資源簡介

生物圈中的物質循環
碳循環（Carbon cycle）
　　碳是構成有機物質的中心元素，也是構成地殼巖石和礦物燃科（煤、石油、天然氣）的主要成分。在地球各個圈層中碳的循環，主要是通過二氧化碳來進行的。在大氣中CO2的含量很少，僅為58000×1012mol，大量的CO2溶解在大洋的海水中，大約為2900000×1012mol，是空氣中CO2含量的50倍，但是，最大量的碳是以碳酸鹽沉積物的形式存儲在地殼內，其總量達 1700000000×1012mol。
　　1．大氣和生物圈之間的碳循環
　　①綠色植物吸收大氣中的 CO2以及根部吸收的水分通過光合作用轉化為葡萄糖和多糖（淀粉、纖維素等）并放出氧氣。
　　②植物體的碳化合物經過食物鏈傳遞成為動物體的碳化合物，植物和動物的呼吸作用將體內的部分碳轉化成二氧化碳排入大氣。
　　③動植物死亡后，殘體內的碳經微生物分解后產生的二氧化碳排入大氣。
　　上述這一循環約需10～20年。
　　2．大氣和海洋之間的二氧化碳交換，是一個在氣——水表面進行的溶解與解吸平衡過程。
　　上述兩種碳的流動與交換過程數量達每年約1000億噸（以碳計）以上。且都屬于較快的碳循環過程。
　　3．碳酸鹽巖石（石灰巖、白云石和碳質頁巖）的形成和分解。
　　4．礦物燃料（煤和石油）的形成和分解。
　　后兩種碳的自然循環屬緩慢形式，需時往往以億萬年計。
　　由于人類活動特別是礦物燃料的燃燒量大幅度增加，排放到大氣中的二氧化碳濃度增大，這就破壞了自然界原有的平衡，可能導致氣候異常，還會引起海水中的酸堿平衡和碳酸鹽溶解平衡的變化。
氮循環
　　氮是構成蛋白質及生物有機體的重要元素，它在環境中含量大而且變動量小的三種存在形式是；大氣中的氮氣，海水中的溶解氮，沉積物中的有機氮，其余形態的氮則處于不斷地復雜變化、流動和交換過程中。
　　大氣中除含有大量分子態氮（3900億噸）外，還含有少數化合態氮如 NH3（2800萬噸）、 NO和NO2（610萬噸）等。后者在云、氣溶膠粒子和雨滴中轉化為NH4＋和NO3－，并隨雨、雪降落地面。大氣中的N2和O2下雨時可在雷電作用下發生電離，生成硝酸鹽并經雨水帶進土壤供生物利用，稱之為大氣固氮，但其量很少。流星尾跡和宇宙線的作用，也可以固定一部分大氣中的氮。
　　大氣中豐富的分子態氮（占空氣78％）不能為植物所直接利用。氮必須首先通過有機體轉化成化合態的氮固定下來，才能被生物所利用。只有極少數專一化程度很高的有機體（如酶類和微生物）才能把游離氮轉化為化合態氮而固定下來（硝基或氨基酸），氨基酸聯結在一起形成蛋白質。氮的循環過程是植物從土壤中吸收氮，合成自身的有機物，最終一部分作為根及殘落物還給土壤，其余為其他生物體所消耗，再變成廢料還給土壤。在還原者的作用下，還原為有效態氮素，再為植物所利用，如此周而復始進行著反復的循環。這個循環中失去的氮素不少，動物糞便、被灌溉、水蝕和降雨、淋洗的氮最后都流入大海，這些氮素一部分作為海產肥料而還原，但大部分是陸生植物所不能利用的。如土壤中的一部分硝酸鹽在微生物的反硝化作用下還原為游離氮而返回大氣。
　　C6H12O6＋6KNO36CO2＋3H2O＋6KOH＋3N2O
