Cicli biogeochimici degli elementi chimici fondamentali
introduzione
L'emergere della materia vivente sulla Terra ha reso possibile la continua circolazione degli elementi chimici nella biosfera, la loro transizione dall'ambiente esterno agli organismi e viceversa. Questa circolazione di elementi chimici è chiamata cicli biogeochimici. Ciclo biogeochimico fa parte del ciclo biotico, comprendente cicli di scambio di elementi chimici di origine abiotica, senza i quali la materia vivente non può esistere (carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto, fosforo, zolfo e molti altri). Tipicamente, esistono tre tipi principali di cicli biogeochimici: il ciclo dell'acqua, i cicli delle sostanze gassose con un fondo di riserva nell'atmosfera o nell'idrosfera (oceano), i cicli sedimentari degli elementi chimici con un fondo di riserva nella crosta terrestre.
Il ciclo dell'acqua
L’acqua è l’elemento base necessario alla vita. Quantitativamente è il componente inorganico più comune della materia vivente.
Gli oceani contengono il 97% della massa totale di acqua nella biosfera. Si assume che l’evapotraspirazione sia bilanciata dalle precipitazioni. Dall’oceano evapora più acqua di quella che vi entra con le precipitazioni; sulla terraferma avviene il contrario. Le precipitazioni “extra” che cadono sulla terra cadono nelle calotte polari e nei ghiacciai, riempiono le falde acquifere (da dove le piante attingono l’acqua per la traspirazione) e infine finiscono nei laghi e nei fiumi, ritornando gradualmente con il deflusso verso l’oceano. La maggior parte del ciclo dell’acqua avviene tra l’atmosfera e l’oceano.
La presenza nell'atmosfera di un significativo fondo di riserva favorisce il fatto che i cicli di alcune sostanze gassose sono capaci di autoregolarsi abbastanza rapidamente in caso di vari squilibri locali. Pertanto, l'eccesso di anidride carbonica accumulata da qualche parte a seguito di una maggiore ossidazione o combustione viene rapidamente dissipata dal vento; inoltre, la formazione intensiva di anidride carbonica è compensata dal suo maggior consumo da parte delle piante o dalla sua conversione in carbonati. In definitiva, per effetto dell'autoregolazione in base al tipo di feedback negativo, i cicli delle sostanze gassose su scala globale sono relativamente perfetti. I principali cicli di questo tipo sono i cicli del carbonio (nella composizione dell'anidride carbonica), dell'azoto, dell'ossigeno, del fosforo, dello zolfo e di altri elementi biogenici.
Ciclo del carbonio
Sulla terra inizia con la fissazione dell'anidride carbonica da parte delle piante durante la fotosintesi, producendola materia organica e rilascio collaterale di ossigeno. Parte del carbonio fissato viene rilasciato durante la respirazione delle piante come CO2
I funghi del suolo, a seconda della velocità di crescita, emettono da 200 a 2000 cm 3 CO 2 per 1 g di massa secca. Gran parte dell'anidride carbonica è prodotta dai batteri che, in base al peso vivo, respirano 200 volte più intensamente di una persona. L'anidride carbonica viene rilasciata anche dalle radici delle piante e da numerosi organismi viventi. I microrganismi decompongono le piante morte e gli animali morti, provocando l'ossidazione del carbonio della materia organica morta in anidride carbonica e il rilascio nell'atmosfera.
Tra la terra e l'oceano si verificano costanti processi di migrazione del carbonio, in cui avviene prevalentemente sotto forma di carbonato e composti organici dalla terra all'oceano. Il carbonio proviene dagli oceani per atterrare in piccole quantità sotto forma di CO2 rilasciata nell'atmosfera. L'anidride carbonica nell'atmosfera e nell'idrosfera viene scambiata e rinnovata dagli organismi viventi nell'arco di 395 anni.
Ciclo dell'azoto
Proprio come il ciclo del carbonio e altri cicli, copre tutte le aree della biosfera. I microrganismi svolgono un ruolo chiave nel ciclo dei composti azotati: fissatori di azoto, nitrificanti e denitrificanti. Altri organismi influenzano il ciclo dell'azoto solo dopo che è entrato nelle loro cellule. Come è noto, legumi e rappresentanti di alcuni generi di altre piante vascolari (ad esempio ontano, araucaria, olivastro) fissano l'azoto con l'aiuto di batteri simbionti. Lo stesso si osserva in alcuni licheni che fissano l'azoto con l'aiuto di alghe blu-verdi simbiotiche. È ovvio che la fissazione biologica dell’azoto molecolare da parte di organismi a vita libera e simbiotici avviene sia nella parte autotrofa che in quella eterotrofa degli ecosistemi.
Delle enormi riserve di azoto nell'atmosfera e nel guscio sedimentario della litosfera, solo l'azoto fisso, assimilato dagli organismi viventi della terra e dell'oceano, partecipa al suo ciclo. La categoria del fondo di scambio di questo elemento comprende: azoto proveniente dalla produzione annuale di biomassa, azoto derivante dalla fissazione biologica da parte di batteri e altri organismi, azoto giovanile (vulcanogenico), atmosferico (fissato durante i temporali) e tecnogenico
È facile notare che, ad eccezione della vegetazione della tundra, dove il contenuto di azoto e di ceneri è approssimativamente lo stesso, in quasi tutti gli altri tipi di vegetazione la massa di azoto è 2...3 volte inferiore alla massa di elementi in frassino. Il numero di elementi che circolano durante l'anno (cioè la capacità del ciclo biologico) è maggiore nelle foreste tropicali, quindi nelle steppe della terra nera e nelle foreste decidue della zona temperata (foreste di querce).
Ciclo dell'ossigeno
L'attività geochimica attiva della materia vivente e il suo ruolo primario in questo processo sono chiaramente espressi nel ciclo dell'ossigeno. Il ciclo biogeochimico dell'ossigeno è un processo planetario che collega l'atmosfera e l'idrosfera con la crosta terrestre. I collegamenti chiave in questo ciclo sono: la formazione di ossigeno libero durante la fotosintesi nelle piante verdi, il suo consumo per l'attuazione delle funzioni respiratorie da parte di tutti gli organismi viventi, per la reazione di ossidazione di residui organici e sostanze inorganiche (ad esempio, combustione di carburante) e altre trasformazioni chimiche che portano alla formazione di tali composti ossidati, come l'anidride carbonica e l'acqua, e il loro successivo coinvolgimento in un nuovo ciclo di trasformazioni fotosintetiche.
Dovrebbe essere preso in considerazione anche l’uso dell’ossigeno per la combustione e altre attività antropiche. Si presume che nel prossimo futuro il consumo totale annuo di ossigeno raggiungerà i 210...230 miliardi di tonnellate, mentre la produzione annua di questo gas da parte dell'intera fitosfera ammonta a 240 miliardi di tonnellate.
