Круговороты веществ и биогеохимические циклы (углерода, азота)

Круговорот веществ — непрерывный циклический процесс перераспределения и трансформации химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Являются основным свойством биосферы и обеспечиваются взаимодействием биотических (биосфера) и абиотических (литосфера, атмосфера и гидросфера) частей Земли^[2].

Биогеохимический цикл — система незамкнутых и необратимых круговоротов веществ в биотических (биосфера) и абиотических (литосфера, атмосфера и гидросфера) частях Земли. Этот повторяющийся процесс взаимосвязанного преобразования и перемещения веществ в природе имеет циклический характер, происходит при обязательном участии живых организмов и часто нарушается человеческой деятельностью. Является основным свойством, характерной чертой биосферы^[3].

Круговорот углерода — включает процессы фотосинтеза и дыхания. В процессе фотосинтеза растения, используя энергию Солнца, поглощают углекислый газ из атмосферы и создают органические вещества:

${\displaystyle 6CO_{2}+6H_{2}O\rightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6O_{2}}$

Живые организмы потребляют органические вещества и в процессе дыхания возвращают углекислый газ в атмосферу:

${\displaystyle C_{6}H_{12}O_{6}+6O_{2}\rightarrow 6CO_{2}+6H_{2}O}$

Далее — этап разложения. Микроорганизмы разлагают мёртвые организмы и органические вещества, высвобождая углерод обратно в почву и атмосферу.

Следующий этап — седиментация. Углерод может накапливаться в виде органических отложений (например, в виде угля или нефти) в литосфере.

Круговорот азота — процесс преобразования азота из атмосферы в доступные для организмов соединения и обратно. Азот фиксируется некоторыми бактериями, усваивается растениями и возвращается в атмосферу через деятельность микроорганизмов.

Основные этапы этого цикла:

1. Азотфиксация: некоторые бактерии (например, клубеньковые) способны преобразовывать атмосферный азот (N₂) в аммиак (NH₃), который может использоваться растениями.
2. Нитрификация: аммиак может быть окислен до нитритов (NO₂) и затем до нитратов (NO₃), которые также доступны для растений.
3. Ассимиляция: растения поглощают нитраты и аммоний из почвы, используя их для синтеза белков и других органических соединений.
4. Денитрификация: некоторые бактерии восстанавливают нитраты обратно в атмосферный азот, завершая цикл.

Круговорот веществ и поток энергии являются основополагающими процессами, которые поддерживают экосистемы и обеспечивают их устойчивость.