Органическое вещество вода: ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО в морской воде

ИБВВ РАН

Эвтрофирование — процесс новообразования органического вещества в
водоеме. Понятие трофии введено в лимнологию во втором десятилетии 20-ого
века для характеристики способности водоема воспроизводить органическое вещество
как основу рыбопродуктивности. Вскоре это понятие приобрело более широкое значение.
В результате углубленных исследований комплекса лимнических процессов превращения
вещества и энергии оно стало интегрирующей характеристикой водных экосистем
и составило основу биолимнологической классификации и типологии водоемов.

Основными компонентами водных экосистем, способными самостоятельно создавать (продуцировать)
органическое вещество являются автотрофные организмы (водоросли, высшая водная
растительность) и хемосинтетики (бактерии). Однако именно органическое вещество
растительного происхождения является исходной энергетической основой для всех
последующих этапов продукционного процесса. В основе образования первичного органического
вещества находится как известно балансовое равновесие фотосинтеза:

6 CO₂ + 6 H₂O + 2818. 7 кДж → C₆H₁₂O₆ +6O₂

т.е. из 6 молекул углекислого газа и такого же количества молекул воды образуется
1 молекула глюкозы и выделяется 6 молекул кислорода. В процессе фотосинтеза
природная вода, взаимодействуя с углекислым газом под влиянием солнечной радиации,
является одновременно источником образования органического вещества. В отличие
от животных и бактерий, которые используют для своей жизнедеятельности готовые
органические вещества, растения сами их синтезируют. Использование световой
энергии для биосинтеза стало возможно благодаря наличию у растений комплекса
поглощающих свет пигментов, главным их которых является хлорофилл. Растения
в грандиозных масштабах осуществляют процесс преобразования солнечной энергии
в химическую энергию продуктов фотосинтеза, необходимую для поддержания жизни
и круговорота вещества и энергии в биосфере нашей планеты. Основными фотосинтетиками
в водоемах являются фитопланктон и макрофиты.

Растения каждые 2 млнн. лет разлагают столько воды, сколько ее содержится
в настоящее время в морях и океанах. Особенно велика роль микроскопических водорослей.
Суммарное количество фитопланктона в Мировом океане сотавляет 1.5 млрд.т (для
сравнения — бактериопланктона — 70 млрд.т, зоопланктона — 22.5 млрд.т, зообентоса
-10 млрд.т, фитобентоса -0.2 млрд.т). Имеющаяся биомасса водорослей в водоемах
неизмеримо ниже той, которая воспроизводится ими в течение года. Это объясняется
тем, что водоросли — основной источник питания животных. Живое органическое
вещество — основа кормовой базы населения гидросферы. По данным Богорова В.Г.
годовая продукция водорослей мирового океана достигает 550 млрд.т, зоопланктона
— 53 млрд.т, зообентоса — 3 млрд.т. Таким образом, водоросли — основной источник
пищи и энергии для всего биоценоза. Их еще называют первичными продуцентами.

Первичная продукция — скорость новообразования органического вещества
за счет автотрофов. По ориентировочным расчетам первичная продукция в озерах
и водохранилищах варьирует от 4 млн. до 2.1х10⁷ т С в год или 8.4х10⁶
— 4.4х10⁷ т органического вещества. Концентрация углекислоты в воде,
используемая морским фитопланктоном, в 10 раз больше содержания ее в атмосферном
воздухе. Планктонные водоросли имеют больше, чем наземные растения, возможности
контакта с внешней средой для питания, так как воспринимающей поверхностью в
процессе фотосинтеза у них является вся поверхность клеток.