Ciclo del fosforo
Il Clarke di questo elemento nella crosta terrestre è 0,093 %, che è diverse decine di volte maggiore del clarke di azoto. Tuttavia V A differenza di quest'ultimo, il fosforo non svolge il ruolo di uno degli elementi principali dei gusci terrestri. Tuttavia, il ciclo geochimico del fosforo comprende una varietà di percorsi migratori nella crosta terrestre, un ciclo biologico intensivo e la migrazione nell'idrosfera. Il fosforo è uno dei principali elementi organogeni. Il suo composti organici svolgono un ruolo importante nei processi vitali di tutte le piante e gli animali, fanno parte degli acidi nucleici, delle proteine complesse, dei fosfolipidi di membrana e sono la base dei processi bioenergetici. Il fosforo è concentrato nella materia vivente, dove il suo contenuto è quasi 10 volte superiore a quello della crosta terrestre. Sulla terra esiste un intenso ciclo del fosforo nel sistema suolo-piante-animali-suolo.
Nella biosfera si è formato un processo abbastanza sviluppato di trasformazioni cicliche dello zolfo e dei suoi composti. I fondi di riserva di questo elemento sono identificati nel suolo e nei sedimenti (abbastanza estesi), nonché nell'atmosfera (piccoli). Nel pool di scambio dello zolfo, il ruolo principale appartiene a microrganismi specializzati, alcuni dei quali eseguono reazioni di ossidazione, altri - reazioni di riduzione. I cicli dell’azoto e dello zolfo sono sempre più colpiti dall’inquinamento atmosferico industriale. La combustione di combustibili fossili aumenta significativamente il rilascio nell'atmosfera (e, ovviamente, il contenuto in essa) di ossidi volatili di azoto (NO e NO2) e zolfo (SO2), soprattutto nelle città. L’attuale concentrazione di questi ingredienti sta già diventando pericolosa per le componenti biotiche degli ecosistemi.
Ciclo del potassio
Il potassio, come è noto, partecipa ai processi di fotosintesi, influenza il metabolismo dei carboidrati, dell'azoto e del fosforo e influenza in modo significativo le proprietà osmotiche delle cellule. È concentrato nei frutti e nei semi, nei tessuti e negli organi vegetali a crescita intensiva.
Finora, il ciclo del potassio nell’ambiente acquatico rimane poco compreso. Ogni anno, circa 90 milioni di tonnellate di questo elemento entrano negli oceani attraverso il deflusso delle acque. Una parte viene assorbita dagli organismi acquatici, ma una quantità significativa non viene registrata da nessuna parte e il suo successivo movimento è sconosciuto.
Una componente importante dei cicli è il drenaggio degli ioni e dei solidi. La circolazione degli elementi chimici, di regola, avviene simultaneamente in diversi gusci adiacenti della Terra (atmosfera e idrosfera, idrosfera e pedosfera) o in tutte e tre le geosfere contemporaneamente. L'affidabilità e la costanza della circolazione sono assicurate dal regolare scambio di sostanze ed energia tra le geosfere. Questo tipo di connessione diretta è chiaramente dimostrata dall’esempio del deflusso ionico, che è il processo attraverso il quale i fiumi trasportano elementi chimici dalla terraferma in uno stato ionico disciolto nell’Oceano Mondiale. Gli elementi chimici che arrivano in forma ionica, come sulla terra, sono esposti agli organismi viventi nell'ambiente acquatico, continuando il ciclo. La migrazione degli elementi chimici allo stato disciolto è un gigantesco processo planetario.
La materia solida della superficie terrestre non rimane immobile. Partecipa anche alla migrazione, spostandosi lungo le acque superficiali della terra. L'acqua superficiale, insieme agli elementi che migrano allo stato disciolto o con particelle colloidali, trasporta enormi masse di frammenti di roccia e minerali, chiamati deflussi solidi (per analogia con il deflusso delle acque). Una parte significativa del deflusso solido si sposta all’interno della terra, ma i volumi che entrano nei mari sono piuttosto grandi. Ogni anno, 22,13 miliardi di tonnellate di materiale detritico e argilloso entrano nell'Oceano Mondiale dai continenti, ovvero circa 7 volte la quantità di sostanze disciolte trasportate.
Biotecnosfera e noosfera
L'unicità dei cicli migratori biogeochimici. La biosfera non è solo ideale sistema organizzato, ma una sorta di “meccanismo” in cui la connessione e il rapporto tra la materia vivente e quella inerte sono soggetti a leggi ferree, immutabili come le leggi del movimento dei corpi celesti. Geochimicamente, queste funzioni della vita vengono svolte attraverso la riproduzione degli organismi. La materia vivente supera la resistenza dell'ambiente e si sforza di diffondersi nel territorio libero.
Il tasso di riproduzione è il tasso di trasmissione dell'energia geochimica nella biosfera. Dipende non solo dai parametri astronomici, ma anche dalla velocità di propagazione dei raggi solari nell'ambiente, dalle dimensioni degli organismi e dall'energia geochimica in essi contenuta.
Una caratteristica essenziale della materia vivente è la sua differenza dall'ambiente “inerte” nelle caratteristiche spaziali e temporali. La materia vivente corrisponde a uno spazio e a un tempo speciali e unici.
Il tempo dell'esistenza individuale degli organismi viventi è associato al processo in costante progresso dell'invecchiamento e della morte, che hanno un significato positivo per il processo evolutivo, poiché la fragilità degli esseri viventi garantisce non solo una circolazione lunga e continua di materiale biogenico, ma anche significativa variabilità nelle forme morfologiche.
Impatto umano sulla biosfera
Con la crescente scala di utilizzo delle risorse naturali dovuta alla rivoluzione industriale, l’impatto antropico sulla biosfera e sui suoi componenti è oggettivamente in aumento. Il processo naturale e multilaterale di crescita delle forze produttive ha ampliato significativamente la gamma degli impatti umani sulla natura (compresi quelli negativi). Vernadsky ha osservato che l'attività produttiva umana sta acquisendo una scala paragonabile alle trasformazioni geologiche. Pertanto, oltre alla deforestazione, all’aratura delle terre vergini, all’erosione e alla salinizzazione del suolo e alla riduzione della biodiversità, si sono aggiunti nuovi fattori meccanici e fisico-chimici permanenti che aggravano il rischio ambientale.
L’uomo già sfrutta più del 55% della terra, utilizzandone circa 13 % acque dei fiumi, il tasso di deforestazione raggiunge i 18 milioni di ettari all’anno.
