7.3: الدورات البيوجيوكيميائية

Last updated
Save as PDF

Page ID: 169032

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

تصف الدورات البيوجيوكيميائية، المعروفة أيضًا باسم دورات المغذيات، حركة العناصر الكيميائية عبر وسائط مختلفة، مثل الغلاف الجوي والتربة والصخور والمسطحات المائية والكائنات الحية. تحافظ الدورات البيوجيوكيميائية على العناصر الأساسية المتاحة للنباتات والكائنات الحية الأخرى.

تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية، وتدخل كضوء الشمس (أو جزيئات غير عضوية للكيمياء الذاتية) وتغادر كحرارة أثناء تحويل الطاقة بين المستويات الغذائية. بدلاً من التدفق عبر النظام البيئي، يتم الحفاظ على المادة التي تشكل الكائنات الحية وإعادة تدويرها. قانون الحفاظ على الدول الجماعية التي لا يتم إنشاؤها أو تدميرها. على سبيل المثال، بعد التفاعل الكيميائي، ستكون كتلة المنتجات (الجزيئات النهائية) هي نفس كتلة المواد المتفاعلة (الجزيئات الأولية). نفس الشيء صحيح في النظام البيئي. تنتقل المادة عبر وسائط مختلفة، وقد تتفاعل الذرات لتكوين جزيئات جديدة، لكن كمية المادة تظل ثابتة.

تتم مناقشة الدورات البيوجيوكيميائية لأربعة عناصر - الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت - أدناه. ترتبط دورة هذه العناصر بدورة المياه. على سبيل المثال، تعتبر حركة المياه أمرًا بالغ الأهمية لرشح الكبريت والفوسفور إلى الأنهار والبحيرات والمحيطات. اليوم، تعمل الأنشطة البشرية (البشرية) على تغيير جميع النظم البيئية الرئيسية والدورات البيوجيوكيميائية التي تقودها.

دورة الكربون

الكربون هو اللبنة الأساسية لجميع المواد العضوية، وبالتالي للكائنات الحية. تتكون دورة الكربون في الواقع من عدة دورات مترابطة: واحدة تتعامل مع التبادل السريع للكربون بين الكائنات الحية والأخرى تتعامل مع دورة الكربون طويلة المدى من خلال العمليات الجيولوجية (الشكل\(\PageIndex{a}\)). التأثير العام هو أن الكربون يتم إعادة تدويره باستمرار في العمليات الديناميكية التي تحدث في الغلاف الجوي وعلى السطح وفي قشرة الأرض. تتواجد الغالبية العظمى من الكربون كمعادن غير عضوية في الصخور القشرية. تشمل خزانات الكربون الأخرى، الأماكن التي يتراكم فيها الكربون، المحيطات والغلاف الجوي. ربما كانت بعض ذرات الكربون في جسمك اليوم موجودة منذ فترة طويلة في جسم الديناصور، أو ربما تم دفنها في أعماق القشرة الأرضية كمعادن صخرية كربونية.

يدور الكربون ببطء بين الأرض والمحيط

على الأرض، يتم تخزين الكربون في التربة ككربون عضوي في شكل كائنات متحللة أو صخور أرضية. يتم أحيانًا دفن النباتات والطحالب المتحللة وضغطها بين طبقات الرواسب. بعد ملايين السنين يتم تشكيل الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي. تؤدي عوامل التجوية للصخور الأرضية والمعادن إلى إطلاق الكربون في التربة.

يمكن غسل المركبات المحتوية على الكربون في التربة إلى المسطحات المائية من خلال الرشح. تدخل هذه المياه في النهاية المحيط. يذوب ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي أيضًا في المحيط، ويتفاعل مع جزيئات الماء لتكوين أيونات الكربونات (CO ₃ ^{- 2-}). تتحد بعض هذه الأيونات مع أيونات الكالسيوم في مياه البحر لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO ₃)، وهو مكون رئيسي في أصداف الكائنات البحرية. تموت هذه الكائنات الحية في النهاية وتشكل أصدافها رواسب في قاع المحيط. على مر الزمن الجيولوجي، تشكل كربونات الكالسيوم الحجر الجيري، الذي يضم أكبر خزان للكربون على الأرض.

تترسب الكربونات أيضًا في الرواسب، وتشكل صخور الكربونات، مثل الحجر الجيري. يتم أخذ رواسب الكربون من قاع المحيط إلى أعماق الأرض من خلال عملية الاندساس: حركة صفيحة تكتونية تحت أخرى. يتم غمر رواسب المحيط بفعل الصفائح التكتونية، ويتم إذابتها ثم إعادتها إلى السطح أثناء النشاط البركاني. يمكن أن تتسبب تكتونيات الصفائح أيضًا في رفع رواسب المحيط وإعادتها إلى الأرض.

