Stoffkreislauf in der Biosphäre, geologische und biochemische Arten, die Bedeutung lebender Organismen. Merkmale der Zirkulation von Wasser und bestimmten Stoffen in der Biosphäre Welche Stoffe sind am Kreislauf beteiligt?

Ist ein herausragender russischer Wissenschaftler, Akademiker V.I. Wernadski.

Biosphäre- die komplexe äußere Hülle der Erde, die die Gesamtheit der lebenden Organismen und den Teil der Substanz des Planeten enthält, der im ständigen Austausch mit diesen Organismen steht. Dies ist eine der wichtigsten Geosphären der Erde und der Hauptbestandteil der natürlichen Umwelt, die den Menschen umgibt.

Die Erde ist konzentrisch aufgebaut Muscheln(Geosphären) sowohl intern als auch extern. Die inneren sind der Kern und der Mantel, und die äußeren sind: Lithosphäre - die Steinhülle der Erde, einschließlich der Erdkruste (Abb. 1) mit einer Dicke von 6 km (unter dem Ozean) bis 80 km (Gebirgssysteme); Hydrosphäre - Wasserhülle der Erde; Atmosphäre- die gasförmige Hülle der Erde, bestehend aus einer Mischung verschiedener Gase, Wasserdampf und Staub.

In einer Höhe von 10 bis 50 km befindet sich eine Ozonschicht, deren maximale Konzentration in einer Höhe von 20 bis 25 km erreicht ist und die Erde vor übermäßiger ultravioletter Strahlung schützt, die für den Körper tödlich ist. Auch die Biosphäre gehört hierher (zu den äußeren Geosphären).

Biosphäre - die äußere Hülle der Erde, die einen Teil der Atmosphäre bis zu einer Höhe von 25-30 km (bis zur Ozonschicht), fast die gesamte Hydrosphäre und den oberen Teil der Lithosphäre bis zu einer Tiefe von etwa 3 km umfasst

Reis. 1. Schema der Struktur der Erdkruste

(Abb. 2). Die Besonderheit dieser Teile besteht darin, dass sie von lebenden Organismen bewohnt werden, die die lebende Substanz des Planeten bilden. Interaktion abiotischer Teil der Biosphäre- Luft, Wasser, Steine ​​und organische Stoffe - Biota führte zur Bildung von Böden und Sedimentgesteinen.

Reis. 2. Die Struktur der Biosphäre und das Verhältnis der von den Hauptstruktureinheiten eingenommenen Oberflächen

Der Stoffkreislauf in der Biosphäre und den Ökosystemen

Alle chemischen Verbindungen, die lebenden Organismen in der Biosphäre zur Verfügung stehen, sind begrenzt. Die Erschöpfung der zur Assimilation geeigneten chemischen Substanzen behindert häufig die Entwicklung bestimmter Organismengruppen in lokalen Bereichen des Landes oder des Ozeans. Laut Akademiker V.R. Williams zufolge besteht die einzige Möglichkeit, die endlichen Eigenschaften des Unendlichen zu vermitteln, darin, es entlang einer geschlossenen Kurve rotieren zu lassen. Somit bleibt die Stabilität der Biosphäre durch die Zirkulation von Stoffen und Energieflüssen erhalten. Verfügbar zwei Hauptstoffkreisläufe: groß – geologisch und klein – biogeochemisch.

Toller geologischer Kreislauf(Abb. 3). Kristalline Gesteine ​​(magmatisch) werden unter dem Einfluss physikalischer, chemischer und biologischer Faktoren in Sedimentgesteine ​​umgewandelt. Sand und Ton sind typische Sedimente, Produkte der Umwandlung tiefer Gesteine. Die Bildung von Sedimenten erfolgt jedoch nicht nur durch die Zerstörung vorhandener Gesteine, sondern auch durch die Synthese biogener Mineralien – der Skelette von Mikroorganismen – aus natürliche Ressourcen- Gewässer des Ozeans, der Meere und Seen. Lockere wässrige Sedimente, die am Boden von Stauseen durch neue Sedimentanteile isoliert werden, in die Tiefe eintauchen, in neue thermodynamische Bedingungen (höhere Temperaturen und Drücke) geraten, Wasser verlieren, aushärten und sich in Sedimentgesteine ​​verwandeln.

In Zukunft sinken diese Gesteine ​​​​in noch tiefere Horizonte, wo die Prozesse ihrer tiefgreifenden Umwandlung in neue Temperatur- und Druckbedingungen stattfinden – die Prozesse der Metamorphose.

Unter dem Einfluss endogener Energieströme werden tiefe Gesteine ​​​​umgeschmolzen und bilden Magma – die Quelle neuer magmatischer Gesteine. Nach dem Aufstieg dieser Gesteine ​​​​an die Erdoberfläche werden sie unter dem Einfluss von Verwitterungs- und Transportprozessen wieder in neue Sedimentgesteine ​​umgewandelt.

Somit ist eine große Zirkulation auf die Wechselwirkung der solaren (exogenen) Energie mit der tiefen (endogenen) Energie der Erde zurückzuführen. Es verteilt Stoffe zwischen der Biosphäre und den tieferen Horizonten unseres Planeten neu.

Reis. 3. Große (geologische) Stoffzirkulation (dünne Pfeile) und Veränderung der Diversität in Erdkruste(durchgezogene breite Pfeile – Wachstum, unterbrochene Pfeile – Abnahme der Vielfalt)

Großer Kreis auch Wasserkreislauf zwischen Hydrosphäre, Atmosphäre und Lithosphäre genannt, der durch die Energie der Sonne angetrieben wird. Wasser verdunstet von der Oberfläche von Gewässern und Land und kehrt dann in Form von Niederschlag zur Erde zurück. Die Verdunstung übersteigt den Niederschlag über dem Ozean und umgekehrt über dem Land. Diese Unterschiede werden durch Flussflüsse ausgeglichen. Die Landvegetation spielt eine wichtige Rolle im globalen Wasserkreislauf. Die Transpiration von Pflanzen in bestimmten Bereichen der Erdoberfläche kann bis zu 80-90 % des hier fallenden Niederschlags ausmachen, im Durchschnitt aller Klimazonen etwa 30 %. Im Gegensatz zum großen Kreislauf findet der kleine Stoffkreislauf nur innerhalb der Biosphäre statt. Die Beziehung zwischen dem großen und dem kleinen Wasserkreislauf ist in Abb. dargestellt. 4.

Zyklen auf planetarischer Ebene entstehen aus unzähligen lokalen zyklischen Bewegungen von Atomen, die durch die lebenswichtige Aktivität von Organismen in einzelnen Ökosystemen angetrieben werden, und solchen Bewegungen, die durch die Wirkung von Landschafts- und geologischen Faktoren (Oberflächen- und Untergrundabfluss, Winderosion, Bewegung von …) verursacht werden Meeresboden, Vulkanismus, Gebirgsbildung usw. ).

Reis. 4. Zusammenhang zwischen dem großen geologischen Kreislauf (GBC) von Wasser und dem kleinen biogeochemischen Kreislauf (MBC) von Wasser

Im Gegensatz zu Energie, die einmal vom Körper verbraucht wird, in Wärme umgewandelt wird und verloren geht, zirkulieren Substanzen in der Biosphäre und erzeugen biogeochemische Kreisläufe. Von den mehr als neunzig in der Natur vorkommenden Elementen benötigen lebende Organismen etwa vierzig. Die wichtigsten für sie werden in großen Mengen benötigt – Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff. Die Kreisläufe von Elementen und Stoffen erfolgen durch selbstregulierende Prozesse, an denen alle Komponenten beteiligt sind. Diese Prozesse sind kein Abfall. Existiert das Gesetz der globalen Schließung des biogeochemischen Kreislaufs in der Biosphäre in allen Phasen seiner Entwicklung tätig. Im Evolutionsprozess der Biosphäre spielt die biologische Komponente eine Rolle bei der Schließung der biogeochemischen Komponente
wem der Zyklus. Der Mensch hat einen noch größeren Einfluss auf den biogeochemischen Kreislauf. Aber seine Rolle manifestiert sich in der entgegengesetzten Richtung (die Zirkulationen werden geöffnet). Grundlage des biogeochemischen Stoffkreislaufs ist die Energie der Sonne und das Chlorophyll grüner Pflanzen. Andere wichtige Kreisläufe – Wasser, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel – sind mit der Biogeochemie verbunden und tragen dazu bei.

Der Wasserkreislauf in der Biosphäre

Pflanzen nutzen während der Photosynthese Wasserwasserstoff, um organische Verbindungen aufzubauen und dabei molekularen Sauerstoff freizusetzen. Bei den Atmungsprozessen aller Lebewesen entsteht bei der Oxidation organischer Verbindungen wieder Wasser. In der Geschichte des Lebens hat das gesamte freie Wasser der Hydrosphäre wiederholt Zyklen der Zersetzung und Neubildung in der lebenden Materie des Planeten durchlaufen. Jährlich sind etwa 500.000 km 3 Wasser am Wasserkreislauf auf der Erde beteiligt. Der Wasserkreislauf und seine Reserven sind in Abb. dargestellt. 5 (relativ gesehen).