L’impatto sulla biosfera si riduce a quattro forme principali:
Cambiamenti nella struttura della superficie terrestre (aratura delle steppe, deforestazione, bonifica dei terreni, creazione di laghi e mari artificiali, altri cambiamenti nel regime delle acque superficiali, ecc.):
Cambiamenti nella composizione della biosfera, circolazione ed equilibrio delle sue sostanze costituenti (rimozione di minerali, formazione di discariche di rifiuti, rilascio di varie sostanze nell'atmosfera e nei corpi idrici, cambiamenti nella circolazione dell'umidità);
Cambiamenti nell'energia, in particolare nel calore, nell'equilibrio di alcune regioni del globo, pericolosi per l'intero pianeta;
Cambiamenti apportati al biota (la totalità degli organismi viventi) a seguito dello sterminio di alcune specie, della creazione di nuove razze di animali e varietà vegetali e del loro spostamento verso nuovi habitat.
Considerando il ruolo dell'uomo nell'evoluzione della biosfera, caratterizzano la violazione da parte dell'uomo dei principi fondamentali della struttura naturale della biosfera.
2. I cicli biogeochimici degli elementi biogenici che partecipano ai cicli naturali sono elaborati in modo evoluzionistico e non portano all'accumulo di rifiuti. L'uomo utilizza le sostanze del pianeta in modo estremamente inefficiente; questo genera un'enorme quantità di rifiuti, molti dei quali vengono trasferiti dalla forma passiva in cui si trovavano nell'ambiente naturale ad una forma attiva e tossica. Di conseguenza, la biosfera si “arricchisce” di composti per essa insoliti, ad es. l'equilibrio naturale degli elementi e delle sostanze chimiche viene interrotto.
3. Con un'enorme diversità di specie, le relazioni competitive e predatorie tra di loro contribuiscono alla creazione dell'equilibrio biologico. Il cammino dell'umanità, purtroppo, è segnato dalla morte di molti rappresentanti della flora e della fauna. Secondo alcuni rapporti, ogni giorno sulla Terra scompare una specie biologica.
4. Le attività umane hanno portato a una rottura della stabilità della popolazione. Il numero delle specie che accompagnano l'uomo (ratti, scarafaggi, ecc.) è in aumento, mentre il numero di molte altre popolazioni sta diminuendo, a volte in misura catastrofica, mettendo le specie in pericolo di completa estinzione.
5. Espandendo l'attività economica, le persone cambiano rapidamente i parametri dei fattori ambientali; molte specie non hanno il tempo di adattarsi a cambiamenti così rapidi.
Il complesso di fattori antropogenici che influenzano lo stato della biosfera e la salute della popolazione è estremamente vario.
Biotecnosfera
Biotecnosfera- questa è l'area del nostro pianeta in cui esistono la materia vivente e gli oggetti tecnico-urbani creati dall'uomo e dove la loro interazione e influenza su ambiente esterno. La biotecnologia è un complesso conglomerato di molti sottosistemi controllati dall’uomo. Questi sottosistemi non accumulano, ma consumano energia, biomassa e ossigeno della biosfera.
La biotecnologia e i suoi sottosistemi tecnogenici costituenti si trovano nella biosfera, ma non possiedono la maggior parte delle proprietà e delle funzioni inerenti agli ecosistemi naturali.
Finché esisterà l’umanità, la biotecnologia si svilupperà. Ma la tecnosfera deve essere in uno stato di autosufficienza ecologica, coerente con le leggi della natura e rispondente ai bisogni della società umana. Allo stesso tempo, la società deve influenzare in modo mirato e intelligente le forze della natura.
Noosfera
Noosfera- il più alto stadio di sviluppo della biosfera, caratterizzato dalla conservazione di tutti i modelli naturali inerenti alla biosfera (con alto livello sviluppo delle forze produttive, organizzazione scientifica dell’influenza della società sulla natura), la massima capacità della società di soddisfare i bisogni materiali e culturali dell’uomo.
La noosfera è un nuovo stato della biosfera, basato sulla connessione universale tra natura e società, quando l'ulteriore evoluzione del pianeta Terra viene guidata dalla ragione.
Considera la necessità di trasferire la biosfera nella noosfera come garante della sopravvivenza dell'uomo moderno.
La transizione verso la noosfera è un processo difficile e lento di sviluppo di principi di azione coordinata, nuovo comportamento delle persone, cambiamento degli standard e ristrutturazione di tutta l'esistenza. L’umanità deve iniziare a regolare razionalmente il proprio numero e ridurre significativamente la pressione negativa sulla natura, e successivamente sviluppare tecnologie profondamente comprovate per costruire la noosfera sulla base della conservazione della biosfera come condizione di vita obbligatoria.
C'è un costante scambio di elementi chimici tra la litosfera, l'idrosfera, l'atmosfera e gli organismi viventi della Terra. Questo processo è ciclico: spostandosi da una sfera all'altra, gli elementi ritornano al loro stato originale. Il ciclo degli elementi ha avuto luogo nel corso della storia della Terra, che abbraccia 4,5 miliardi di anni.
Masse gigantesche di sostanze chimiche vengono trasportate dalle acque dell'Oceano Mondiale. Ciò vale principalmente per i gas disciolti: anidride carbonica, ossigeno, azoto. Acqua fredda le alte latitudini dissolvono i gas atmosferici. Arrivando con le correnti oceaniche nella zona tropicale, le rilascia, poiché la solubilità dei gas diminuisce quando riscaldata. L'assorbimento e il rilascio dei gas avviene anche durante il cambio delle stagioni calde e fredde dell'anno.
L'emergere della vita sul pianeta ha avuto un enorme impatto sui cicli naturali di alcuni elementi. Questo, prima di tutto, si riferisce alla circolazione dei principali elementi della materia organica: carbonio, idrogeno e ossigeno, nonché a elementi vitali come azoto, zolfo e fosforo. Gli organismi viventi influenzano anche il ciclo di molti elementi metallici. Nonostante il fatto che la massa totale degli organismi viventi sulla Terra sia milioni di volte inferiore alla massa della crosta terrestre, le piante e gli animali svolgono un ruolo vitale nel movimento degli elementi chimici.
Le attività umane influenzano anche il ciclo degli elementi. È diventato particolarmente evidente nel secolo scorso. Quando si considerano gli aspetti chimici dei cambiamenti globali nei cicli chimici, si deve tenere conto non solo dei cambiamenti nei cicli naturali dovuti all'aggiunta o alla rimozione di sostanze chimiche presenti in essi come risultato di normali influenze cicliche o indotte dall'uomo, ma anche dell'introduzione di sostanze chimiche nell'ambiente che prima non esistevano nell'ambiente. Consideriamo uno degli esempi più importanti del movimento ciclico e della migrazione degli elementi chimici.
Il carbonio, l'elemento base della vita, si trova nell'atmosfera sotto forma di anidride carbonica. Nell'oceano e nelle acque dolci della Terra, il carbonio si trova in due forme principali: come parte della materia organica e come parte di particelle inorganiche interconnesse: ione bicarbonato, ione carbonato e anidride carbonica disciolta. Un gran numero di il carbonio è concentrato sotto forma di composti organici negli animali e nelle piante. C'è molta materia organica "non vivente" nel terreno. Il carbonio della litosfera è contenuto anche nei minerali carbonatici (calcare, dolomite, gesso, marmo). Una parte del carbonio si trova nel petrolio, nel carbone e nel gas naturale.