يدور الكربون بسرعة بين الكائنات الحية والغلاف الجوي

يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز، وهو جزيء عضوي غني بالطاقة من خلال التمثيل الضوئي بواسطة النباتات والطحالب وبعض البكتيريا (الشكل\(\PageIndex{b}\)). ويمكنهم بعد ذلك إنتاج جزيئات عضوية أخرى مثل الكربوهيدرات المعقدة (مثل النشا) والبروتينات والدهون التي يمكن أن تأكلها الحيوانات. تحصل معظم الأوتتروفات الأرضية على ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي، بينما تكتسبه الأوتتروفات البحرية في الشكل المذاب (بيكربونات، HCO ₃ ^-).

أمثلة لكائنات التمثيل الضوئي. ورقة السرخس (أ) والطحالب التي تغطي سطح البحيرة (ب) ومنظر مجهري لبكتيريا التمثيل الضوئي (ج). — الشكل\(\PageIndex{b}\): (أ) يمكن للنباتات، (ب) الطحالب، و (ج) بكتيريا معينة، تسمى البكتيريا الزرقاء، إجراء عملية التمثيل الضوئي. يمكن أن تنمو الطحالب على مساحات شاسعة من الماء، وفي بعض الأحيان تغطي السطح بالكامل. (المصدر: ستيف هيلبراند، دائرة الأسماك والحياة البرية في الولايات المتحدة؛ المرجع ب: «التغذية بالمغذيات ونقص الأكسجة» /فليكر؛ الائتمان ج: وكالة ناسا؛ بيانات المقياس من مات راسل)

تقوم النباتات والحيوانات والكائنات الحية الأخرى بتفكيك هذه الجزيئات العضوية أثناء عملية التنفس الخلوي الهوائي، والتي تستهلك الأكسجين وتطلق الطاقة والماء وثاني أكسيد الكربون. يتم إرجاع ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي أثناء التبادل الغازي. هناك عملية أخرى يتم من خلالها إعادة تدوير المواد العضوية وهي تحلل الكائنات الحية الميتة. خلال هذه العملية، تقوم البكتيريا والفطريات بتفكيك المركبات العضوية المعقدة. قد تقوم أجهزة التحلل بالتنفس أو إطلاق ثاني أكسيد الكربون أو العمليات الأخرى التي تطلق الميثان (CH ₄).

في الواقع، يتبادل التمثيل الضوئي والتنفس بعضهما البعض فيما يتعلق بدورة الكربون: يزيل التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي ويعيده التنفس (الشكل\(\PageIndex{c}\)). وبالتالي يمكن أن يؤثر حدوث اضطراب كبير في عملية واحدة على كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

تعمل عملية التمثيل الضوئي على تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى سكر وأكسجين باستخدام الطاقة من الشمس. — الشكل\(\PageIndex{c}\): تعني هذه المعادلة أن ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون (CO ₂) تتحد مع ستة جزيئات من الماء (H ₂ O) في وجود ضوء الشمس. ينتج هذا جزيء واحد من الجلوكوز (C ₆ H ₁₂ O ₆) وستة جزيئات من الأكسجين (O ₂).

التنفس الخلوي هو عملية واحدة فقط تطلق ثاني أكسيد الكربون. تضيف العمليات الفيزيائية، مثل ثوران البراكين والانطلاق من الفتحات الحرارية المائية (الفتحات في قاع المحيط) ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي احتراق الخشب والوقود الأحفوري إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون. يتأثر مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل كبير بخزان الكربون في المحيطات. يؤثر تبادل الكربون بين الغلاف الجوي وخزانات المياه على كمية الكربون الموجودة في كل منها.

أهمية دورة الكربون

تعتبر دورة الكربون مهمة للغاية للمحيط الحيوي. لولا عمليات إعادة التدوير، ربما أصبح الكربون منذ فترة طويلة معزولًا تمامًا في الصخور القشرية والرواسب، ولن تكون الحياة موجودة (الشكل\(\PageIndex{e}\)). لا يؤدي التمثيل الضوئي إلى توفير الطاقة والكربون لمستويات غذائية أعلى فحسب، بل إنه يطلق أيضًا الأكسجين الغازي (O ₂). الأكسجين الغازي ضروري لحدوث التنفس الخلوي. من المحتمل أن تكون بكتيريا التمثيل الضوئي أول الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي، والتي يعود تاريخها إلى 2-3 مليارات سنة. بفضل نشاطهم وتنوع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي في الوقت الحاضر، يبلغ الغلاف الجوي للأرض حاليًا حوالي 21٪ من _O2. كما أن هذا O ₂ ضروري لإنشاء طبقة الأوزون، التي تحمي الحياة من الأشعة فوق البنفسجية الضارة المنبعثة من الشمس. يتم إنشاء الأوزون (O ₃) من انهيار وإعادة تجميع O ₂.

