46.3: الدورات البيوجيوكيميائية

المهارات اللازمة للتطوير

• ناقش الدورات البيوجيوكيميائية للمياه والكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت
• اشرح كيف أثرت الأنشطة البشرية على هذه الدورات والعواقب المحتملة على الأرض

تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية، وتدخل كضوء الشمس (أو جزيئات غير عضوية للكيمياء الذاتية) وتغادر كحرارة أثناء عمليات النقل العديدة بين المستويات الغذائية. ومع ذلك، يتم حفظ المادة التي تتكون منها الكائنات الحية وإعادة تدويرها. تتخذ العناصر الستة الأكثر شيوعًا المرتبطة بالجزيئات العضوية - الكربون والنيتروجين والهيدروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت - مجموعة متنوعة من الأشكال الكيميائية وقد توجد لفترات طويلة في الغلاف الجوي أو على الأرض أو في الماء أو تحت سطح الأرض. تلعب العمليات الجيولوجية، مثل التجوية والتعرية وتصريف المياه وانصهار الصفائح القارية، دورًا في إعادة تدوير المواد هذه. نظرًا لأن الجيولوجيا والكيمياء لهما أدوار رئيسية في دراسة هذه العملية، فإن إعادة تدوير المواد غير العضوية بين الكائنات الحية وبيئتها تسمى الدورة البيوجيوكيميائية.

يحتوي الماء على الهيدروجين والأكسجين، وهو أمر ضروري لجميع العمليات الحية. الغلاف المائي هو منطقة الأرض التي تحدث فيها حركة المياه وتخزينها: كمياه سائلة على السطح وتحت السطح أو متجمدة (الأنهار والبحيرات والمحيطات والمياه الجوفية والغطاء الجليدي القطبي والأنهار الجليدية)، وكبخار ماء في الغلاف الجوي. يوجد الكربون في جميع الجزيئات العضوية الكبيرة وهو مكون مهم للوقود الأحفوري. النيتروجين هو مكون رئيسي من الأحماض النووية والبروتينات وهو أمر بالغ الأهمية للزراعة البشرية. يعد الفوسفور، وهو مكون رئيسي للحمض النووي (إلى جانب النيتروجين)، أحد المكونات الرئيسية في الأسمدة الاصطناعية المستخدمة في الزراعة والتأثيرات البيئية المرتبطة بها على المياه السطحية. يتم إطلاق الكبريت، الضروري لطي البروتينات ثلاثية الأبعاد (كما هو الحال في ربط ثنائي كبريتيد)، في الغلاف الجوي عن طريق حرق الوقود الأحفوري، مثل الفحم.

إن تدوير هذه العناصر مترابط. على سبيل المثال، تعتبر حركة المياه أمرًا بالغ الأهمية لرشح النيتروجين والفوسفات إلى الأنهار والبحيرات والمحيطات. علاوة على ذلك، يعد المحيط نفسه خزانًا رئيسيًا للكربون. وهكذا، يتم تدوير المغذيات المعدنية، إما بسرعة أو ببطء، عبر المحيط الحيوي بأكمله، من كائن حي إلى آخر، وبين العالم الحيوي وغير الحيوي.

دورة المياه (الهيدرولوجية)

الماء هو أساس جميع العمليات الحية. يتكون جسم الإنسان من أكثر من نصف الماء والخلايا البشرية أكثر من 70 بالمائة من الماء. وبالتالي، تحتاج معظم الحيوانات البرية إلى إمدادات المياه العذبة للبقاء على قيد الحياة. ومع ذلك، عند فحص مخازن المياه على الأرض، فإن 97.5 في المائة منها عبارة عن مياه مالحة غير صالحة للشرب (الشكل 1)\(\PageIndex{1}\)). Of the remaining water, 99 percent is locked underground as water or as ice. Thus, less than 1 percent of fresh water is easily accessible from lakes and rivers. Many living things, such as plants, animals, and fungi, are dependent on the small amount of fresh surface water supply, a lack of which can have massive effects on ecosystem dynamics. Humans, of course, have developed technologies to increase water availability, such as digging wells to harvest groundwater, storing rainwater, and using desalination to obtain drinkable water from the ocean. Although this pursuit of drinkable water has been ongoing throughout human history, the supply of fresh water is still a major issue in modern times.