Создавать органическое вещество своего тела могут и микроорганизмы — хемосинтетики,
но на основе использования энергии различных химических реакций. Хемосинтетики
— это хемосинтезирующие бактерии или хемотрофы. Углерод они как и в случае
с фотосинтезом получают за счет углекислого газа, но используют в качестве энергии
энергию окисления неорганических веществ и ферментов. Хемосинтезирующие бактерии
— серобактерии, водородные, железобактерии, нитрифицирующие, марганцевые. Хемосинтезирующие
бактерии встречаются во всех водоемах как пресных, так и морских. Они обитают
в толще воды, на поверхности и в глубине грунта. В наибольшей степени они концентрируются
там, где анаэробные условия сменяются аэробными, т.к. для своей жизнедеятельности
нуждаются в кислороде и восстановленных соединениях, которые, в частности, образуются
в результате анаэробного распада органических веществ. Наибольшее значение в
водоемах имеют значение бактерии, окисляющие сероводород и серу. Так как хемосинтетики
используют недоокисленные продукты анаэробного распада, наибольшее количество
автотрофных анаэробных бактерий концентрируется в грунтах. Среди грунтов наиболее
богаты ими илы, содержащие значительное количество органического вещества. Интенсивность
хемосинтеза в толще воды обычно в десятки и сотни раз ниже, чем в грунтах. Хемосинтез
в водоемах следует рассматривать как вторичный процесс, который в конечном итоге
использует энергию органического вещества, создаваемого при фотосинтезе. Следовательно
роль хемосинтетиков заключается не столько в создании первопищи, а сколько в
трансформации энергии, аккумулированной фотосинтетиками. Таким образом, подавляющее
количество органических веществ, образующихся в водоемах, синтезируются из минеральных
в процессе фотосинтеза за счет утилизации солнечной энергии. Количество органического
вещества, продуцируемого в единицу времени, называется продуктивностью.
Продуктивность автотрофных организмов называют первичной продуктивностью,
а продуктивность других живых компонентов экосистем — вторичной продуктивностью.

Для синтеза органического вещества необходима углекислота, входящая
в состав атмосферы или находящаяся в растворенном состоянии в воде. Основные
звенья круговорота углерода указаны на рис. 1, из которого видно, что
в процессе фотосинтеза углекислота превращается в органические вещества ( углевод,
белки, липиды), служащие пищей животным. Дыхание, брожение (разложение) и сгорание
топлива возвращают углекислоту в атмосферу.

Органические вещества в водоеме обычно подразделяют на автохтонные и
аллохтонные. Запасы автохтонного органического вещества пополняются за
счет фотосинтеза фитопланктона, а запасы аллохтонного — за счет выноса их с
водосборной площади, поступления с атмосферными осадками, а также с бытовыми
и промышленными стоками. Однако именно органическое вещество растительного происхождения
является исходной энергетической базой для последующих этапов продукционного
процесса. Перенос энергии пищи от ее источника — автотрофов через ряд организмов,
происходящий путем поедания одних организмов другими, называется пищевой
цепью. Пищевые цепи знакомы всем- человек съедает крупную рыбу, она ест
мелкую рыбу, которая поедает зоопланктон, который питается фитопланктоном, улавливающем
солнечную энергию. Или более короткая пищевая цепь — человек -корова- трава-
солнечная энергия. Зеленые растения занимают 1-ый трофический уровень и их называют
продуценты, травоядные — второй трофический уровень (первичные консументы),
хищники — вторичные консументы, вторичные хищники — третичные консументы. Можно
выделить консументов 4, 5, и 6 порядков. Обычно пищевые цепи состоят не более
чем из 5-6 звеньев. В ряду человек → корова → трава → человек
→ консумент второго порядка. Конечное звено пищевой цепи образуют деструкторы
или редуценты — организмы, разлагающие органические вещества. Это микроорганизмы-бактерии,
дрожжи, грибы-сапрофиты. Пищевые цепи можно разделить на 2 основных типа: пастбищная
цепь и детритная цепь.

Пасбищная — начинается с зеленого растения (фитопланктон) и далее идет
к растительноядным животным (пасущимся), поедающие живые растительные клетки.
Детритная — идет от мертвого органического вещества к микроорганизмам, а затем
детритофагам и к их хищникам (цепи разложения). Детрит — совокупность взвешенных
в воде органо-минеральных частиц.

Пищевые цепи не изолированы друг от друга и тесно переплетаются, образуя так называемые
пищевые сети. В ответ на воздействие факторов внешней среды в экосистеме может
быстро происходить переключение потоков. Чем длиннее пищевая цепь, тем большая
роль различных плотоядных (хищников), чем короче — тем выше роль детритной цепи
(повышается роль редуцентов).