شجرة ساقطة على أرضية الغابة محاطة بالنباتات العشبية — الشكل\(\PageIndex{e}\): ستقوم أجهزة التحلل بتفكيك المركبات العضوية في هذه الشجرة الساقطة في كليفس أوف ذا نيوس ستيت بارك في مقاطعة واين بولاية نورث كارولينا، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. يضمن التحلل أن ثاني أكسيد الكربون سيكون متاحًا في الغلاف الجوي لكائنات التمثيل الضوئي، والتي توفر الكربون بعد ذلك للمستهلكين. الصورة بواسطة جيري دينشر (CC-BY-SA).

تساهم دورة الكربون العالمية بشكل كبير في توفير خدمات النظام البيئي التي يعتمد عليها البشر. نحصد ما يقرب من 25٪ من إجمالي الكتلة الحيوية النباتية التي يتم إنتاجها كل عام على سطح الأرض لتوفير الغذاء وخشب الوقود والألياف من الأراضي الزراعية والمراعي والغابات. بالإضافة إلى ذلك، تلعب دورة الكربون العالمية دورًا رئيسيًا في تنظيم خدمات النظام البيئي لأنها تؤثر بشكل كبير على المناخ من خلال آثارها على تركيزات ثاني _أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

التغيير البشري لدورة الكربون

زاد تركيز ثاني _أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من 280 جزءًا في المليون (جزء في المليون) إلى 413 جزءًا في المليون بين بداية الثورة الصناعية في أواخر القرن الثامن عشر و2020. وقد عكس ذلك تدفقًا جديدًا في دورة الكربون العالمية - انبعاثات ثاني _أكسيد الكربون البشرية المنشأ - حيث يطلق البشر ثاني _أكسيد الكربون في الغلاف الجوي عن طريق حرق الوقود الأحفوري وتغيير استخدام الأراضي. يؤدي حرق الوقود الأحفوري إلى أخذ الكربون من احتياطيات الفحم والغاز والنفط، حيث يمكن تخزينه على نطاقات زمنية طويلة جدًا، وإدخاله في دورة الكربون النشطة. يؤدي تغير استخدام الأراضي إلى إطلاق الكربون من التربة وتجمعات الكتلة الحيوية النباتية في الغلاف الجوي، لا سيما من خلال عملية إزالة الغابات لاستخراج الأخشاب أو تحويل الأراضي إلى الزراعة. في عام 2018، قُدر التدفق الإضافي للكربون إلى الغلاف الجوي من مصادر بشرية بـ 36.6 جيجا طن من الكربون (GtC = 1 مليار طن من الكربون) - وهو اضطراب كبير في دورة الكربون الطبيعية التي كانت في حالة توازن لعدة آلاف من السنين قبل ذلك. تتسبب المستويات العالية من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في ارتفاع درجة الحرارة مما يؤدي إلى تغير المناخ. (راجع التهديدات للتنوع البيولوجي وتغير المناخ لمزيد من التفاصيل.)

دورة النيتروجين

تتطلب جميع الكائنات الحية النيتروجين لأنه مكون مهم من الأحماض النووية والبروتينات والجزيئات العضوية الأخرى. من الصعب الحصول على النيتروجين في الكائنات الحية. النباتات والطحالب ليست مجهزة لدمج النيتروجين من الغلاف الجوي (حيث يوجد في صورة _N2 التساهمي الثلاثي المرتبط بإحكام) على الرغم من أن هذا الجزيء يضم حوالي 78 بالمائة من الغلاف الجوي. نظرًا لتخزين معظم النيتروجين في الغلاف الجوي، يعتبر الغلاف الجوي خزانًا للنيتروجين.

جزيء النيتروجين (N ₂) خامل تمامًا. يتطلب تفكيكها بحيث يمكن لذراتها أن تتحد مع الذرات الأخرى إدخال كميات كبيرة من الطاقة. تثبيت النيتروجين هو عملية تحويل غاز النيتروجين إلى أمونيا (NH ₃)، والتي تصبح تلقائيًا أمونيوم (NH ₄ ⁺). يوجد الأمونيوم في المسطحات المائية والتربة (الشكل\(\PageIndex{f}\)).

يُظهر قسم من التربة به نباتات وحيوانات على السطح كل خطوة من دورة النيتروجين. — الشكل\(\PageIndex{f}\): في دورة النيتروجين، تقوم البكتيريا المثبتة للنيتروجين في التربة أو عقيدات جذر البقوليات بتحويل غاز النيتروجين (N ₂) من الغلاف الجوي إلى الأمونيوم (NH ₄ ⁺). تحدث النترجة عندما تقوم البكتيريا بتحويل الأمونيوم إلى النتريت (NO ₂ ^-) ثم إلى النترات (NO ₃ ^-). تعود النترات إلى الغلاف الجوي كغاز نيتروجين من خلال نزع النتروجين بواسطة البكتيريا. تمتص النباتات الأمونيوم والنترات وتنتج النيتروجين العضوي المتاح للمستهلكين. تقوم المواد المحللة، بما في ذلك البكتيريا والفطريات الهوائية واللاهوائية، بتكسير النيتروجين العضوي وإطلاق الأمونيوم من خلال عملية التسميد بالأمونيا. (الائتمان: «دورة النيتروجين» من تأليف يوهان دريو ورايكي مرخصة بموجب CC BY-SA 3.0)

