Skip to main content
Global

20.2: الدورات البيوجيوكيميائية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    191486

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

    تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية، وتدخل كضوء الشمس (أو جزيئات غير عضوية للكيمياء الذاتية) وتغادر كحرارة أثناء عمليات النقل بين المستويات الغذائية. بدلاً من التدفق عبر النظام البيئي، يتم الحفاظ على المادة التي تشكل 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 تدوير العناصر على الأرض. نظرًا لأن للجيولوجيا والكيمياء أدوارًا رئيسية في دراسة هذه العملية، فإن إعادة تدوير المواد غير العضوية بين الكائنات الحية وبيئتها غير الحية تسمى الدورة البيوجيوكيميائية.

    الماء، الذي يحتوي على الهيدروجين والأكسجين، ضروري لجميع العمليات الحية. الغلاف المائي هو منطقة الأرض التي تحدث فيها حركة المياه وتخزينها: كمياه سائلة على السطح (الأنهار والبحيرات والمحيطات) وتحت السطح (المياه الجوفية) أو الجليد، (الأغطية الجليدية القطبية والأنهار الجليدية)، وبخار الماء 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، أحد المكونات الرئيسية للأحماض النووية، أحد المكونات الرئيسية (إلى جانب النيتروجين) في الأسمدة الصناعية المستخدمة في الزراعة، والتي لها تأثيرات بيئية على المياه السطحية. يتم إطلاق الكبريت، الضروري للطي ثلاثي الأبعاد للبروتينات (كما هو الحال في ربط ثاني كبريتيد)، في الغلاف الجوي عن طريق حرق الوقود الأحفوري.

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

    دورة المياه

    الماء ضروري لجميع 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. من مخازن المياه على الأرض، 97.5 في المائة هي مياه مالحة (الشكل\(\PageIndex{1}\)). من المياه المتبقية، يتم حبس 99 في المائة منها كمياه جوفية أو ثلج. وبالتالي، يوجد أقل من واحد بالمائة من المياه العذبة في البحيرات والأنهار. تعتمد العديد من الكائنات الحية على هذه الكمية الصغيرة من إمدادات المياه العذبة السطحية، والتي يمكن أن يكون لنقص هذه الكمية تأثيرات مهمة على ديناميكيات النظام البيئي. لقد طور البشر بالطبع تقنيات لزيادة توافر المياه، مثل حفر الآبار لحصاد المياه الجوفية، وتخزين مياه الأمطار، واستخدام تحلية المياه للحصول على مياه صالحة للشرب من المحيط. على الرغم من أن هذا السعي وراء المياه الصالحة للشرب كان مستمرًا طوال تاريخ البشرية، إلا أن إمدادات المياه العذبة لا تزال تمثل مشكلة رئيسية في العصر الحديث.

    يُظهر المخطط الدائري أن 97.5 بالمائة من المياه على الأرض، أو 1.365.000.000 كيلومتر مكعب، هي مياه مالحة. أما نسبة 2.5 في المائة المتبقية، أو 35,000,000 كيلومتر مكعب، فهي مياه عذبة. من المياه العذبة، يتم تجميد 68.9 في المائة في الأنهار الجليدية أو الغطاء الثلجي الدائم، و 30.8 في المائة في المياه الجوفية (رطوبة التربة، مياه المستنقعات، التربة الصقيعية). أما النسبة المتبقية وهي 0.3 في المائة فهي في البحيرات والأنهار.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): 2.5 في المائة فقط من المياه على الأرض هي مياه عذبة، وأقل من 1 في المائة من المياه العذبة يمكن الوصول إليها بسهولة للكائنات الحية.