С переходом с одного трофического уровня к следующему численность и биомасса
нередко снижается зя счет трансформации органического вещества на каждой ступени.
С точки зрения законов термодинамики принципы организации пищевых цепей выглядят
следующим образом — приток энергии на каждый трофический уровень уравновешивается
ее оттоком и каждый перенос энергии сопровождается ее рассеиванием в форме,
недоступной для использования (при дыхании). На каждом последующем уровне поток
энергии уменьшается. Так на 1-ом трофическом уровне поглощается 50% падающего
света, а превращается в энергию пищи всего 1% поглощенной энергии. Вторичная
продуктивность на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет
10% предыдущей. Поскольку растения и животные производят немало трудно п еревариваемого
органического вещества (целлюлоза, лигнин, хитин), а также химические ингибиторы,
препятствующие поеданию всевозможными консументами, то средняя эффективность
переноса энергии между трофическими уровнями в целом составляет 20% и менее.

Вода в астероидной пыли может дать ключ к разгадке происхождения жизни на Земле — Газета.Ru

Вода в астероидной пыли может дать ключ к разгадке происхождения жизни на Земле — Газета.Ru | Новости

23 сентября 2022, 01:15

close

100%

В крупинках пыли, извлеченных японским космическим зондом с астероида, который находился на расстоянии 300 млн км от Земли, обнаружен удивительный компонент: капля воды. Открытие дает еще одно подтверждение, что жизнь на Земле могла быть занесена из космоса.

Как пишет The Guardian, выводы исследования будут представлены в работе по результатам анализа 5,4 грамма камней и пыли, собранных зондом «Хаябуса-2 » с астероида Рюгу в издании Science.

«Эта капля воды имеет большое значение», — сказал журналистам ведущий ученый Томоки Накамура из Университета Тохоку .

«Многие исследователи считают, что вода была принесена из космоса, но на самом деле мы впервые обнаружили воду в Рюгу, астероиде вблизи Земли», — уточнил исследователь.

Hayabusa-2 был запущен в 2014 году с миссией на Рюгу и вернулся на орбиту Земли два года назад, чтобы доставить капсулу с образцом.

Доставленные пробы уже подтвердили идеи, что некоторые из строительных блоков жизни на Земле, аминокислоты, могли быть сформированы в космосе.

Последним открытием команды стала капля жидкости, которая оказалась газированной водой, содержащей соль и органические вещества.

По его словам, это подтверждает теорию о том, что такие астероиды, как Рюгу или его более крупный родительский астероид, могли «оставить воду, содержащую соль и органическое вещество» при столкновениях с Землей.
«Мы обнаружили доказательства того, что это могло быть напрямую связано, например, с происхождением океанов или органического вещества на Земле», — добавил ученый.

Команда Накамуры, состоящая из около 150 исследователей, в том числе 30 из США, Великобритании, Франции, Италии и Китая, является одной из крупнейших групп, анализирующих образец из Рюгу.

Образец был разделен между различными научными группами, чтобы максимизировать вероятность новых открытий.

Кенсей Кобаяши, эксперт по астробиологии и почетный профессор Йокогамского национального университета, не входящий в исследовательскую группу, приветствовал это открытие.
«Тот факт, что вода была обнаружена в самом образце, удивителен, — сказал астробиолог. — Астероид содержал воду в жидкой форме, а не только льда, и в этой воде могло образоваться органическое вещество».

Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Новости

Дзен

Telegram

Мария Дегтерева

Баттл проигран

О том, почему русский рок мертв, а русский рэп — нет

08:30

Анастасия Миронова

Куда сбежать от пьяных мамы с папой?

О возможном всплеске числа беспризорников при сворачивании детдомов

15. 12.2022, 09:43

Георгий Малинецкий

Праздник, который стоит восстановить

О чувстве собственного достоинства и борьбе с начальством

14.12.2022, 08:12

Юлия Меламед

Не бомжую, а курьерю

О том, как справиться с тревогой в нестабильные времена

13.12.2022, 08:44

Георгий Бовт

Когда догмы превыше всего

О том, как мы влезли в Афганистан

12.12.2022, 08:24

Найдена ошибка?