Figure \(\PageIndex{1}\): Only 2.5 percent of water on Earth is fresh water, and less than 1 percent of fresh water is easily accessible to living things.

Water cycling is extremely important to ecosystem dynamics. Water has a major influence on climate and, thus, on the environments of ecosystems, some located on distant parts of the Earth. Most of the water on Earth is stored for long periods in the oceans, underground, and as ice. Figure \(\PageIndex{2}\) illustrates the average time that an individual water molecule may spend in the Earth’s major water reservoirs. Residence time is a measure of the average time an individual water molecule stays in a particular reservoir. A large amount of the Earth’s water is locked in place in these reservoirs as ice, beneath the ground, and in the ocean, and, thus, is unavailable for short-term cycling (only surface water can evaporate).

Figure \(\PageIndex{2}\): This graph shows the average residence time for water molecules in the Earth’s water reservoirs.

There are various processes that occur during the cycling of water, shown in Figure \(\PageIndex{3}\). These processes include the following:

• evaporation/sublimation
• condensation/precipitation
• subsurface water flow
• surface runoff/snowmelt
• streamflow

The water cycle is driven by the sun’s energy as it warms the oceans and other surface waters. This leads to the evaporation (water to water vapor) of liquid surface water and the sublimation (ice to water vapor) of frozen water, which deposits large amounts of water vapor into the atmosphere. Over time, this water vapor condenses into clouds as liquid or frozen droplets and is eventually followed by precipitation (rain or snow), which returns water to the Earth’s surface. Rain eventually permeates into the ground, where it may evaporate again if it is near the surface, flow beneath the surface, or be stored for long periods. More easily observed is surface runoff: the flow of fresh water either from rain or melting ice. Runoff can then make its way through streams and lakes to the oceans or flow directly to the oceans themselves.

Link to Learning

Head to this website to learn more about the world’s fresh water supply.

Rain and surface runoff are major ways in which minerals, including carbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur, are cycled from land to water. The environmental effects of runoff will be discussed later as these cycles are described.

Figure \(\PageIndex{3}\): Water from the land and oceans enters the atmosphere by evaporation or sublimation, where it condenses into clouds and falls as rain or snow. Precipitated water may enter freshwater bodies or infiltrate the soil. The cycle is complete when surface or groundwater reenters the ocean. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

The Carbon Cycle

Carbon is the second most abundant element in living organisms. Carbon is present in all organic molecules, and its role in the structure of macromolecules is of primary importance to living organisms. Carbon compounds contain especially high energy, particularly those derived from fossilized organisms, mainly plants, which humans use as fuel. Since the 1800s, the number of countries using massive amounts of fossil fuels has increased. Since the beginning of the Industrial Revolution, global demand for the Earth’s limited fossil fuel supplies has risen; therefore, the amount of carbon dioxide in our atmosphere has increased. This increase in carbon dioxide has been associated with climate change and other disturbances of the Earth’s ecosystems and is a major environmental concern worldwide. Thus, the “carbon footprint” is based on how much carbon dioxide is produced and how much fossil fuel countries consume.

The carbon cycle is most easily studied as two interconnected sub-cycles: one dealing with rapid carbon exchange among living organisms and the other dealing with the long-term cycling of carbon through geologic processes. The entire carbon cycle is shown in Figure \(\PageIndex{4}\).