    يوضح الشكل العمليات المختلفة التي تحدث أثناء دورة المياه\(\PageIndex{2}\). تتضمن العمليات ما يلي:

    • التبخر والتسامي
    • التكثيف وهطول الأمطار
    • تدفق المياه تحت سطح الأرض
    • جريان السطح وذوبان الثلوج
    • تدفق تيار

    يتم تشغيل دورة المياه بواسطة طاقة الشمس لأنها تدفئ المحيطات والمياه السطحية الأخرى. وهذا يؤدي إلى تبخر (الماء إلى بخار الماء) للمياه السطحية السائلة وتسامي الماء المتجمد (الثلج إلى بخار الماء)، وبالتالي نقل كميات كبيرة من الماء إلى الغلاف الجوي كبخار ماء. مع مرور الوقت، يتكثف بخار الماء هذا في السحب على شكل قطرات سائلة أو مجمدة ويؤدي في النهاية إلى هطول الأمطار (المطر أو الثلج)، مما يعيد الماء إلى سطح الأرض. قد تتبخر الأمطار التي تصل إلى سطح الأرض مرة أخرى أو تتدفق فوق السطح أو تتسرب إلى الأرض. أكثر ما يمكن ملاحظته هو جريان السطح: تدفق المياه العذبة إما من المطر أو الجليد الذائب. يمكن أن يشق الجريان السطحي طريقه عبر الجداول والبحيرات إلى المحيطات أو يتدفق مباشرة إلى المحيطات نفسها.

    في معظم البيئات الأرضية الطبيعية، يواجه المطر الغطاء النباتي قبل أن يصل إلى سطح التربة. تتبخر نسبة كبيرة من الماء على الفور من أسطح النباتات. ما تبقى يصل إلى التربة ويبدأ في التحرك لأسفل. لن يحدث الجريان السطحي إلا إذا أصبحت التربة مشبعة بالماء في هطول الأمطار الغزيرة. سوف تمتص جذور النباتات معظم المياه في التربة. سيستخدم النبات بعضًا من هذه المياه لعملية التمثيل الغذائي الخاصة به، وسيجد بعضها طريقه إلى الحيوانات التي تأكل النباتات، ولكن الكثير منها سيضيع مرة أخرى في الغلاف الجوي من خلال عملية تعرف باسم التبخر والنتح. يدخل الماء إلى نظام الأوعية الدموية للنبات من خلال الجذور ويتبخر، أو يتدفق، من خلال ثغور الأوراق. يمكن للمياه الموجودة في التربة التي لا تمتصها النباتات والتي لا تتبخر أن تتسرب إلى باطن الأرض والصخور. هنا تشكل المياه الجوفية.

    تعتبر المياه الجوفية خزانًا مهمًا للمياه العذبة. يوجد في المسام بين الجسيمات في الرمل والحصى، أو في الشقوق في الصخور. تتدفق المياه الجوفية الضحلة ببطء عبر هذه المسام والشقوق وتجد طريقها في النهاية إلى مجرى مائي أو بحيرة حيث تصبح جزءًا من المياه السطحية مرة أخرى. لا تتدفق تيارات المياه لأنها تتجدد من مياه الأمطار مباشرة؛ فهي تتدفق بسبب وجود تدفق مستمر من المياه الجوفية في الأسفل. توجد بعض المياه الجوفية في أعماق الصخور ويمكن أن تستمر هناك لآلاف السنين. معظم خزانات المياه الجوفية، أو طبقات المياه الجوفية، هي مصدر مياه الشرب أو الري التي يتم سحبها من خلال الآبار. في كثير من الحالات يتم استنزاف طبقات المياه الجوفية هذه بشكل أسرع من تجديدها عن طريق تسرب المياه من الأعلى.

    يعتبر المطر والجريان السطحي من الطرق الرئيسية التي يتم من خلالها تدوير المعادن، بما في ذلك الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت، من الأرض إلى الماء. ستتم مناقشة الآثار البيئية للجريان السطحي لاحقًا عند وصف هذه الدورات.