L'anello di congiunzione nel ciclo naturale del carbonio è l'anidride carbonica (Fig. 1).
Diagramma semplificato del ciclo globale del carbonio. I numeri nei riquadri rappresentano le dimensioni dei serbatoi in miliardi di tonnellate – gigatoni (Gt). Le frecce indicano i flussi e i numeri associati sono espressi in Gt/anno.
I più grandi serbatoi di carbonio sono i sedimenti marini e le rocce sedimentarie sulla terra. Tuttavia, la maggior parte di questo materiale non interagisce con l’atmosfera ma circola attraverso la Terra solida su scale temporali geologiche. Pertanto, questi serbatoi svolgono solo un ruolo minore nel ciclo relativamente rapido del carbonio che avviene con la partecipazione dell'atmosfera. Il prossimo serbatoio più grande è acqua di mare. Ma anche qui, la parte profonda degli oceani, dove è contenuta la maggior parte del carbonio, non interagisce con l'atmosfera così rapidamente come la loro superficie. I serbatoi più piccoli sono la biosfera terrestre e l'atmosfera. È la piccola dimensione di quest’ultimo serbatoio che lo rende sensibile anche a piccoli cambiamenti nella percentuale di carbonio in altri serbatoi (più grandi), come quando si bruciano combustibili fossili.
Il moderno ciclo globale del carbonio è costituito da due cicli più piccoli. Il primo è il legame dell'anidride carbonica durante la fotosintesi e la sua nuova formazione durante la vita di piante e animali, nonché durante la decomposizione dei residui organici. Il secondo ciclo è causato dall’interazione dell’anidride carbonica atmosferica e delle acque naturali:
Nel corso dell’ultimo secolo, l’attività economica umana ha apportato cambiamenti significativi al ciclo del carbonio. L’uso di combustibili fossili – carbone, petrolio e gas – ha aumentato il rilascio di anidride carbonica nell’atmosfera. Ciò non influisce molto sulla distribuzione delle masse di carbonio tra i gusci della Terra, ma può avere gravi conseguenze a causa del rafforzamento dell'effetto serra.
L'attività degli organismi viventi nella biosfera è accompagnata dall'estrazione di grandi quantità di minerali dall'ambiente. Dopo la morte degli organismi, i loro elementi chimici costitutivi vengono restituiti all'ambiente. È così che nasce il ciclo biogenico (con la partecipazione degli organismi viventi) delle sostanze in natura, cioè la circolazione delle sostanze tra litosfera, atmosfera, idrosfera e organismi viventi. Il ciclo delle sostanze è inteso come un processo ripetitivo di trasformazione e movimento delle sostanze in natura, che ha una natura ciclica più o meno pronunciata.
Tutti gli organismi viventi partecipano al ciclo delle sostanze, assorbendo alcune sostanze dall'ambiente esterno e rilasciandone altre. Pertanto, le piante consumano anidride carbonica, acqua e sali minerali dall'ambiente esterno e vi rilasciano ossigeno. Gli animali respirano l'ossigeno rilasciato dalle piante e, mangiandole, assimilano sostanze organiche sintetizzate da acqua e anidride carbonica e liberano anidride carbonica, acqua e sostanze dalla parte non digerita del cibo. Quando batteri e funghi decompongono piante e animali morti, si formano ulteriori quantità di anidride carbonica e le sostanze organiche vengono convertite in minerali, che penetrano nel terreno e vengono nuovamente assorbiti dalle piante. Pertanto, gli atomi degli elementi chimici di base migrano costantemente da un organismo all'altro, dal suolo, dall'atmosfera e dall'idrosfera - negli organismi viventi e da essi - nell'ambiente, ricostituendo così la materia inanimata della biosfera. Questi processi vengono ripetuti un numero infinito di volte. Quindi, ad esempio, tutto l'ossigeno atmosferico passa attraverso la materia vivente in 2mila anni, tutta l'anidride carbonica - in 200-300 anni.
La circolazione continua di elementi chimici nella biosfera lungo percorsi più o meno chiusi è chiamata ciclo biogeochimico. La necessità di tale circolazione è spiegata dalla loro disponibilità limitata sul pianeta. Per garantire l’infinità della vita, gli elementi chimici devono muoversi in cerchio. Il ciclo di ciascun elemento chimico fa parte del grande ciclo complessivo delle sostanze sulla Terra, ovvero tutti i cicli sono strettamente interconnessi.
Il ciclo delle sostanze, come tutti i processi che avvengono in natura, richiede un flusso costante di energia. La base del ciclo biogenico che garantisce l'esistenza della vita è l'energia solare. L'energia legata alle sostanze organiche nelle fasi della catena alimentare diminuisce, poiché la maggior parte entra nell'ambiente sotto forma di calore o viene spesa nei processi che si verificano negli organismi, pertanto nella biosfera si osserva un flusso di energia e la sua trasformazione . Pertanto, la biosfera può essere stabile solo se esiste un ciclo costante di sostanze e un afflusso di energia solare.
"Ciclo
in natura."
L'attività degli organismi viventi è accompagnata dall'estrazione di grandi quantità di sostanze minerali dalla natura inanimata circostante. Dopo la morte degli organismi, i loro elementi chimici costitutivi vengono restituiti all'ambiente. Ecco come si presenta in natura il ciclo biogenico delle sostanze, cioè circolazione di sostanze tra atmosfera, idrosfera, litosfera e organismi viventi.
Diamo alcuni esempi.
Il ciclo dell'acqua. Sotto l'influenza dell'energia solare, dell'acqua
evapora dalla superficie dei corpi idrici e viene trasportato su lunghe distanze dalle correnti d'aria. Cadere sul
superficie del terreno sotto forma di sedimenti, contribuisce alla distruzione delle rocce e alla produzione dei minerali che le costituiscono
piede per piante, microrganismi e animali. Lei
erode lo strato superiore del terreno e se ne va insieme al terreno
composti chimici creati in esso e particelle organiche e inorganiche sospese nei mari e negli oceani. Circolazione dell'acqua tra oceano e terra -
l’anello più importante per il mantenimento della vita sulla Terra.
Le piante partecipano al ciclo dell'acqua in due modi: la estraggono dal suolo e la fanno evaporare nell'atmosfera; Parte dell'acqua nelle cellule vegetali viene scomposta durante la fotosintesi. In questo caso, l'idrogeno viene fissato sotto forma di sostanza organica
composti chimici e l'ossigeno entra nell'atmosfera.
Gli animali consumano acqua per mantenere l'equilibrio osmotico e salino nel corpo e rilasciarla nell'ambiente esterno insieme ai prodotti metabolici.
