + 2H₂O → CH₄ + ЗCO₂

CH₃COO^- + H⁺ → CH₄ + CO₂

4CH₃OH → 3CH₄ + CO₂ + 2H₂O

2CH₃NH₃⁺ + H₂O → CH₄ + CO₂ + H₂O

(CH₃)₂S + 2H₂O → 2CH₄ + CO₂ + H₂S

Соотношение разных известных источников поступления метана в атмосферу и «стоков» (мест связывания).

Все величины - в миллионах тонн за год (10¹² г ∙ год^-1)

Метан, образованный метаногенами, может быть окислен рядом бактерий (представителей эубактерий), которых называют метанокисляющими, или метанотрофами. Организмы эти осуществляют простую, но требующую высокой энергии активации реакцию:

CH₄ + O₂ = CO₂ + H₂O

В водоемах они располагаются в аэробной зоне над тем горизонтом, где сосредоточены метаногены, и перехватывают поднимающийся вверх метан.

Основной путь удаления метана в атмосфере – окисление гидроксильным радикалом OH^·. Образуется гидроксильный радикал в ходе фотохимических реакций из озона и паров воды и «живет» в свободном состоянии в атмосфере очень недолго – около 1 сек. Точную концентрацию его определить трудно, но известно, что она очень низка – около 10⁵ молекул в 1см³.

ЦИКЛ АЗОТА

1. Азотфиксация – (диазотрофия): перевод молекулярного азота N₂ в аммонийную форму NH₄⁺ - требует больших энергетических затрат (необходимо разрушить связь N ≡ N). Хорошая обеспеченность энергией, неважно, будь то солнечный свет или восстановленные химические вещества, - обязательное условие существования азотфиксаторов.

Все азотфиксаторы (диазотрофы) – прокариоты, свободноживущие или симбиотические.

Происходит азотфиксация в анаэробных условиях.

Количество азота, вносимого в почву с минеральными удобрениями, к началу 1990=х годов достигло 140 млн. т (140∙10¹² г) в год. Промышленное связывание атмосферного азота по своим масштабам уже превзошло естественную азотфиксацию (до начала массового применения минеральных удобрений), оценки которой для всей суши варьируют от 90 до 130 млн. т в год.

Для океана общее количество атмосферного азота, связываемого за год азотфиксирующими бактериями, остается неизвестным. Приводимые разными авторами величины варьируют очень широко – от 20 млн. т для всей акватории Мирового океана до 50 млн. т только для Атлантического океана.

2. Растения потребляют азот из почвы или воды в основном в форме нитратного (NO₃^-) и аммонийного (NH₄⁺ ) ионов. В ходе ассимиляции азот используется растениями для построения многих жизненно важных органических веществ (аминокислот, белков и нуклеиновых кислот). Животные получают азот с пищей: растительноядные – из растений, а хищники и паразиты – из своих жертв и хозяев.

3. В процессе метаболизма животных происходит диссимиляция многих веществ, в том числе содержащих азот. Продукты выделения поступают во внешнюю среду, обогащая ее соединениями азота. Продуктами выделения водных животных как правило являются аммиак и мочевина CO(NH₂)₂, а у многих наземных животных – мочевая кислота C₅H₄N₄O₃.

4. Разложение органического вещества отмерших растений и животных сопровождается аммонификацией – переводом азота из органической формы в аммоний (NH₄⁺ ) или аммиак (NH₃). Осуществляют его многочисленные бактерии аммонификаторы – некоторые из них - аэробы, другие – анаэробы.

5. Аммоний (NH₄⁺ ) и аммиак (NH₃), будучи восстановленными соединениями, представляют интерес как потенциальные доноры электронов (иными словами – энергии) для другой группы организмов - нитрификаторов, которые окисляют их до нитритов (NO₂^- ), а потом и до нитратов (NO₃^- ). Поскольку акцептором электронов (окислителем) выступает кислород, нитрификация возможна только в аэробных условиях, которые стали господствующими на Земле не ранее двух миллиардов лет тому назад. Нитрификация (открыта С.Н.Виноградским) проходит в два этапа:

(1) Аммоний окисляется до нитрита (NH₄⁺ → NO₂^-) - проводят бактерии рода Nitrosomonas и др.