    يوضح الرسم التوضيحي دورة الماء. يدخل الماء الغلاف الجوي من خلال التبخر والتبخر والنتح والتسامي والبخار البركاني. يؤدي التكثيف في الغلاف الجوي إلى تحويل بخار الماء إلى غيوم. تعود المياه من الغلاف الجوي إلى الأرض عن طريق هطول الأمطار أو إزالة أشعة الشمس. تتسرب بعض هذه المياه إلى الأرض لتصبح مياه جوفية. يؤدي التسرب وينابيع المياه العذبة وامتصاص النبات إلى إرجاع بعض هذه المياه إلى السطح. تتسرب المياه المتبقية إلى المحيطات. وتدخل المياه السطحية المتبقية تيارات المياه وبحيرات المياه العذبة، حيث تدخل في نهاية المطاف إلى المحيط عن طريق الجريان السطحي. تدخل بعض المياه أيضًا المحيط عبر الفتحات تحت الماء أو البراكين.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): تدخل المياه من الأرض والمحيطات إلى الغلاف الجوي عن طريق التبخر أو التسامي، حيث تتكثف في السحب وتسقط كمطر أو ثلج. قد تدخل المياه المترسبة مسطحات المياه العذبة أو تتسلل إلى التربة. تكتمل الدورة عندما تعود المياه السطحية أو الجوفية إلى المحيط. (مصدر: تعديل عمل جون إم إيفانز وهوارد بيرلمان، USGS)

    دورة الكربون

    الكربون هو العنصر الرابع الأكثر وفرة في الكائنات الحية. يوجد الكربون في جميع الجزيئات العضوية، ودوره في بنية الجزيئات الكبيرة له أهمية أساسية للكائنات الحية. تحتوي مركبات الكربون على الطاقة، وظلت العديد من هذه المركبات من النباتات والطحالب مخزنة ككربون متحجر، يستخدمه البشر كوقود. منذ القرن التاسع عشر، تسارع استخدام الوقود الأحفوري. مع ارتفاع الطلب العالمي على إمدادات الوقود الأحفوري المحدودة للأرض منذ بداية الثورة الصناعية، زادت كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مع حرق الوقود. ارتبطت هذه الزيادة في ثاني أكسيد الكربون بتغير المناخ وهي مصدر قلق بيئي كبير في جميع أنحاء العالم.

    تتم دراسة دورة الكربون بسهولة كدورتين فرعيتين مترابطتين: واحدة تتعامل مع التبادل السريع للكربون بين الكائنات الحية والأخرى تتعامل مع دورة الكربون طويلة المدى من خلال العمليات الجيولوجية. تظهر دورة الكربون بأكملها في الشكل\(\PageIndex{3}\).

    يوضح الرسم التوضيحي دورة الكربون. يدخل الكربون الغلاف الجوي كغاز ثاني أكسيد الكربون المنبعث من الانبعاثات البشرية والتنفس والتحلل والانبعاثات البركانية. تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي عن طريق التمثيل الضوئي البحري والأرضي. يتحول الكربون الناتج عن تجوية الصخور إلى كربون التربة، والذي يمكن أن يصبح بمرور الوقت كربونًا أحفوريًا. يدخل الكربون المحيط من الأرض عن طريق الرشح والجريان السطحي. يمكن أن يؤدي رفع رواسب المحيطات إلى إعادة الكربون إلى الأرض.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يوجد غاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ويذوب في الماء. يعمل التمثيل الضوئي على تحويل غاز ثاني أكسيد الكربون إلى كربون عضوي، ويعيد التنفس دورة الكربون العضوي إلى غاز ثاني أكسيد الكربون. يحدث التخزين طويل الأجل للكربون العضوي عندما يتم دفن المادة من الكائنات الحية في أعماق الأرض وتصبح متحجرة. يؤدي النشاط البركاني، وفي الآونة الأخيرة، الانبعاثات البشرية إلى إعادة هذا الكربون المخزن إلى دورة الكربون. (مصدر: تعديل عمل جون إم إيفانز وهوارد بيرلمان، USGS)