Figure \(\PageIndex{4}\): Carbon dioxide gas exists in the atmosphere and is dissolved in water. Photosynthesis converts carbon dioxide gas to organic carbon, and respiration cycles the organic carbon back into carbon dioxide gas. Long-term storage of organic carbon occurs when matter from living organisms is buried deep underground and becomes fossilized. Volcanic activity and, more recently, human emissions, bring this stored carbon back into the carbon cycle. (credit: modification of work by John M. Evans and Howard Perlman, USGS)

Link to Learning

انقر فوق هذا الرابط لقراءة معلومات حول برنامج علوم دورة الكربون بالولايات المتحدة.

دورة الكربون البيولوجية

ترتبط الكائنات الحية بعدة طرق، حتى بين النظم البيئية. ومن الأمثلة الجيدة على هذا الارتباط تبادل الكربون بين الأنظمة الذاتية وغير المتجانسة داخل النظم البيئية وفيما بينها عن طريق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ثاني أكسيد الكربون هو اللبنة الأساسية التي تستخدمها معظم الأجهزة الذاتية لبناء مركبات متعددة الكربون وعالية الطاقة، مثل الجلوكوز. تستخدم هذه الكائنات الحية الطاقة التي يتم تسخيرها من الشمس لتكوين الروابط التساهمية التي تربط ذرات الكربون معًا. وبالتالي تخزن هذه الروابط الكيميائية هذه الطاقة لاستخدامها لاحقًا في عملية التنفس. تحصل معظم الأوتتروفات الأرضية على ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي، بينما تكتسبه الأوتوتروفات البحرية في شكل مذاب (حمض الكربونك، H ₂ CO ₃ ⁻). ومع ذلك يتم الحصول على ثاني أكسيد الكربون، فإن المنتج الثانوي للعملية هو الأكسجين. كائنات التمثيل الضوئي مسؤولة عن ترسيب ما يقرب من 21 بالمائة من محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي الذي نلاحظه اليوم.

تعد الكائنات المتغايرة والأصلية شركاء في تبادل الكربون البيولوجي (خاصة المستهلكين الأساسيين، ومعظمهم من الحيوانات العاشبة). تكتسب الهيتروتروفات مركبات الكربون عالية الطاقة من الأوتوتروفات عن طريق استهلاكها وتكسيرها عن طريق التنفس للحصول على الطاقة الخلوية، مثل ATP. يتطلب أكثر أنواع التنفس كفاءة، وهو التنفس الهوائي، الأكسجين الذي يتم الحصول عليه من الغلاف الجوي أو المذاب في الماء. وبالتالي، هناك تبادل مستمر للأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الأوتوتروفات (التي تحتاج إلى الكربون) والمغايرة (التي تحتاج إلى الأكسجين). يعد تبادل الغاز عبر الغلاف الجوي والماء إحدى الطرق التي تربط بها دورة الكربون جميع الكائنات الحية على الأرض.

دورة الكربون البيوجيوكيميائية

تعتبر حركة الكربون عبر الأرض والماء والهواء معقدة، وفي كثير من الحالات، تحدث بشكل أبطأ جيولوجيًا مما يحدث بين الكائنات الحية. يتم تخزين الكربون لفترات طويلة فيما يعرف باسم خزانات الكربون، والتي تشمل الغلاف الجوي، وأجسام المياه السائلة (معظمها المحيطات)، ورواسب المحيطات، والتربة، ورواسب الأرض (بما في ذلك الوقود الأحفوري)، وداخل الأرض.

كما ذكرنا، يعد الغلاف الجوي مستودعًا رئيسيًا للكربون في شكل ثاني أكسيد الكربون وهو ضروري لعملية التمثيل الضوئي. 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 موقع، ويؤثر كل منهما على الآخر بشكل متبادل. يذوب ثاني أكسيد الكربون (CO ₂) من الغلاف الجوي في الماء ويتحد مع جزيئات الماء لتكوين حمض الكربونك، ثم يتأين إلى أيونات الكربونات والبيكربونات (الشكل\(\PageIndex{5}\))

الشكل\(\PageIndex{5}\): يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء لتكوين أيونات البيكربونات والكربونات.