هناك ثلاث عمليات مسؤولة عن معظم تثبيت النيتروجين في المحيط الحيوي. الأول هو تثبيت الغلاف الجوي بواسطة البرق. تعمل الطاقة الهائلة للبرق على تكسير جزيئات النيتروجين وتمكين ذراتها من الاندماج مع الأكسجين في الهواء لتكوين أكاسيد النيتروجين. تذوب في المطر وتشكل النترات التي يتم نقلها إلى الأرض. ربما يساهم تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي بحوالي 5-8٪ من إجمالي النيتروجين الثابت. العملية الثانية هي التثبيت الصناعي. تحت ضغط كبير، عند درجة حرارة 600 درجة مئوية (1112 درجة فهرنهايت)، وباستخدام محفز (يسهل التفاعلات الكيميائية)، يمكن دمج النيتروجين الجوي والهيدروجين لتكوين الأمونيا (NH ₃). يمكن استخدام الأمونيا مباشرة كسماد، ولكن تتم معالجة معظمها بشكل إضافي إلى اليوريا ونترات الأمونيوم (NH ₄ NO ₃).

العملية الثالثة هي التثبيت البيولوجي بواسطة بعض البكتيريا الحية أو التكافلية. يشكل البعض علاقة تكافلية مع النباتات في عائلة البقوليات، والتي تشمل الفاصوليا والبازلاء وفول الصويا والبرسيم والبرسيم (الشكل\(\PageIndex{g}\)). حتى أن بعض البكتيريا المثبتة للنيتروجين تقيم علاقات تكافلية مع الحيوانات، مثل النمل الأبيض و «ديدان السفن» (ذوات الصدفتين الآكلة للخشب). تعد البكتيريا الزرقاء المثبتة للنيتروجين ضرورية للحفاظ على خصوبة البيئات شبه المائية مثل حقول الأرز. على الرغم من أن أول منتج مستقر لهذه العملية هو الأمونيا، إلا أنه يتم دمجها بسرعة في البروتين ومركبات النيتروجين العضوية الأخرى.

جذر فول الصويا القذر مع عقيدات جذرية كروية. تتفرع الجذور الثانوية من الجذور الأولية. — الشكل\(\PageIndex{g}\): تعيش البكتيريا المثبتة للنيتروجين في العقيدات الكروية لجذر فول الصويا هذا. الصورة من مجلس فول الصويا المتحد (CC-BY).

يتم تحويل الأمونيوم بواسطة البكتيريا والعتيقة إلى نيتريت (NO ₂ ⁻) ثم النترات (NO ₃ ⁻) من خلال عملية النترجة. مثل الأمونيوم، توجد النتريت والنترات في الماء والتربة. يتم تحويل بعض النترات مرة أخرى إلى غاز النيتروجين الذي يتم إطلاقه في الغلاف الجوي. تتم العملية، التي تسمى نزع النتروجين، بواسطة البكتيريا.

تستخدم النباتات والمنتجون الآخرون الأمونيوم والنترات بشكل مباشر لصنع جزيئات عضوية من خلال عملية الاستيعاب. هذا النيتروجين متاح الآن للمستهلكين. يعتبر النيتروجين العضوي مهمًا بشكل خاص لدراسة ديناميكيات النظام البيئي لأن العديد من العمليات، مثل الإنتاج الأولي، محدودة بسبب الإمداد المتاح من النيتروجين.

يفرز المستهلكون مركبات النيتروجين العضوية التي تعود إلى البيئة. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي الكائنات الحية الميتة في كل مستوى غذائي على النيتروجين العضوي. تقوم الكائنات الحية الدقيقة، مثل البكتيريا والفطريات، بتحلل هذه النفايات والأنسجة الميتة، وتنتج في النهاية الأمونيوم من خلال عملية التسميد بالأمونيا.

في النظم البيئية البحرية، تتجمع مركبات النيتروجين الناتجة عن البكتيريا، أو من خلال التحلل، في رواسب قاع المحيط. يمكن بعد ذلك نقلها إلى الأرض في الوقت الجيولوجي عن طريق رفع القشرة الأرضية وبالتالي دمجها في الصخور الأرضية. على الرغم من أن حركة النيتروجين من الصخور مباشرة إلى الأنظمة الحية يُنظر إليها تقليديًا على أنها غير مهمة مقارنة بالنيتروجين الثابت من الغلاف الجوي، فقد أظهرت دراسة حديثة أن هذه العملية قد تكون مهمة بالفعل ويجب تضمينها في أي دراسة لدورة النيتروجين العالمية.