    دورة الكربون البيولوجية

    ترتبط الكائنات الحية بعدة طرق، حتى بين النظم البيئية. ومن الأمثلة الجيدة على هذا الارتباط تبادل الكربون بين التغايرات والأوتوتروفات داخل النظم البيئية وفيما بينها عن طريق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ثاني أكسيد الكربون هو اللبنة الأساسية التي تستخدمها الأوتوتروفات 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. تقوم هذه الروابط الكيميائية بتخزين هذه الطاقة لاستخدامها لاحقًا في عملية التنفس. تحصل معظم الأوتتروفات الأرضية على ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي، بينما تكتسبه الأوتتروفات البحرية في شكله المذاب (حمض الكربونك، HCO 3 -). ومع ذلك يتم الحصول على ثاني أكسيد الكربون، فإن المنتج الثانوي لتثبيت الكربون في المركبات العضوية هو الأكسجين. كائنات التمثيل الضوئي مسؤولة عن الحفاظ على ما يقرب من 21 بالمائة من محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي الذي نلاحظه اليوم.

    الشركاء في تبادل الكربون البيولوجي هم المتغايرة (خاصة المستهلكين الأساسيين، ومعظمهم من الحيوانات العاشبة). تكتسب Hetrotrophs 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). تقوم Autotrophs أيضًا بترميم واستهلاك الجزيئات العضوية التي تشكلها: باستخدام الأكسجين وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. إنها تطلق المزيد من غاز الأكسجين كنفايات لعملية التمثيل الضوئي أكثر مما تستخدمه لتنفسها؛ لذلك، هناك فائض متاح لتنفس الكائنات الهوائية الأخرى. 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 من الحركة بين الكائنات الحية. يتم تخزين الكربون لفترات طويلة في ما يعرف باسم خزانات الكربون، والتي تشمل الغلاف الجوي، وأجسام المياه السائلة (معظمها المحيطات)، ورواسب المحيطات، والتربة، والصخور (بما في ذلك الوقود الأحفوري)، وداخل الأرض.

    كما ذكرنا، يعد الغلاف الجوي مستودعًا رئيسيًا للكربون في شكل ثاني أكسيد الكربون الضروري 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 منهما، ويؤثر كل منهما على الآخر بشكل متبادل. يذوب ثاني أكسيد الكربون (CO 2) من الغلاف الجوي في الماء، وعلى عكس غاز الأكسجين والنيتروجين، يتفاعل مع جزيئات الماء لتكوين مركبات أيونية. تتحد بعض هذه الأيونات مع أيونات الكالسيوم في مياه البحر لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO 3)، وهو مكون رئيسي في أصداف 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 ككربون عضوي نتيجة لتحلل الكائنات الحية أو بسبب تجوية الصخور الأرضية والمعادن. في أعماق الأرض، في البر والبحر، يوجد الوقود الأحفوري، وهو بقايا نباتات متحللة لا هوائيًا تستغرق ملايين السنين لتكوينها. يعتبر الوقود الأحفوري موردًا غير متجدد لأن استخدامه يتجاوز بكثير معدل تكوينه. يتم تجديد المورد غير المتجدد ببطء شديد أو لا يتم تجديده 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 إلى 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. يؤدي العدد الكبير من الحيوانات البرية التي يتم تربيتها لإطعام عدد متزايد من البشر في الأرض إلى زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب تنفسها. 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 ونمو النبات ومستويات الكربون في التربة والتنفس، في الاعتبار أثناء نمذجة وتوقع التأثير 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؛ فهي تلعب 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\(\PageIndex{4}\)، فإن النيتروجين الذي يدخل الأنظمة الحية عن طريق تثبيت النيتروجين يتم تحويله في النهاية 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 هذا الأمونيوم بعد ذلك إلى النتريت (NO 2 −) عن طريق إزالة النترجة من البكتيريا، مثل النيتروسوموناس، من خلال النترجة. بعد ذلك، يتم تحويل النتريت إلى نترات (NO 3 −) بواسطة كائنات مماثلة. أخيرًا، تحدث عملية نزع النتروجين، حيث تقوم البكتيريا، مثل Pseudomonas و Clostridium، بتحويل النترات إلى غاز نيتروجين، مما يسمح لها بإعادة دخول الغلاف الجوي.