Ciclo del carbonio. Il carbonio entra nella biosfera a
come risultato della sua fissazione durante la fotosintesi. Viene stimata la quantità di carbonio sequestrata ogni anno dalle piante
ammonta a 46 miliardi di tonnellate, di cui una parte entra nel corpo degli animali
e viene rilasciato a seguito della respirazione sotto forma di CO2, che
rientra nell'atmosfera. Inoltre, le scorte di carbonio
nell'atmosfera vengono reintegrati a causa dell'attività vulcanica e della combustione umana di combustibili fossili. Sebbene
La maggior parte dell'anidride carbonica che entra nell'atmosfera viene assorbita dall'oceano e depositata sotto forma di anidride carbonica.
si alza.
- 2 -
Ciclo dell'azoto. L'azoto è uno dei principali composti biogenici
elementi - presenti in enormi quantità nell'atmosfera, dove costituiscono l'80% della massa totale dei suoi gas
componenti. Tuttavia, in forma molecolare non può
utilizzato né dalle piante né dagli animali superiori.
In forma utilizzabile, azoto atmosferico
trasferire scariche elettriche (che producono
ossidi di azoto che, se combinati con l'acqua, danno azoto e acido nitrico), batteri che fissano l'azoto e alghe blu-verdi. Allo stesso tempo si forma l'ammoniaca, che
altri batteri chemiosintetici successivamente si ri-
portano a nitriti e nitrati. Questi ultimi sono i più digeribili per le piante. La fissazione biologica dell'azoto sulla terra lo è
è di circa 1 g/m2 e nelle zone fertili raggiunge
20 g/m2.
Dopo la morte degli organismi, i batteri putrefattivi decompongono i composti contenenti azoto in ammoniaca. Parte di esso
entra nell'atmosfera, una parte viene ripristinata mediante denitrificazione
distruggendo i batteri nell'azoto molecolare, ma il principale
la massa viene ossidata a nitriti e nitrati e riutilizzata. Una certa quantità di composti azotati si deposita nelle profondità
sedimenti laterali e per lungo tempo (milioni di anni)
scaturisce dal ciclo. Queste perdite sono compensate dal reddito
il rilascio di azoto nell'atmosfera con gas vulcanici.
Ciclo dello zolfo. Lo zolfo è un componente delle proteine e anche
è un elemento vitale. Sotto forma di co-
composti con metalli - solfuri - si presenta sotto forma di minerali
sulla terra e fa parte dei sedimenti delle profondità marine. In pre-
una forma solubile facilmente digeribile di questi composti
sono tradotti da batteri chemiosintetici capaci di
ottenere energia ossidando composti ridotti
zolfo Di conseguenza, si formano solfati che
utilizzati dalle piante. Solfati profondamente sepolti
sono coinvolti nel ciclo da un altro gruppo di microrganismi che riducono i solfati ad idrogeno solforato.
Ciclo del fosforo. Il serbatoio del fosforo lo è
giace i suoi composti nelle rocce. A causa della lisciviazione
Quando finisce entra nei sistemi fluviali e viene in parte utilizzato dalle piante, in parte trasportato in mare, dove si deposita nelle profondità
sedimenti d'acqua. Inoltre, il mondo produce ogni anno
varia da 1 a 2 milioni di tonnellate. rocce contenenti fosforo. Grande
parte di questo fosforo viene anche dilavato ed escluso
circolazione. Grazie alla pesca una parte del fosforo viene restituita
viene fornita a terra in piccole quantità (circa 60mila tonnellate di energia elettrica)
fosforo mentale all’anno).
Dagli esempi precedenti è chiaro quanto sia significativo
Gli organismi viventi svolgono un ruolo nell'evoluzione della natura inanimata. La loro attività influenza in modo significativo la formazione della composizione dell’atmosfera e della crosta terrestre. Grande contributo a
comprendere i rapporti tra la natura vivente e quella inanimata
contribuito dall'eccezionale scienziato sovietico VI Vernadsky. Lui
ha rivelato il ruolo geologico degli organismi viventi e lo ha mostrato
che le loro attività sono il fattore più importante
trasformazione dei gusci minerali del pianeta.
Pertanto, gli organismi viventi, sperimentando l'influenza di fattori di natura inanimata, attraverso le loro attività
modificare le condizioni ambientali, ad es. il loro habitat. Ciò porta ad un cambiamento nella struttura dell'intera comunità: la biocenosi.
È stato stabilito che l'azoto, il fosforo e il potassio possono avere il massimo effetto positivo sui raccolti
piante, e quindi questi tre elementi vengono introdotti in maggiore quantità nel terreno con i fertilizzanti utilizzati in agricoltura. Pertanto, l'azoto e il fosforo si sono rivelati i principali
Questa è la ragione principale dell’eutrofizzazione accelerata dei laghi nei paesi con agricoltura intensiva. L’eutrofizzazione è un processo di degenerazione
saturare i corpi idrici con sostanze nutritive. Lei pre-
è un fenomeno naturale nei laghi, poiché nei fiumi
apportare nutrienti dai drenaggi circostanti
le zone. Tuttavia, questo processo di solito avviene molto lentamente, nel corso di migliaia di anni.
L’eutrofizzazione innaturale, che porta a rapidi aumenti della produttività dei laghi, si verifica a causa del deflusso dei terreni agricoli, che possono essere arricchiti con nutrienti fertilizzanti.
Esistono anche altre due importanti fonti di fosforo: acque reflue e detergenti. Acque reflue, sia nella sua forma originale che lavorata, sono arricchiti di fosfati. I detersivi domestici contengono dal 15% al 60% di fosfato biodegradabile. Si può riassumere brevemente che l’eutrofizzazione alla fine porta all’esaurimento delle risorse di ossigeno e alla morte della maggior parte degli organismi viventi nei laghi e, in situazioni estreme, nei fiumi.
Gli organismi in un ecosistema sono collegati da una comunanza di energia e nutrienti ed è necessario distinguere chiaramente tra questi
due concetti. L'intero ecosistema può essere paragonato a un singolo
un meccanismo che consuma energia e sostanze nutritive per svolgere lavoro. I nutrienti provengono inizialmente dalla componente abiotica del sistema,
a cui alla fine ritornano come
prodotti di scarto o dopo la morte e la distruzione degli organismi. Quindi, nell'ecosistema c'è
un ciclo costante di nutrienti in cui
Sono coinvolte sia componenti viventi che non viventi. Tali cicli sono chiamati cicli biogeochimici.
Flusso energetico e cicli dei nutrienti in
ecosistema.
