El ciclo del agua. Vínculo económico del ciclo del agua

El ciclo de sustancias en la biosfera es un proceso cíclico, que se repite repetidamente, de transformación y movimiento conjunto e interconectado de sustancias. La presencia de un ciclo de sustancias es una condición necesaria para la existencia de la biosfera. Después de ser utilizadas por algunos organismos, las sustancias deben convertirse en una forma accesible para otros organismos. Esta transición de sustancias de un enlace a otro requiere un gasto de energía, por lo que sólo es posible con la participación de la energía solar. Con el uso de la energía solar, se producen en el planeta dos ciclos interconectados de sustancias: grande - geológico y pequeño - biológico (biótico).

Ciclo geológico de sustancias.- el proceso de migración de sustancias, que se lleva a cabo bajo la influencia de factores abióticos: meteorización, erosión, movimiento del agua, etc. En él no participan organismos vivos.

Con la aparición de materia viva en el planeta, ciclo biológico (biótico). En él participan todos los organismos vivos, absorbiendo algunas sustancias del medio ambiente y liberando otras. Por ejemplo, en el proceso de la vida, las plantas consumen dióxido de carbono, agua y minerales del medio ambiente y liberan oxígeno. Los animales utilizan el oxígeno liberado por las plantas para respirar. Se alimentan de plantas y, como resultado de la digestión, asimilan sustancias orgánicas formadas durante la fotosíntesis. Liberan dióxido de carbono y restos de comida no digeridos. Después de que las plantas y los animales mueren, forman una masa de materia orgánica muerta (detritos). Los detritos están disponibles para su descomposición (mineralización) por hongos y bacterias microscópicos. Como resultado de su actividad vital, cantidades adicionales de dióxido de carbono ingresan a la biosfera. Y las sustancias orgánicas se convierten en componentes inorgánicos originales: biógenos. Los compuestos minerales resultantes, que ingresan a los cuerpos de agua y al suelo, vuelven a estar disponibles para las plantas para su fijación a través de la fotosíntesis. Este proceso se repite sin cesar y es de naturaleza cerrada (circulación). Por ejemplo, todo el oxígeno atmosférico pasa por este camino en unos 2 mil años, y el dióxido de carbono tarda unos 300 años en hacerlo.

La energía contenida en la materia orgánica disminuye a medida que avanza por las cadenas alimentarias. La mayor parte se disipa en el medio ambiente en forma de calor o se gasta en el mantenimiento de los procesos vitales de los organismos. Por ejemplo, sobre la respiración de animales y plantas, el transporte de sustancias en las plantas, así como sobre los procesos de biosíntesis de organismos vivos. Además, los biógenos formados como resultado de la actividad de los descomponedores no contienen energía disponible para los organismos. En este caso, sólo podemos hablar del flujo de energía en la biosfera, pero no del ciclo. Por tanto, la condición para la existencia sostenible de la biosfera es la circulación constante de sustancias y el flujo de energía en las biogeocenosis.

Los ciclos geológicos y biológicos forman juntos el ciclo biogeoquímico general de las sustancias, que se basa en los ciclos del nitrógeno, el agua, el carbono y el oxígeno.

Ciclo del nitrógeno

El nitrógeno es uno de los elementos más comunes en la biosfera. La mayor parte del nitrógeno de la biosfera se encuentra en la atmósfera en forma gaseosa. Como sabes por un curso de química, los enlaces químicos entre los átomos del nitrógeno molecular (N 2) son muy fuertes. Por tanto, la mayoría de los organismos vivos no pueden utilizarlo directamente. Por tanto, una etapa importante en el ciclo del nitrógeno es su fijación y conversión a una forma accesible para los organismos. Hay tres formas de fijación de nitrógeno.

Fijación atmosférica. Bajo la influencia de descargas eléctricas atmosféricas (rayos), el nitrógeno puede reaccionar con el oxígeno para formar óxido de nitrógeno (NO) y dióxido (NO 2). El óxido nítrico (NO) se oxida muy rápidamente con el oxígeno y se convierte en dióxido de nitrógeno. El dióxido de nitrógeno se disuelve en vapor de agua y ingresa al suelo en forma de ácidos nitroso (HNO 2) y nítrico (HNO 3) con precipitación. En el suelo, como resultado de la disociación de estos ácidos, se forman iones nitrito (NO 2 –) y nitrato (NO 3 –). Los iones nitrito y nitrato ya pueden ser absorbidos por las plantas e incluidos en el ciclo biológico. La fijación de nitrógeno atmosférico representa alrededor de 10 millones de toneladas de nitrógeno por año, lo que representa aproximadamente el 3% de la fijación anual de nitrógeno en la biosfera.

Fijación biológica. Lo llevan a cabo bacterias fijadoras de nitrógeno, que convierten el nitrógeno en formas accesibles para las plantas. Gracias a los microorganismos, se une aproximadamente la mitad de todo el nitrógeno. Las bacterias más conocidas son las que fijan nitrógeno en los nódulos de las leguminosas. Aportan nitrógeno a las plantas en forma de amoníaco (NH 3). El amoníaco es muy soluble en agua para formar iones amonio (NH 4 +), que son absorbidos por las plantas. Por tanto, las legumbres son las mejores antecesoras de las plantas cultivadas en la rotación de cultivos. Tras la muerte de animales y plantas y la descomposición de sus restos, el suelo se enriquece con compuestos nitrogenados orgánicos y minerales. A continuación, las bacterias putrefactas (amonificantes) descomponen las sustancias que contienen nitrógeno (proteínas, urea, ácidos nucleicos) de plantas y animales en amoníaco. Este proceso se llama amonificación. La mayor parte del amoníaco es posteriormente oxidado por bacterias nitrificantes a nitritos y nitratos, que nuevamente son utilizados por las plantas. El nitrógeno regresa a la atmósfera mediante la desnitrificación, que es llevada a cabo por un grupo de bacterias desnitrificantes. Como resultado, los compuestos nitrogenados se reducen a nitrógeno molecular. Parte del nitrógeno en forma de nitrato y amonio ingresa a los ecosistemas acuáticos a través de la escorrentía superficial. Aquí el nitrógeno es absorbido por organismos acuáticos o ingresa a los sedimentos orgánicos del fondo.

Fijación industrial. Anualmente se fija industrialmente una gran cantidad de nitrógeno durante la producción de fertilizantes minerales nitrogenados. El nitrógeno de estos fertilizantes es absorbido por las plantas en forma de amonio y nitrato. Actualmente el volumen de fertilizantes nitrogenados producidos en Bielorrusia asciende a unas 900 mil toneladas al año. El mayor productor es OJSC GrodnoAzot. Esta empresa produce urea, nitrato de amonio, sulfato de amonio y otros fertilizantes nitrogenados.

Las plantas utilizan aproximadamente 1/10 del nitrógeno aplicado artificialmente. El resto va a ecosistemas acuáticos con escorrentía superficial y aguas subterráneas. Esto conduce a la acumulación de grandes cantidades de compuestos nitrogenados en el agua, disponibles para ser absorbidos por el fitoplancton. Como resultado, es posible una rápida proliferación de algas (eutrofización) y, como resultado, la muerte en los ecosistemas acuáticos.

El ciclo del agua

El agua es el componente principal de la biosfera. Es un medio para la disolución de casi todos los elementos durante el ciclo. La mayor parte del agua de la biosfera está representada por agua líquida y agua del hielo eterno (más del 99% de todas las reservas de agua de la biosfera). Una pequeña parte del agua está en estado gaseoso: es vapor de agua atmosférico. El ciclo del agua en la biosfera se basa en el hecho de que su evaporación de la superficie terrestre se compensa con la precipitación. Cuando el agua llega a la superficie terrestre en forma de precipitación, contribuye a la destrucción de las rocas. Esto hace que los minerales que los ponen a disposición de los organismos vivos. Es la evaporación del agua de la superficie del planeta la que determina su ciclo geológico. Consume aproximadamente la mitad de la energía solar incidente. La evaporación del agua de la superficie de los mares y océanos se produce a un ritmo más rápido que su retorno con precipitación. Esta diferencia se compensa con la escorrentía superficial y profunda debido a que en los continentes la precipitación prevalece sobre la evaporación.