Закрыть

Спасибо за ваше сообщение, мы скоро все поправим.

Продолжить чтение

Связь между органическим веществом почвы и почвенной водой

Анна Кейтс, специалист по здоровью почвы Миннесотского университета

*Эта статья была первоначально опубликована Minnesota Crop News 24 марта 2020 г. и размещена здесь с разрешения.

Одним из преимуществ увеличения содержания органического вещества в почве является сохранение большего количества воды в почве. Почему это происходит? Поскольку органическое вещество почвы создает поры различных размеров. Однако то, насколько больше воды сохраняется из-за органического вещества почвы, будет зависеть от текстуры почвы.

Почему важны агрегаты почвы?

Органическое вещество почвы представляет собой активную смесь материалов — фрагментов прошлогодних стеблей и корней, слепков дождевых червей, живых микробов и беспозвоночных, и это лишь некоторые из них. Эти материалы разрушаются физическими и биологическими процессами. Например, при замораживании и оттаивании растительные остатки теряют свою структуру. Крошечные растворенные молекулы проникают глубоко в почву с дождевой водой. Голодные беспозвоночные, грибы и бактерии потребляют сложный живой и мертвый органический материал и выделяют ненужные им питательные вещества в более мелкой и простой форме. Эти маленькие органические молекулы могут прилипать к глиняным поверхностям. Глинистые поверхности, покрытые органическим материалом, растут, как снежки, и образуются почвенные агрегаты.

Почвенные агрегаты имеют решающее значение для удержания воды в почве по двум причинам. Во-первых, хорошо агрегированная почва имеет большие поры между агрегатами, которые позволяют воде проникать в почвенный профиль. Во-вторых, небольшие поры внутри агрегатов удерживают воду достаточно плотно, чтобы удерживать ее, но достаточно свободно, чтобы корни растений могли ее впитать. Крайне важно, чтобы почва пропускала воду и удерживала ее на потом. Если ваша почва не пропускает воду, у вас есть застой, сток и потеря почвы, а также снижение водообеспеченности растений. Если ваша почва не удерживает воду, растения страдают от засухи.

Крайне важно, чтобы почва пропускала воду и удерживала ее на потом.

Таким образом, органическое вещество почвы имеет решающее значение для образования агрегатов, а агрегаты необходимы для удержания воды. Из-за этой связи определенно существует положительная связь между органическим веществом и водоудерживающей способностью. Степень увеличения водоудерживающей способности зависит от типа вашей почвы.

Навоз животных является одним из вариантов увеличения органического вещества почвы и ее здоровья. Навоз животных может принести немедленную пользу в виде улучшения агрегации почвы и уменьшения поверхностного стока и эрозии. Использование навоза в течение нескольких лет может принести долгосрочные выгоды за счет увеличения общего содержания органических веществ в почве. Значение навоза для улучшения качества почвы и урожайности обсуждалось ранее в статьях «Агрономические и природные ресурсы помета птицы» и «Повышает ли навоз продуктивность сельскохозяйственных культур?»

Почвенная вода и доступная для растений вода

Нас больше всего интересует почвенная вода, так как она относится к доступной для растений воде. Доступная растениям влагоемкость — это вода, удерживаемая почвой против силы тяжести (т. е. она не вымывается), но не слишком сильно, чтобы растения могли ее втянуть. Вы увидите больший скачок доступной для растений влагоемкости при увеличении органического вещества в грубозернистых почвах, чем в более тонких суглинках или глинах. Это связано с тем, что грубые почвы естественным образом имеют более крупные поры между частицами и действительно нуждаются в органическом веществе для образования мелких пор. Почвы с тонкой текстурой уже имеют небольшие поры и легче агрегируются, поэтому отдача от увеличения количества органического вещества снижается. Больше органического вещества почвы означает больше пор почвы и меньшую объемную плотность. Некоторые из этих пор большие, что отлично подходит для инфильтрации, но не увеличивает доступную для растений влагоемкость.