    آرت كونيكشن

    يوضح الرسم التوضيحي دورة النيتروجين. يتم تثبيت غاز النيتروجين من الغلاف الجوي في النيتروجين العضوي عن طريق بكتيريا تثبيت النيتروجين. يدخل هذا النيتروجين العضوي شبكات الغذاء الأرضية. إنها تترك شبكات الغذاء كنفايات نيتروجينية في التربة. يؤدي تكوين الأمونيا لهذه النفايات النيتروجينية بواسطة البكتيريا والفطريات في التربة إلى تحويل النيتروجين العضوي إلى أيون الأمونيوم (NH4 plus). يتم تحويل الأمونيوم إلى النتريت (NO2 ناقص)، ثم إلى نترات (NO3 ناقص) عن طريق إزالة البكتيريا. تقوم البكتيريا التي تزيل النتروجين بتحويل النترات مرة أخرى إلى غاز النيتروجين، الذي يدخل الغلاف الجوي مرة أخرى. يدخل النيتروجين الناتج عن الجريان السطحي والأسمدة إلى المحيط، حيث يدخل شبكات الغذاء البحرية. يسقط بعض النيتروجين العضوي في قاع المحيط كرواسب. يتم تحويل النيتروجين العضوي الآخر في المحيط إلى أيونات النتريت والنترات، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى غاز النيتروجين في عملية مماثلة لتلك التي تحدث على الأرض.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): يدخل النيتروجين العالم الحي من الغلاف الجوي من خلال 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)

    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.

    يمكن للنشاط البشري إطلاق النيتروجين في البيئة بوسيلتين أساسيتين: احتراق الوقود الأحفوري، الذي يطلق أكاسيد النيتروجين المختلفة، واستخدام الأسمدة الاصطناعية (التي تحتوي على مركبات النيتروجين والفوسفور) في الزراعة، والتي يتم غسلها بعد ذلك في البحيرات والجداول والأنهار عن طريق الجريان السطحي. يرتبط النيتروجين في الغلاف الجوي (بخلاف N 2) بالعديد من التأثيرات على النظم البيئية للأرض بما في ذلك إنتاج المطر الحمضي (مثل حمض النيتريك، HNO 3) وتأثيرات غازات الاحتباس الحراري (مثل أكسيد النيتروز، N 2 O)، مما قد يسبب المناخ تغيير. يتمثل أحد الآثار الرئيسية لجريان الأسمدة في إغناء المياه المالحة والمياه العذبة بالمغذيات، وهي عملية يؤدي فيها جريان المغذيات إلى فرط نمو الطحالب وعدد من المشاكل اللاحقة.

    تحدث عملية مماثلة في دورة النيتروجين البحري، حيث تتم عمليات التسميد والنترجة ونزع النتروجين بواسطة البكتيريا البحرية والعتيقة. 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 للأحماض النووية والفوسفوليبيدات، وباعتباره فوسفات الكالسيوم، يشكل المكونات الداعمة لعظامنا. غالبًا ما يكون الفوسفور هو العنصر الغذائي المحدود (الضروري للنمو) في النظم البيئية المائية، وخاصة المياه العذبة.

    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، 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\(\PageIndex{5}\))

    كما يتم تبادل الفوسفور بشكل متبادل بين الفوسفات الذائب في المحيط والكائنات 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.

    يوضح الرسم التوضيحي دورة الفوسفور. يدخل الفوسفور الغلاف الجوي من الأيروسولات البركانية. عندما يترسب هذا الأيروسول إلى الأرض، فإنه يدخل شبكات الغذاء الأرضية. يذوب بعض الفوسفور من شبكات الغذاء الأرضية في الجداول والبحيرات، ويدخل الباقي التربة. مصدر آخر للفوسفور هو الأسمدة. يدخل الفوسفور المحيط عن طريق الرشح والجريان السطحي، حيث يذوب في مياه المحيط أو يدخل شبكات الغذاء البحرية. يسقط بعض الفوسفور في قاع المحيط حيث يتحول إلى رواسب. في حالة حدوث ارتفاع، يمكن أن تعود هذه الرواسب إلى الأرض.
    الشكل\(\PageIndex{5}\): 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 في 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 الفسفور والنيتروجين الزائدان اللذان يدخلان هذه النظم البيئية من جريان الأسمدة ومن مياه الصرف الصحي في نمو مفرط للطحالب. يؤدي الموت والانحلال اللاحقين لهذه الكائنات إلى استنفاد الأكسجين المذاب، مما يؤدي إلى موت الكائنات المائية، مثل المحار والأسماك ذات الزعانف. هذه العملية مسؤولة عن المناطق الميتة في البحيرات وعند مصبات العديد من الأنهار الرئيسية وعن عمليات قتل الأسماك الضخمة، والتي تحدث غالبًا خلال أشهر الصيف (انظر الشكل\(\PageIndex{6}\)).