يمكن للنشاط البشري تغيير دورة النيتروجين بوسيلتين أساسيتين: احتراق الوقود الأحفوري، الذي يطلق أكاسيد النيتروجين المختلفة في الغلاف الجوي، واستخدام الأسمدة الاصطناعية في الزراعة. يرتبط نيتروجين الغلاف الجوي (بخلاف N ₂) بالعديد من التأثيرات على النظم البيئية للأرض. يمكن أن تتفاعل أكاسيد النيتروجين (HNO ₃) في الغلاف الجوي لتكوين حمض النيتريك، وهو شكل من أشكال الترسيب الحمضي، والمعروف أيضًا باسم المطر الحمضي. يؤدي الترسيب الحمضي إلى إتلاف الأشجار الصحية وتدمير الأنظمة المائية وتآكل مواد البناء مثل الرخام والحجر الجيري. مثل ثاني أكسيد الكربون، يتسبب أكسيد النيتروز (N ₂ O) في الاحترار مما يؤدي إلى تغير المناخ.

يعتمد البشر بشكل أساسي على دورة النيتروجين كخدمة داعمة للنظام البيئي لإنتاجية المحاصيل والغابات. يتم إضافة الأسمدة النيتروجينية لتعزيز نمو العديد من المحاصيل والمزارع (الشكل\(\PageIndex{h}\)). كان الاستخدام المعزز للأسمدة في الزراعة سمة رئيسية للثورة الخضراء التي عززت غلة المحاصيل العالمية في السبعينيات. زاد الإنتاج الصناعي للأسمدة الغنية بالنيتروجين بشكل كبير بمرور الوقت ويعادل الآن أكثر من نصف المدخلات إلى الأرض من التثبيت البيولوجي للنيتروجين (90 ميغا طن = 1 مليون طن من النيتروجين كل عام). إذا تم تضمين تثبيت النيتروجين من محاصيل البقوليات، فإن التدفق البشري للنيتروجين من الغلاف الجوي إلى الأرض يتجاوز التدفقات الطبيعية إلى الأرض. يتم غسل الأسمدة في البحيرات والجداول والأنهار عن طريق الجريان السطحي، مما يؤدي إلى تغذية المياه المالحة والمياه العذبة بالمغذيات، وهي عملية يؤدي فيها جريان المغذيات إلى فرط نمو الطحالب، واستنفاد الأكسجين، وموت الحيوانات المائية.

ترش معدات الزراعة رذاذًا ناعمًا على المحاصيل. — الشكل\(\PageIndex{h}\): يتم استخدام الأسمدة المحتوية على النيتروجين بشكل تقليدي على نطاق واسع في الزراعة. صورة لبوب نيكولز، خدمة الحفاظ على الموارد الطبيعية التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية (ملكية عامة).

دورة الفسفور

شاركت عدة أشكال من النيتروجين (غاز النيتروجين، والأمونيوم، والنترات، وما إلى ذلك) في دورة النيتروجين، لكن الفوسفور لا يزال في المقام الأول في شكل أيون الفوسفات (PO ₄ ^3-). على عكس دورة النيتروجين أيضًا، لا يوجد أي شكل من أشكال الفوسفور في الغلاف الجوي. يستخدم الفوسفور لصنع الأحماض النووية والفوسفوليبيدات التي تتكون منها الأغشية البيولوجية.

تعتبر الصخور خزانًا للفوسفور، وتعود أصول هذه الصخور إلى المحيط. تتكون رواسب المحيطات المحتوية على الفوسفات بشكل أساسي من أجسام الكائنات الحية في المحيطات ومن إفرازاتها. ومع ذلك، قد يكون الرماد البركاني والهباء الجوي والغبار المعدني أيضًا مصادر فوسفات مهمة. ثم يتم نقل هذه الرواسب إلى الأرض على مر الزمن الجيولوجي عن طريق رفع سطح الأرض (الشكل\(\PageIndex{i}\)). وتتسم حركة الفوسفات من المحيط إلى الأرض وعبر التربة بالبطء الشديد، حيث تتراوح مدة بقاء أيون الفوسفات في المحيطات بين 20,000 و100,000 سنة.