Вы можете рассчитать, насколько больше доступной водоудерживающей способности вы можете получить за счет увеличения количества органического вещества, но число зависит от типа почвы. Например, недавняя компиляция исследований показала, что доступная влагоемкость в почве со средним гранулометрическим составом увеличивается на 1,03% при увеличении содержания органического вещества на каждый 1% (Minasny & McBratney 2017). Если вы начинаете с доступной водоемкости 22% (умеренная для илистых суглинков согласно NRCS), добавление 1% органического вещества увеличит доступную водоемкость до 23,03% (таблица 1).

Сколько еще воды доступно?

Вы можете оценить, сколько галлонов приходится на глубину почвы в 1 фут. Увеличение ОВ на 1% увеличивает доступную водную емкость примерно на 3400 галлонов на акр в этой почве со средней текстурой, помимо предполагаемой существующей доступной водной емкости в 71000 галлонов. 3400 галлонов — это примерно 1/9 дюйма дождя или орошения. Это 3400 галлонов в почве, а не потери в виде стока. Эта вода предотвращает стресс от засухи и содержит растворимые питательные вещества, такие как нитраты, к которым растения смогут получить доступ. Обратите внимание, что в то время как доступная вместимость воды увеличивается примерно на 3500 галлонов как в суглинистом песке, так и в илистом суглинке, для суглинистого песка эти 3500 галлонов представляют 1/10 его новой доступной водной емкости — гораздо более поразительное увеличение!

3500 галлонов — это всего лишь оценка. Важно то, что увеличение органического вещества коренным образом меняет структуру почвы. Мы не можем протолкнуть почву из суглинка в суглинок. Но управление, сосредоточенное на защите структуры почвы и создании органического вещества почвы, например, при уменьшенной обработке почвы и непрерывном живом покрове, может создать органическое вещество и улучшить функцию почвы.

Органические вещества могут улучшить водоудерживающую способность почвы

Экспертный блог
›

Лара Брайант

27 мая 2015 г.

Лара Брайант

Ладно, почвенники. Я видел этот факт повсюду, а вы?

«Каждый 1 процент увеличения органического вещества почвы помогает почве удерживать на 20 000 галлонов больше воды на акр».

Но почвенная группа NRDC хотела узнать больше о том, как это работает и при каких обстоятельствах это верно. И это то, что мы сейчас будем копать (видите, что я там сделал?).

На самом деле я изучал почвоведение в колледже, поэтому я думал, что будет легко вычислить математику, стоящую за этим утверждением, но мои собственные попытки не увенчались успехом. К счастью, настоящий знаток почвенной органики был готов мне помочь. Доктор Мишель Вандер, профессор природных ресурсов и наук об окружающей среде в Университете Иллинойса, любезно показала мне математику, стоящую за этим уравнением. Что еще более важно, она впечатлила меня тем, что , хотя это и совершенно хорошее простое уравнение, реальная история органического вещества почвы и воды более… многослойна.

Пожалуй, единственное общее, что мы можем сделать, это то, что здоровая почва бесценна. Изменение климата уже влияет на погодные условия на Среднем Западе, делая сельское хозяйство еще более рискованным. Еще более важно защитить нашу почву, поскольку засуха и наводнение подвергают ее эрозии и деградации. Погодные условия на Среднем Западе изменились. За сильными быстрыми дождями будут следовать длительные периоды засухи, а почва, используемая в традиционном сельском хозяйстве, не поспевает за изменяющимся климатом. «Нам нужно найти способ замедлить движение воды, удержать ее на поверхности и дать время просочиться», — говорит доктор Вандер.

Давайте посмотрим на расчет, стоящий за нашим часто цитируемым фактом.