Der Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre

Dem Prozess der Photosynthese verdankt die Erde ihre einzigartige Atmosphäre mit einem hohen Gehalt an freiem Sauerstoff. Die Bildung von Ozon in den hohen Schichten der Atmosphäre steht in engem Zusammenhang mit dem Sauerstoffkreislauf. Sauerstoff wird aus Wassermolekülen freigesetzt und ist im Wesentlichen vorhanden Nebenprodukt Photosynthetische Aktivität von Pflanzen. Abiotisch entsteht Sauerstoff in der oberen Atmosphäre durch die Photodissoziation von Wasserdampf, aber diese Quelle macht nur ein Tausendstel Prozent des durch Photosynthese bereitgestellten Sauerstoffs aus. Zwischen dem Sauerstoffgehalt der Atmosphäre und der Hydrosphäre besteht ein bewegliches Gleichgewicht. Im Wasser ist es etwa 21-mal weniger.

Reis. Abb. 6. Schema des Sauerstoffkreislaufs: fette Pfeile – die Hauptflüsse der Sauerstoffversorgung und des Sauerstoffverbrauchs

Der freigesetzte Sauerstoff wird intensiv für die Atmungsprozesse aller aeroben Organismen und für die Oxidation verschiedener Mineralverbindungen aufgewendet. Diese Prozesse finden in der Atmosphäre, im Boden, im Wasser, im Schlick usw. statt Felsen. Es hat sich gezeigt, dass ein erheblicher Teil des in Sedimentgesteinen gebundenen Sauerstoffs photosynthetischen Ursprungs ist. Der Austauschfonds von O in der Atmosphäre beträgt nicht mehr als 5 % der gesamten Photosyntheseproduktion. Viele anaerobe Bakterien oxidieren bei der anaeroben Atmung auch organisches Material und nutzen dazu Sulfate oder Nitrate.

Für den vollständigen Abbau der von Pflanzen erzeugten organischen Substanz ist genau die gleiche Menge Sauerstoff erforderlich, die bei der Photosynthese freigesetzt wurde. Die Einbettung organischer Stoffe in Sedimentgestein, Kohlen und Torf diente als Grundlage für die Aufrechterhaltung des Sauerstoffaustauschfonds in der Atmosphäre. Der gesamte darin enthaltene Sauerstoff durchläuft in etwa 2000 Jahren einen vollständigen Zyklus durch lebende Organismen.

Derzeit wird ein erheblicher Teil des Luftsauerstoffs durch Verkehr, Industrie und andere Formen anthropogener Aktivitäten gebunden. Es ist bekannt, dass die Menschheit bereits mehr als 10 Milliarden Tonnen freien Sauerstoffs von den insgesamt 430 bis 470 Milliarden Tonnen, die sie durch Photosyntheseprozesse liefert, verbraucht. Wenn wir berücksichtigen, dass der Austauschfonds nur nicht erhält Großer Teil Photosynthetischer Sauerstoff beginnt die Aktivität des Menschen in dieser Hinsicht alarmierende Ausmaße anzunehmen.

Der Sauerstoffkreislauf ist eng mit dem Kohlenstoffkreislauf verbunden.

Der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre

Kohlenstoff als chemisches Element ist die Grundlage des Lebens. Er kann verschiedene Wege verbinden sich mit vielen anderen Elementen und bilden einfache und komplexe organische Moleküle, aus denen lebende Zellen bestehen. In Bezug auf die Verteilung auf dem Planeten nimmt Kohlenstoff den elften Platz ein (0,35 % des Gewichts der Erdkruste), aber in lebender Materie macht er durchschnittlich etwa 18 oder 45 % der trockenen Biomasse aus.

In der Atmosphäre ist Kohlenstoff in der Zusammensetzung von Kohlendioxid CO 2 enthalten, in geringerem Maße in der Zusammensetzung von Methan CH 4 . In der Hydrosphäre ist CO 2 in Wasser gelöst und sein Gesamtgehalt ist viel höher als in der Atmosphäre. Der Ozean dient als starker Puffer für die Regulierung von CO 2 in der Atmosphäre: Mit zunehmender Konzentration in der Luft nimmt die Aufnahme von Kohlendioxid durch Wasser zu. Einige der CO 2 -Moleküle reagieren mit Wasser unter Bildung von Kohlensäure, die dann in HCO 3 - und CO 2- 3 -Ionen dissoziiert. Diese Ionen reagieren mit Calcium- oder Magnesiumkationen, um Carbonate auszufällen. Ähnliche Reaktionen liegen dem Puffersystem des Ozeans zugrunde. den pH-Wert des Wassers konstant zu halten.

Kohlendioxid der Atmosphäre und Hydrosphäre ist ein Austauschmittel im Kohlenstoffkreislauf, aus dem es von Landpflanzen und Algen bezogen wird. Die Photosynthese liegt allen biologischen Kreisläufen auf der Erde zugrunde. Die Freisetzung von fixiertem Kohlenstoff erfolgt während der Atmungsaktivität der photosynthetischen Organismen selbst und aller Heterotrophen – Bakterien, Pilze, Tiere, die in der Nahrungskette enthalten sind – auf Kosten lebender oder toter organischer Stoffe.

Reis. 7. Kohlenstoffkreislauf

Besonders aktiv ist die Rückkehr von CO 2 aus dem Boden in die Atmosphäre, wo die Aktivität zahlreicher Organismengruppen konzentriert ist, die Überreste abgestorbener Pflanzen und Tiere zersetzt werden und die Atmung der Wurzelsysteme von Pflanzen erfolgt. Dieser integrale Prozess wird als „Bodenatmung“ bezeichnet und trägt wesentlich zur Wiederauffüllung des CO 2 -Austauschfonds in der Luft bei. Parallel zu den Mineralisierungsprozessen organischer Stoffe entsteht im Boden Humus – ein komplexer und stabiler kohlenstoffreicher Molekülkomplex. Bodenhumus ist einer der wichtigsten Kohlenstoffspeicher an Land.

Unter Bedingungen, unter denen die Aktivität von Zerstörern durch Umweltfaktoren gehemmt wird (z. B. wenn in Böden und am Grund von Gewässern ein anaerobes Regime herrscht), zersetzt sich die von der Vegetation angesammelte organische Substanz nicht und verwandelt sich im Laufe der Zeit in Gesteine ​​wie Kohle, Torf, Sapropel, Ölschiefer und andere, die reich an angesammelter Sonnenenergie sind. Sie füllen die Kohlenstoffreserven wieder auf und bleiben für lange Zeit vom biologischen Kreislauf abgeschaltet. Kohlenstoff wird auch vorübergehend in lebender Biomasse, in totem Müll, in gelöster organischer Substanz des Ozeans usw. abgelagert. Jedoch der Hauptreservefonds für Kohlenstoff beim Schreiben sind keine lebenden Organismen und keine brennbaren Fossilien, sondern Sedimentgesteine ​​sind Kalksteine ​​und Dolomite. Ihre Entstehung ist auch mit der Aktivität lebender Materie verbunden. Der Kohlenstoff dieser Karbonate bleibt lange Zeit im Erdinneren verborgen und gelangt erst bei der Erosion in den Kreislauf, wenn Gesteine ​​in tektonischen Zyklen freigelegt werden.

Nur Bruchteile eines Prozents des Kohlenstoffs auf der Erde nehmen am biogeochemischen Kreislauf teil. Atmosphärischer und hydrosphärischer Kohlenstoff durchdringt immer wieder lebende Organismen. Landpflanzen können ihre Reserven in der Luft in 4–5 Jahren erschöpfen, Reserven im Bodenhumus – in 300–400 Jahren. Die Hauptrückführung von Kohlenstoff in den Austauschfonds erfolgt durch die Aktivität lebender Organismen, und nur ein kleiner Teil davon (Tausendstel Prozent) wird durch die Freisetzung aus dem Erdinneren als Teil vulkanischer Gase ausgeglichen.

Gegenwärtig wird die Gewinnung und Verbrennung riesiger Reserven fossiler Brennstoffe zu einem wichtigen Faktor bei der Übertragung von Kohlenstoff aus der Reserve in den Austauschfonds der Biosphäre.

Stickstoffkreislauf in der Biosphäre

Die Atmosphäre und die lebende Materie enthalten weniger als 2 % des gesamten Stickstoffs auf der Erde, aber er ist es, der das Leben auf dem Planeten unterstützt. Stickstoff ist Teil der wichtigsten organischen Moleküle – DNA, Proteine, Lipoproteine, ATP, Chlorophyll usw. In Pflanzengeweben beträgt sein Verhältnis zu Kohlenstoff durchschnittlich 1:30 und in Algen I:6. Der biologische Kreislauf von Stickstoff ist daher auch eng mit Kohlenstoff verwandt.

Der molekulare Stickstoff der Atmosphäre steht Pflanzen nicht zur Verfügung, sie können dieses Element nur in Form von Ammoniumionen, Nitraten oder aus Boden- oder Wasserlösungen aufnehmen. Daher ist ein Mangel an Stickstoff oft ein Faktor, der die Primärproduktion einschränkt – die Arbeit von Organismen, die mit der Bildung organischer Substanzen aus anorganischen Substanzen verbunden sind. Dennoch ist Luftstickstoff aufgrund der Aktivität spezieller Bakterien (Stickstofffixierer) in großem Umfang am biologischen Kreislauf beteiligt.

Auch ammonisierende Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle im Stickstoffkreislauf. Sie zersetzen Proteine ​​und andere stickstoffhaltige organische Substanzen zu Ammoniak. In der Ammoniumform wird Stickstoff teilweise von den Wurzeln der Pflanzen resorbiert und teilweise von nitrifizierenden Mikroorganismen abgefangen, was den Funktionen einer Gruppe von Mikroorganismen – Denitrifizierern – entgegengesetzt ist.