　　5C6H12O6＋24KNO3 30CO2＋18H2O＋24KOH＋12N2
　　但是生物固氮、大氣閃電固氮以及化肥的施用等，可以彌補氮素的損失，從而保持陸地氮素的平衡。
　　大量種植豆科植物可以達到生物固氮。另外，火山爆發時，噴射出的巖漿，也可固定—部分氮，為巖漿固氮。然而利用上述方法固氮不能滿足人類的需要，工業固氮是人為的通過工業生產的方法把大氣中的N2固定下來，合成氨或氨鹽為氮肥供植物利用。據統計，物理化學（電化學和光化學）的固氮量平均7.6×106t/年，生物固氮量為54×106t/年。近代工業固氮—化肥生產固氮的數量又遠遠超過其他固氮量。據估計，到2000年時，化肥的產量將達到1×108t。
　　另一方面，人類活動如礦物燃料的燃燒、排放汽車尾氣等產生的氮氧化物進入環境在陽光作用下引起光化學煙霧以及大量使用化肥、過量的硝酸鹽排入水體，引起江河湖海水體富營養化，將污染大氣和水體環境。
磷循環
　　磷是生命必需的元素之一，磷是細胞內生化作用的能量——高能磷酸鍵存在所必不可少的重要元素。高能磷酸健存在于腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）的分子內。光合作用產生的糖類，只有磷酸化才能使光合作用的碳有效地固定。可以說，沒有腺苷磷酸分子，沒有磷元素的參與就沒有生命活動。
　　巖石和土壤中的磷酸鹽經風化淋浴而進入河流，然后匯入海洋并沉積海底，直至地質變遷成為陸地而再次參加循環，故一次循環需數萬年。
　　生態系統中磷的循環：由來自磷酸鹽礦、有機殘體的各類磷酸鹽以可溶性磷酸鹽進入環境。可溶性磷酸鹽被植物吸收，動植物死亡后，各種有機殘體經還原者分解又使磷酸鹽返回到土壤，供生物體吸收利用。
　　生物體對磷的需求量極大，而可溶性磷酸鹽主要留在土壤表層。它們隨雨水沿湖泊、江河的徑流輸送入海，其中除少量鳥類及魚類能使部分磷重返土壤（每年也只有6×104t）外，其余的磷進入海洋沉積，不能繼續參與陸地磷的循環，以致造成磷循環的不完全而引起“缺磷”狀態的出現。人類每年必須開采磷礦石用來補償磷循環的不足。
　　目前人類大量開發和利用磷酸鹽礦物以大量生產化肥和洗滌劑，其結果使相當量的磷的化合物參與環境中的磷循環，造成水體中含磷量升高，使水生植物生長過盛，導致水體的富營養化。
硫循環
硫在生物體中含量很少，但作用很大。硫以硫鍵聯結著蛋白質分子，成為蛋白質不可缺少的基本組成。
　　陸地和海洋的硫以H2S、硫化物和硫酸鹽的形式參與硫的環境循環：大氣中的硫（SO2、H2S）主要來自礦物燃料的燃燒、火山爆發、海水散發以及生物分解過程中的釋放，這些硫化物通過降水、沉降、表面吸收等作用，進入土壤，回到陸地和海洋。
　　生物體所需要的硫，主要來自無機的硫酸鹽，部分從氨基酸和半胱氨酸中獲得，生物體中的硫以巰基（－SH）的形式結合。它們在細菌作用下分解、礦化，在厭氧條件下還原成硫化物釋放。生物殘體經過土壤微生物活動，轉化成可溶性鹽類被植物吸收，或返回土壤和大氣，可再次進入植物體，形成陸地生態系統中硫的循環。如果隨地表徑流進入海洋，這部分硫就沉積在海底而不能再返回陸地參加循環。
　　工業革命以來，由于大量燃燒煤、石油等化石燃料，大量硫化物的釋放引起大氣中二氧化硫濃度的急劇增加，加大了硫在自然界的循環量，并造成了全球范圍的環境污染問題，其中特別是煙霧和酸雨，正成為破壞生態環境的主要殺手。