El aumento de la intensidad de la evaporación del agua en la tierra se debe en gran medida a la actividad vital de las plantas. Las plantas extraen agua del suelo y la transpiran activamente a la atmósfera. Parte del agua de las células vegetales se descompone durante la fotosíntesis. En este caso, el hidrógeno se fija en forma de compuestos orgánicos y el oxígeno se libera a la atmósfera.

Los animales utilizan el agua para mantener el equilibrio osmótico y salino en el cuerpo y la liberan al ambiente externo junto con los productos metabólicos.

Ciclo del carbono

El carbono como elemento químico está presente en la atmósfera como dióxido de carbono. Esto determina la participación obligatoria de los organismos vivos en el ciclo de este elemento en el planeta Tierra. La principal ruta por la que el carbono pasa de los compuestos inorgánicos a la materia orgánica, donde es un elemento químico esencial, es el proceso de fotosíntesis. Parte del carbono se libera a la atmósfera en forma de dióxido de carbono durante la respiración de los organismos vivos y durante la descomposición de la materia orgánica muerta por parte de las bacterias. El carbono absorbido por las plantas es consumido por los animales. Además, los pólipos y moluscos de coral utilizan compuestos de carbono para construir estructuras esqueléticas y caparazones. Después de que mueren y se asientan, se forman depósitos de piedra caliza en el fondo. Por tanto, el carbono puede excluirse del ciclo. La eliminación del carbono del ciclo durante un largo período de tiempo se consigue mediante la formación de minerales: carbón, petróleo, turba.

A lo largo de la existencia de nuestro planeta, el carbono eliminado del ciclo fue compensado por el dióxido de carbono que ingresa a la atmósfera durante las erupciones volcánicas y otros procesos naturales. Actualmente, a los procesos naturales de reposición de carbono en la atmósfera se le ha sumado un importante impacto antropogénico. Por ejemplo, al quemar combustibles de hidrocarburos. Esto altera el ciclo del carbono en la Tierra, que ha estado regulado durante siglos.

Un aumento de tan solo el 0,01% en la concentración de dióxido de carbono a lo largo de un siglo ha provocado una manifestación notable del efecto invernadero. La temperatura media anual en el planeta aumentó en 0,5 °C, y el nivel del océano mundial aumentó casi 15 cm. Según los científicos, si la temperatura media anual aumenta otros 3-4 °C, el hielo eterno comenzará a formarse. derretir. Al mismo tiempo, el nivel del Océano Mundial aumentará entre 50 y 60 cm, lo que provocará la inundación de una parte importante de la tierra. Esto se considera un desastre ambiental global, porque alrededor del 40% de la población de la Tierra vive en estos territorios.

ciclo del oxigeno

En el funcionamiento de la biosfera, el oxígeno juega un papel extremadamente importante en los procesos metabólicos y la respiración de los organismos vivos. La disminución de la cantidad de oxígeno en la atmósfera como resultado de los procesos de respiración, quema de combustible y descomposición se compensa con el oxígeno liberado por las plantas durante la fotosíntesis.

El oxígeno se formó en la atmósfera primaria de la Tierra a medida que se enfriaba. Debido a su alta reactividad, pasó del estado gaseoso a la composición de diversos compuestos inorgánicos (carbonatos, sulfatos, óxidos de hierro, etc.). La atmósfera actual del planeta, que contiene oxígeno, se formó exclusivamente gracias a la fotosíntesis realizada por organismos vivos. El contenido de oxígeno en la atmósfera lleva mucho tiempo aumentando hasta los niveles actuales. Actualmente, mantener su cantidad a un nivel constante sólo es posible gracias a los organismos fotosintéticos.

Desafortunadamente, en las últimas décadas, la actividad humana, que ha provocado deforestación y erosión del suelo, ha reducido la intensidad de la fotosíntesis. Y esto, a su vez, altera el curso natural del ciclo del oxígeno en grandes zonas de la Tierra.

Una pequeña parte del oxígeno atmosférico participa en la formación y destrucción de la pantalla de ozono bajo la influencia de la radiación ultravioleta del sol.

La base del ciclo biogénico de sustancias es la energía solar. La principal condición para la existencia sostenible de la biosfera es la circulación constante de sustancias y el flujo de energía en las biogeocenosis. Los organismos vivos desempeñan un papel importante en los ciclos del nitrógeno, el carbono y el oxígeno. La base del ciclo global del agua en la biosfera la proporcionan los procesos físicos.

A escala global, los ciclos bioquímicos del agua y del dióxido de carbono son, en nuestra opinión, los más importantes para la humanidad. Los ciclos bioquímicos se caracterizan por la presencia de fondos pequeños pero móviles en la atmósfera.

La reserva atmosférica de CO 2 en el ciclo, en comparación con las reservas de carbono en los océanos, los combustibles fósiles y otras reservas de la corteza terrestre, es relativamente pequeña.

Con el advenimiento del progreso científico y tecnológico, los flujos de carbono previamente equilibrados entre la atmósfera, los continentes y los océanos comienzan a ingresar a la atmósfera en cantidades que las plantas no pueden absorber completamente.

Existen diferentes estimaciones sobre el impacto de la actividad humana en el enriquecimiento de la atmósfera con CO 2, pero todos los autores coinciden en que los principales acumuladores de carbono son los bosques, ya que la biomasa forestal contiene 1,5 veces más y el humus contenido en el suelo contiene 4 veces más. CO 2 que en la atmósfera.

Las plantas son un buen regulador del contenido de CO 2 en la atmósfera. La mayoría de las plantas se caracterizan por un aumento en la intensidad de la fotosíntesis con un mayor contenido de dióxido de carbono en el aire.

El "cinturón verde" fotosintético de la Tierra y el sistema carbonatado del mar mantienen un nivel constante de CO 2 en la atmósfera. Sin embargo, el rápido aumento del consumo de combustibles fósiles, así como la disminución de la capacidad de absorción del “cinturón verde” llevan a que el contenido de CO 2 en la atmósfera esté aumentando gradualmente. Se supone que si el nivel de CO 2 en la atmósfera se duplica (antes del inicio de la influencia humana activa en el medio ambiente era del 0,29%), entonces es posible un aumento de la temperatura global de 1,5 a 4,5 ° C. Esto puede provocar el derretimiento de los glaciares y, como resultado, un aumento del nivel del océano mundial, así como consecuencias adversas para la agricultura. Actualmente, Estados Unidos tiene un programa nacional de investigación sobre gestión agrícola en caso de un clima más cálido o más frío.

Además del CO 2, el monóxido de carbono CO está presente en pequeñas cantidades en la atmósfera (0,1 partes por millón) y el metano CH 4 (1,6 partes por millón). Estos compuestos de carbono participan activamente en el ciclo y, por lo tanto, tienen un tiempo de residencia corto en la atmósfera: CO - aproximadamente 0,1 años, CH 4 - 3,6 años y CO 2 - 4 años. El monóxido de carbono y el metano se forman durante la descomposición incompleta o aeróbica de la materia orgánica y se oxidan a CO 2 en la atmósfera.

La acumulación de CO a escala global no parece real, pero en las ciudades donde el aire se estanca se produce un aumento de la concentración de este compuesto, lo que afecta negativamente a la salud de las personas.

El metano se produce por la descomposición de la materia orgánica en zonas pantanosas y mares poco profundos. Según algunos científicos, el metano cumple una función útil: mantiene la estabilidad de la capa de ozono, que protege toda la vida en la Tierra de los efectos nocivos de la radiación ultravioleta.

El charco de agua en la atmósfera, como se muestra en la Figura 11, es pequeño, su tasa de renovación es mayor y su tiempo de residencia es más corto que el del CO 2. Al igual que el ciclo del CO 2, las actividades humanas afectan el ciclo del agua.

Desde el punto de vista energético, se pueden distinguir dos partes del ciclo del CO 2: la parte “superior”, que es impulsada por el Sol, y la parte “inferior”, en la que se libera energía. Como ya se señaló, alrededor del 30% de toda la energía solar que llega a la superficie de la Tierra se gasta en poner en marcha el ciclo del agua.