Reis. 8. Stickstoffkreislauf

Unter anaeroben Bedingungen in Böden oder Gewässern nutzen sie den Sauerstoff von Nitraten, um organische Stoffe zu oxidieren und so Energie für ihre Lebenstätigkeit zu gewinnen. Stickstoff wird zu molekularem Stickstoff reduziert. Stickstofffixierung und Denitrifikation sind in der Natur annähernd ausgeglichen. Der Stickstoffkreislauf hängt somit überwiegend von der bakteriellen Aktivität ab, während Pflanzen in ihn eintreten, indem sie die Zwischenprodukte dieses Kreislaufs nutzen und durch die Produktion von Biomasse die Stickstoffzirkulation in der Biosphäre stark steigern.

Die Rolle von Bakterien im Stickstoffkreislauf ist so groß, dass das Leben auf unserem Planeten erlöschen würde, wenn nur 20 ihrer Arten zerstört würden.

Auch bei Niederschlägen während der atmosphärischen Ionisierung und bei Blitzentladungen kommt es zu einer nichtbiologischen Fixierung von Stickstoff und dem Eintrag seiner Oxide und Ammoniak in den Boden. Die moderne Düngemittelindustrie bindet Luftstickstoff über die natürliche Stickstofffixierung hinaus, um die Pflanzenproduktion zu steigern.

Gegenwärtig beeinflusst menschliches Handeln zunehmend den Stickstoffkreislauf, vor allem in der Richtung, dass seine Umwandlung in gebundene Formen über die Prozesse der Rückkehr in den molekularen Zustand hinausgeht.

Phosphorkreislauf in der Biosphäre

Dieses Element, das für die Synthese vieler organischer Substanzen, einschließlich ATP, DNA, RNA, notwendig ist, wird von Pflanzen nur in Form von Orthophosphorsäureionen (PO 3 4 +) aufgenommen. Es gehört zu den Elementen, die die Primärproduktion sowohl an Land als auch insbesondere im Meer begrenzen, da der Austauschfonds für Phosphor in Böden und Gewässern gering ist. Die Zirkulation dieses Elements auf der Skala der Biosphäre ist nicht geschlossen.

An Land ziehen Pflanzen Phosphate aus dem Boden, die von Zersetzern aus verrottenden organischen Rückständen freigesetzt werden. In alkalischen oder sauren Böden nimmt die Löslichkeit von Phosphorverbindungen jedoch stark ab. Die Hauptreserven an Phosphaten sind in Gesteinen enthalten, die in der geologischen Vergangenheit auf dem Meeresboden entstanden sind. Ein Teil dieser Reserven gelangt im Zuge der Gesteinsauswaschung in den Boden und wird in Form von Suspensionen und Lösungen in Gewässer ausgewaschen. In der Hydrosphäre werden Phosphate vom Phytoplankton genutzt und gelangen über Nahrungsketten zu anderen Hydrobionten. Im Ozean sind die meisten Phosphorverbindungen jedoch mit den Überresten von Tieren und Pflanzen am Boden vergraben, gefolgt von einem Übergang mit Sedimentgesteinen in einen großen geologischen Kreislauf. In der Tiefe verbinden sich gelöste Phosphate mit Kalzium und bilden Phosphorite und Apatite. In der Biosphäre gibt es tatsächlich einen unidirektionalen Phosphorfluss von den Gesteinen des Landes in die Tiefen des Ozeans, daher ist sein Austauschfonds in der Hydrosphäre sehr begrenzt.

Reis. 9. Phosphorkreislauf

Bodenvorkommen von Phosphoriten und Apatiten werden zur Herstellung von Düngemitteln genutzt. Der Eintrag von Phosphor in Süßwasser ist einer der Hauptgründe für ihre „Blüte“.

Schwefelkreislauf in der Biosphäre

Der Schwefelkreislauf, der für den Aufbau einer Reihe von Aminosäuren notwendig ist, ist für die dreidimensionale Struktur von Proteinen verantwortlich und wird in der Biosphäre von einer Vielzahl von Bakterien unterstützt. An einzelnen Gliedern dieses Kreislaufs sind aerobe Mikroorganismen beteiligt, die den Schwefel organischer Rückstände zu Sulfaten oxidieren, sowie anaerobe Sulfatreduzierer, die Sulfate zu Schwefelwasserstoff reduzieren. Zusätzlich zu den aufgeführten Gruppen von Schwefelbakterien oxidieren sie Schwefelwasserstoff zu elementarem Schwefel und weiter zu Sulfaten. Pflanzen nehmen nur SO 2-4-Ionen aus Boden und Wasser auf.

Der Ring in der Mitte veranschaulicht die Oxidations- (O) und Reduktionsprozesse (R), die Schwefel zwischen dem verfügbaren Sulfatpool und dem Eisensulfidpool tief im Boden und Sediment austauschen.

Reis. 10. Schwefelkreislauf. Der Ring in der Mitte veranschaulicht die Oxidations- (0) und Reduktionsprozesse (R), die Schwefel zwischen dem verfügbaren Sulfatpool und dem Eisensulfidpool tief im Boden und Sediment austauschen.

Die Hauptanreicherung von Schwefel findet im Ozean statt, wo Sulfationen kontinuierlich vom Land mit Flussabflüssen zugeführt werden. Wenn Schwefelwasserstoff aus dem Wasser freigesetzt wird, gelangt Schwefel teilweise wieder in die Atmosphäre, wo er zu Kohlendioxid oxidiert und im Regenwasser zu Schwefelsäure wird. Durch die industrielle Nutzung großer Mengen an Sulfaten und elementarem Schwefel sowie die Verbrennung fossiler Brennstoffe werden große Mengen Schwefeldioxid in die Atmosphäre freigesetzt. Dies schadet der Vegetation, Tieren und Menschen und dient als Quelle für sauren Regen, der die negativen Auswirkungen menschlicher Eingriffe in den Schwefelkreislauf verstärkt.

Die Umlaufgeschwindigkeit von Stoffen

Alle Stoffkreisläufe laufen unterschiedlich schnell ab (Abb. 11)

Somit werden die Kreisläufe aller biogenen Elemente auf dem Planeten durch ein komplexes Zusammenspiel unterstützt verschiedene Teile. Sie entstehen durch die Aktivität von Gruppen von Organismen mit unterschiedlichen Funktionen, durch das System des Abflusses und der Verdunstung, das Ozean und Land verbindet, durch die Zirkulationsprozesse von Wasser- und Luftmassen, durch die Wirkung von Gravitationskräften, durch die Tektonik der Lithosphärenplatte, und durch andere großräumige geologische und geophysikalische Prozesse.

Die Biosphäre fungiert als ein einziges komplexes System, in dem verschiedene Stoffkreisläufe ablaufen. Der Hauptmotor davon Zyklen ist die lebende Substanz des Planeten, aller lebenden Organismen, Bereitstellung von Prozessen der Synthese, Umwandlung und Zersetzung organischer Stoffe.

Reis. 11. Die Zirkulationsrate von Stoffen (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Grundlage des ökologischen Weltbildes ist die Vorstellung, dass jedes Lebewesen von vielen verschiedenen Einflussfaktoren umgeben ist, die zusammen seinen Lebensraum – ein Biotop – bilden. Somit, Biotop - ein Stück Territorium, das hinsichtlich der Lebensbedingungen für bestimmte Pflanzen- oder Tierarten homogen ist(Hang einer Schlucht, städtischer Waldpark, kleiner See oder Teil eines großen, aber mit homogenen Bedingungen - Küstenteil, Tiefwasserteil).

Für ein bestimmtes Biotop charakteristische Organismen sind Lebensgemeinschaft oder Biozönose(Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen des Sees, der Wiese, des Küstenstreifens).

Die Lebensgemeinschaft (Biozönose) bildet mit ihrem sogenannten Biotop ein Ganzes Ökosystem (Ökosystem). Als Beispiele für natürliche Ökosysteme können ein Ameisenhaufen, ein See, ein Teich, eine Wiese, ein Wald, eine Stadt oder ein Bauernhof dienen. Ein klassisches Beispiel für ein künstliches Ökosystem ist Raumschiff. Wie Sie sehen, gibt es hier keine strenge räumliche Struktur. Dem Konzept eines Ökosystems kommt das Konzept nahe Biogeozänose.

Die Hauptbestandteile von Ökosystemen sind:

• unbelebte (abiotische) Umgebung. Dies sind Wasser, Mineralien, Gase sowie organische Stoffe und Humus;
• biotische Komponenten. Dazu gehören: Produzenten oder Produzenten (grüne Pflanzen), Konsumenten oder Konsumenten (Lebewesen, die sich von Produzenten ernähren) und Zersetzer oder Zersetzer (Mikroorganismen).

Die Natur ist äußerst sparsam. So wird die von Organismen erzeugte Biomasse (die Substanz der Körper von Organismen) und die darin enthaltene Energie auf andere Mitglieder des Ökosystems übertragen: Tiere fressen Pflanzen, diese Tiere werden von anderen Tieren gefressen. Dieser Vorgang wird aufgerufen Nahrungskette oder trophische Kette. In der Natur überschneiden sich Nahrungsketten oft, ein Nahrungsnetz bilden.

Beispiele für Nahrungsketten: Pflanze – Pflanzenfresser – Raubtier; Getreide - Feldmaus - Fuchs usw. und das Nahrungsnetz sind in Abb. dargestellt. 12.