Energia Biotica Termale
energia della componente luminosa
Sole biogenico
elementi
Abiotico
componente
Flusso di energia
Ciclo dei nutrienti
A una profondità di decine di chilometri, rocce e minerali sono esposti a pressioni e temperature elevate.
temperatura Di conseguenza, il metamorfismo (cambiamento) si verifica nella loro struttura, minerale e talvolta nella composizione chimica.
va, che porta alla formazione di rocce metamorfiche.
le nascite possono sciogliersi e formare magma. Interno
L'energia della Terra (cioè le forze endogene) solleva il magma in superficie. Con rocce fuse, ad es. magma, elementi chimici che vengono trasportati sulla superficie terrestre durante le eruzioni vulcaniche e si solidificano nello spessore della crosta terrestre sotto forma di intrusioni. I processi di costruzione delle montagne portano rocce e minerali profondi sulla superficie terrestre. Qui le rocce sono esposte al sole, all'acqua, agli animali e alle piante, ad es. vengono distrutti, trasportati e depositati come sedimenti in una nuova posizione. Di conseguenza, si formano rocce sedimentarie. Si accumulano nelle zone in movimento della crosta terrestre e, quando si piegano, affondano nuovamente a grandi profondità (oltre 10 km).
I processi di metamorfismo, trasporto,
cristallizzazione e gli elementi chimici ritornano sulla superficie terrestre. Questo “percorso” degli elementi chimici è chiamato il grande ciclo geologico. Il ciclo geologico non è chiuso, perché Alcuni elementi chimici escono dal ciclo: vengono trasportati nello spazio, fissati da forti legami sulla superficie terrestre, e alcuni arrivano dall’esterno, dallo spazio, con le meteoriti.
Il ciclo geologico è il viaggio globale degli elementi chimici all'interno del pianeta. Fanno viaggi più brevi sulla Terra all'interno dell'individuo
le sue sezioni. L'iniziatore principale è la materia vivente. Gli organismi assorbono intensamente gli elementi chimici dal suolo, dall'aria e dall'acqua. Ma allo stesso tempo li restituiscono. Gli elementi chimici vengono eliminati dalle piante dall'acqua piovana, rilasciati nell'atmosfera attraverso la respirazione e depositati nel terreno dopo la morte degli organismi. Gli elementi chimici restituiti vengono continuamente coinvolti nel “viaggio” della materia vivente. L'insieme costituisce il ciclo biologico, o piccolo, degli elementi chimici. Inoltre non ha una mentalità chiusa.
Alcuni degli elementi “viaggiatori” vengono portati oltre i suoi confini con le acque superficiali e sotterranee, mentre altri vengono “spenti” dal ciclo per diversi periodi di tempo e rimangono negli alberi, nel suolo e nella torba.
Un altro percorso di elementi chimici va dall'alto verso il basso, dalle vette e dai bacini idrografici alle valli e ai letti dei fiumi, depressioni, depressioni. Elementi chimici per bacini idrografici
gli agenti atmosferici arrivano solo con le precipitazioni e vengono trascinati giù sia dall'acqua che sotto l'influenza della gravità. Il consumo della sostanza prevale sull'offerta, come testimonia il nome stesso dei paesaggi spartiacque – eluviali.
Sulle piste la vita degli elementi chimici cambia. La velocità del loro movimento aumenta bruscamente e loro
"le piste viaggiano come passeggeri comodamente seduti in uno scompartimento ferroviario. I paesaggi delle piste sono chiamati paesaggi di transito.
Gli elementi chimici possono “prendersi una pausa” dalla strada solo in paesaggi cumulativi,
situato nelle depressioni del rilievo. In questi luoghi spesso rimangono, creando vegetazione buone condizioni nutrizione. In alcuni casi la vegetazione deve già fare i conti con un eccesso di elementi chimici.
Molti anni fa, l’uomo è intervenuto nella distribuzione degli elementi chimici. Dall'inizio del XX secolo, l'attività umana è diventata la via principale dei loro spostamenti. Durante l'estrazione mineraria vengono rimosse enormi quantità di sostanze dalla crosta terrestre. La loro ri.industrial
il lavoro è accompagnato da emissioni di elementi chimici con scarti di produzione nell'atmosfera, nell'acqua e nel suolo. Questo inquina l'habitat degli organismi viventi. Sulla terra compaiono nuove aree con alte concentrazioni di sostanze chimiche
elementi - anomalie geochimiche provocate dall'uomo. Sono comuni nelle miniere di metalli non ferrosi (rame,
Guida). Queste zone assomigliano talvolta a paesaggi lunari perché sono praticamente prive di vita a causa dell'alto contenuto di elementi nocivi nei suoli e nelle acque. È impossibile fermare il progresso scientifico e tecnologico, ma bisogna ricordare che esiste una soglia nell’inquinamento dell’ambiente naturale, che non può essere superata, oltre la quale le malattie umane e perfino l’estinzione della civiltà sono inevitabili.
Creando “discariche” biogeochimiche, la natura potrebbe aver voluto mettere in guardia le persone da attività sconsiderate e immorali, per mostrare loro con un chiaro esempio a cosa porta una violazione della distribuzione degli elementi chimici nella crosta terrestre e sulla sua superficie.
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CICLO BIOGENICO
Consideriamo i cicli che svolgono il ruolo maggiore nella biosfera, che includono i cicli biogeochimici del carbonio, dell'azoto, dell'ossigeno, dello zolfo e del fosforo.
Ciclo del carbonio. Le fonti di carbonio in natura sono tanto numerose quanto diverse. Nel frattempo, solo l’anidride carbonica, che si trova allo stato gassoso nell’atmosfera o allo stato disciolto nell’acqua, è la fonte di carbonio che funge da base per la lavorazione
nella materia organica degli esseri viventi. Assorbito dalle piante durante la fotosintesi, viene convertito in zuccheri e in altri processi biosintetici viene convertito in proteine, lipidi, ecc. Queste varie sostanze forniscono nutrimento di carboidrati agli animali e alle piante non verdi. Gli animali saprofagi e i microrganismi che vivono nel suolo trasformano le piante morte e i resti di animali in una nuova formazione di materia organica, uno strato più o meno spesso di massa marrone o nera: l'humus. La velocità con cui gli organismi in decomposizione agiscono sull'humus non è la stessa e le catene di funghi e batteri che portano alla mineralizzazione finale del carbonio variano in lunghezza. A volte la catena può essere corta e incompleta: i residui organici si accumulano sotto forma di torba e formano torbiere. In alcune torbiere con una fitta copertura di muschi di sfagno, lo strato di torba può raggiungere i 20 metri o più. È qui che si ferma il ciclo del carbonio. I depositi di composti organici fossili sotto forma di carbone e petrolio indicano un ristagno della circolazione su scala temporale geologica (Fig. 3).