En términos ecológicos, se debe prestar especial atención a dos aspectos del ciclo del agua. En primer lugar, el mar pierde más agua por evaporación de la que recibe por precipitación, es decir, una parte importante de la precipitación que sustenta los ecosistemas terrestres, incluidos los agroecosistemas, consiste en agua que se ha evaporado de la superficie del mar. En segundo lugar, como resultado de la actividad humana, la escorrentía superficial aumenta y la reposición de aguas subterráneas disminuye. Ya existen zonas donde se aprovecha el agua subterránea acumulada en el siglo anterior. Por tanto, en este caso, el agua es un recurso no renovable. Una vez que se agote el agua subterránea, será entregada desde otros territorios, lo que requerirá una inversión de energía adicional.

Ciclo del nitrógeno

El nitrógeno, al igual que el carbono, forma parte del aire atmosférico y está presente en él en forma de moléculas (Md).

Desempeña un papel importante en la vida de los organismos. Al igual que el oxígeno, el nitrógeno es necesario para la respiración animal. El nitrógeno forma parte de muchos compuestos orgánicos, principalmente proteínas. En una molécula de proteína, forma fuertes enlaces amida con el carbono o se combina con hidrógeno, presente en forma de grupos amina (- NH 3) o amida (- NH 2).

La formación de enlaces amida (péptidos) (enlaces C - N) es el principal mecanismo para la síntesis de moléculas de proteínas y péptidos, que constituyen la esencia de toda la vida en la Tierra.

En la figura 2 se muestra un diagrama que refleja el ciclo del nitrógeno. 6.

Arroz. 6. Diagrama del ciclo del nitrógeno. Se resaltan las principales etapas y se dan estimaciones de la cantidad de nitrógeno involucrada en los principales flujos. Los números entre paréntesis son teragramos (Tg = 10 6 t) por año (según Yu. Odum, 1986)

La fuente de nitrógeno para los autótrofos son los nitratos (sales de ácido nítrico HNO 3), así como el nitrógeno molecular atmosférico. El nitrógeno nitrato ingresa a las hojas a través del sistema radicular de las plantas, donde se utiliza para la síntesis de proteínas vegetales.

La segunda forma en que el nitrógeno ingresa a los organismos es mediante la fijación directa de nitrógeno desde la atmósfera. Este fenómeno es completamente único y característico de los procariotas, microorganismos libres de armas nucleares. Antes de 1950, sólo se conocían tres taxones de microorganismos capaces de fijar nitrógeno atmosférico:

· bacterias de vida libre de los géneros Azotobacter y Clostridium;

· bacterias nódulos simbióticas del género Rhizobium;

· algas verdiazules (cianobacterias) de los géneros Anabaena, Nostoc, así como otros miembros del orden Nostocales.

Luego se descubrieron otros tipos de organismos capaces de fijar nitrógeno de la atmósfera: bacterias violetas del género Rhodospirillum, así como bacterias del suelo cercanas a Pseudomonas, actinomicetos de nódulos de raíces de aliso (Ainus, Ceanothus, Myrica y otros). También se encontró que las algas verdiazules del género Anabaena (hay que recalcar que estas algas tienen la capacidad de nutrición heterótrofa y tienen otras características que les permiten clasificarlas como bacterias) pueden ser simbiontes de hongos, musgos, helechos y incluso plantas con semillas, y la capacidad de fijación de nitrógeno es beneficiosa para ambos participantes. Esta asombrosa capacidad es la razón por la que el arroz y las legumbres se pueden cultivar en el mismo campo durante varios años sin necesidad de fertilizantes nitrogenados.

El mecanismo bioquímico de fijación directa del nitrógeno atmosférico se lleva a cabo con la participación de la enzima nitrogenasa, que cataliza la división de la molécula de nitrógeno (N 2). Este proceso requiere un gasto energético importante para romper el triple enlace de la molécula de nitrógeno. La reacción ocurre con la participación de una molécula de agua, como resultado de lo cual se forma amoníaco (NH 3), por ejemplo, en los nódulos de leguminosas. Para fijar 1 g de nitrógeno, las bacterias gastan unos 10 g de glucosa (unas 40 kcal), sintetizada durante la fotosíntesis, es decir, la eficiencia es sólo del 10%.

Este ejemplo también ilustra los beneficios de la simbiosis como estrategia de “cooperación” que promueve la supervivencia. No es difícil pensar que es prometedor desarrollar variedades de cultivos agrícolas que, utilizando simbiosis con microorganismos fijadores de nitrógeno, producirían buenos rendimientos sin el uso de fertilizantes.

Los compuestos orgánicos que contienen nitrógeno formados en las plantas a través de cadenas tróficas ingresan al cuerpo de los heterótrofos (animales), así como al suelo después de la muerte de las plantas. En el suelo se descomponen con la participación de saprófagos, se mineralizan y luego son utilizados por otras plantas. El eslabón final de la descomposición son los organismos amonificadores que forman amoníaco (NH 3). El amoníaco participa en las reacciones de nitrificación, es decir, en la formación de nitritos y su conversión en nitratos. De esta forma, el ciclo del nitrógeno en el suelo se mantiene constantemente.

Al mismo tiempo, parte del nitrógeno regresa a la atmósfera debido a la actividad de las bacterias desnitrificantes, que descomponen los nitratos en nitrógeno molecular (N 2). Como resultado de la desnitrificación bacteriana, cada año se evaporan entre 50 y 60 kg de nitrógeno en 1 hectárea de suelo.

La suspensión del ciclo del nitrógeno puede ocurrir debido a su acumulación en sedimentos oceánicos profundos. En este caso, el nitrógeno queda desconectado del ciclo durante varios millones de años. Las pérdidas se compensan con el suministro de gas nitrógeno durante las erupciones volcánicas. Yu. Odum cree que las erupciones volcánicas son útiles en este sentido, y si “todos los volcanes de la Tierra están bloqueados, es posible que mueran de hambre más personas de las que ahora sufren a causa de las erupciones” (Odum Yu. Ecology. M.: Mir, 1986). .T. 1. pág. 209).

El ciclo del nitrógeno es un ejemplo de ciclo gaseoso bien amortiguado. Es un factor importante que limita o controla el número de organismos.

El ciclo del nitrógeno se ha estudiado con suficiente detalle. Se sabe, en particular, que de las 10,9 toneladas de nitrógeno que se absorben anualmente en la biosfera, alrededor del 80% regresa al ciclo desde la tierra y el agua, y sólo el 20% de la cantidad requerida es nitrógeno "nuevo" proveniente de la atmósfera con la lluvia y como resultado de la fijación de nitrógeno. Por el contrario, del nitrógeno suministrado a los campos mediante fertilizantes, muy poco se reutiliza; la mayor parte se pierde con la cosecha como resultado de la eliminación del agua y la desnitrificación.

ciclo del fósforo

El fósforo también es un elemento necesario para la nutrición de los organismos vivos y juega un papel vital en el crecimiento y desarrollo de las plantas.

La reserva de fósforo, a diferencia del nitrógeno, no es la atmósfera, sino las rocas y otros sedimentos formados en eras geológicas pasadas. El mineral fósforo se encuentra en muchas rocas. Ingresa a la hidrosfera durante su erosión, se deposita como sedimento en aguas poco profundas y parcialmente se deposita en limos de aguas profundas.

En los animales, el fósforo en forma de compuestos orgánicos (con proteínas, en particular) forma parte de los huesos y otros tejidos. También desempeña un papel en los procesos de almacenamiento de energía de las células en forma de ácidos adenosina trifosfórico y adenosina difosfórico.

Como resultado de la descomposición de organismos muertos y la mineralización de compuestos orgánicos, las plantas vuelven a utilizar el fósforo en forma de fosfatos (sales del ácido ortofosfórico) y, por lo tanto, vuelven a participar en el ciclo.

La eliminación del fósforo del ciclo se produce debido a su acumulación en los sedimentos del fondo. El ciclo del fósforo es un ejemplo de un ciclo sedimentario simple con una “amortiguación” insuficiente y mecanismos de autorregulación deteriorados debido al impacto antropogénico en el medio ambiente. Existe la opinión de que los mecanismos para devolver el fósforo al ciclo son insuficientes y no compensan las pérdidas asociadas con la tecnogénesis.

Las actividades humanas como la pesca y la pesca de aves provocan un desequilibrio en el equilibrio del fósforo. Según J. Hutchinson, como resultado de la pesca sólo se devuelven a la tierra unas 60.000 toneladas de fósforo elemental (Citado de: Odum Yu. Ecology. M.: Mir, 1986. Vol. 1). Anualmente se extraen entre 1 y 2 millones de toneladas de rocas que contienen fósforo para obtener fertilizantes. Además, la mayor parte de esta cantidad se lava con agua y se retira de la circulación.