Somit basiert der Gleichgewichtszustand in der Biosphäre auf dem Zusammenspiel biotischer und abiotischer Umweltfaktoren, der durch den kontinuierlichen Stoff- und Energieaustausch zwischen allen Komponenten von Ökosystemen aufrechterhalten wird.

In geschlossenen Kreisläufen natürlicher Ökosysteme ist unter anderem die Beteiligung zweier Faktoren zwingend erforderlich: das Vorhandensein von Zersetzern und die ständige Versorgung mit Sonnenenergie. In städtischen und künstlichen Ökosystemen gibt es nur wenige oder keine Zersetzer, sodass sich flüssige, feste und gasförmige Abfälle ansammeln und die Umwelt verschmutzen.

Reis. 12. Nahrungsnetz und Richtung des Stoffflusses

Die Biosphäre ist die äußere Hülle unseres Planeten, in ihr finden die wichtigsten Prozesse statt, einer seiner Hauptgeosphären. Der Stoffkreislauf in der Biosphäre war und ist seit vielen Jahrhunderten Gegenstand intensiver Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Dank der Stoffzirkulation entsteht ein globaler chemischer Austausch für alles Leben auf der Erde, der die lebenswichtige Aktivität jeder einzelnen Art unterstützt.

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Zwei Wirbel

Es gibt zwei Hauptzyklen:

1. geologisch wird es auch groß genannt,
2. biologisch, er ist klein.

Die Geologie ist von globaler Bedeutung, da sie Substanzen zwischen den Wasserressourcen der Erde und dem Land auf dem Planeten zirkuliert. Es sorgt für eine weltweite Wasserzirkulation, die jedem Schulkind bekannt ist: Niederschlag, Verdunstung, Niederschlag, also ein bestimmtes Muster.

Der systembildende Faktor ist dabei Wasser in all seinen Aggregatzuständen. Der vollständige Zyklus dieser Aktion ermöglicht es, die Entstehung von Organismen, ihre Entwicklung, Fortpflanzung und Evolution durchzuführen. Der Algorithmus eines großen Kreislaufs des Stoffumsatzes sorgt neben der Sättigung von Landflächen mit Feuchtigkeit für die Bildung anderer Naturphänomen: Formationen aus Sedimentgesteinen, Mineralien, magmatischen Laven und Mineralien.

Der biologische Kreislauf ist ein ständiger Stoffaustausch zwischen lebenden Organismen und Bestandteilen natürlicher Bestandteile. Dies geschieht auf diese Weise: Lebende Organismen erhalten Energieströme, und dann gelangt die Energie durch den Zersetzungsprozess organischer Materie wieder in die Elemente der Umwelt.

Der Kreislauf organischer Stoffe ist direkt für den Stoffaustausch zwischen Vertretern der Flora, Fauna, Mikroorganismen, Bodengesteinen usw. verantwortlich. Der biologische Kreislauf findet auf verschiedenen Ebenen des Ökosystems statt und bildet eine Art Umsatz chemische Reaktionen und verschiedene Energieumwandlungen in der Biosphäre. Ein solches System entstand vor vielen Jahrtausenden und funktionierte die ganze Zeit über auf die gleiche Weise.

Wesentliche Elemente

Es gibt viele chemische Elemente in der Natur, jedoch sind nicht so viele davon für das Leben in der Natur notwendig. Es gibt vier Hauptelemente:

1. Sauerstoff,
2. Wasserstoff,
3. Kohlenstoff,
4. Stickstoff.

Die Menge dieser Stoffe nimmt mehr als die Hälfte des gesamten biologischen Stoffkreislaufs in der Natur ein. Es gibt auch wichtige Elemente, die jedoch in viel kleineren Mengen verwendet werden. Dies sind Phosphor, Schwefel, Eisen und einige andere.

Biogeochemische Kreisläufe werden in zwei wichtige Vorgänge unterteilt, wie die Produktion von Sonnenenergie durch die Sonne und Chlorophyll durch grüne Pflanzen. Chemische Elemente hingegen haben zwangsläufig Berührungspunkte mit dem Biogeochemischen und ergänzen diesen Vorgang ganz nebenbei.

Kohlenstoff

Dieses chemische Element ist der wichtigste Bestandteil jeder lebenden Zelle, jedes Organismus oder Mikroorganismus. Organische Kohlenstoffverbindungen können mit Sicherheit als Hauptbestandteil der Möglichkeit des Lebensflusses und der Entwicklung bezeichnet werden.

In der Natur kommt dieses Gas in den Atmosphärenschichten und teilweise in der Hydrosphäre vor. Von ihnen wird allen Pflanzen, Algen und einigen Mikroorganismen Kohlenstoff zugeführt.

Die Freisetzung von Gas erfolgt durch die Atmung und die lebenswichtige Aktivität lebender Organismen. Darüber hinaus wird die Kohlenstoffmenge in der Biosphäre durch den Gasaustausch der Wurzelsysteme von Pflanzen, verrottenden Rückständen und anderen Organismengruppen auch aus den Bodenschichten wieder aufgefüllt.

Der Kohlenstoffaustausch ist aus dem Konzept der Biosphäre und des biologischen Kreislaufs nicht mehr wegzudenken. Auf der Erde gibt es einen festen Vorrat dieses chemischen Elements und es kommt in einigen Sedimentgesteinen, unbelebten Organismen und Fossilien vor.

Kohlenstoffeinträge sind aus unterirdischen Kalksteingesteinen möglich, sie können beim Bergbau oder durch unfallbedingte Bodenerosion freigelegt werden.

Der Kohlenstoffumsatz in der Biosphäre erfolgt durch Mehrfachdurchgang Atmungssysteme lebende Organismen und Anreicherung in den abiotischen Faktoren des Ökosystems.

Phosphor

Phosphor ist als Bestandteil der Biosphäre in reiner Form nicht so wertvoll wie in vielen organischen Verbindungen. Einige davon sind lebenswichtig: Dies sind zunächst DNA-, PKN- und ATP-Zellen. Das Schema des Phosphorkreislaufs basiert genau auf der Orthophosphorverbindung, da diese Art von Stoff am besten absorbiert wird.

Die Rotation von Phosphor in der Biosphäre besteht grob gesagt aus zwei Teilen:

1. der Wasserteil des Planeten – von der Verarbeitung durch primitives Plankton bis zur Ablagerung in Form von Meeresfischskeletten,
2. terrestrische Umwelt – hier ist es am stärksten in Form von Bodenelementen konzentriert.

Phosphor ist die Basis eines so bekannten Minerals wie Apatit. Die Entwicklung von Minen mit phosphorhaltigen Mineralien erfreut sich großer Beliebtheit, allerdings unterstützt dieser Umstand den Phosphorkreislauf in der Biosphäre keineswegs, sondern erschöpft im Gegenteil dessen Reserven.

Stickstoff

Das chemische Element Stickstoff ist auf dem Planeten in geringen Mengen vorhanden. Sein ungefährer Gehalt an lebenden Elementen beträgt nur etwa zwei Prozent. Aber ohne sie ist Leben auf dem Planeten nicht möglich.

Im Stickstoffkreislauf der Biosphäre spielen bestimmte Bakterienarten eine entscheidende Rolle. Einen großen Anteil daran haben stickstofffixierende und ammonisierende Mikroorganismen. Ihre Beteiligung an diesem Algorithmus ist so bedeutend, dass die Wahrscheinlichkeit von Leben auf der Erde in Frage gestellt wäre, wenn einige Vertreter dieser Arten verschwinden würden.

Der Punkt hierbei ist, dass dieses Element in molekularer Form, wie es in den atmosphärischen Schichten aussieht, von Pflanzen nicht aufgenommen werden kann. Um die Zirkulation von Stickstoff in der Biosphäre sicherzustellen, ist es daher notwendig, ihn zu Ammoniak oder Ammonium zu verarbeiten. Das Schema des Stickstoffrecyclings ist somit vollständig von der Aktivität der Bakterien abhängig.

Auch der Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre nimmt einen wichtigen Teil des Stickstoffkreislaufs im Ökosystem ein – beide Kreisläufe sind eng miteinander verbunden.

Moderne Düngemittelproduktionsprozesse und andere industrielle Faktoren haben großen Einfluss auf den Gehalt an Luftstickstoff – in manchen Gebieten wird dieser um ein Vielfaches überschritten.

Sauerstoff

In der Biosphäre findet ständig der Stoffkreislauf und die Umwandlung von Energie von einer Art in eine andere statt. Der wichtigste Zyklus in dieser Hinsicht ist die Funktion der Photosynthese. Durch die Photosynthese wird der Luftraum mit freiem Sauerstoff versorgt, der bestimmte Schichten der Atmosphäre ozonisieren kann.

Während des Wasserkreislaufs in der Biosphäre wird auch Sauerstoff aus Wassermolekülen freigesetzt. Allerdings ist dieser abiotische Faktor des Vorhandenseins dieses Elements im Vergleich zu der Menge, die Pflanzen produzieren, vernachlässigbar.

Der Sauerstoffkreislauf in der Biosphäre ist ein langer, aber sehr intensiver Prozess. Wenn wir das gesamte Volumen dieses chemischen Elements in der Atmosphäre berücksichtigen, dauert sein vollständiger Zyklus vom Abbau organischer Stoffe bis zur Freisetzung durch eine Pflanze während der Photosynthese etwa zweitausend Jahre! Dieser Zyklus hat keine Pausen, er findet jeden Tag, jedes Jahr, viele Jahrtausende lang statt.

