Глобальный круговорот углерода и азота.

Круговорот углерода:

В биологическом круговороте углерода участвуют только органичес­кие соединения и диоксид углерода; фотосинтез и дыхание полностью комплементарны. Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в диоксид углерода.

В круговороте СО₂ атмосферный фонд очень невелик (0,035% атм.), в сравнении с запасами углерода в океанах, в ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы.

В основе этого баланса лежит регулирующая деятельность зеленых растений и поглощающая способность карбонатной системы моря. Низкое содержание СО₂, также как высокие концентрации О₂ служат лимитирующими факторами для фотосинтеза: для большинства растений характерно увеличение интенсивности фотосинтеза, если в эксперименте увеличивается содержание CО₂ или понижается содержание О₂. Таким образом, зеленые растения оказываются весьма чувствительным регулятором содержания этих газов.

Фотосинтезирующий "зеленый пояс" Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень содержания СО₂ в атмосфере. Но в последнем столетии стремительно возрастающее потребление горючих ископаемых вместе с уменьшением поглотительной способности "зеленого пояса" начинает превосходить возможности природного контроля, так что содержание СО₂ в атмосфере, сейчас постепенно возрастает. Если концентрация вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться к середине будущего века, вероятно потепление климата Земли: температура в среднем повысится на 1,5 - 4,5 °С, и это наряду с подъемом уровня моря (в результате таяния полярных шапок) и изменением распределения осадков может погубить сельское хозяйство.

Основным источником поступления "парникового газа" СО₂ считается сжигание горючих ископаемых, однако свой вклад вносят также развитие сельского хозяйства и сведение лесов. Может показаться удивительным, что сельское хозяйство в конечном счете приводит к потере СО₂ из почвы (то есть вносит в атмосферу больше, чем забирает оттуда), но дело в том, что фиксация СО₂ сельскохозяйственными культурами, многие из которых активны лишь часть года, не компенсирует количества СО_2, высвобождающееся из почвы, особенно в результате частой вспашки. Леса - важные накопители углерода, так как в биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в лесном гумусе - в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере. Сведение леса, разумеется, может высвободить углерод, накопленный в древесине, особенно если она немедленно сжигается. Уничтожение леса, особенно при последующем использовании этих земель для сельского хозяйства или строительства городов, приводит к окислению гумуса.

Круговорот азота - Воздух, на 78,08% состоящий из азота, представляет собой крупнейший "резервуар" и одновременно "предохранительный клапан" системы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий и постоянно возвращается в круговорот в результате деятельности азотфиксирующих бактерий или водорослей (биологическая фиксация азота), а также действию электрических разрядов - молний и других физических процессов, в которых происходит фиксация азота.

Путь прохождения азота через экосистему отличается от пути углерода и кислорода в нескольких важных аспектах. Во-первых, большинство организмов не могут ассимилировать азот из огромного его фонда (3,85*10²¹ г N₂), имеющегося в атмосфере. Во-вторых, азот не принимает непосредственного участия в высвобождении химической энергии при дыхании: главная его роль сводится к тому, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, которые создают структуру биологических систем и регулируют их функционирование. В-третьих, биологическое разложение азотсодержащих органических соединений до неорганических форм слагается из нескольких стадий, и некоторые из этих стадий могут осуществляться только специализированными бактериями. В-четвертых, большая часть биохимических превращений, участвующих в разложении азотсодержащих соединений, происходит в почве, где доступность азота растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений.

Наиболее важные процессы в круговороте азота - это распад органических азотсодержащих соединений в результате аммонификации и нитрификации, восстановление нитратов и нитритов до молекулярного азота (N₂) в результате денитрификации и его высвобождение в атмосферу, а также процесс биологической ассимиляции атмосферного азота путем его фиксации. 

В органических соединениях азот обычно представлен амино - или какой-либо родственной группой, входящей в состав той или иной органической молекулы. У животных выведение из организма избыточного азота происходит путем отщепления аминов от органических соединений и выделения их в сравнительно неизменной форме, главным образом, в виде аммиака (NН₃) или мочевины СО(NH₂)₂. Почвенные микроорга­низмы легко превращают мочевину в аммиак путем гидролиза:

СО(NH₂)₂ +  H₂O ® 2 (NН₃) + CO₂

Некоторые специализированные, и повсеместно встречающиеся бакте­рии могут высвобождать химическую энергию, содержащуюся в аминогруп­пе, в результате ряда реакций нитрификации, для которых необходим кислород. Nitrosomonas превращает ион аммония в нитрит; Nitrobacter завершает процесс нитрификации, окисляя нитрит до нитрата. В форме нитратов азот усваивается зелеными растениями.

Денитрификация, в процессе которой нитраты превращаются в азот, происходит в несколько этапов:

NO₃^- ® NО₂^- ® N₂O ® N₂  

причем на каждом из этих этапов выделяется кислород. (Бактерия Pseudomonas добывает с помощью этого процесса необходимый для дыхания кислород при отсутствии в почве свободного кислорода).   

Следует обсудить энергетические взаимоотношения между компонентами круговорота азота, необходимые для функционирования этого круговорота. Ступенчатый процесс разложения белков до нитратов сам служит источником энергии для организмов, осуществляющих это разложение, а обратный процесс требует других источников энергии, таких, как органическое вещество или солнечный свет. Фиксация азота требует особенно больших затрат энергии, так как много энергии идет на разрыв тройной связи в молекуле азота N₂, чтобы с добавлением водорода из воды превратить ее в две молекулы аммиака (NН₃). Бактерии в клубеньках бобовых расходуют на биофиксацию 1 г азота около 10 г глюкозы (примерно 40 ккал), полученной растением в фотосинтезе, то есть эффективность составляет около 10%.

Для фиксации азота необходимы специализированные биохимические механизмы, отсутствующие, по-видимому, у высших растений; лишь прокариоты, самые примитивные организмы, такие как сине-зеленые водоросли, бактерия Azotobacter и др., могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы. Когда эти микроорганизмы образуют взаимно выгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота значительно усиливается. Растение предоставляет бактериям подходящее местообитание (т.е. корневые клубеньки, листья), защищает микробов от излишка кислорода, который мешает фиксации, и поставляет им необходимую высококачественную энергию - глюкозу. За это растение получает легкоусваиваемый фиксированный азот.