تتضمن دورة الفوسفور حركة الفوسفات بين التربة والمياه والصخور. — الشكل\(\PageIndex{i}\): في الطبيعة، يوجد الفوسفور كأيون الفوسفات (PO ₄ ^3-). يدخل الفوسفات الغلاف الجوي من الأيروسولات البركانية التي تترسب إلى الأرض. يؤدي تجوية الصخور أيضًا إلى إطلاق الفوسفات في التربة والمياه، حيث يصبح متاحًا لشبكات الغذاء الأرضية. يذوب بعض الفوسفات من شبكات الغذاء الأرضية في الجداول والبحيرات، ويدخل الباقي التربة. يدخل الفوسفات المحيط عن طريق الجريان السطحي وتدفق المياه الجوفية وتدفق الأنهار، حيث يذوب في مياه المحيط أو يدخل شبكات الغذاء البحرية. يسقط بعض الفوسفات في قاع المحيط حيث يتحول إلى رواسب. في حالة حدوث ارتفاع، يمكن أن تعود هذه الرواسب إلى الأرض. (مصدر: تعديل عمل جون إم إيفانز وهوارد بيرلمان، USGS)

تلعب الطيور البحرية دورًا فريدًا في دورة الفوسفور. تمتص هذه الطيور الفوسفور من أسماك المحيط. تحتوي فضلاتها على الأرض (ذرق الطائر) على مستويات عالية من الفوسفور ويتم استخراجها أحيانًا للاستخدام التجاري. قدرت دراسة أجريت عام 2020 أن خدمات النظام البيئي (العمليات الطبيعية والمنتجات التي تفيد البشر) التي تقدمها ذرق الطائر تبلغ 470 مليون دولار سنويًا.

يؤدي تجوية الصخور إلى إطلاق الفوسفات في التربة والمسطحات المائية. يمكن للنباتات استيعاب الفوسفات في التربة ودمجه في الجزيئات العضوية، مما يجعل الفوسفور متاحًا للمستهلكين في شبكات الغذاء الأرضية. تتحلل النفايات والكائنات الميتة بواسطة الفطريات والبكتيريا، مما يؤدي إلى إطلاق الفوسفات مرة أخرى إلى التربة. يتم ترشيح بعض الفوسفات من التربة والدخول إلى الأنهار والبحيرات والمحيط. وبالتالي فإن المنتجين الأساسيين في شبكات الأغذية المائية، مثل الطحالب والبكتيريا التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي، واستيعاب الفوسفات، والفوسفات العضوي متاحون للمستهلكين في شبكات الأغذية المائية. على غرار شبكات الغذاء الأرضية، يتم تبادل الفوسفور بشكل متبادل بين الفوسفات الذائب في المحيط والفوسفور العضوي في الكائنات البحرية.

عادةً ما تكون حركة الفوسفور من الصخور إلى الكائنات الحية عملية بطيئة جدًا، لكن بعض الأنشطة البشرية تسرع العملية. غالبًا ما يتم استخراج الصخور الحاملة للفوسفات لاستخدامها في صناعة الأسمدة والمنظفات. يعمل هذا الإنتاج التجاري على تسريع دورة الفوسفور بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتسبب الجريان السطحي من الأراضي الزراعية وإطلاق مياه الصرف الصحي في أنظمة المياه في زيادة التحميل المحلي للفوسفات. يمكن أن يؤدي التوافر المتزايد للفوسفات إلى فرط نمو الطحالب. هذا يقلل من مستوى الأكسجين، مما يتسبب في التغذية بالمغذيات وتدمير الأنواع المائية الأخرى.

التغذية بالمغذيات والمناطق الميتة

يحدث التخثث عندما يتسبب الفوسفور الزائد والنيتروجين من جريان الأسمدة أو مياه الصرف الصحي في نمو مفرط للطحالب. تزهر الطحالب التي تحجب الضوء وبالتالي تقتل النباتات المائية في الأنهار والبحيرات والبحار. يؤدي الموت والانحلال اللاحقين لهذه الكائنات إلى استنفاد الأكسجين المذاب، مما يؤدي إلى موت الكائنات المائية مثل المحار والأسماك. هذه العملية مسؤولة عن المناطق الميتة والمساحات الكبيرة في البحيرات والمحيطات بالقرب من أفواه الأنهار التي تستنفد دوريًا من النباتات والحيوانات الطبيعية، وعن عمليات قتل الأسماك الضخمة، والتي تحدث غالبًا خلال أشهر الصيف (الشكل\(\PageIndex{j}\)). هناك أكثر من 500 منطقة ميتة في جميع أنحاء العالم. واحدة من أسوأ المناطق الميتة هي قبالة سواحل الولايات المتحدة في خليج المكسيك. أدى جريان الأسمدة من حوض نهر المسيسيبي إلى خلق منطقة ميتة، وصلت إلى ذروتها البالغة 8776 ميلًا مربعًا في عام 2017. كما يؤثر جريان الفوسفات والنترات من الأسمدة سلبًا على العديد من النظم البيئية للبحيرة والخليج بما في ذلك خليج تشيسابيك في شرق الولايات المتحدة.