Heutzutage wird im Stoffwechsel durch Industrieabgase, Verkehrsabgase und andere Luftschadstoffe eine erhebliche Menge an freiem Sauerstoff gebunden.

Wasser

Das Konzept der Biosphäre und des biologischen Stoffkreislaufs ist ohne eine so wichtige chemische Verbindung wie Wasser kaum vorstellbar. Vielleicht ist es nicht nötig zu erklären, warum. Das Muster der Wasserzirkulation ist überall: Alle lebenden Organismen bestehen zu drei Vierteln aus Wasser. Pflanzen benötigen es für die Photosynthese, bei der Sauerstoff freigesetzt wird. Auch beim Atmen entsteht Wasser. Betrachtet man kurz die gesamte Lebens- und Entwicklungsgeschichte unseres Planeten, dann wurde der komplette Kreislauf des Wassers in der Biosphäre, vom Zerfall bis zur Neubildung, tausende Male durchlaufen.

Da in der Biosphäre ein ständiger Stoffkreislauf und eine Energieumwandlung von einem zum anderen stattfindet, ist die Umwandlung von Wasser untrennbar mit fast allen anderen Kreisläufen und Umsätzen in der Natur verbunden.

Schwefel

Als chemisches Element spielt Schwefel eine wichtige Rolle beim Aufbau der korrekten Struktur des Proteinmoleküls. Der Schwefelkreislauf ist auf viele Arten von Protozoen bzw. Bakterien zurückzuführen. Aerobe Bakterien oxidieren den in der organischen Substanz enthaltenen Schwefel zu Sulfaten, und dann vervollständigen andere Bakterienarten den Prozess der Oxidation zu elementarem Schwefel. Ein vereinfachtes Schema, mit dem der Schwefelkreislauf in der Biosphäre beschrieben werden kann, sieht aus wie ein kontinuierlicher Prozess der Oxidation und Reduktion.

Bei der Stoffzirkulation in der Biosphäre kommt es zur Anreicherung von Schwefelrückständen in den Ozeanen. Die Quellen dieses chemischen Elements sind Abflüsse Flussgewässer, die Schwefel mit Wasserströmen aus Böden und Berghängen transportieren. Schwefel gelangt in Form von Schwefelwasserstoff aus Fluss- und Grundwasser, gelangt teilweise in die Atmosphäre und gelangt von dort über die Einbindung in den Stoffkreislauf als Teil des Regenwassers wieder zurück.

Schwefelsulfate, einige Arten brennbarer Abfälle und ähnliche Emissionen führen zwangsläufig zu einem erhöhten Schwefeldioxidgehalt in der Atmosphäre. Die Folgen davon sind beklagenswert: saurer Regen, Atemwegserkrankungen, Zerstörung der Vegetation und andere. Die Umwandlung von Schwefel, die ursprünglich für das normale Funktionieren des Ökosystems gedacht war, wird heute zu einer Waffe zur Zerstörung lebender Organismen.

Eisen

Reines Eisen kommt in der Natur sehr selten vor. Grundsätzlich findet man es beispielsweise in den Überresten von Meteoriten. Dieses Metall ist an sich weich und formbar, reagiert jedoch an der Luft sofort mit Sauerstoff und bildet Oxide und Oxide. Daher ist Eisenerz die Hauptart eisenhaltiger Substanzen.

Es ist bekannt, dass der Stoffkreislauf in der Biosphäre in Form verschiedener Verbindungen erfolgt, auch Eisen hat in der Natur einen aktiven Kreislauf. Ferrum gelangt aus Gesteinen oder zusammen mit Vulkanasche in die Bodenschichten oder in den Weltozean.

In der Tierwelt spielt Eisen eine entscheidende Rolle; ohne es findet der Prozess der Photosynthese nicht statt und es wird kein Chlorophyll gebildet. In lebenden Organismen wird Eisen zur Bildung von Hämoglobin verwendet. Nach Abschluss seines Kreislaufs gelangt es in Form organischer Rückstände in den Boden.

Auch in der Biosphäre gibt es einen marinen Eisenkreislauf. Sein Grundprinzip ähnelt dem Grundprinzip. Einige Arten von Organismen oxidieren Eisen; Hier und nach der Fertigstellung wird Energie verbraucht Lebenszyklus Metall setzt sich in Form von Erz in den Wassertiefen ab.

Bakterien, Organismen, die an den natürlichen Kreisläufen des Ökosystems beteiligt sind

Der Stoff- und Energiekreislauf in der Biosphäre ist ein kontinuierlicher Prozess, der durch seinen unterbrechungsfreien Betrieb das Leben auf der Erde sichert. Die Grundlagen dieses Kreislaufs sind schon Schulkindern bekannt: Pflanzen, die sich von Kohlendioxid ernähren, geben Sauerstoff ab, Tiere und Menschen atmen Sauerstoff ein und verlassen ihn Kohlendioxid als Produkt des Atmungsprozesses. Die Aufgabe von Bakterien und Pilzen besteht darin, die Überreste lebender Organismen zu verarbeiten und sie von organischer Substanz in Mineralien umzuwandeln, die schließlich von Pflanzen aufgenommen werden.

Welche Funktion hat der biologische Stoffkreislauf? Die Antwort ist einfach: Denn das Angebot an chemischen Elementen und Mineralien auf dem Planeten ist zwar umfangreich, aber immer noch begrenzt. Notwendig ist ein zyklischer Prozess der Transformation und Umwälzung aller wichtigen Bestandteile der Biosphäre. Das Konzept der Biosphäre und des biologischen Stoffwechsels definiert die ewige Dauer von Lebensprozessen auf der Erde.

Es ist zu beachten, dass Mikroorganismen in dieser Angelegenheit eine sehr wichtige Rolle spielen. Beispielsweise ist der Phosphorkreislauf ohne nitrifizierende Bakterien nicht möglich, die oxidativen Prozesse des Eisens funktionieren ohne Eisenbakterien nicht. Knöllchenbakterien spielen eine wichtige Rolle im natürlichen Stickstoffumsatz – ohne sie würde ein solcher Kreislauf einfach zum Stillstand kommen. Im Stoffkreislauf der Biosphäre sind Schimmelpilze eine Art Ordnungshüter, der organische Rückstände in mineralische Bestandteile zersetzt.

Jede Klasse von Organismen, die den Planeten bewohnen, spielt eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung bestimmter chemischer Elemente und trägt zum Konzept der Biosphäre und des biologischen Kreislaufs bei. Das primitivste Beispiel für die Hierarchie der Tierwelt ist die Nahrungskette, allerdings gibt es in lebenden Organismen viel mehr Funktionen und das Ergebnis ist globaler.

Tatsächlich ist jeder Organismus ein Bestandteil eines Biosystems. Damit der Stoffumsatz in der Biosphäre zyklisch und korrekt funktioniert, ist es wichtig, ein Gleichgewicht zwischen der in die Biosphäre gelangenden Stoffmenge und der Menge, die Mikroorganismen verarbeiten können, aufrechtzuerhalten. Leider wird dieser Prozess mit jedem weiteren Zyklus in der Natur aufgrund menschlicher Eingriffe zunehmend gestört. Umweltprobleme werden zu globalen Problemen des Ökosystems und die Wege zu ihrer Lösung sind finanziell kostspielig, noch teurer, wenn man sie unter dem Gesichtspunkt des Ablaufs natürlicher Prozesse beurteilt.

Frage 1. Was ist die Hauptfunktion der Biosphäre?

Die Hauptfunktion der Biosphäre besteht darin, die Zirkulation chemischer Elemente sicherzustellen, die sich in der Stoffzirkulation zwischen Atmosphäre, Boden, Hydrosphäre und lebenden Organismen ausdrückt.

Frage 2. Erzählen Sie uns etwas über den Wasserkreislauf in der Natur.

Wasser verdunstet und wird durch Luftströmungen über weite Strecken transportiert. Als Niederschlag auf die Landoberfläche fallend, trägt es zur Zerstörung von Gesteinen bei, macht es für Pflanzen und Mikroorganismen zugänglich, erodiert die obere Bodenschicht und gelangt zusammen mit darin gelösten chemischen Verbindungen und suspendierten organischen Partikeln in die Meere und Ozeane . Die Wasserzirkulation zwischen Ozean und Land ist ein wesentliches Glied für die Erhaltung des Lebens auf der Erde.

Frage 3. Sind lebende Organismen am Wasserkreislauf beteiligt? Wenn ja, vervollständigen Sie das in Abbildung 113 dargestellte Diagramm und geben Sie darauf die Beteiligung lebender Organismen am Zyklus an.

Pflanzen nehmen auf zwei Arten am Wasserkreislauf teil: Sie entziehen dem Boden Wasser und verdunsten es in die Atmosphäre; Ein Teil des Wassers in Pflanzenzellen wird bei der Photosynthese abgebaut. Dabei wird Wasserstoff in Form organischer Verbindungen fixiert und Sauerstoff gelangt in die Atmosphäre.

Tiere verbrauchen Wasser, um das osmotische und Salzgleichgewicht im Körper aufrechtzuerhalten, und geben es zusammen mit Stoffwechselprodukten an die äußere Umgebung ab.

Frage 4. Welche Organismen nehmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf?

Bei der Photosynthese nutzen grüne Pflanzen Kohlendioxid und Wasserstoff aus Wasser, um organische Verbindungen zu synthetisieren, und der freigesetzte Sauerstoff gelangt in die Atmosphäre.