تتمثل معاملات التوازن في أن أكثر من 90 بالمائة من الكربون في المحيط يوجد في صورة أيونات بيكربونات. تتحد بعض هذه الأيونات مع الكالسيوم في مياه البحر لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO ₃)، وهو مكون رئيسي لأصداف الكائنات البحرية. تشكل هذه الكائنات الحية في النهاية رواسب في قاع المحيط. على مر الزمن الجيولوجي، تشكل كربونات الكالسيوم الحجر الجيري، الذي يضم أكبر خزان للكربون على الأرض.

على الأرض، يتم تخزين الكربون في التربة نتيجة لتحلل الكائنات الحية (بواسطة المتحللات) أو بسبب تجوية الصخور الأرضية والمعادن. يمكن تسرب هذا الكربون إلى خزانات المياه عن طريق الجريان السطحي. في أعماق الأرض، على الأرض وفي البحر، يوجد الوقود الأحفوري: بقايا النباتات المتحللة لا هوائيًا والتي تستغرق ملايين السنين لتكوينها. يعتبر الوقود الأحفوري موردًا غير متجدد لأن استخدامه يتجاوز بكثير معدل تكوينه. يتم تجديد الموارد غير المتجددة، مثل الوقود الأحفوري، ببطء شديد أو لا يتم تجديدها على الإطلاق. هناك طريقة أخرى لدخول الكربون إلى الغلاف الجوي وهي من الأرض (بما في ذلك الأرض تحت سطح المحيط) عن طريق ثوران البراكين وأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية الأخرى. يتم أخذ رواسب الكربون من قاع المحيط في أعماق الأرض من خلال عملية الاندساس: حركة صفيحة تكتونية تحت أخرى. يتم إطلاق الكربون في صورة ثاني أكسيد الكربون عندما ينفجر البركان أو من الفتحات الحرارية المائية البركانية.

يضاف ثاني أكسيد الكربون أيضًا إلى الغلاف الجوي من خلال ممارسات تربية الحيوانات البشرية. تؤدي الأعداد الكبيرة من الحيوانات البرية التي يتم تربيتها لإطعام سكان الأرض المتزايدين إلى زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب الممارسات الزراعية والتنفس وإنتاج الميثان. هذا مثال آخر على كيفية تأثير النشاط البشري بشكل غير مباشر على الدورات البيوجيوكيميائية بطريقة مهمة. على الرغم من أن الكثير من الجدل حول الآثار المستقبلية لزيادة الكربون في الغلاف الجوي على تغير المناخ يركز على الوقود الأحفوري، إلا أن العلماء يأخذون العمليات الطبيعية، مثل البراكين والتنفس، في الاعتبار عند وضع النماذج والتنبؤ بالتأثير المستقبلي لهذه الزيادة.

دورة النيتروجين

من الصعب إدخال النيتروجين إلى العالم الحي. النباتات والعوالق النباتية ليست مجهزة لدمج النيتروجين من الغلاف الجوي (الموجود في صورة _N2 التساهمي الثلاثي المرتبط بإحكام) على الرغم من أن هذا الجزيء يضم حوالي 78 بالمائة من الغلاف الجوي. يدخل النيتروجين العالم الحي عن طريق البكتيريا الحية والتكافلية، التي تدمج النيتروجين في جزيئاتها الكبيرة من خلال تثبيت النيتروجين (تحويل N ₂). تعيش البكتيريا الزرقاء في معظم النظم البيئية المائية حيث يوجد ضوء الشمس؛ وتلعب دورًا رئيسيًا في تثبيت النيتروجين. تستطيع البكتيريا الزرقاء استخدام مصادر غير عضوية للنيتروجين «لإصلاح» النيتروجين. تعيش بكتيريا Rhizobium بشكل تكافلي في العقيدات الجذرية للبقوليات (مثل البازلاء والفاصوليا والفول السوداني) وتزودها بالنيتروجين العضوي الذي تحتاجه. تعد البكتيريا التي تعيش بحرية، مثل Azotobacter، من مثبتات النيتروجين المهمة أيضًا.