Actualmente, existe preocupación por el aumento de la concentración de fosfatos en los ecosistemas acuáticos, lo que conduce a su crecimiento excesivo intensivo, a la degradación de los ecosistemas y, en última instancia, a su muerte.

El fósforo se utiliza ampliamente en tecnología agrícola en forma de fertilizantes de fósforo (minerales) para aumentar la fertilidad del suelo y el rendimiento de los cultivos. Por lo tanto, el fósforo mineral ingresa a los ecosistemas acuáticos y terrestres, debido a la eliminación de fosfatos disueltos con aguas residuales agrícolas y la escorrentía de los campos donde se utilizaron fertilizantes de fósforo, así como a la descarga de aguas residuales municipales e industriales.

Según J. Hutchinson, el tiempo de renovación del fósforo en el agua de los lagos pequeños (área de 0,3 a 0,4 km 2 y profundidad de 6 a 7 m) es de 5,4 a 7,6 días, y de los lagos grandes (área de 2 km 2, profundidad de unos 4 m ) - 17 días. El tiempo de renovación en los sedimentos del fondo es mucho más largo y es de aproximadamente 40 y 176 días, respectivamente. La diferencia en el valor del indicador aparentemente se explica por el hecho de que en los lagos pequeños la relación entre la superficie de los sedimentos del fondo y el volumen de agua es mayor. Por tanto, el fósforo se deposita en masas de agua grandes, pero no profundas, lo que complica enormemente la lucha contra su crecimiento excesivo.

Los hidrobiontes desempeñan un papel importante en la autopurificación. Por lo tanto, los animales que se alimentan por filtración y los detritívoros contribuyen significativamente al ciclo del fósforo. Por ejemplo, una población de moluscos bivalvos que se alimentan por filtración Modiolus demissus en 2,5 días "devuelve" del agua tanto fósforo "suspendido" como el contenido en el agua, es decir, el tiempo de renovación del fósforo "suspendido" es de sólo 2,5 días ( Odum Yu. Ecología. M.: Mir, 1986. T. 1. P. 219).

Al mismo tiempo, como ya se señaló, el fósforo es vital para las plantas y es uno de los factores que limita el número de plantas y otros organismos incluidos en las cadenas tróficas.

ciclo del azufre

El diagrama del ciclo del azufre se muestra en la Fig. 8.

El azufre mineral ingresa al suelo como resultado de la descomposición natural de las piritas de azufre y cobre en las rocas. Se transporta con las precipitaciones y penetra en los ecosistemas terrestres y acuáticos.

El ciclo del azufre se caracteriza por un extenso fondo de reserva en el suelo y los sedimentos y una reserva menor en la atmósfera.

En la reserva de azufre que se intercambia rápidamente, los grupos especializados de microorganismos (oxidantes y reductores de sulfato) desempeñan un papel clave.

El azufre es un componente de las proteínas y forma parte de varios aminoácidos: cistina, cisteína, metionina. Estos aminoácidos son sintetizados por las plantas utilizando el mineral azufre. El azufre ingresa al cuerpo de los animales con alimentos vegetales.

Arroz. 8. El ciclo del azufre, que abarca el aire, el agua y el suelo.

El "anillo" en el centro del diagrama ilustra los procesos de oxidación (O) y reducción (R), debido a los cuales se intercambia azufre entre la reserva de sulfato disponible (SO 4) y la reserva de sulfuros de hierro en el suelo y los sedimentos. . Microorganismos especializados realizan reacciones: H 2 S ® S 2 ® SO 4 - bacterias de azufre incoloras, verdes y violetas; SO 4 ®H 2 S (reducción anaeróbica de sulfato) - Desulfovibrio; H 2 S ®SO 4 (oxidación de sulfuro aeróbico) - tiobacillus; El S orgánico en SO 4 y H 2 S son microorganismos heterótrofos aeróbicos y anaeróbicos, respectivamente. La producción primaria, por supuesto, asegura la incorporación del sulfato a la materia orgánica, y la excreción por los animales sirve como medio para devolver el sulfato al ciclo. El dióxido de azufre (SO 2), que se libera a la atmósfera durante la quema de combustibles fósiles, especialmente carbón, es uno de los componentes más peligrosos de las emisiones industriales (según Yu. Odum, 1986).

6.1. El ciclo del agua

El ciclo del agua- uno de los componentes principales de la circulación abiótica de sustancias, incluye la transición del agua del estado líquido al gaseoso y sólido y viceversa (Fig. 9). Tiene todas las características principales de otros ciclos: también está aproximadamente equilibrado en la escala de todo el globo y está impulsado por energía. El ciclo del agua es el ciclo más importante de la Tierra en términos de transferencia de masa y consumo de energía. Cada segundo se utilizan 16,5 millones de m3 de agua y en ello se gastan más de 40 mil millones de MW de energía solar.

Arroz. 9. El ciclo del agua en la naturaleza

Los principales procesos que aseguran el ciclo del agua son: infiltración, evaporación, escorrentía:

1. Infiltración - evaporación - transpiración: el agua es absorbida por el suelo, retenida como agua capilar y luego devuelta a la atmósfera, evaporándose de la superficie de la tierra, o absorbida por las plantas y liberada como vapor durante la transpiración;

2. Flujo superficial y subterráneo: el agua pasa a formar parte del agua superficial. Movimiento de aguas subterráneas: El agua ingresa y se mueve a través del suelo, alimentando pozos y manantiales, antes de volver a ingresar al sistema de aguas superficiales.

Así, el ciclo del agua se puede representar en forma de dos caminos energéticos: el camino superior (evaporación) es impulsado por energía solar, el camino inferior (precipitación) da energía a lagos, ríos, humedales, otros ecosistemas y directamente a los humanos. por ejemplo, en centrales hidroeléctricas. Las actividades humanas tienen un enorme impacto en el ciclo global del agua, que puede cambiar el tiempo y el clima. Como resultado de cubrir la superficie de la tierra con materiales impermeables al agua, construir sistemas de riego, compactar tierras cultivables, destruir bosques, etc., aumenta el flujo de agua hacia el océano y se reduce la reposición de aguas subterráneas. En muchas zonas secas, los seres humanos bombean estos embalses más rápido de lo que se llenan. En Rusia se han explorado 3.367 depósitos de agua subterránea para el abastecimiento de agua y el riego de tierras. Las reservas explotables de los yacimientos explorados son de 28,5 km 3 /año. El grado de desarrollo de estas reservas en la Federación de Rusia no supera el 33% y hay 1.610 depósitos en funcionamiento.

La peculiaridad del ciclo es que se evapora más agua del océano (aproximadamente 3,8 · 10 14 toneladas) de la que regresa con precipitación (aproximadamente 3,4 · 10 14 toneladas). En tierra, por el contrario, cae más precipitación (aproximadamente 1,0 · 10 · 14 t) de la que se evapora (en total alrededor de 0,6 · 10 · 14 t). Debido a que se evapora más agua del océano de la que se devuelve, gran parte del sedimento utilizado por los ecosistemas terrestres, incluidos los agroecosistemas que producen alimentos humanos, consiste en agua que se evapora del mar. El exceso de agua de la tierra desemboca en lagos y ríos y de allí regresa al océano. Según las estimaciones existentes, los cuerpos de agua dulce (lagos y ríos) contienen 0,25 · 10 · 14 toneladas de agua y el caudal anual es de 0,2 · 10 · 14 toneladas. Por tanto, el tiempo de renovación del agua dulce es de aproximadamente un año. La diferencia entre la cantidad de precipitación que cae sobre la tierra por año (1,0 · 10 · 14 t) y la escorrentía (0,2 · 10 · 14 t) es 0,8 · 10 · 14 t, que se evapora y ingresa a los acuíferos del subsuelo. La escorrentía superficial llena parcialmente los depósitos de agua subterránea y a su vez se repone a partir de ellos.

La precipitación atmosférica es el vínculo principal en la circulación de la humedad y determina en gran medida el régimen hidrológico de los ecosistemas terrestres. Su distribución por el territorio, especialmente en la montaña, es desigual, lo que se debe a las características de los procesos atmosféricos y de la superficie subyacente. Así, por ejemplo, para los bosques abiertos de tundra forestal de la provincia forestal de Putorana en Siberia Central, la cantidad de precipitación anual es de 617 mm, para los bosques de taiga del norte del distrito forestal del Bajo Tunguska - 548, y para los En los bosques de taiga del sur de la región de Angara, disminuye a 465 mm (Tabla 2).