練習題：
　　一．右圖是一個管理良好的農牧生態系統中的氮循環示意圖。
　　1．植物從土壤中吸收硝酸鹽，植物根細胞表面所吸附的 離子，可以與土壤溶液中NO3－離子進行 ，達到根表皮細胞細胞膜外表面的NO3－，以 方式進入細胞內部。
2．人體攝取牛、羊的奶和肉，獲得大量蛋白質，蛋白質在人體中轉化形成尿素。排出又可作為良好的氮肥歸還土壤。
①人體中消化蛋白質的酶主要有 和 。
②由消化道吸收入血的氨基酸，經血液運輸進入細胞以后，一是直接被用來合成各種 。二是經 ，形成新的氨基酸。三是經 ，分解出的氨基轉變成尿素。
3．試分析該農牧生態系統中氮循環保持平衡的機制。
【參考答案】
　　1．HCO3－ 交換吸附 主動運輸
　　2．①（胃、胰、腸）蛋白酶 （腸）肽酶
　　②組織蛋白，氨基轉換作用，脫氨基作用
　　3．一個管理良好的農牧生態系統中，氮循環是處于平衡狀態的。植物從土壤吸收硝酸鹽類，又通過消費者（家畜）的糞便排出歸還土壤。即使有化肥輸入和對家畜的附加飼料輸入，但為肉、奶的輸出所平衡。
　　二．氮是蛋白質的重要組成成分，植物生長都需要吸收含氮的養料。空氣中含有78％的氮氣，但它不能被大多數生物直接吸收，多數生物只能吸收含氮的化合物。因此需要把空氣中的氮氣轉變成氮的化合物，才能作為動植物的養料。這種將游離態氮轉變成化合態的氮的方法，叫氮的固定。在自然界，豆科植物根部的根瘤菌能把空氣中的氮氣變成含氮化合物，種植這些植物時不需要施用或只需施用少量氮肥。另外放電條件下氮氣和氧氣化合及工業合成氨也屬于氮的固定。
1．寫出在電閃雷鳴的雨天，氮氣在空氣中發生一系列反應的方程式，并簡述“雷雨發莊稼”的道理。
2．簡述閃電產生的原理，并簡要定性分析閃電在固定氮的過程中所起的作用。
3．固氮酶含于固氮細菌體內。其功能是在無氧條件下，將分子氮轉化為氨或銨鹽，固定大氣中的游離態氮是繼光合作用后，人類在地球上發現的最重要的生化反應。各種固氮微生物之所以具有奇特固氮本領，最根本的原因是因為它們都含有固氨酶——固氮反應的生物催化劑。
①固氮酶在微量鉬元素和酸性環境下，它能將空氣中60％以上的氮氣轉化為NH4+，寫出有關“固氮”反應式。
　　②在鉬的硝酸鹽還原酶催化作用下，硝態氮（NO3－）在酸性較強時可還原為亞硝態氮（NO2－），寫出有關反應式。
【參考答案】
　　1．N2＋O2 2NO
　　2NO＋O2==2NO2
　　3NO2＋H2O==2HNO3＋NO
　　電閃雷鳴的雨天會產生放電現象；使空氣中的N2和O2反應生成了NO，NO又被氧化成 NO2，NO2在雨中與水反應生成硝酸，隨雨水淋灑到土壤中，并與土壤中的礦質作用生成能被植物吸收的硝酸鹽，這樣，就使土壤從空氣中得到氮，促進了植物的生長。
　　2．閃電是云層之間產生很高電壓后，將空氣擊穿出現放電現象，所以閃電所起的作用是將空氣中穩定的氮電離形成離子，使其易與空氣中氧氣發生反應
　　3．①N2＋8H+＋6e2NH4+
　　②NO3－＋2H+＋2eNO2－＋H2O
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