يعتبر النيتروجين العضوي مهمًا بشكل خاص لدراسة ديناميكيات النظام البيئي نظرًا لأن العديد من عمليات النظام البيئي، مثل الإنتاج الأولي والتحلل، محدودة بسبب الإمداد المتاح من النيتروجين. كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{6}\)، يتم تحويل النيتروجين الذي يدخل الأنظمة الحية عن طريق تثبيت النيتروجين تباعًا من النيتروجين العضوي مرة أخرى إلى غاز النيتروجين بواسطة البكتيريا. تحدث هذه العملية في ثلاث خطوات في الأنظمة الأرضية: التسميد والنترجة ونزع النتروجين. أولاً، تقوم عملية التسميد بالأمونيا بتحويل النفايات النيتروجينية من الحيوانات الحية أو من بقايا الحيوانات الميتة إلى أمونيوم (NH ₄ ⁺) بواسطة بعض البكتيريا والفطريات. ثانيًا، يتم تحويل الأمونيوم إلى النتريت (NO ₂ ⁻) عن طريق نيتروجين البكتيريا، مثل النيتروسوموناس، من خلال النترجة. بعد ذلك، يتم تحويل النتريت إلى نترات (NO ₃ ⁻) بواسطة كائنات مماثلة. ثالثًا، تحدث عملية نزع النتروجين، حيث تقوم البكتيريا، مثل Pseudomonas و Clostridium، بتحويل النترات إلى غاز نيتروجين، مما يسمح لها بإعادة دخول الغلاف الجوي.

الشكل\(\PageIndex{6}\): يدخل النيتروجين العالم الحي من الغلاف الجوي عبر البكتيريا المثبتة للنيتروجين. ثم تتم معالجة نفايات النيتروجين والنيتروجين من الحيوانات مرة أخرى إلى نيتروجين غازي بواسطة بكتيريا التربة، والتي تزود أيضًا شبكات الغذاء الأرضية بالنيتروجين العضوي الذي تحتاجه. (مصدر: تعديل عمل جون إم إيفانز وهوارد بيرلمان، USGS)

التمارين

أي العبارات التالية عن دورة النيتروجين خاطئة؟

1. يؤدي التسميد بالأمونيا إلى تحويل المواد النيتروجينية العضوية من الكائنات الحية إلى أمونيوم (NH ₄ ⁺).
2. يؤدي نزع النتروجين بواسطة البكتيريا إلى تحويل النترات (NO ₃ ⁻) إلى غاز النيتروجين (N ₂).
3. النترجة بواسطة البكتيريا تحول النترات (NO ₃ ⁻) إلى النتريت (NO ₂ ⁻).
4. تقوم بكتيريا تثبيت النيتروجين بتحويل غاز النيتروجين (N ₂) إلى مركبات عضوية.

إجابة

C: النترجة بواسطة البكتيريا تحول النترات (NO ₃ ⁻) إلى النتريت (NO ₂ ⁻).

يمكن للنشاط البشري إطلاق النيتروجين في البيئة بوسيلتين أساسيتين: احتراق الوقود الأحفوري، الذي يطلق أكاسيد النيتروجين المختلفة، واستخدام الأسمدة الاصطناعية في الزراعة، والتي يتم غسلها بعد ذلك في البحيرات والجداول والأنهار عن طريق الجريان السطحي. يرتبط النيتروجين في الغلاف الجوي بالعديد من التأثيرات على النظم البيئية للأرض بما في ذلك إنتاج المطر الحمضي (مثل حمض النيتريك، HNO ₃) وغازات الاحتباس الحراري (مثل أكسيد النيتروز، N ₂ O) التي يحتمل أن تسبب تغير المناخ. يتمثل أحد الآثار الرئيسية لجريان الأسمدة في إغناء المياه المالحة والمياه العذبة بالمغذيات، وهي عملية يتسبب فيها جريان المغذيات في النمو الزائد للكائنات الحية الدقيقة، واستنفاد مستويات الأكسجين الذائب وقتل حيوانات النظام البيئي.