1. В одном акре содержится 616,7 кубических метра почвы (площадь x глубина = 43 560 футов/акр x 0,5 фута в глубину = 21780 кубических футов/акр = 616,74 кубических метра почвы/акр ).
2. Затем мы конвертируем объем в массу: умножая 616,74 на насыпную плотность 1330 кг/куб.м (или 1,33 г/см3), получаем 820 264 кг (x 2,204623 фунта/кг = 1 808 322 фунта) почвы на акр . В этом расчете мы использовали предположение об объемной плотности; Я объясню, что это значит, позже.
3. Мы хотим знать, насколько увеличение органического вещества на 1% повысит водоудерживающую способность почвы. Если акр почвы составляет 820 264 кг, то 90 113 1% органического вещества будет составлять 8 202,6 кг/акр 90 114 . Теперь сделаем еще несколько предположений. Во-первых, мы проигнорируем количество воды, содержащейся в самой почве, и рассчитаем только количество воды, содержащейся в дополнительном органическом веществе. Сколько воды содержит килограмм органического вещества? Если мы сделаем предположение, что органическое вещество удерживает в 10 раз больше своего веса, или 82 026 кг (180 836 фунтов) воды. В галлоне 8,3454 фунта, , то есть 21 668 галлонов воды. Математика в нашем часто цитируемом факте подтверждается.

Как видите, мы использовали множество допущений, чтобы математические расчеты оказались правильными. Давайте поговорим об этих предположениях, начиная с объемной плотности.

Насыпная плотность является мерой уплотнения почвы; это вес почвы, разделенный на ее объем. Чем ниже насыпная плотность, тем лучше; поверхностный грунт с объемной плотностью выше 1,4 находится в плохом состоянии. Объемная плотность в реальных почвах сильно различается в зависимости от текстуры почвы, которая может быть мелкой (глина), средней (ил) или грубой (песчаной), а также структуры почвы. Почва с хорошей структурой будет иметь много пор и хорошую смесь непрерывных крупных и мелких пор. В этом уравнении мы использовали насыпную плотность грунта среднего гранулометрического состава с 50% пористостью – 1,33 грамма на кубический сантиметр.

Когда почва обрабатывается, в ее верхнем слое временно образуется много пор. Но вспашка включает в себя перемещение по почве тяжелой техники, что приводит к структурному разрушению почвы и уплотнению, или слоям с высокой объемной плотностью и плохими порами, покрытыми рыхлой почвой без структуры. Когда почва имеет плохую структуру, она не может удерживать воду в порах, и тогда вода попадает в уплотненные слои и не может проникнуть. Это приводит к большему стоку и, следовательно, к большей эрозии, наводнениям, большему загрязнению и меньшему количеству воды, удерживаемой в почве в засушливые времена. Тем не менее, здоровая почва даже с небольшим увеличением органического вещества может улучшить структуру почвы. Почвы с более низкой объемной плотностью и большей пористостью более эффективно направляют воду во время наводнений и сохраняют больше для растений, поэтому лучше работают во время засух.

Мы также предположили, что органическое вещество удерживает в 10 раз больше своего веса, тогда как оно может удерживать больше или меньше на порядок. Частицы органического вещества имеют заряженную поверхность, которая притягивает воду, так что она прилипает к поверхности, как статическое прилипание, но также могут иметь поры и заряды, которые отталкивают воду. Исследование, проведенное Хадсоном в 1994 году, показало, что илисто-суглинистая почва с 4% органического вещества удерживает более чем в два раза больше воды, чем илистый суглинок с 1% органического вещества.

Наконец, мы рассматриваем только верхние 6 дюймов почвы. Доктор Вандер сказал мне, что «почвы представляют собой трехмерные тела; это ключ к тому, как они действуют и функционируют. Чтобы понять их, вам нужно знать гидрологию; более глубокие свойства недр очень важны».

Так как же лучше всего защитить наши почвы и сделать их более эффективными? Мы можем увеличить уровень органического вещества, для начала. Минимальная обработка почвы или нулевая обработка почвы, сохранение растений в почве круглый год, включение домашнего скота в севооборот — вот несколько проверенных и надежных методов, которые применяют такие фермеры, как победитель премии Growing Green Award от NRDC Гейб Браун. Браун увеличил содержание органического вещества на своей ферме с менее чем 2% до более чем 5% после внесения некоторых изменений на своей ферме в Северной Дакоте.

NRDC поддерживает таких фермеров, как Браун, которые восстанавливают почву, улавливают углерод и повышают эффективность использования воды в сельском хозяйстве. Мы работаем над созданием пилотной программы, которая создаст стимулы для создания здоровой почвы, предлагая скидку на страхование урожая фермерам, выращивающим покровные культуры.