Anche nell'acqua il ciclo del carbonio ristagna, poiché l'anidride carbonica si accumula sotto forma di CaCO 3 (gesso, calcare o coralli) di origine chimica o biogenica. Spesso queste masse di carbonio rimangono fuori dal ciclo per interi periodi geologici, fino a quando il CaCO3 risale sopra la superficie del mare sotto forma di catene montuose. Da questo momento, il carbonio e il calcio iniziano ad entrare nel ciclo a causa della lisciviazione del calcare mediante precipitazione, sotto l'influenza dei licheni, così come delle radici delle piante da fiore. Le attività umane svolgono un ruolo importante nel ciclo del carbonio. L’umanità consuma ogni anno circa 6 10 9 tonnellate di carbonio in forma fossile. Se l’anidride carbonica generata a seguito della combustione non venisse rimossa dall’atmosfera, l’aumento annuo del suo contenuto nell’aria sarebbe di 2,3 milioni di tonnellate.Negli ultimi 100 anni il contenuto di anidride carbonica è aumentato da 290 a 320 milioni di tonnellate , con più di 1/5 di questo aumento registrato negli ultimi decenni. Pertanto, l'aumento totale del contenuto di anidride carbonica nell'atmosfera è circa solo 1/3 della quantità di gas rilasciato durante la combustione (in massa assoluta - 200 · 10 9 tonnellate). Il resto dell'anidride carbonica va ad aumentare la massa vegetale (poiché è noto che le piante crescono più velocemente se il contenuto di CO2 nell'atmosfera è maggiore); parte di esso si dissolve nelle acque oceaniche. Anche se, secondo alcune stime, la biomassa terrestre negli ultimi 100 anni potrebbe essere aumentata di 15 · 10 9 tonnellate, non esiste alcuna prova diretta di ciò.
L’intensità dell’attività umana è in aumento. Anche il tasso di consumo di combustibili fossili aumenta di anno in anno. In 15 anni il contenuto di CO 2 nell’atmosfera aumenterà da 320 a 375 -
400 milioni di tonnellate Un aumento del contenuto di CO 2 nell'atmosfera porterà inevitabilmente ad un aumento della temperatura della superficie terrestre e di conseguenza allo scioglimento dei ghiacciai, all'innalzamento del livello degli oceani e ad altre conseguenze altrettanto gravi. Pertanto, l'umanità si trova ad affrontare il compito di cercare tali fonti di energia e processi tecnologici, al quale il contenuto di anidride carbonica nell'aria non aumenterà a un ritmo così significativo. È anche noto che la deforestazione e l’utilizzo del suolo per strade ed edifici riducono l’area di copertura verde sulla Terra e riducono il tasso di assimilazione. Quando si utilizzano fitocenosi naturali e si sostituiscono con quelle coltivate, è necessario tenere presente la necessità di mantenere il livello generale di fotosintesi e, meglio ancora, di garantirne l'aumento.
Ciclo dell'azoto- processo difficile. Sebbene l'azoto costituisca il 70% dell'atmosfera, è necessario fissarlo
in modo che sia sotto forma di alcuni composti chimici. I percorsi per la fissazione dell'azoto sono molto diversi (Fig. 4). La fissazione dell'azoto avviene durante l'attività vulcanica, durante i fulmini nell'atmosfera, quando avviene la sua ionizzazione e durante la combustione dei meteoriti. Tuttavia, un ruolo incomparabilmente importante nel processo di fissazione dell'azoto appartiene ai microrganismi, sia a vita libera che a quelli che vivono sulle radici in noduli speciali, e talvolta sulle foglie di alcune piante.
L'enorme riserva di azoto molecolare libero nell'atmosfera non viene utilizzata direttamente dalle piante superiori, poiché è necessaria molta energia per distruggere i forti legami tra gli atomi nella molecola di N 2. Solo lo 0,001% dell'azoto presente nella biosfera è legato alla biomassa e ai metaboliti degli organismi. Il trasferimento dell'azoto molecolare in uno stato legato viene effettuato in natura da microrganismi che fissano l'azoto, che formano composti da esso con il gruppo amminico NH 2 - il prodotto principale della fissazione dell'azoto, che è incluso nel ciclo biogenico da tutti gli altri organismi : microbi, piante, funghi, animali. Successivamente, i composti ricchi di azoto (ammoniaca, ioni ammonio, amminoacidi) vengono ossidati nell'acqua e nel suolo dai batteri che producono nitriti e nitrati in ossidi di azoto NO 2 e NO 3, e nell'ultima fase del ciclo questi ossidi vengono convertito dai batteri denitrificanti in azoto molecolare, che entra nell'atmosfera. Ogni anno i batteri convertono almeno 1 miliardo di tonnellate di azoto in forma legata, mentre la quantità di azoto legato nei fertilizzanti minerali non supera i 90 milioni di tonnellate all’anno.
Gli organismi che fissano l'azoto sulle radici delle piante sono rappresentati da batteri e, meno comunemente, da funghi. Noduli con organismi che fissano l'azoto si sviluppano sulle radici dei rappresentanti della famiglia delle leguminose e di altre piante di varie tassonomie. La resa di azoto fisso per i batteri nodulari che vivono sulle radici delle leguminose è spesso di 350 kg/ha all'anno, vale a dire circa 100 volte superiore a quello degli organismi che fissano l'azoto a vita libera.
Probabilmente il più grande intervento umano nel ciclo delle sostanze in natura è la fissazione dell’azoto industriale. Secondo K. Delwiche (1972), l'industria fissa ogni anno tanto azoto quanto ne veniva fissato dagli organismi viventi prima dell'introduzione della moderna tecnologia agricola.
Ciclo dell'ossigeno. Indubbiamente, la maggior parte dell'ossigeno nell'atmosfera è di origine biogenica, solo una piccola parte è risultata dalla fotolisi (la decomposizione dell'acqua in ossigeno e idrogeno mediante l'energia luminosa). Indiscutibile è anche il ruolo degli esseri viventi e della materia organica nella formazione dell’anidride carbonica atmosferica. Si può affermare con certezza che la vita che è sorta
Riso. 4. Stima della quantità di azoto fisso perso e acquisito dalla biosfera in vari processi (P. Duvigneau, M. Tang, 1968). Nel corso di un anno quasi 92 milioni di tonnellate di azoto fisso entrano nella biosfera (barre non ombreggiate); circa 83 milioni di tonnellate (barre ombreggiate) ritornano nell’atmosfera a seguito della denitrificazione. Le “mancanti” circa 9 milioni di tonnellate apparentemente vengono depositate ogni anno nella biosfera nel suolo, nelle falde acquifere, nei laghi, nei fiumi e nell’oceano
sulla Terra, ha gradualmente portato all'emergere della moderna composizione dell'atmosfera, supportata dall'attività degli esseri viventi. In termini quantitativi, l’ossigeno è il componente principale della materia vivente. Se prendiamo in considerazione l'acqua contenuta nei tessuti, ad esempio, il corpo umano contiene il 62,8% di ossigeno e il 19,4% di carbonio. Se consideriamo la biosfera nel suo complesso, questo elemento, rispetto al carbonio e all'idrogeno, è il principale tra le sostanze semplici.
Il ciclo dell’ossigeno è molto complicato dalla capacità dell’elemento di formare numerosi composti chimici, presentati in varie forme. Di conseguenza, si verificano molti epicicli, che si verificano tra la litosfera e l'atmosfera, o tra l'idrosfera e questi due ambienti.
