Цикл углерода и его связь с циклом кислорода

На Земле основополагающим является цикл углерода, сопряженный с циклом кислорода (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Цикл углерода и его связь с циклом кислорода:

сплошные линии — процессы окисления; пунктир — процессы восстановления; точечные линии — процессы, идущие без изменения валентности Первичная продукция органического вещества осуществляется фотои хемоавтотрофными организмами. Значительная часть углекислого газа ассимилируется за счет энергии Солнца высшими растениями, но определенный вклад в образование органических форм углерода вносят как фотогрофные микроорганизмы, способные к оксигенному и аноксигенному фотосинтезу, так и прокариоты-хемолитоавтотрофы. Часть углекислого газа включается в органические вещества путем гетеротрофной фиксации С0₂. Преобразование одних органических веществ в другие происходит в метаболизме всех живых существ (животных, растений, микроорганизмов). Разложение (деструкция) органического вещества до углекислого газа осуществляется различными путями, зависящими от наличия молекулярного кислорода в среде, и завершается в конечном итоге образованием С0₂, замыкая круговорот углерода. В присутствии кислорода органические вещества окисляются в процессе аэробного дыхания. Таким образом, сопрягаются циклы углерода и кислорода. Молекулярный кислород появляется в процессе оксигенного фотосинтеза высших растений, водорослей и цианобактерий, которые используют воду как донор электронов. В анаэробных условиях углекислый газ выделяется при брожениях. Восстановление С0₂ осуществляют облигатно анаэробные группы метаногенов и гомоацетогенов. Важной формой органического углерода в круговороте является уксусная кислота, образуемая при разных типах брожения и потребляемая метаногенами. Метан, мигрируя из анаэробной зоны в аэробную, окисляется до углекислого газа метанотрофами. Некоторая часть метана может окисляться анаэробно при участии синтрофного сообщества метаногенов и сульфатредукторов. Угарный газ, образующийся абиогенно, вовлекается в круговорот микроорганизмами-карбоксидотрофами. Нарушение равновесия между процессами продукции и деструкции, возникающее при определенных значениях физико-химических факторов среды, может приводить к накоплению органических форм углерода в экосистеме и «уводу» их из круговорота на длительное время. К природным «накоплениям» можно отнести гумус, состоящий из продуктов неполного разложения лигнина, а также образующиеся при недостатке кислорода и накоплении кислот торф, каменный уголь, нефть и газ. Добыча и потребление полезных ископаемых приводят к их быстрой деструкции и возвращению неорганического углерода в цикл. Вывод углерода из цикла осуществляется и в форме созданных человеком трудноразлагаемых органических веществ-ксенобиотиков (пластиков, пестицидов, красителей и др.). Именно поэтому проблема их деструкции в настоящее время стоит так остро. «Увод» углерода из круговорота может происходить при образовании неорганических отложений (известняков) за счет соединения в водных системах (особенно в морских) ионов Са²⁺ с карбонатными (С0₃²) ионами. Возвращение такого углерода может происходить либо путем химического выветривания пород, либо за счет выработки микроорганизмами кислых продуктов.