تشير الدوائر الحمراء إلى المناطق الميتة على طول ساحل شرق وجنوب الولايات المتحدة وأوروبا الغربية وكوريا الجنوبية واليابان المحيطة على خريطة العالم. — الشكل\(\PageIndex{j}\): تحدث المناطق الميتة عندما يتسبب الفوسفور والنيتروجين من الأسمدة في نمو مفرط للكائنات الحية الدقيقة التي تستنفد الأكسجين وتقتل الحيوانات. تُظهر هذه الخريطة المناطق الميتة حول العالم في عام 2008. في جميع أنحاء العالم، توجد مناطق ميتة كبيرة في المناطق الساحلية ذات الكثافة السكانية العالية. (مصدر: مرصد ناسا الأرضي)

اتصال يومي: خليج تشيسابيك

لطالما تم تقييم خليج تشيسابيك كواحد من أكثر المناطق ذات المناظر الخلابة على وجه الأرض؛ وهو الآن في محنة ومعترف به كنظام بيئي متراجع. في سبعينيات القرن الماضي، كان خليج تشيسابيك واحدًا من أوائل النظم البيئية التي حددت المناطق الميتة، والتي تستمر في قتل العديد من الأسماك والأنواع التي تعيش في القاع، مثل المحار والمحار والديدان (الشكل\(\PageIndex{k}\)). انخفضت العديد من الأنواع في خليج تشيسابيك بسبب جريان المياه السطحية التي تحتوي على العناصر الغذائية الزائدة من الأسمدة الاصطناعية المستخدمة على الأرض. لا يقتصر مصدر الأسمدة (ذات المحتوى العالي من النيتروجين والفوسفات) على الممارسات الزراعية. هناك العديد من المناطق الحضرية القريبة وأكثر من 150 نهرًا وجدادًا خاوية في الخليج تحمل جريان الأسمدة من المروج والحدائق. وبالتالي، يعد تدهور خليج تشيسابيك قضية معقدة وتتطلب تعاون الصناعة والزراعة وأصحاب المنازل اليومية.

منظر جوي لخليج تشيسابيك (أ). رجل يحمل مجموعة من المحار (ب). — الشكل\(\PageIndex{k}\): تُظهر صورة القمر الصناعي هذه (أ) خليج تشيسابيك، وهو نظام بيئي يتأثر بجريان الفوسفات والنترات. أ (ب) أحد أفراد سلاح المهندسين بالجيش يحمل مجموعة من المحار تُستخدم كجزء من جهود ترميم المحار في الخليج. (الائتمان أ: تعديل العمل من قبل NASA/MODIS؛ الائتمان ب: تعديل العمل من قبل الجيش الأمريكي)

تحظى أعداد المحار بأهمية خاصة بالنسبة لدعاة الحفاظ على البيئة؛ حيث تشير التقديرات إلى وجود أكثر من 200,000 فدان من شعاب المحار في الخليج في القرن الثامن عشر، لكن هذا العدد انخفض الآن إلى 36,000 فدان فقط. كان حصاد المحار في يوم من الأيام صناعة رئيسية لخليج تشيسابيك، لكنه انخفض بنسبة 88 في المائة بين عامي 1982 و 2007. لم يكن هذا الانخفاض بسبب جريان الأسمدة والمناطق الميتة فحسب، بل أيضًا بسبب الاستغلال المفرط. يتطلب المحار حدًا أدنى معينًا من الكثافة السكانية لأنه يجب أن يكون على مقربة منه للتكاثر. لقد غيّر النشاط البشري أعداد المحار ومواقعه، مما أدى إلى تعطيل النظام البيئي بشكل كبير.

استمرت استعادة أعداد المحار في خليج تشيسابيك لعدة سنوات بنجاح متفاوت. لا يجد الكثير من الناس المحار جيدًا للأكل فحسب، بل يقومون أيضًا بتنظيف الخليج. المحار عبارة عن مغذيات للفلتر، وأثناء تناوله، يقوم بتنظيف المياه من حوله. في القرن الثامن عشر، تشير التقديرات إلى أن الأمر استغرق بضعة أيام فقط حتى يقوم سكان المحار بتصفية الحجم الكامل للخليج. اليوم، مع تغير ظروف المياه، تشير التقديرات إلى أن السكان الحاليين سيستغرقون ما يقرب من عام للقيام بنفس العمل.

استمرت جهود الترميم لعدة سنوات من قبل المنظمات غير الربحية، مثل مؤسسة خليج تشيسابيك. هدف الاستعادة هو إيجاد طريقة لزيادة الكثافة السكانية حتى يتمكن المحار من التكاثر بشكل أكثر كفاءة. تتوفر الآن العديد من الأصناف المقاومة للأمراض (التي تم تطويرها في معهد فيرجينيا للعلوم البحرية لكلية ويليام وماري) وتم استخدامها في بناء شعاب المحار التجريبية. وقد تم إعاقة الجهود المبذولة لتنظيف الخليج وترميمه من قبل فرجينيا وديلاوير لأن الكثير من التلوث الذي يدخل الخليج يأتي من ولايات أخرى، مما يؤكد على الحاجة إلى التعاون بين الدول لتحقيق استعادة ناجحة.