Frage 5. Wie wird fixierter Kohlenstoff in die Atmosphäre zurückgeführt?

Verschiedene Tiere und Pflanzen atmen Sauerstoff und das Endprodukt der Atmung, CO2, wird in die Atmosphäre abgegeben.

Frage 6. Zeichnen Sie ein Diagramm des Stickstoffkreislaufs in der Natur.

Frage 7. Denken Sie darüber nach und geben Sie Beispiele dafür, wie Mikroorganismen eine wichtige Rolle im Schwefelkreislauf spielen.

Schwefelverbindungen mit Metallen tief im Boden und in marinen Sedimentgesteinen – Sulfide – werden von Mikroorganismen in eine zugängliche Form – Sulfate – umgewandelt, die von Pflanzen aufgenommen werden. Mit Hilfe von Bakterien werden separate Oxidations-Reduktions-Reaktionen durchgeführt. Tief liegende Sulfate werden zu H2S reduziert, das aufsteigt und von aeroben Bakterien zu Sulfaten oxidiert wird. Die Zersetzung der Leichen von Tieren oder Pflanzen sorgt für die Rückführung von Schwefel in den Kreislauf.

Frage 8. Die Ernährung jeder Person muss Fischgerichte enthalten. Erklären Sie, warum dies wichtig ist.

Ungefähr 60.000 Tonnen elementarer Phosphor werden zusammen mit den gefangenen Fischen wieder an Land gebracht. 70 % des gesamten Phosphors, der in unserem Körper enthalten ist, ist in Knochen und Zähnen konzentriert. Zusammen mit Kalzium sorgt es für die richtige Struktur der Knochen und sorgt für deren mechanische Festigkeit. Als ideales Verhältnis von Phosphor und Kalzium gelten 1 zu 2 oder 3 zu 4. Und wenn sie beispielsweise gleich sind, wird der Knochen, der allmählich Kalzium verliert, hart, aber auf den ersten Blick spröde wie Glas ist ziemlich hart, kann aber gleichzeitig leicht zerbrechen.

Phosphor ist der Hauptenergieträger, er ist Bestandteil von Adenosintriphosphat (kurz ATP), das vom Blut aufgenommen wird und Energie an alle Zellen liefert, die es benötigen.

Frage 9. Besprechen Sie im Unterricht, wie sich der Stoffkreislauf in der Natur ändern würde, wenn alle lebenden Organismen auf dem Planeten verschwinden würden.

Alle lebenden Organismen sind am Stoffkreislauf beteiligt, indem sie einige Stoffe aus der äußeren Umgebung aufnehmen und andere an diese abgeben. So nehmen Pflanzen Kohlendioxid, Wasser und Mineralsalze aus der äußeren Umgebung auf und geben Sauerstoff an diese ab. Tiere atmen den von Pflanzen freigesetzten Sauerstoff ein, und wenn sie ihn fressen, nehmen sie organische Substanzen auf, die aus Wasser und Kohlendioxid synthetisiert werden, und geben Kohlendioxid, Wasser und Substanzen aus dem unverdauten Teil der Nahrung ab. Bei der Zersetzung abgestorbener Pflanzen und Tiere durch Bakterien und Pilze entsteht zusätzlich Kohlendioxid und organische Stoffe werden in Mineralien umgewandelt, die in den Boden gelangen und von den Pflanzen wieder aufgenommen werden. Somit wandern die Atome der wichtigsten chemischen Elemente ständig von einem Organismus zum anderen, vom Boden, der Atmosphäre und der Hydrosphäre zu lebenden Organismen und von ihnen in die Umwelt und ergänzen so die unbelebte Substanz der Biosphäre. Diese Vorgänge wiederholen sich unendlich oft. So gelangt beispielsweise der gesamte Luftsauerstoff in zweitausend Jahren durch lebende Materie, das gesamte Kohlendioxid in 200 bis 300 Jahren.

Die kontinuierliche Zirkulation chemischer Elemente in der Biosphäre auf mehr oder weniger geschlossenen Wegen wird als biogeochemischer Kreislauf bezeichnet. Die Notwendigkeit einer solchen Zirkulation erklärt sich aus der begrenzten Verfügbarkeit ihrer Reserven auf dem Planeten. Um die Unendlichkeit des Lebens zu gewährleisten, chemische Elemente muss sich im Kreis bewegen. Mit dem Verschwinden lebender Organismen würde es zu Störungen im Stoff- und Energiekreislauf und in der Folge zum Absterben der Biosphäre kommen.

Viele enzymatische Reaktionen finden in lebenden Zellen statt. Wir fassen die Gesamtheit dieser Reaktionen zusammen allgemeines Konzept Stoffwechsel, aber es wäre falsch zu glauben, dass die Zelle nichts anderes als ein Membranbeutel ist, in dem Enzyme auf zufällige, ungeordnete Weise wirken. Der Stoffwechsel ist eine hochgradig koordinierte und zielgerichtete Zellaktivität, die durch die Beteiligung vieler miteinander verbundener Multienzymsysteme gewährleistet wird. Es erfüllt vier spezifische Funktionen: 1) die Bereitstellung chemischer Energie, die durch die Spaltung energiereicher Nährstoffe, die aus der Umwelt in den Körper gelangen, oder durch Umwandlung der aufgenommenen Energie aus dem Sonnenlicht gewonnen wird; 2) die Umwandlung von Nahrungsmolekülen in Bausteine, die später von der Zelle zum Aufbau von Makromolekülen verwendet werden; 3) Zusammenbau von Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden, Polysacchariden und anderen zellulären Komponenten aus diesen Bausteinen; 4) Synthese und Zerstörung jener Biomoleküle, die zur Erfüllung spezifischer Funktionen einer bestimmten Zelle erforderlich sind.

Obwohl der Stoffwechsel aus Hunderten verschiedener enzymatischer Reaktionen besteht, gibt es nur wenige zentrale Stoffwechselwege, die uns normalerweise am meisten interessieren, und sie sind grundsätzlich bei allen Lebewesen gleich. In diesem Übersichtskapitel betrachten wir die Quellen von Stoffen und Energie für den Stoffwechsel, die zentralen Stoffwechselwege, die für die Synthese und den Abbau wichtiger Zellbestandteile verwendet werden, die Mechanismen, die bei der Übertragung chemischer Energie beteiligt sind, und schließlich jene experimentellen Ansätze, die dies ermöglichen werden zur Untersuchung von Stoffwechselwegen eingesetzt.

13.1. Lebende Organismen nehmen am Kohlenstoff- und Sauerstoffkreislauf teil

Wir beginnen unsere Betrachtung mit den makroskopischen Aspekten des Stoffwechsels, mit der allgemeinen Stoffwechselinteraktion zwischen lebenden Organismen der Biosphäre. Alle lebenden Organismen lassen sich in zwei große Gruppen einteilen, abhängig von der chemischen Form, in der sie Kohlenstoff aus der Umwelt aufnehmen können. Autotrophe Zellen („Selbsternährung“) können atmosphärischen Kohlenstoff als einzige Kohlenstoffquelle nutzen, aus dem sie alle ihre kohlenstoffhaltigen Biomoleküle aufbauen.

Zu dieser Gruppe gehören photosynthetische Bakterien und Blattzellen grüner Pflanzen. Einige Autotrophe, wie zum Beispiel Cyanobakterien, können auch Luftstickstoff für die Synthese aller ihrer stickstoffhaltigen Bestandteile nutzen. Heterotrophe Zellen („Ernährung auf Kosten anderer“) sind nicht in der Lage, Atmosphäre zu absorbieren; sie müssen Kohlenstoff in Form ausreichend komplexer organischer Verbindungen, wie beispielsweise Glucose, aufnehmen. Zu den Heterotrophen zählen Zellen höherer Tiere und die meisten Mikroorganismen. Autotrophe Zellen, die sich mit allem Lebensnotwendigen versorgen, verfügen über eine gewisse Unabhängigkeit, während Heterotrophe, die komplexe Kohlenstoffquellen benötigen, sich von den Abfallprodukten anderer Zellen ernähren.

Es gibt einen weiteren wichtigen Unterschied zwischen diesen beiden Gruppen. Viele autotrophe Organismen betreiben Photosynthese, das heißt, sie haben die Fähigkeit, die Energie des Sonnenlichts zu nutzen, während heterotrophe Zellen die benötigte Energie durch den Abbau organischer Verbindungen gewinnen, die von Autotrophen produziert werden. In der Biosphäre koexistieren Autotrophe und Heterotrophe als Teilnehmer eines einzigen gigantischen Zyklus, in dem autotrophe Organismen organische Biomoleküle aus der Atmosphäre aufbauen und einige von ihnen Sauerstoff an die Atmosphäre abgeben. Heterotrophe nutzen die von Autotrophen produzierten organischen Produkte als Nahrung und geben sie an die Atmosphäre ab. Auf diese Weise findet eine kontinuierliche Zirkulation von Kohlenstoff und Sauerstoff zwischen der Tier- und Pflanzenwelt statt. Die Energiequelle für diesen kolossalen Prozess ist Sonnenlicht (Abb. 13-1).

Autotrophe und heterotrophe Organismen lassen sich wiederum in Unterklassen einteilen. Es gibt beispielsweise zwei große Unterklassen von Heterotrophen: Aerobier und Anaerobier. Aerobier leben in einer sauerstoffhaltigen Umgebung und oxidieren organische Nährstoffe mit molekularem Sauerstoff.