(2) Нитрит окисляется до нитрата (NO₂^- → NO₃^-) - проводят представители рода Nitrobacter и др.

6. Денитрификация – восстановление нитрата NO₃^- до свободного молекулярного азота N₂. Протекающие в ходе денитрификации реакции связаны с окислением органических веществ (углеводов, спиртов, органических кислот). Процесс требует большого количества энергии. Возможен только в анаэробной среде – при наличии свободного кислорода он оказывается гораздо более выгодным окислителем, чем органические вещества.

К примеру, реакция окисления глюкозы, сопровождающаяся восстановлением нитрата, может быть записана как: 5C₆H₁₂O₆ + 24KNO₃ → 24KHCO₃ + 12N₂ + 18H₂O

7. Анаэробное окисление аммония также ведет к образованию N₂. Соответствующая реакция (называемая реакцией “anammox” – anaerobic ammonium oxidation), которую можно выразить уравнением: NH₄⁺ + NO₂^- → N₂ + 2H₂O, была известна давно, но только в 2003 году были найдены бактерии, осуществляющие этот процесс в природе (у верхней границы анаэробной зоны Черного моря). Образующийся в ходе ее молекулярный азот получает один атом от аммония, а другой от нитрита.

8. Анаэробное окисление метана, сопровождающееся восстановлением нитратов до молекулярного азота N₂. Возможность такой реакции давно предполагали, но соответствующий процесс в природе обнаружен только недавно (публикация в Nature в 2006 г.). Электроны от метана перемещаются не к кислороду, а к нитратам и нитритам. Соответствующее уравнение может быть записано как:

5CH₄ + 8NO₃^- + 8H⁺ → 5CO₂ + 4N₂ + 14H₂O

ЦИКЛ СЕРЫ

Основная масса серы в биосфере, около 24 ×10⁶ Гт, надолго выведена из круговорота и сосредоточена в литосфере в виде пирита - FeS₂ и сульфата кальция - CaSO₄. Около 25×10⁵ Гт, находится в осадках на дне океана в виде CaSO₄, FeS₂ и FeS, а также непосредственно в морской воде (около 13 ×10⁵ Гт), в форме сульфатного иона SO₄^2-. Сульфаты образовались в результате окисления восстановленных соединений серы, которых на поверхности Земли было очень много до тех пор, пока отсутствовал в атмосфере, а соответственно, и в океане свободный кислород. В принципе сульфаты океана и донных отложений можно рассматривать как косвенный продукт оксигенного фотосинтеза.

1. Многие бактерии (в том числе цианобактерии), фотосинтезирующие протисты и все растения потребляют серу в виде сульфата, а в ходе своего метаболизма восстанавливают ее, образуя аминокислоты. Только в этом процессе, называемом ассимиляторным восстановлением сульфатов, наряду с прокариотами активно участвуют и эукариоты. Все другие превращения серы в биосфере осуществляются исключительно прокариотами.

2. Отмирающие ткани растений и животных становятся пищей для множества бактерий. Если это происходит в аэробных условиях, то бактерии сразу могут использовать готовые, содержащие серу, аминокислоты. Однако в анаэробных условиях гнилостные бактерии полностью разлагают все органическое вещество, а сера высвобождается в виде сульфида водорода HS^-, который в зависимости от pH среды дает большее или меньшее количество сероводорода - H₂S.

3. Помимо анаэробного разложения органического вещества, другой возможный путь образования сероводорода - восстановление некоторыми бактериями молекулярной серы, которая в свою очередь является продуктом жизнедеятельности бактерий, окисляющих сероводород. Такой процесс известен для соленых лагун Сиваша и залива Каспийского моря - Кара-Богаз-Гол.