Tabla 2

Evapotranspiración de los ecosistemas forestales del meridiano Yenisei.

* – Vedrova et al. (del libro Forest Ecosystems of the Yenisei Meridian, 2002);

**, *** – Burenina y otros (ibid.).

La evaporación ocupa uno de los lugares principales. Con la llegada de la vida a la Tierra, el ciclo del agua se volvió relativamente complejo, ya que el fenómeno físico de convertir el agua en vapor se complementó con el proceso de evaporación biológica asociado con la vida de plantas y animales. transpiración. Junto con la precipitación y la escorrentía, la evapotranspiración, que incluye la evaporación de la precipitación interceptada, la transpiración de humedad por las plantas y la evaporación bajo el dosel, es la principal partida de gasto del balance hídrico, especialmente en los ecosistemas forestales. Por ejemplo, en una selva tropical la cantidad de agua evaporada por las plantas alcanza los 7000 m3/km2 por año, mientras que en una sabana a la misma latitud y altitud de la misma zona no supera los 3000 m3/km2 por año.

La vegetación en general desempeña un papel importante en la evaporación del agua, influyendo así en el clima de las regiones. La tasa de evapotranspiración depende del balance de radiación y de la diferente productividad de la vegetación. Como se puede ver en la tabla. 2, con un aumento de la fitomasa aérea debido a una mayor evaporación de los sedimentos interceptados y al consumo de humedad de la transpiración, aumenta la evaporación total.

Además, la vegetación superior cumple una función de protección y regulación hídrica muy importante para los ecosistemas terrestres: mitiga las inundaciones, reteniendo la humedad en los suelos y evitando su desecación y erosión. Por ejemplo, cuando se produce la deforestación, en algunos casos aumenta la probabilidad de inundaciones y anegamientos del territorio, en otros, la interrupción del proceso de transpiración puede provocar un "secado" del clima. La deforestación tiene un impacto negativo en las aguas subterráneas, reduciendo la capacidad del área para retener las precipitaciones. En algunos lugares, los bosques ayudan a reponer los acuíferos, aunque en la mayoría de los casos los drenan.

Tabla 3

Proporción de agua dulce y salada en la Tierra

Las reservas totales de agua en la Tierra se estiman en aproximadamente entre 1,5 y 2,5 mil millones de km 3 . El agua salada constituye aproximadamente el 97% del volumen de la masa de agua; el océano mundial representa el 96,5% (Tabla 3). El volumen de agua dulce, según diversas estimaciones, es de 35 a 37 millones de km 3, o del 2,5 al 2,7% de las reservas totales de agua de la Tierra. La mayor parte del agua dulce (68-70%) se concentra en glaciares y mantos de nieve (según Reimers, 1990).

El destacado científico ruso académico V.I. Vernadsky.

Biosfera- la compleja capa exterior de la Tierra, que contiene la totalidad de los organismos vivos y la parte de la sustancia del planeta que está en proceso de intercambio continuo con estos organismos. Esta es una de las geosferas más importantes de la Tierra, que es el componente principal del entorno natural que rodea a los humanos.

La tierra está formada por concéntricos. conchas(geosferas) tanto internas como externas. Los internos incluyen el núcleo y el manto, y los externos: litosfera - la capa rocosa de la Tierra, incluida la corteza terrestre (Fig. 1), con un espesor de 6 km (bajo el océano) a 80 km (sistemas montañosos); hidrosfera - caparazón de agua de la Tierra; atmósfera- la envoltura gaseosa de la Tierra, formada por una mezcla de diversos gases, vapor de agua y polvo.

A una altitud de 10 a 50 km hay una capa de ozono, cuya concentración máxima se encuentra a una altitud de 20-25 km, protegiendo a la Tierra de la excesiva radiación ultravioleta, que es fatal para el organismo. La biosfera también pertenece aquí (a las geosferas externas).

Biosfera - la capa exterior de la Tierra, que incluye parte de la atmósfera hasta una altura de 25 a 30 km (hasta la capa de ozono), casi toda la hidrosfera y la parte superior de la litosfera hasta una profundidad de aproximadamente 3 km.

Arroz. 1. Esquema de la estructura de la corteza terrestre.

(Figura 2). La peculiaridad de estas partes es que están habitadas por organismos vivos que constituyen la materia viva del planeta. Interacción parte abiótica de la biosfera- aire, agua, rocas y materia orgánica - biotas provocó la formación de suelos y rocas sedimentarias.

Arroz. 2. Estructura de la biosfera y proporción de superficies ocupadas por unidades estructurales básicas.

Ciclo de sustancias en la biosfera y ecosistemas.

Todos los compuestos químicos disponibles para los organismos vivos en la biosfera son limitados. El agotamiento de sustancias químicas aptas para la asimilación a menudo inhibe el desarrollo de ciertos grupos de organismos en áreas locales de tierra u océano. Según el académico V.R. Williams, la única manera de dar las propiedades finitas del infinito es hacerlo girar a lo largo de una curva cerrada. En consecuencia, la estabilidad de la biosfera se mantiene gracias al ciclo de sustancias y flujos de energía. Disponible Dos ciclos principales de sustancias: grande - geológico y pequeño - biogeoquímico.

Gran Ciclo Geológico(Fig. 3). Las rocas cristalinas (ígneas) se transforman en rocas sedimentarias bajo la influencia de factores físicos, químicos y biológicos. La arena y la arcilla son sedimentos típicos, productos de la transformación de rocas profundas. Sin embargo, la formación de sedimentos se produce no solo debido a la destrucción de las rocas existentes, sino también a través de la síntesis de minerales biogénicos (esqueletos de microorganismos) a partir de recursos naturales: las aguas de los océanos, mares y lagos. Los sedimentos acuosos sueltos, al quedar aislados en el fondo de los embalses con nuevas porciones de material sedimentario, sumergidos a profundidad y expuestos a nuevas condiciones termodinámicas (mayores temperaturas y presiones), pierden agua, se endurecen y se transforman en rocas sedimentarias.

Posteriormente, estas rocas se hunden en horizontes aún más profundos, donde tienen lugar los procesos de su transformación profunda a nuevas condiciones de temperatura y presión: se producen procesos de metamorfismo.

Bajo la influencia de flujos de energía endógenos, las rocas profundas se derriten, formando magma, una fuente de nuevas rocas ígneas. Después de que estas rocas suben a la superficie de la Tierra, bajo la influencia de procesos de erosión y transporte, se transforman nuevamente en nuevas rocas sedimentarias.

Así, el gran ciclo es causado por la interacción de la energía solar (exógena) con la energía profunda (endógena) de la Tierra. Redistribuye sustancias entre la biosfera y los horizontes más profundos de nuestro planeta.

Arroz. 3. Gran ciclo (geológico) de sustancias (flechas delgadas) y cambios en la diversidad en la corteza terrestre (flechas anchas y sólidas - crecimiento, flechas discontinuas - disminución de la diversidad)

Por el gran giro También se llama ciclo del agua entre la hidrosfera, la atmósfera y la litosfera, que es impulsado por la energía del Sol. El agua se evapora de la superficie de los embalses y de la tierra y luego regresa a la Tierra en forma de precipitación. Sobre el océano, la evaporación supera a la precipitación; sobre la tierra, ocurre lo contrario. Estas diferencias se compensan con los caudales de los ríos. La vegetación terrestre juega un papel importante en el ciclo global del agua. La transpiración de las plantas en determinadas zonas de la superficie terrestre puede representar hasta el 80-90% de la precipitación que cae aquí y, en promedio, en todas las zonas climáticas, alrededor del 30%. A diferencia del ciclo grande, el ciclo pequeño de sustancias ocurre sólo dentro de la biosfera. La relación entre los ciclos del agua grande y pequeño se muestra en la Fig. 4.

Los ciclos a escala planetaria se crean a partir de innumerables movimientos cíclicos locales de átomos impulsados ​​por la actividad vital de los organismos en ecosistemas individuales, y aquellos movimientos causados ​​por causas geológicas y del paisaje (escorrentía superficial y subterránea, erosión eólica, movimiento del fondo marino, vulcanismo, formación de montañas). , etc. ).