كما أنتجت سلالات المحار الشهية الجديدة صناعة جديدة ومجدية اقتصاديًا - تربية المحار - التي لا توفر المحار للطعام والربح فحسب، بل لها أيضًا فائدة إضافية تتمثل في تنظيف الخليج.

دورة الكبريت

الكبريت عنصر أساسي لجزيئات الكائنات الحية. كجزء من الحمض الأميني السيستين، فإنه مهم للشكل ثلاثي الأبعاد للبروتينات. كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{l}\)، يدور الكبريت بين المحيطات والأرض والغلاف الجوي. يوجد الكبريت في الغلاف الجوي في شكل ثاني أكسيد الكبريت (SO ₂)، الذي يدخل الغلاف الجوي بثلاث طرق: أولاً، من تحلل الجزيئات العضوية؛ ثانياً، من النشاط البركاني وفتحات الطاقة الحرارية الأرضية؛ وثالثاً، من حرق الوقود الأحفوري من قبل البشر.

على الأرض، يترسب الكبريت بأربع طرق رئيسية: هطول الأمطار، والتساقط المباشر من الغلاف الجوي، وتجوية الصخور، وفتحات الطاقة الحرارية الأرضية. يوجد الكبريت في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكبريت (SO ₂)، وعندما يسقط المطر عبر الغلاف الجوي، يذوب الكبريت في شكل حمض الكبريتيك الضعيف (H ₂ SO ₄). يمكن أن يسقط الكبريت أيضًا مباشرة من الغلاف الجوي في عملية تسمى التداعيات. أيضًا، مع طقس الصخور المحتوية على الكبريت، يتم إطلاق الكبريت في التربة. تنشأ هذه الصخور من رواسب المحيطات التي يتم نقلها إلى الأرض عن طريق الارتفاع الجيولوجي لرواسب المحيطات. يمكن للنظم البيئية الأرضية بعد ذلك الاستفادة من كبريتات التربة هذه (SO ₄ ^2-)، التي تدخل الشبكة الغذائية عن طريق امتصاصها من قبل جذور النباتات. عندما تتحلل هذه النباتات وتموت، يتم إطلاق الكبريت مرة أخرى إلى الغلاف الجوي كغاز كبريتيد الهيدروجين (H ₂ S).

يدخل الكبريت المحيط في الجريان السطحي من الأرض، ومن تداعيات الغلاف الجوي، ومن الفتحات الحرارية المائية. تعتمد بعض النظم البيئية على الكائنات الحية الدقيقة التي تستخدم الكبريت كمصدر للطاقة البيولوجية (على عكس النظم البيئية مع منتجي التمثيل الضوئي). ثم يدعم هذا الكبريت النظم البيئية البحرية في شكل كبريتات.

لعبت الأنشطة البشرية دورًا رئيسيًا في تغيير توازن دورة الكبريت العالمية. يؤدي حرق كميات كبيرة من الوقود الأحفوري، وخاصة من الفحم، إلى إطلاق ثاني أكسيد الكبريت، الذي يتفاعل مع الغلاف الجوي لتكوين حمض الكبريتيك. مثل حمض النيتريك، يساهم حمض الكبريتيك في ترسب الحمض.

قراءة تكميلية مقترحة

بروكنر، م. 2018. المنطقة الميتة في خليج المكسيك. [الموقع الإلكتروني]

المراجع

مطبعة الخلية. (2020، 6 أغسطس). يأمل الباحثون في إنقاذ الطيور البحرية من خلال حساب قيمة فضلاتها. تم استرجاعه في 7 أغسطس 2020 من ساينس ديلي.

الإسناد

تم تعديله بواسطة Melissa Ha من المصادر التالية:

تدخل الدورات البيوجيوكيميائية والطاقة والطاقة النظم البيئية من خلال التمثيل الضوئي من البيولوجيا البيئية بواسطة ماثيو آر فيشر (مرخص بموجب CC-BY)
دورة الكربون ودورة النيتروجين من علم الأحياء بواسطة John W. Kimball (مرخصة بموجب CC-BY)
تدفق الطاقة عبر النظم البيئية من علم الأحياء العام بواسطة OpenStax (مرخص بموجب CC-BY)
التربة والاستدامة والدورات البيوجيوكيميائية وتدفق الطاقة في نظام الأرض من الاستدامة: مؤسسة شاملة من تأليف توم ثيس وجوناثان تومكين، المحررون (مرخصون بموجب CC-BY). قم بالتنزيل مجانًا في CNX.
دورة المادة من AP للعلوم البيئية من قبل جامعة كاليفورنيا كوليدج الإعدادية بجامعة كاليفورنيا، جامعة كاليفورنيا (مرخصة بموجب CC-BY). قم بالتنزيل مجانًا في CNX.
دورات المغذيات من الدرجة 10 في علوم الحياة من Siyavula (CC-BY)