    تظهر خريطة العالم المناطق التي تحدث فيها المناطق الميتة. توجد مناطق ميتة على طول الشاطئ الشرقي والغربي للولايات المتحدة، وفي البحر الشمالي والبحر الأبيض المتوسط، وقبالة الساحل الشرقي لآسيا.
    الشكل\(\PageIndex{6}\): 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 مناطق ذات كثافة سكانية عالية. (تصوير: روبرت سيمون، جيسي ألين، مرصد الأرض التابع لناسا)

    المنطقة الميتة هي منطقة في البحيرات والمحيطات بالقرب من مصبات الأنهار حيث يتم استنزاف مساحات كبيرة بشكل دوري من النباتات والحيوانات الطبيعية؛ يمكن أن تحدث هذه المناطق بسبب التغذية بالمغذيات، وانسكاب النفط، وإلقاء المواد الكيميائية السامة، والأنشطة البشرية الأخرى. زاد عدد المناطق الميتة لعدة 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: 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.

    وظائف في العمل: خليج تشيسابيك

    تظهر صورة القمر الصناعي خليج تشيسابيك. Inset هي صورة لرجل يحمل مجموعة من المحار.
    الشكل\(\PageIndex{7}\): 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)

    يعد خليج تشيسابيك (الشكل\(\PageIndex{7}\) أ) أحد أكثر المناطق الخلابة على وجه الأرض؛ وهو الآن في محنة ومعترف به كدراسة حالة لتراجع النظام البيئي. في سبعينيات القرن الماضي، كان خليج تشيسابيك واحدًا من أوائل النظم البيئية المائية 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 لأن جريان المياه السطحية يحتوي على مغذيات زائدة من استخدام الأسمدة الاصطناعية 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، فإن تراجع خليج تشيسابيك هو قضية معقدة وتتطلب تعاون الصناعة والزراعة وأصحاب المنازل الفردية.

    تعتبر أعداد المحار ذات أهمية خاصة لدعاة الحفاظ على البيئة (الشكل\(\PageIndex{7}\) ب)؛ تشير التقديرات إلى وجود أكثر من 200,000 فدان من شعاب المحار في الخليج في القرن الثامن عشر، لكن هذا العدد انخفض الآن إلى 36000 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 ناتجًا فقط عن جريان الأسمدة والمناطق الميتة، ولكن أيضًا بسبب الحصاد 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 يقوم المحار أيضًا بتنظيف الخليج. إنها مغذيات بالفلتر، وأثناء تناولها، تقوم بتنظيف المياه من حولها. تأكل مغذيات المرشحات عن طريق ضخ تيار مستمر من الماء فوق الزوائد المقسمة بدقة (الخياشيم في حالة المحار) والتقاط بدائيات النواة والعوالق والجزيئات العضوية الدقيقة في مخاطها. 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 التي تبذلها فرجينيا وديلاوير لتنظيف الخليج وترميمه لأن الكثير من التلوث الذي يدخل الخليج يأتي من ولايات أخرى، مما يؤكد على الحاجة إلى التعاون بين الولايات 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 البروتينات. كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{8}\)، 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.