تحدث عملية مماثلة في دورة النيتروجين البحري، حيث تتم عمليات التسميد والنترجة ونزع النتروجين بواسطة البكتيريا البحرية. يسقط بعض هذا النيتروجين في قاع المحيط كرواسب، والتي يمكن بعد ذلك نقلها إلى الأرض في الوقت الجيولوجي عن طريق رفع سطح الأرض 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. ¹

دورة الفسفور

الفوسفور عنصر غذائي أساسي للعمليات الحية؛ إنه مكون رئيسي للحمض النووي والفوسفوليبيدات، ويشكل فوسفات الكالسيوم المكونات الداعمة لعظامنا. غالبًا ما يكون الفوسفور هو العنصر الغذائي المحدود (الضروري للنمو) في النظم البيئية المائية (الشكل\(\PageIndex{7}\)).

يوجد الفوسفور في الطبيعة كأيون الفوسفات (PO ₄ ³⁻). بالإضافة إلى جريان الفوسفات نتيجة للنشاط البشري، يحدث الجريان السطحي الطبيعي عندما يتم رشحه من الصخور المحتوية على الفوسفات عن طريق التجوية، وبالتالي إرسال الفوسفات إلى الأنهار والبحيرات والمحيطات. تعود أصول هذه الصخرة إلى المحيط. تتكون رواسب المحيطات المحتوية على الفوسفات بشكل أساسي من أجسام الكائنات الحية في المحيطات ومن إفرازاتها. ومع ذلك، في المناطق النائية، 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 مناطق سطح الأرض.

يتم أيضًا تبادل الفوسفور بشكل متبادل بين الفوسفات الذائب في المحيط والنظم البيئية البحرية. 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.

الشكل\(\PageIndex{7}\): في الطبيعة، يوجد الفوسفور كأيون الفوسفات (PO ₄ ³⁻). يؤدي تجوية الصخور والنشاط البركاني إلى إطلاق الفوسفات في التربة والماء والهواء، حيث يصبح متاحًا لشبكات الغذاء الأرضية. يدخل الفوسفات المحيطات عن طريق الجريان السطحي وتدفق المياه الجوفية وتدفق الأنهار. يذوب الفوسفات في دورات مياه المحيطات في شبكات الغذاء البحرية. يسقط بعض الفوسفات من شبكات الغذاء البحرية إلى قاع المحيط، حيث يشكل الرواسب. (مصدر: تعديل عمل جون إم إيفانز وهوارد بيرلمان، USGS)

يتسبب الفوسفور الزائد والنيتروجين الذي يدخل هذه النظم البيئية من جريان الأسمدة ومن مياه الصرف الصحي في نمو مفرط للكائنات الحية الدقيقة ويستنفد الأكسجين المذاب، مما يؤدي إلى موت العديد من حيوانات النظام البيئي، مثل المحار والأسماك الزعنفية. هذه العملية مسؤولة عن المناطق الميتة في البحيرات وعند مصبات العديد من الأنهار الرئيسية (الشكل\(\PageIndex{8}\)).