Reis. 13-1. Der Kreislauf von Kohlendioxid und der Kreislauf von Sauerstoff zwischen zwei Regionen der Biosphäre der Erde, der Photosynthese und der Heterotrophe. Das Ausmaß dieses Zyklus ist enorm. Ein Jahr lang zirkuliert es in der Biosphäre mehr als Kohlenstoff. Das Gleichgewicht zwischen Bildung und Konsum ist einer der wichtigen Faktoren, die das Klima auf der Erde bestimmen. Durch die zunehmende Verbrennung von Kohle und Öl ist der Gehalt in der Atmosphäre in den letzten 100 Jahren um etwa 25 % gestiegen. Einige Wissenschaftler argumentieren, dass eine weitere Zunahme der atmosphärischen Menge einen Anstieg der Durchschnittstemperatur der Atmosphäre („Treibhaus“) mit sich bringen würde; Damit sind jedoch nicht alle einverstanden, da es schwierig ist, die genauen Mengen zu bestimmen, die in der Biosphäre gebildet und in wiederholten Zyklen beteiligt sind sowie von den Ozeanen aufgenommen werden. Es dauert etwa 300 Jahre, bis die gesamte Atmosphäre durch die Pflanzen gelangt.

Anaerobier benötigen keinen Sauerstoff, um Nährstoffe zu oxidieren; Sie leben in einer sauerstofffreien Umgebung. Viele Zellen, wie zum Beispiel Hefe, können sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen existieren. Solche Organismen werden fakultative Anaerobier genannt. Für obligate Anaerobier, die keinen Sauerstoff verwerten können, ist letzterer jedoch ein Gift. Dies sind beispielsweise Organismen, die tief im Boden oder darauf leben Meeresboden. Die meisten heterotrophen Zellen, insbesondere höhere Zellen, sind fakultativ anaerob, nutzen jedoch in Gegenwart von Sauerstoff aerobe Stoffwechselwege, um Nährstoffe zu oxidieren.

Im selben Organismus können verschiedene Zellgruppen unterschiedlichen Klassen angehören.

Beispielsweise sind in höheren Pflanzen grüne, Chlorophyll enthaltende Blattzellen photosynthetische Autotrophe und Chlorophyll-freie Wurzelzellen Heterotrophe. Darüber hinaus führen die grünen Zellen der Blätter nur tagsüber eine autotrophe Existenz. Nachts fungieren sie als Heterotrophe und gewinnen die Energie, die sie benötigen, indem sie die von ihnen im Licht synthetisierten Kohlenhydrate oxidieren.

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Der Stoffkreislauf in der Biosphäre

Die Grundlage für ein autarkes Leben auf der Erde sind biogeochemische Kreisläufe. Alle chemischen Elemente, die in den Lebensprozessen von Organismen verwendet werden, bewegen sich ständig von lebenden Körpern zu Verbindungen unbelebter Natur und umgekehrt. Die Möglichkeit der wiederholten Verwendung derselben Atome macht das Leben auf der Erde praktisch ewig, vorausgesetzt, dass ständig die richtige Energiemenge zugeführt wird.

Arten von Stoffkreisläufen. Die Biosphäre der Erde ist in gewisser Weise durch den vorhandenen Stoffkreislauf und den Energiefluss gekennzeichnet. Zirkulation von Stoffen – mehrfache Beteiligung von Stoffen an den Prozessen in der Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre, einschließlich der Schichten, die Teil der Biosphäre der Erde sind. Die Stoffzirkulation erfolgt durch einen kontinuierlichen Fluss (Fluss) der äußeren Energie der Sonne und der inneren Energie der Erde.

Abhängig von der treibenden Kraft kann man mit einer gewissen Konvention innerhalb des Stoffkreislaufs zwischen geologischen, biologischen und anthropogenen Kreisläufen unterscheiden. Vor dem Erscheinen des Menschen auf der Erde wurden nur die ersten beiden durchgeführt.

Geologischer Kreislauf (große Stoffzirkulation in der Natur) – der Stoffkreislauf, dessen treibende Kraft exogene und endogene geologische Prozesse sind.

Endogene Prozesse(Prozesse der inneren Dynamik) finden unter dem Einfluss der inneren Energie der Erde statt. Dies ist die Energie, die durch radioaktiven Zerfall, chemische Reaktionen der Mineralbildung, Kristallisation von Gesteinen usw. freigesetzt wird. Zu den endogenen Prozessen gehören: tektonische Bewegungen, Erdbeben, Magmatismus, Metamorphose. Exogene Prozesse(Prozesse der äußeren Dynamik) laufen unter dem Einfluss der äußeren Energie der Sonne ab. Zu den exogenen Prozessen zählen die Verwitterung von Gesteinen und Mineralien, die Entfernung von Zerstörungsprodukten aus einigen Bereichen der Erdkruste und deren Übertragung in neue Gebiete, die Ablagerung und Ansammlung von Zerstörungsprodukten unter Bildung von Sedimentgesteinen. Zu den exogenen Prozessen zählen die geologische Aktivität der Atmosphäre, der Hydrosphäre (Flüsse, temporäre Bäche, Grundwasser, Meere und Ozeane, Seen und Sümpfe, Eis) sowie lebender Organismen und Menschen.

Die größten Landformen (Kontinente und ozeanische Senken) und große Landformen (Berge und Ebenen) wurden durch endogene Prozesse gebildet, während mittlere und kleine Landformen (Flusstäler, Hügel, Schluchten, Dünen usw.), die größeren Landformen überlagert sind, durch exogene Prozesse. Somit sind endogene und exogene Prozesse in ihrer Wirkung gegensätzlich. Ersteres führt zur Bildung großer Geländeformen, letzteres zu deren Glättung.

Durch Verwitterung wandeln sich magmatische Gesteine ​​in Sedimentgesteine ​​um. In den beweglichen Zonen der Erdkruste dringen sie tief in die Erde ein. Dort werden sie unter dem Einfluss hoher Temperaturen und Drücke wieder geschmolzen und bilden Magma, das an die Oberfläche steigt und sich verfestigt und magmatisches Gestein bildet.

Somit verläuft der geologische Stoffkreislauf ohne Beteiligung lebender Organismen und verteilt die Materie zwischen der Biosphäre und den tieferen Erdschichten um.

Biologischer (biogeochemischer) Kreislauf (kleiner Stoffkreislauf in der Biosphäre) – der Stoffkreislauf, dessen treibende Kraft die Aktivität lebender Organismen ist. Im Gegensatz zum großen geologischen Kreislauf findet der kleine biogeochemische Stoffkreislauf innerhalb der Biosphäre statt. Die Hauptenergiequelle des Kreislaufs ist die Sonnenstrahlung, die die Photosynthese erzeugt. In einem Ökosystem werden organische Substanzen durch Autotrophe aus anorganischen Substanzen synthetisiert. Sie werden dann von Heterotrophen verzehrt. Durch die Ausscheidung während der Lebensaktivität oder nach dem Tod von Organismen (sowohl Autotrophen als auch Heterotrophen) unterliegen organische Stoffe einer Mineralisierung, also einer Umwandlung in anorganische Stoffe. Diese anorganischen Stoffe können für die Synthese organischer Stoffe durch Autotrophe wiederverwendet werden.

Bei biogeochemischen Kreisläufen sind zwei Teile zu unterscheiden:

1) Rücklagen - es ist ein Teil einer Substanz, der nicht mit lebenden Organismen in Verbindung steht;

2) Tauschfonds - ein viel kleinerer Teil der Materie, der direkt zwischen Organismen und ihrer unmittelbaren Umgebung ausgetauscht wird. Je nach Standort des Reservefonds können biogeochemische Kreisläufe in zwei Typen unterteilt werden:

1) Zyklen vom Gastyp mit einem Reservefonds an Stoffen in der Atmosphäre und Hydrosphäre (Kreisläufe von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff).

2) Sedimentwirbel mit einem Reservefonds in der Erdkruste (Zirkulation von Phosphor, Kalzium, Eisen etc.).

Kreisläufe vom Typ Gas sind perfekter, da sie über einen großen Austauschfonds verfügen und daher zu einer schnellen Selbstregulierung fähig sind. Sedimentkreisläufe sind weniger perfekt, sie sind träger, da der Großteil der Materie im Reservefonds der Erdkruste in einer für lebende Organismen „unzugänglichen“ Form enthalten ist. Solche Kreisläufe können durch verschiedene Einflüsse leicht gestört werden und ein Teil des ausgetauschten Materials verlässt den Kreislauf. Es kann nur durch geologische Prozesse oder durch Extraktion durch lebende Materie wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden. Allerdings ist es deutlich schwieriger, die für lebende Organismen notwendigen Stoffe aus der Erdkruste zu gewinnen als aus der Atmosphäre.

Die Intensität des biologischen Kreislaufs wird in erster Linie von der Umgebungstemperatur und der Wassermenge bestimmt. So verläuft der biologische Kreislauf beispielsweise in feuchten Tropenwäldern intensiver als in der Tundra.

Mit dem Aufkommen des Menschen entstand ein anthropogener Stoffkreislauf bzw. Stoffstoffwechsel. Anthropogener Kreislauf (Austausch) – Zirkulation (Austausch) von Stoffen, deren treibende Kraft die menschliche Aktivität ist. Es besteht aus zwei Komponenten: biologisch, mit der Funktionsweise des Menschen als lebendem Organismus verbunden und technisch, mit den wirtschaftlichen Aktivitäten der Menschen verbunden (technogener Kreislauf).