    يوضح الرسم التوضيحي دورة الكبريت. يدخل الكبريت الغلاف الجوي في صورة ثاني أكسيد الكبريت (SO2) عن طريق الانبعاثات البشرية وتحلل H2S والانفجارات البركانية. يؤدي هطول الأمطار وتساقط الغلاف الجوي إلى إعادة الكبريت إلى الأرض، حيث يدخل النظم البيئية الأرضية. يدخل الكبريت المحيطات عن طريق الجريان السطحي، حيث يتم دمجه في النظم البيئية البحرية. يتحول بعض الكبريت البحري إلى البيريت المحاصر في الرواسب. في حالة حدوث ارتفاع، يدخل البيريت التربة ويتحول إلى كبريتات التربة.
    الشكل\(\PageIndex{8}\): 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\(\PageIndex{9}\)). 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).

    تُظهر الصورة تلًا أبيض على شكل هرم مع بخار رمادي يتسرب منه.
    الشكل\(\PageIndex{9}\): في فتحة الكبريت هذه في حديقة Lassen Volcanic الوطنية في شمال شرق كاليفورنيا، تظهر رواسب الكبريت الصفراء بالقرب من مصب فتحة التهوية. (المصدر: «Calbear22" /ويكيميديا كومنز)

    يدخل الكبريت المحيط في 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، والتي تضر بالبيئة الطبيعية عن طريق خفض درجة الحموضة في البحيرات، وبالتالي قتل العديد من النباتات والحيوانات المقيمة. 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. يؤثر المطر الحمضي أيضًا على البيئة الاصطناعية من خلال التدهور 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.

    ملخص القسم

    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. تضررت النظم البيئية بسبب مجموعة متنوعة من الأنشطة البشرية التي تغير الدورات البيوجيوكيميائية الطبيعية بسبب التلوث والانسكابات النفطية والأحداث المسببة لتغير المناخ العالمي. تعتمد صحة المحيط الحيوي على فهم هذه الدورات وكيفية حماية البيئة من الأضرار التي لا رجعة فيها.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{4}\): أي العبارات التالية عن دورة النيتروجين خاطئة؟

    أ- يؤدي التسميد بالأمونيا إلى تحويل المواد النيتروجينية العضوية من الكائنات الحية إلى أمونيوم (NH 4 +).
    B- نزع النتروجين بواسطة البكتيريا يحول النترات (NO 3 -) إلى غاز النيتروجين (N 2).
    C. يؤدي النترجة بواسطة البكتيريا إلى تحويل النترات (NO 3 -) إلى النتريت (NO 2 -).
    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 -).

    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
    أمطار مسببة للتآكل ناتجة عن اختلاط مياه الأمطار بغاز ثاني أكسيد الكبريت أثناء هبوطها في الغلاف الجوي، مما يحولها إلى حمض كبريتيك ضعيف، مما يتسبب في تلف النظم البيئية المائية
    الدورة البيوجيوكيميائية
    دورة المعادن والمواد المغذية من خلال العالم الحيوي وغير الحيوي
    منطقة ميتة
    منطقة في بحيرة ومحيط بالقرب من مصبات الأنهار حيث يتم استنفاد مساحات كبيرة من النباتات والحيوانات العادية؛ يمكن أن تحدث هذه المناطق بسبب التغذية بالمغذيات، وانسكاب النفط، وإلقاء المواد الكيميائية السامة، وغيرها من الأنشطة البشرية
    التغذية بالمغذيات
    العملية التي يؤدي فيها جريان المغذيات إلى النمو الزائد للكائنات الحية الدقيقة والنباتات في الأنظمة المائية
    تداعيات
    الترسيب المباشر للمعادن الصلبة على الأرض أو في المحيط من الغلاف الجوي
    الغلاف المائي
    منطقة الكوكب التي توجد فيها المياه، بما في ذلك الغلاف الجوي الذي يحتوي على بخار الماء والمنطقة تحت الأرض التي تحتوي على المياه الجوفية
    مورد غير متجدد
    مورد، مثل الوقود الأحفوري، يتم تجديده ببطء شديد أو لا يتم تجديده على الإطلاق
    انتحاب
    حركة صفيحة تكتونية واحدة تحت أخرى

    المساهمون والصفات