الشكل\(\PageIndex{8}\): تحدث المناطق الميتة عندما يتسبب الفوسفور والنيتروجين من الأسمدة في نمو مفرط للكائنات الحية الدقيقة التي تستنفد الأكسجين وتقتل الحيوانات. في جميع أنحاء العالم، توجد مناطق ميتة كبيرة في المناطق الساحلية ذات الكثافة السكانية العالية. (مصدر: مرصد ناسا الأرضي)

المنطقة الميتة هي منطقة داخل المياه العذبة أو النظام البيئي البحري حيث يتم استنفاد مساحات كبيرة من النباتات والحيوانات الطبيعية؛ يمكن أن تحدث هذه المناطق بسبب التغذية بالمغذيات، والانسكابات النفطية، وإلقاء المواد الكيميائية السامة، والأنشطة البشرية الأخرى. يتزايد عدد المناطق الميتة منذ عدة سنوات، وكانت أكثر من 400 من هذه المناطق موجودة اعتبارًا من عام 2008. تقع إحدى أسوأ المناطق الميتة قبالة سواحل الولايات المتحدة في خليج المكسيك، حيث أدى جريان الأسمدة من حوض نهر المسيسيبي إلى إنشاء منطقة ميتة تزيد مساحتها عن 8463 ميلاً مربعاً. كما يؤثر جريان الفوسفات والنترات من الأسمدة سلبًا على العديد من النظم البيئية للبحيرة والخليج بما في ذلك خليج تشيسابيك في شرق الولايات المتحدة.

اتصال يومي: خليج تشيسابيك

الشكل\(\PageIndex{9}\): 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)

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. 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.

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 الحصاد المفرط. يتطلب المحار حدًا أدنى معينًا من الكثافة السكانية لأنه يجب أن يكون قريبًا جدًا 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. 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 للجزيئات الكبيرة للكائنات الحية. كجزء من الحمض الأميني السيستين، فإنه يشارك في تكوين روابط ثنائي كبريتيد داخل البروتينات، مما يساعد على تحديد أنماط طيها ثلاثية الأبعاد، وبالتالي وظائفها. كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{10}\)، يدور الكبريت بين المحيطات والأرض والغلاف الجوي. يوجد الكبريت في الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكبريت (SO ₂) ويدخل الغلاف الجوي بثلاث طرق: من تحلل الجزيئات العضوية، ومن النشاط البركاني وفتحات الطاقة الحرارية الأرضية، ومن حرق الوقود الأحفوري من قبل البشر.

الشكل\(\PageIndex{10}\): يصبح ثاني أكسيد الكبريت من الغلاف الجوي متاحًا للنظم البيئية الأرضية والبحرية عندما يذوب في هطول الأمطار كحمض كبريتيك ضعيف أو عندما يسقط مباشرة على الأرض كتساقط. كما أن تجوية الصخور تجعل الكبريتات متاحة للنظم البيئية الأرضية. يؤدي تحلل الكائنات الحية إلى إرجاع الكبريتات إلى المحيط والتربة والغلاف الجوي. (مصدر: تعديل عمل جون إم إيفانز وهوارد بيرلمان، USGS)

على الأرض، يترسب الكبريت بأربع طرق رئيسية: هطول الأمطار، والتساقط المباشر من الغلاف الجوي، وتجوية الصخور، وفتحات الطاقة الحرارية الأرضية (الشكل\(\PageIndex{11}\)). 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. كما أن تجوية الصخور المحتوية على الكبريت تطلق 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 (\(\text{SO}_4^{2-}\))، وعند موت وتحلل هذه الكائنات الحية، تطلق الكبريت مرة أخرى إلى الغلاف الجوي كغاز كبريتيد الهيدروجين (H ₂ S).

الشكل\(\PageIndex{11}\): في فتحة الكبريت هذه في حديقة لاسين البركانية الوطنية في شمال شرق كاليفورنيا، تظهر رواسب الكبريت الصفراء بالقرب من مصب فتحة التهوية.