Arroz. 4. Relación entre el gran ciclo geológico (GGC) del agua y el pequeño ciclo biogeoquímico (SBC) del agua

A diferencia de la energía, que una vez utilizada por el cuerpo se convierte en calor y se pierde, las sustancias circulan en la biosfera creando ciclos biogeoquímicos. De los más de noventa elementos que se encuentran en la naturaleza, los organismos vivos necesitan unos cuarenta. Los más importantes se necesitan en grandes cantidades: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Los ciclos de elementos y sustancias se llevan a cabo mediante procesos de autorregulación en los que participan todos los componentes. Estos procesos no generan residuos. existe ley del cierre global del ciclo biogeoquímico en la biosfera, operando en todas las etapas de su desarrollo. En el proceso de evolución de la biosfera, aumenta el papel del componente biológico en el cierre de los procesos biogeoquímicos.
quien el ciclo. Los humanos tienen una influencia aún mayor en el ciclo biogeoquímico. Pero su papel se manifiesta en la dirección opuesta (los giros se abren). La base del ciclo biogeoquímico de sustancias es la energía del sol y la clorofila de las plantas verdes. Los otros ciclos más importantes (agua, carbono, nitrógeno, fósforo y azufre) están asociados con el ciclo biogeoquímico y contribuyen a él.

El ciclo del agua en la biosfera.

Las plantas utilizan hidrógeno en el agua durante la fotosíntesis para formar compuestos orgánicos y liberar oxígeno molecular. En los procesos respiratorios de todos los seres vivos, durante la oxidación de los compuestos orgánicos, se vuelve a formar agua. En la historia de la vida, toda el agua libre de la hidrosfera ha pasado repetidamente por ciclos de descomposición y nueva formación en la materia viva del planeta. Cada año, en la Tierra intervienen unos 500.000 km 3 de agua en el ciclo del agua. El ciclo del agua y sus reservas se muestran en la Fig. 5 (en términos relativos).

Ciclo del oxígeno en la biosfera.

La Tierra debe su atmósfera única con un alto contenido de oxígeno libre al proceso de fotosíntesis. La formación de ozono en las capas altas de la atmósfera está estrechamente relacionada con el ciclo del oxígeno. El oxígeno se libera de las moléculas de agua y es esencialmente un subproducto de la actividad fotosintética en las plantas. Abióticamente, el oxígeno surge en las capas superiores de la atmósfera debido a la fotodisociación del vapor de agua, pero esta fuente constituye sólo una milésima parte del porcentaje del que aporta la fotosíntesis. Existe un equilibrio fluido entre el contenido de oxígeno en la atmósfera y la hidrosfera. En agua es aproximadamente 21 veces menos.

Arroz. 6. Diagrama del ciclo del oxígeno: flechas en negrita: los principales flujos de suministro y consumo de oxígeno.

El oxígeno liberado se consume intensamente en los procesos respiratorios de todos los organismos aeróbicos y en la oxidación de diversos compuestos minerales. Estos procesos ocurren en la atmósfera, el suelo, el agua, el limo y las rocas. Se ha demostrado que una parte importante del oxígeno ligado a las rocas sedimentarias es de origen fotosintético. El fondo de intercambio O en la atmósfera no representa más del 5% de la producción fotosintética total. Muchas bacterias anaeróbicas también oxidan la materia orgánica mediante el proceso de respiración anaeróbica, utilizando sulfatos o nitratos.

La descomposición completa de la materia orgánica creada por las plantas requiere exactamente la misma cantidad de oxígeno que se libera durante la fotosíntesis. El entierro de materia orgánica en rocas sedimentarias, carbones y turbas sirvió de base para mantener el fondo de intercambio de oxígeno en la atmósfera. Todo el oxígeno que contiene pasa por un ciclo completo a través de los organismos vivos en unos 2000 años.

Actualmente, una parte importante del oxígeno atmosférico se capta como resultado del transporte, la industria y otras formas de actividad antropogénica. Se sabe que la humanidad ya gasta más de 10 mil millones de toneladas de oxígeno libre, de un total de 430-470 mil millones de toneladas suministradas por los procesos de fotosíntesis. Si tenemos en cuenta que sólo una pequeña parte del oxígeno fotosintético ingresa al fondo de intercambio, la actividad humana en este sentido comienza a adquirir proporciones alarmantes.

El ciclo del oxígeno está estrechamente relacionado con el ciclo del carbono.

Ciclo del carbono en la biosfera.

El carbono como elemento químico es la base de la vida. Puede combinarse con muchos otros elementos de diversas formas para formar moléculas orgánicas simples y complejas que forman las células vivas. En términos de distribución en el planeta, el carbono ocupa el undécimo lugar (0,35% del peso de la corteza terrestre), pero en la materia viva promedia alrededor del 18 o 45% de la biomasa seca.

En la atmósfera, el carbono forma parte del dióxido de carbono CO 2 y, en menor medida, del metano CH 4 . En la hidrosfera, el CO 2 se disuelve en agua y su contenido total es mucho mayor que el atmosférico. El océano sirve como un poderoso amortiguador para la regulación del CO 2 en la atmósfera: a medida que aumenta su concentración en el aire, aumenta la absorción de dióxido de carbono por el agua. Algunas de las moléculas de CO 2 reaccionan con el agua, formando ácido carbónico, que luego se disocia en iones HCO 3 - y CO 2-3. Estos iones reaccionan con cationes de calcio o magnesio para precipitar carbonatos. pH constante del agua.

El dióxido de carbono en la atmósfera y la hidrosfera es un fondo de intercambio en el ciclo del carbono, de donde lo toman las plantas terrestres y las algas. La fotosíntesis es la base de todos los ciclos biológicos de la Tierra. La liberación de carbono fijado ocurre durante la actividad respiratoria de los propios organismos fotosintéticos y de todos los heterótrofos: bacterias, hongos, animales que ingresan a la cadena alimentaria debido a materia orgánica viva o muerta.

Arroz. 7. Ciclo del carbono

Particularmente activo es el retorno de CO2 a la atmósfera desde el suelo, donde se concentra la actividad de numerosos grupos de organismos, descomponiendo los restos de plantas y animales muertos y se produce la respiración de los sistemas radiculares de las plantas. Este proceso integral se denomina “respiración del suelo” y contribuye significativamente a la reposición del fondo de intercambio de CO2 en el aire. Paralelamente a los procesos de mineralización de la materia orgánica, se forma humus en los suelos, un complejo molecular complejo y estable rico en carbono. El humus del suelo es uno de los importantes reservorios de carbono en la tierra.

En condiciones donde la actividad de los destructores es inhibida por factores ambientales (por ejemplo, cuando ocurre un régimen anaeróbico en los suelos y en el fondo de los embalses), la materia orgánica acumulada por la vegetación no se descompone, convirtiéndose con el tiempo en rocas como el carbón o el marrón. carbón, turba, sapropels, esquisto bituminoso y otros ricos en energía solar acumulada. Reponen el fondo de reserva de carbono, estando desconectados del ciclo biológico durante mucho tiempo. El carbono también se deposita temporalmente en la biomasa viva, en la basura muerta, en la materia orgánica disuelta del océano, etc. Sin embargo el principal fondo de reserva de carbono por escrito no son organismos vivos ni combustibles fósiles, sino Rocas sedimentarias: calizas y dolomitas. Su formación también está asociada a la actividad de la materia viva. El carbono de estos carbonatos permanece enterrado durante mucho tiempo en las entrañas de la Tierra y entra en ciclo sólo durante la erosión, cuando las rocas quedan expuestas en los ciclos tectónicos.

Sólo una fracción de un porcentaje del carbono total presente en la Tierra participa en el ciclo biogeoquímico. El carbono de la atmósfera y la hidrosfera pasa muchas veces a través de los organismos vivos. Las plantas terrestres pueden agotar sus reservas en el aire en 4-5 años, las reservas de humus en el suelo, en 300-400 años. La principal devolución de carbono al fondo de intercambio se produce debido a la actividad de los organismos vivos, y solo una pequeña parte (milésimas de porcentaje) se compensa con la liberación de las entrañas de la Tierra como parte de los gases volcánicos.