L'ossigeno contenuto nell'atmosfera e numerosi minerali superficiali (calciti sedimentarie, minerali di ferro) sono di origine biogenica. Enormi depositi post-Cambriani di ossidi di ferro indicano una grande attività di organismi primitivi, che talvolta legavano tutto l'ossigeno libero dell'idrosfera nella loro biomassa e nei metaboliti. La formazione di uno schermo di ozono nell'atmosfera, capace di bloccare le radiazioni ultraviolette più pericolose, ha avuto inizio nel momento in cui l'ossigeno ha raggiunto una concentrazione pari a circa l'1% del suo contenuto attuale. Successivamente, negli strati superiori dell'acqua (dove il flusso solare era più potente), gli organismi eucarioti autotrofi furono in grado di svilupparsi, aumentando l'intensità della fotosintesi e, di conseguenza, la produzione di ossigeno.
Il consumo di ossigeno atmosferico e la sua sostituzione da parte dei produttori primari avviene abbastanza rapidamente. Si stima che siano necessari 2mila anni per rinnovare completamente tutto l'ossigeno atmosferico. Ma ci vogliono 2 milioni di anni affinché tutte le molecole d’acqua nell’idrosfera siano sottoposte alla fotolisi e risintetizzate dagli organismi viventi. Per quanto riguarda l'anidride carbonica atmosferica, il suo ciclo completo avviene molto rapidamente, poiché occorrono solo 300 anni per il suo completo rinnovamento. La maggior parte dell'ossigeno prodotto durante le ere geologiche non è rimasto nell'atmosfera, ma è stato fissato nella litosfera sotto forma di carbonati, solfati, ossidi di ferro, ecc. Questa massa è di 590 · 10 14 tonnellate contro 39 · 10 14 tonnellate di ossigeno che circola nella biosfera sotto forma di gas o solfati disciolti nelle acque oceaniche e continentali.
Ciclo dello zolfo. La parte predominante del ciclo di questo elemento è di natura sedimentaria e avviene nel suolo e nell'acqua in presenza di numerosi composti solforati gassosi, come l'idrogeno solforato e l'anidride solforosa.
La principale fonte di zolfo a disposizione degli esseri viventi sono tutti i tipi di solfati. Buona solubilità in acqua di molti solfati
facilita l’accesso dello zolfo inorganico agli ecosistemi. Assorbendo i solfati, le piante li ripristinano e producono amminoacidi contenenti zolfo (metionina, cisteina, cistina).
Tutti i tipi di residui organici nella biocenosi vengono decomposti da batteri eterotrofi, che alla fine formano idrogeno solforato dalle solfoproteine contenute nel terreno.
I limi neri, che si trovano naturalmente sul fondo di alcuni mari (ad esempio il Mar Nero), laghi e vari bacini continentali di acqua dolce dopo la contaminazione umana, sono ricchi di organismi decompositori dello zolfo che funzionano in condizioni anaerobiche. Alcuni tipi di batteri, ad es. Beggiatoa, può ridurre l'idrogeno solforato a zolfo elementare. Tuttavia, ci sono batteri che possono nuovamente ossidare l’idrogeno solforato in solfati, il che aumenta nuovamente la fornitura di zolfo a disposizione dei produttori.
L'ultima fase del ciclo dello zolfo è interamente sedimentaria. Consiste nella precipitazione di questo elemento in condizioni anaerobiche in presenza di ferro. Varie fasi di questo processo, soprattutto quelle reversibili, consentono inoltre l'utilizzo delle riserve sedimentarie.
L'ultima fase del ciclo dello zolfo si conclude così con il suo lento e graduale accumulo nelle rocce sedimentarie profonde.
Ciclo del fosforo. Questo elemento è uno dei componenti principali della materia vivente, nella quale è contenuto in quantità abbastanza grandi.
Le riserve di fosforo a disposizione degli esseri viventi sono interamente concentrate nella litosfera. Le principali fonti di fosforo inorganico sono le rocce ignee (ad esempio le apatiti) o sedimentarie (ad esempio le fosforiti). Il fosforo minerale è un elemento raro nella biosfera, nella crosta terrestre il suo contenuto non supera l'1%, che è il principale fattore che limita la produttività degli ecosistemi. Il fosforo inorganico proveniente dalle rocce della crosta terrestre viene coinvolto nella circolazione mediante lisciviazione e dissoluzione nelle acque continentali. Entra negli ecosistemi terrestri e viene assorbito dalle piante che, con la sua partecipazione, sintetizzano vari composti organici e vengono quindi inclusi nelle catene alimentari. I fosfati organici, insieme ai resti, ai rifiuti e alle secrezioni degli esseri viventi, vengono poi restituiti al suolo, dove vengono nuovamente esposti ai microrganismi e convertiti in ortofosfati minerali, pronti per il consumo da parte delle piante verdi e di altri organismi autotrofi.
Il fosforo viene introdotto negli ecosistemi acquatici dalle acque correnti. I fiumi arricchiscono continuamente gli oceani di fosfati, che favoriscono lo sviluppo del fitoplancton e degli organismi viventi situati a vari livelli della catena alimentare di acqua dolce o marina
serbatoi La restituzione dei fosfati minerali all'acqua avviene tramite bioriduttori.In tutti gli ecosistemi acquatici, come in quelli continentali, il fosforo si trova in quattro forme, rispettivamente insolubile o solubile
Dopo aver tracciato tutte le trasformazioni del fosforo su scala della biosfera, si può notare che il suo ciclo non è chiuso (Fig. 5): negli ecosistemi terrestri il ciclo del fosforo si svolge in condizioni naturali ottimali con perdite minime per dilavamento (la fossilizzazione degli scheletri dei vertebrati sulla terra è un fenomeno piuttosto raro, quindi il suo impatto sul ciclo del fosforo non merita attenzione) Nell'oceano questo è tutt'altro che vero, ciò è dovuto alla costante sedimentazione di sostanze organiche, in particolare, resti di pesci arricchiti di fosforo, i cui frammenti, non utilizzati come cibo dai detritivori e dai distruttori, si accumulano costantemente sul fondo dei mari.Il fosforo organico si è depositato nella fascia di marea e nelle acque poco profonde, forse
essere restituiti al ciclo dopo la mineralizzazione, ma ciò non si applica ai sedimenti sul fondo delle zone di acque profonde, che occupano l'85% della superficie totale degli oceani. I fosfati depositati a grandi profondità marine sono esclusi dalla biosfera e non possono più partecipare al ciclo. Naturalmente, come ha notato V.A. Kovda (1968), gli elementi del ciclo sedimentario biogeochimico non possono accumularsi indefinitamente sul fondo dell'oceano. I movimenti tettonici contribuiscono alla lenta risalita dei sedimenti accumulati sul fondo delle geosincline verso la superficie. Pertanto, il ciclo chiuso degli elementi sedimentari ha una durata misurata da periodi geologici, cioè decine e centinaia di milioni di anni.