Die geologischen und biologischen Kreisläufe sind weitgehend geschlossen, was man vom anthropogenen Kreislauf nicht behaupten kann. Daher spricht man oft nicht vom anthropogenen Kreislauf, sondern vom anthropogenen Stoffwechsel. Die Offenheit des anthropogenen Stoffkreislaufs führt dazu Erschöpfung der natürlichen Ressourcen und Umweltverschmutzung – die Hauptursachen aller Umweltprobleme der Menschheit.

Kreisläufe der wichtigsten biogenen Stoffe und Elemente. Betrachten Sie die Kreisläufe der wichtigsten Stoffe und Elemente für lebende Organismen. Der Wasserkreislauf gehört zu den großen geologischen und die Kreisläufe biogener Elemente (Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel und andere biogene Elemente) zu den kleinen biogeochemischen.

Der Wasserkreislauf zwischen Land und Ozean durch die Atmosphäre bezieht sich auf einen großen geologischen Kreislauf. Wasser verdunstet von der Oberfläche der Ozeane und gelangt entweder an Land, wo es in Form von Niederschlag fällt, der in Form von Oberflächen- und Untergrundabflüssen wieder in den Ozean zurückkehrt, oder es fällt in Form von Niederschlag an die Oberfläche der Ozean. Jedes Jahr nehmen mehr als 500.000 km3 Wasser am Wasserkreislauf der Erde teil. Der Wasserkreislauf als Ganzes spielt bei der Gestaltung eine große Rolle natürliche Bedingungen auf unserem Planeten. Berücksichtigt man die Transpiration von Wasser durch Pflanzen und seine Aufnahme im biogeochemischen Kreislauf, verfällt der gesamte Wasservorrat auf der Erde und wird in 2 Millionen Jahren wiederhergestellt.

Der Kohlenstoffkreislauf. Produzenten nehmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf und wandeln es in organische Stoffe um, Verbraucher nehmen Kohlenstoff in Form organischer Stoffe mit den Körpern von Produzenten und Konsumenten niedrigerer Ordnung auf, Zersetzer mineralisieren organische Stoffe und geben Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid an die Atmosphäre zurück . In den Ozeanen wird der Kohlenstoffkreislauf dadurch erschwert, dass ein Teil des in toten Organismen enthaltenen Kohlenstoffs auf den Boden sinkt und sich in Sedimentgesteinen ansammelt. Dieser Teil des Kohlenstoffs wird aus dem biologischen Kreislauf ausgeschlossen und gelangt in den geologischen Stoffkreislauf.

Wälder sind der Hauptspeicher für biologisch gebundenen Kohlenstoff; sie enthalten bis zu 500 Milliarden Tonnen dieses Elements, das sind 2/3 seiner Reserve in der Atmosphäre. Eingriffe des Menschen in den Kohlenstoffkreislauf (Verbrennung von Kohle, Öl, Gas, Entfeuchtung) führen zu einem Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre und zur Entstehung des Treibhauseffekts.

Die CO2-Zyklusrate, also die Zeit, die das gesamte Kohlendioxid in der Atmosphäre benötigt, um lebende Materie zu passieren, beträgt etwa 300 Jahre.

Der Sauerstoffkreislauf. Der Sauerstoffkreislauf findet hauptsächlich zwischen der Atmosphäre und lebenden Organismen statt. Grundsätzlich gelangt freier Sauerstoff (0^) durch die Photosynthese grüner Pflanzen in die Atmosphäre und wird bei der Atmung von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen sowie bei der Mineralisierung organischer Rückstände verbraucht. Unter dem Einfluss ultravioletter Strahlung entsteht aus Wasser und Ozon eine geringe Menge Sauerstoff. Bei oxidativen Prozessen in der Erdkruste, bei Vulkanausbrüchen etc. wird eine große Menge Sauerstoff verbraucht. Der Hauptanteil des Sauerstoffs wird von Landpflanzen produziert – fast 3/4, der Rest – von photosynthetischen Organismen der Ozeane. Die Zyklusgeschwindigkeit beträgt etwa zweitausend Jahre.

Es wurde festgestellt, dass 23 % des bei der Photosynthese entstehenden Sauerstoffs jährlich für den industriellen und häuslichen Bedarf verbraucht werden, Tendenz steigend.

Der Stickstoffkreislauf. Der Stickstoffvorrat (N2) in der Atmosphäre ist riesig (78 % ihres Volumens). Allerdings können Pflanzen keinen freien Stickstoff aufnehmen, sondern nur in gebundener Form, hauptsächlich in Form von NH4+ oder NO3–. Freier Stickstoff aus der Atmosphäre wird von stickstofffixierenden Bakterien gebunden und in pflanzenverfügbare Formen umgewandelt. In Pflanzen ist Stickstoff in organischer Substanz (in Proteinen, Nukleinsäuren usw.) fixiert und wird entlang der Nahrungsketten transportiert. Nach dem Absterben lebender Organismen mineralisieren Zersetzer organische Stoffe und wandeln sie in Ammoniumverbindungen, Nitrate, Nitrite und auch in freien Stickstoff um, der in die Atmosphäre zurückgeführt wird.

Nitrate und Nitrite sind gut wasserlöslich und können ins Grundwasser und in Pflanzen gelangen und über Nahrungsketten übertragen werden. Ist ihre Menge zu groß, was bei unsachgemäßer Anwendung von Stickstoffdüngern häufig zu beobachten ist, werden Wasser und Lebensmittel verunreinigt und verursachen Krankheiten beim Menschen.

Phosphorkreislauf. Der Großteil des Phosphors ist in Gesteinen enthalten, die in vergangenen geologischen Epochen entstanden sind. Durch die Verwitterung von Gesteinen wird Phosphor in den biogeochemischen Kreislauf einbezogen. In terrestrischen Ökosystemen entziehen Pflanzen dem Boden Phosphor (hauptsächlich in Form von PO43–) und bauen ihn in organische Verbindungen (Proteine, Nukleinsäuren, Phospholipide usw.) ein oder hinterlassen ihn in anorganischer Form. Darüber hinaus wird Phosphor über die Nahrungsketten übertragen. Nach dem Absterben lebender Organismen und mit deren Ausscheidungen gelangt Phosphor in den Boden zurück.

Bei unsachgemäßer Verwendung von Phosphordüngern, Wasser- und Winderosion der Böden werden dem Boden große Mengen Phosphor entzogen. Dies führt einerseits zu einem übermäßigen Verbrauch von Phosphordüngern und zur Erschöpfung der Reserven an phosphorhaltigen Erzen (Phosphorite, Apatite usw.). Andererseits führt der Eintrag großer Mengen biogener Elemente wie Phosphor, Stickstoff, Schwefel usw. aus dem Boden in Gewässer zu einer raschen Entwicklung von Cyanobakterien und anderen Wasserpflanzen („Blüten“ des Wassers) und Eutrophierung Stauseen. Der größte Teil des Phosphors wird jedoch ins Meer verschleppt.

In aquatischen Ökosystemen wird Phosphor vom Phytoplankton aufgenommen und über die Nahrungskette an Seevögel weitergegeben. Ihre Exkremente fallen entweder sofort zurück ins Meer oder sammeln sich zunächst am Ufer und werden dann trotzdem ins Meer gespült. Von sterbenden Meerestieren, insbesondere Fischen, gelangt Phosphor wieder ins Meer und in den Kreislauf, einige Fischskelette gelangen jedoch in große Tiefen und der darin enthaltene Phosphor gelangt wieder in Sedimentgesteine, wird also aus der Biogeochemie abgekoppelt Zyklus.

Schwefelkreislauf. Der Hauptreservefonds für Schwefel befindet sich in Sedimenten und im Boden, aber im Gegensatz zu Phosphor gibt es einen Reservefonds in der Atmosphäre. Die Hauptrolle bei der Beteiligung von Schwefel am biogeochemischen Kreislauf spielen Mikroorganismen. Einige davon sind Reduktionsmittel, andere Oxidationsmittel.

In Gesteinen kommt Schwefel in Form von Sulfiden (FeS2 etc.) vor, in Lösungen – in Form eines Ions (SO42–), in der Gasphase in Form von Schwefelwasserstoff (H2S) oder Schwefeldioxid (SO2) . In einigen Organismen reichert sich Schwefel in reiner Form an, und wenn sie sterben, bilden sich Ablagerungen von natürlichem Schwefel auf dem Meeresboden.

In terrestrischen Ökosystemen gelangt Schwefel hauptsächlich in Form von Sulfaten aus dem Boden in die Pflanzen. In lebenden Organismen kommt Schwefel in Proteinen, in Form von Ionen usw. vor. Nach dem Absterben lebender Organismen wird ein Teil des Schwefels im Boden durch Mikroorganismen zu H2S umgewandelt, der andere Teil wird zu Sulfaten oxidiert und wieder in den Kreislauf einbezogen. Der entstehende Schwefelwasserstoff entweicht in die Atmosphäre, oxidiert dort und gelangt mit Niederschlägen wieder in den Boden.

Menschliche Verbrennung fossiler Brennstoffe (insbesondere Kohle) und Emissionen Chemieindustrie, führen zur Anreicherung von Schwefeldioxid (SO2) in der Atmosphäre, das durch Reaktion mit Wasserdampf in Form von saurem Regen auf den Boden fällt.

Biogeochemische Kreisläufe sind nicht so groß wie geologische Kreisläufe und werden größtenteils vom Menschen beeinflusst. Wirtschaftstätigkeit durchbricht ihre Isolation, sie werden azyklisch.