Actualmente, la extracción y combustión de enormes reservas de combustibles fósiles se está convirtiendo en un factor poderoso en la transferencia de carbono de la reserva al fondo de intercambio de la biosfera.

Ciclo del nitrógeno en la biosfera.

La atmósfera y la materia viva contienen menos del 2% de todo el nitrógeno de la Tierra, pero es lo que sustenta la vida en el planeta. El nitrógeno forma parte de las moléculas orgánicas más importantes: ADN, proteínas, lipoproteínas, ATP, clorofila, etc. En los tejidos vegetales, su proporción con respecto al carbono es en promedio 1: 30, y en las algas I: 6. El ciclo biológico del nitrógeno es por lo tanto, también está estrechamente relacionado con el carbono.

El nitrógeno molecular de la atmósfera es inaccesible para las plantas, que pueden absorber este elemento sólo en forma de iones de amonio, nitratos o del suelo o de soluciones acuosas. Por lo tanto, la deficiencia de nitrógeno es a menudo un factor que limita la producción primaria: el trabajo de los organismos asociado con la creación de sustancias orgánicas a partir de inorgánicas. Sin embargo, el nitrógeno atmosférico participa ampliamente en el ciclo biológico debido a la actividad de bacterias especiales (fijadoras de nitrógeno).

Los microorganismos amonificadores también desempeñan un papel importante en el ciclo del nitrógeno. Descomponen proteínas y otras sustancias orgánicas que contienen nitrógeno en amoníaco. En forma de amonio, el nitrógeno es parcialmente reabsorbido por las raíces de las plantas y parcialmente interceptado por microorganismos nitrificantes, lo que es lo contrario de las funciones del grupo de microorganismos desnitrificantes.

Arroz. 8. Ciclo del nitrógeno

En condiciones anaeróbicas en suelos o aguas, utilizan el oxígeno de los nitratos para oxidar sustancias orgánicas, obteniendo energía para su vida. El nitrógeno se reduce a nitrógeno molecular. La fijación y desnitrificación del nitrógeno son de naturaleza aproximadamente equilibrada. Así, el ciclo del nitrógeno depende principalmente de la actividad de las bacterias, mientras que las plantas se integran en él, utilizando productos intermedios de este ciclo y aumentando considerablemente la escala de la circulación del nitrógeno en la biosfera mediante la producción de biomasa.

El papel de las bacterias en el ciclo del nitrógeno es tan importante que si sólo se destruyeran 20 de sus especies, la vida en nuestro planeta cesaría.

La fijación no biológica de nitrógeno y la entrada de sus óxidos y amoníaco en los suelos también se produce con las precipitaciones durante la ionización atmosférica y las descargas de rayos. La industria moderna de fertilizantes fija nitrógeno atmosférico en niveles mayores que la fijación natural de nitrógeno para aumentar la producción de cultivos.

Actualmente, la actividad humana influye cada vez más en el ciclo del nitrógeno, principalmente en la dirección del exceso de su transferencia a formas ligadas sobre los procesos de retorno al estado molecular.

Ciclo del fósforo en la biosfera.

Este elemento, necesario para la síntesis de muchas sustancias orgánicas, incluidos ATP, ADN y ARN, es absorbido por las plantas únicamente en forma de iones de ácido ortofosfórico (P0 3 4 +). Pertenece a los elementos que limitan la producción primaria tanto en la tierra como especialmente en el océano, ya que el fondo de intercambio de fósforo en suelos y aguas es pequeño. El ciclo de este elemento a escala de la biosfera no está cerrado.

En la tierra, las plantas extraen fosfatos del suelo, liberados por los descomponedores de los residuos orgánicos en descomposición. Sin embargo, en suelos alcalinos o ácidos la solubilidad de los compuestos de fósforo disminuye drásticamente. El principal fondo de reserva de fosfatos se encuentra en rocas formadas en el fondo del océano en el pasado geológico. Durante la lixiviación de rocas, parte de estas reservas pasan al suelo y son arrastradas a los cuerpos de agua en forma de suspensiones y soluciones. En la hidrosfera, los fosfatos son utilizados por el fitoplancton y pasan a través de las cadenas alimentarias hasta otros hidrobiontes. Sin embargo, en el océano, la mayoría de los compuestos de fósforo quedan enterrados con restos de animales y plantas en el fondo, seguido de una transición con rocas sedimentarias a un gran ciclo geológico. En profundidad, los fosfatos disueltos se unen al calcio, formando fosforitas y apatitas. En la biosfera, de hecho, hay un flujo unidireccional de fósforo desde las rocas terrestres hacia las profundidades del océano, por lo que su fondo de intercambio en la hidrosfera es muy limitado;

Arroz. 9. ciclo del fósforo

Los depósitos terrestres de fosforitas y apatitas se utilizan en la producción de fertilizantes. La entrada de fósforo en los cuerpos de agua dulce es una de las principales razones de su “florecimiento”.

Ciclo del azufre en la biosfera.

El ciclo del azufre, necesario para la construcción de varios aminoácidos, es responsable de la estructura tridimensional de las proteínas y es mantenido en la biosfera por una amplia gama de bacterias. Los enlaces individuales en este ciclo involucran microorganismos aeróbicos que oxidan el azufre de los residuos orgánicos a sulfatos, así como reductores de sulfato anaeróbicos que reducen los sulfatos a sulfuro de hidrógeno. Además de los grupos enumerados de bacterias del azufre, oxidan el sulfuro de hidrógeno a azufre elemental y luego a sulfatos. Las plantas absorben sólo iones SO2-4 del suelo y el agua.

El anillo en el centro ilustra el proceso de oxidación (O) y reducción (R) que intercambia azufre entre el depósito de sulfato disponible y el depósito de sulfuro de hierro en las profundidades del suelo y los sedimentos.

Arroz. 10. Ciclo del azufre. El anillo en el centro ilustra el proceso de oxidación (0) y reducción (R), a través del cual se intercambia azufre entre el charco de sulfato disponible y el charco de sulfuros de hierro ubicado en lo profundo del suelo y los sedimentos.

La principal acumulación de azufre se produce en el océano, donde los iones de sulfato fluyen continuamente desde la tierra con la escorrentía de los ríos. Cuando el sulfuro de hidrógeno se libera del agua, el azufre regresa parcialmente a la atmósfera, donde se oxida a dióxido y se convierte en ácido sulfúrico en el agua de lluvia. El uso industrial de grandes cantidades de sulfatos y azufre elemental y la combustión de combustibles fósiles liberan grandes volúmenes de dióxido de azufre a la atmósfera. Esto daña la vegetación, los animales, las personas y sirve como fuente de lluvia ácida, lo que agrava los efectos negativos de la intervención humana en el ciclo del azufre.

La tasa de circulación de sustancias.

Todos los ciclos de sustancias ocurren a diferentes velocidades (Fig.11)

Así, los ciclos de todos los elementos biogénicos del planeta están sustentados por la compleja interacción de diferentes partes. Están formados por la actividad de grupos de organismos de diferentes funciones, el sistema de escorrentía y evaporación que conecta el océano y la tierra, los procesos de circulación de masas de agua y aire, la acción de las fuerzas gravitacionales, la tectónica de las placas litosféricas y otras grandes. -Procesos geológicos y geofísicos a escala.

La biosfera actúa como un único sistema complejo en el que se producen varios ciclos de sustancias. El motor principal de estos Los ciclos son la materia viva del planeta, todos los organismos vivos, proporcionando procesos de síntesis, transformación y descomposición de la materia orgánica.

Arroz. 11. Tasas de circulación de sustancias (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

La base de la visión ecológica del mundo es la idea de que cada ser vivo está rodeado por muchos factores diferentes que influyen en él, que juntos forman su hábitat: un biotopo. Por eso, biotopo: una sección de territorio que es homogénea en términos de condiciones de vida para ciertas especies de plantas o animales.(pendiente de un barranco, parque forestal urbano, lago pequeño o parte de un lago grande, pero con condiciones homogéneas - parte costera, parte de aguas profundas).

Los organismos característicos de un biotopo particular constituyen comunidad de vida o biocenosis(animales, plantas y microorganismos de lagos, praderas, costas).