يدخل الكبريت المحيط عن طريق الجريان السطحي من الأرض، ومن تداعيات الغلاف الجوي، ومن فتحات الطاقة الحرارية الأرضية تحت الماء. تعتمد بعض النظم البيئية على المواد الكيميائية باستخدام الكبريت كمصدر للطاقة البيولوجية. 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 كميات أكبر من غاز كبريتيد الهيدروجين في الغلاف الجوي. عندما يسقط المطر من خلال هذا الغاز، فإنه يخلق ظاهرة تعرف باسم المطر الحمضي. الأمطار الحمضية هي أمطار مسببة للتآكل ناتجة عن سقوط مياه الأمطار على الأرض من خلال غاز ثاني أكسيد الكبريت، مما يحولها إلى حمض كبريتيك ضعيف، مما يتسبب في تلف النظم البيئية المائية. تضر الأمطار الحمضية بالبيئة الطبيعية عن طريق خفض درجة الحموضة في البحيرات، التي تقتل العديد من الحيوانات المقيمة؛ كما أنها تؤثر على البيئة الاصطناعية من خلال التحلل الكيميائي للمباني. على سبيل المثال، تعرضت العديد من الآثار الرخامية، مثل نصب لنكولن التذكاري في واشنطن العاصمة، لأضرار كبيرة من الأمطار الحمضية على مر السنين. توضح هذه الأمثلة الآثار الواسعة النطاق للأنشطة البشرية على بيئتنا والتحديات المتبقية لمستقبلنا.

رابط إلى التعلم

انقر فوق هذا الرابط لمعرفة المزيد عن تغير المناخ العالمي.

ملخص

يتم تدوير المغذيات المعدنية من خلال النظم البيئية وبيئتها. تعتبر المياه والكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت ذات أهمية خاصة. كل هذه الدورات لها تأثيرات كبيرة على بنية النظام البيئي ووظيفته. نظرًا لأن الأنشطة البشرية تسببت في اضطرابات كبيرة لهذه الدورات، فإن دراستها ونمذجتها مهمة بشكل خاص. أدت مجموعة متنوعة من الأنشطة البشرية، مثل التلوث والانسكابات النفطية وغيرها من الأحداث، إلى إتلاف النظم البيئية، مما قد يتسبب في تغير المناخ العالمي. تعتمد صحة الأرض على فهم هذه الدورات وكيفية حماية البيئة من الضرر الذي لا يمكن إصلاحه.

الحواشي

1. 1 سكوت إل مورفورد، بنجامين زد هولتون، وراندي أ. دالغرين، «زيادة تخزين الكربون والنيتروجين في النظام البيئي للغابات من الصخور الغنية بالنيتروجين»، الطبيعة 477، رقم 7362 (2011): 78-81.

مسرد المصطلحات

مطر حمضي

الأمطار المسببة للتآكل الناتجة عن سقوط مياه الأمطار على الأرض من خلال غاز ثاني أكسيد الكبريت، وتحويلها إلى حمض كبريتيك ضعيف؛ يمكن أن تلحق الضرر بالهياكل والنظم البيئية

الدورة البيوجيوكيميائية

تدوير المغذيات المعدنية من خلال النظم البيئية ومن خلال العالم غير الحي

منطقة ميتة

منطقة داخل النظام البيئي في البحيرات وبالقرب من مصبات الأنهار حيث تستنفد مساحات كبيرة من النظم البيئية من النباتات والحيوانات العادية؛ يمكن أن تحدث هذه المناطق بسبب التغذية بالمغذيات، وانسكاب النفط، وإلقاء المواد الكيميائية السامة، وغيرها من الأنشطة البشرية

التغذية بالمغذيات

عملية يتسبب فيها جريان المغذيات في النمو الزائد للكائنات الحية الدقيقة واستنفاد مستويات الأكسجين الذائب وقتل حيوانات النظام البيئي

تداعيات

الترسيب المباشر للمعادن الصلبة على الأرض أو في المحيط من الغلاف الجوي

الغلاف المائي

منطقة الأرض حيث تحدث حركة المياه وتخزينها

مورد غير متجدد

المورد، مثل الوقود الأحفوري، الذي يتم تجديده ببطء شديد أو لا يتم تجديده على الإطلاق

وقت الإقامة

قياس متوسط الوقت الذي يبقى فيه جزيء الماء الفردي في خزان معين

انتحاب

حركة صفيحة تكتونية تحت أخرى