Una comunidad viva (biocenosis) forma un todo único con su biotopo, que se llama sistema ecológico (ecosistema). Un ejemplo de ecosistemas naturales es un hormiguero, un lago, un estanque, un prado, un bosque, una ciudad o una granja. Un ejemplo clásico de ecosistema artificial es una nave espacial. Como puede ver, aquí no existe una estructura espacial estricta. Cercano al concepto de ecosistema está el concepto biogeocenosis.

Los principales componentes de los ecosistemas son:

• ambiente no vivo (abiótico). Se trata de agua, minerales, gases, además de materia orgánica y humus;
• componentes bióticos. Estos incluyen: productores o productores (plantas verdes), consumidores o consumidores (seres vivos que se alimentan de los productores) y descomponedores o descomponedores (microorganismos).

La naturaleza opera de manera extremadamente económica. Así, la biomasa creada por los organismos (la sustancia de los cuerpos de los organismos) y la energía que contienen se transfieren a otros miembros del ecosistema: los animales comen plantas, estos animales son devorados por otros animales. Este proceso se llama cadena alimentaria o trófica. En la naturaleza, las cadenas alimentarias a menudo se cruzan, formando una red trófica.

Ejemplos de cadenas alimentarias: planta - herbívoro - depredador; cereal - ratón de campo - zorro, etc. y la red alimentaria se muestran en la Fig. 12.

Así, el estado de equilibrio en la biosfera se basa en la interacción de factores ambientales bióticos y abióticos, que se mantiene mediante el intercambio continuo de materia y energía entre todos los componentes de los ecosistemas.

En las circulaciones cerradas de los ecosistemas naturales, junto con otros, es necesaria la participación de dos factores: la presencia de descomponedores y el suministro constante de energía solar. En los ecosistemas urbanos y artificiales hay pocos o ningún descomponedor, por lo que se acumulan desechos líquidos, sólidos y gaseosos que contaminan el medio ambiente.

Arroz. 12. Red alimentaria y dirección del flujo de materia.

El papel del agua en los procesos que tienen lugar en la biosfera es enorme. Sin agua, el metabolismo en los organismos vivos es imposible. Con la llegada de la vida a la Tierra, el ciclo del agua se volvió relativamente complejo, ya que el simple fenómeno de la evaporación fisiológica se complementó con el proceso más complejo de la evaporación biológica (transpiración), asociado con la vida de plantas y animales.

Brevemente, el ciclo del agua en la naturaleza se puede describir de la siguiente manera. El agua llega a la superficie de la Tierra en forma de precipitación, que se forma principalmente a partir del vapor de agua que ingresa a la atmósfera como resultado de la evaporación física y la evaporación del agua por las plantas. Una parte de esta agua se evapora directamente de la superficie de los cuerpos de agua o indirectamente a través de plantas y animales, mientras que la otra alimenta el agua subterránea (Figura 1.13).

La naturaleza de la evaporación depende de muchos factores. Por lo tanto, se evapora significativamente más agua de una unidad de superficie en un área forestal que de la superficie de una masa de agua. Con una disminución de la cubierta vegetal, también disminuye la transpiración y, en consecuencia, la cantidad de precipitación.

El flujo de agua en el ciclo hidrológico está determinado por la evaporación, no por la precipitación. La capacidad de la atmósfera para retener vapor de agua es limitada. Un aumento en las tasas de evaporación conduce a un aumento correspondiente en la precipitación. El agua contenida en el aire en forma de vapor en cada momento corresponde a una capa media de 2,5 cm de espesor, distribuida uniformemente sobre la superficie de la Tierra. La cantidad de precipitación que cae por año es en promedio de 65 cm. En consecuencia, el vapor de agua del frente atmosférico circula aproximadamente 25 veces al año (una vez cada dos semanas).

El contenido de agua en los cuerpos de agua y en el suelo es cientos de veces mayor que en la atmósfera, pero fluye a través de los dos primeros fondos a la misma velocidad. El tiempo medio de transporte del agua en su fase líquida a través de la superficie terrestre es de unos 3.650 años, 10.000 veces más que el tiempo de su transporte en la atmósfera. Una persona en el proceso de actividad económica tiene un fuerte impacto sobre la base del ciclo hidrológico: la evaporación del agua.

La contaminación de los cuerpos de agua y, en primer lugar, de los mares y océanos con productos derivados del petróleo empeora drásticamente el proceso de evaporación física y la disminución de la superficie forestal, la transpiración. Esto no puede dejar de afectar la naturaleza del ciclo del agua en la naturaleza.

Figura 1.13 - Ciclo del agua

Los ciclos globales de nutrientes de vital importancia se fragmentan en la biosfera en muchos ciclos pequeños confinados a los hábitats locales de diversas comunidades biológicas. Pueden ser más o menos complejos y, en distintos grados, sensibles a diversos tipos de influencias externas. Pero la naturaleza ha decretado que, en condiciones naturales, estos ciclos bioquímicos son "tecnologías ejemplares sin residuos". El ciclo cubre entre el 98 y el 99 % de los nutrientes y solo entre el 1 y el 2 % ni siquiera se desperdicia, sino que va a la reserva geológica (Figura 1.14).

1.8 Fundamentos de la sostenibilidad de la biosfera

La estabilidad de los ecosistemas y toda su biosfera depende de muchos factores (Figura 1.15), la esencia del más importante de los cuales es el siguiente:

Figura 1.15- Factores de estabilidad de la biosfera

1. La biosfera utiliza fuentes de energía externas: la energía solar y la energía para calentar el interior de la Tierra para racionalizar su organización, utilizar eficazmente la energía gratuita, sin causar contaminación ambiental. El uso constante de una cierta cantidad de energía y su disipación en forma de calor ha creado un equilibrio térmico establecido evolutivamente en la biosfera.

Las biocenosis se caracterizan por la ley (principio) de la "conductividad energética": el flujo continuo de energía, que pasa a través de los niveles tróficos de la biocenosis, se extingue constantemente.

En 1942, R. Lindeman formuló la ley de la pirámide energética o la ley (regla) del 10%, según la cual, en promedio, alrededor del 10% pasa de un nivel trófico de la pirámide ecológica a otro nivel superior (“a lo largo de la escalera” productor - consumidor - descomponedor). energía recibida en el nivel anterior de la pirámide ecológica.

2. La biosfera utiliza sustancias (principalmente nutrientes ligeros) principalmente en forma de ciclos. Los ciclos biogeoquímicos de los elementos se han elaborado evolutivamente y no conducen a la acumulación de residuos.

3. Existe una enorme diversidad de especies y comunidades biológicas en la biosfera. Las relaciones competitivas y depredadoras entre especies ayudan a establecer el equilibrio entre ellas. Al mismo tiempo, prácticamente no existen especies dominantes en número excesivo, lo que protege a la biosfera de graves peligros derivados de factores internos.

La diversidad de especies es un factor que aumenta la resistencia de los ecosistemas a factores externos. El acervo genético de la naturaleza salvaje es un don inestimable, cuyo potencial hasta ahora sólo se ha aprovechado en pequeña medida.

4. Casi todos los patrones característicos de la materia viva tienen significado adaptativo. Los biosistemas se ven obligados a adaptarse a condiciones de vida en continuo cambio. En el entorno de vida en constante cambio, cada tipo de organismo se adapta a su manera. Esto se expresa en la regla de la individualidad ecológica: no hay dos especies idénticas.

La especificidad ecológica de las especies se enfatiza en el llamado axioma de adaptación: cada especie está adaptada a un conjunto estrictamente definido de condiciones de existencia específicas para ella: un nicho ecológico.

5. La autorregulación o el mantenimiento del tamaño de la población depende de una combinación de factores bióticos y abióticos. Cada población interactúa con la naturaleza como un sistema integral.

Regla de población máxima: el tamaño de las poblaciones naturales está limitado por el agotamiento de los recursos alimentarios y las condiciones de reproducción, la insuficiencia de estos recursos y el período demasiado corto de aceleración del crecimiento demográfico.

Cualquier población tiene una estructura genética, fenótica, sexual-edad y de otro tipo estrictamente definida. No puede estar formado por menos individuos de los necesarios para asegurar su resistencia a los factores ambientales.

El principio de tamaño mínimo no es constante para ninguna especie; es estrictamente específico de cada población. Superar el mínimo amenaza de muerte a la población: ya no podrá regenerarse.

La destrucción de cada uno de estos factores puede conducir a una disminución de la estabilidad tanto de los ecosistemas individuales como de la biosfera en su conjunto.

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