Участие микроорганизмов в биологическом круговороте углерода.

Углеродные ресурсы на Земле представлены следующими формами: углерод в органических соединениях (ископаемые остатки, почвенный гумус, живая и отмершая биомасса) и неорганических веществах (карбонаты, углекислый газ), которые присутствуют во всех частях (лито-, гидро- и атмосфера) биосферы.

Схема круговорота углерода: ФС - фотосинтез; ХС - хемосинтез; Д - дыхание; М - минерализация; С - сжигание

К особенностям цикла углерода можно отнести ведущую сопряженную роль живых организмов в его реакциях, в первую очередь фотосинтезирующих организмов (растений и микроорганизмов), образующих органическое вещество (продукция), и микроорганизмов, разлагающих его и возвращающих CO₂ в круговорот углерода (деструкция). Процессы минерализации органического вещества происходят как в аэробных, так и в анаэробных (метаногенез) условиях.

Круговорот углерода начинается с фиксации СО₂ зелеными растениями и автотрофными микроорганизмами.

Образовавшиеся в процессе фото- и хемосинтеза углеводы или другие углеродсодержащие органические соединения частично используются этими же организмами для получения энергии, при этом СО₂ (продукт реакций окисления) выделяется в среду. Часть фиксированного растениями углерода потребляется человеком и животными, которые выделяют его в форме СО₂ в процессе дыхания. Углерод, образующийся в результате разложения отмерших растений и животных, окисляется до СО₂ и тоже возвращается в атмосферу.

Ведущая роль в возвращении углерода в атмосферу принадлежит микроорганизмам. В процессе дыхания и брожения они разлагают самые разнообразные органические вещества. Более доступными являются углеродсодержащие соединения, растворимые в воде (углеводы, спирты и др.). Но в естественных условиях – в почве и воде – в гораздо большем количестве встречаются труднорастворимые соединения углерода, такие как крахмал, пектиновые вещества, целлюлоза, лигнин. В них сосредоточена основная масса углерода. Разложение их начинается с гидролиза, в результате чего образуются более простые соединения типа углеводов. Дальнейшее превращение данных соединений осуществляется в реакциях дыхания или брожения.

В аэробных условиях очевидна связь между процессами образования органического углерода, выделения О₂ и потребления СО₂, что следует
из уравнения: СО₂ + Н₂О ↔ С₆Н₁₂О₆ + О₂.

Примерно 1 % минерализованного углерода поступает в биосферу в виде метана биогенного происхождения. Это количество постоянно возрастает, что сказывается и на увеличении в атмосфере содержания так называемых парниковых газов. Прирост метана ежегодно в 3 раза превышает прирост в атмосфере СО₂, а его парниковый эффект в 23 раза выше такого же количества СО₂. Приведенные данные об образовании метана следует рассматривать как минимальные, так как основная часть (до 50 %) его окисляется на границе аэробно-анаэробной зоны метанотроф-ными микроорганизмами.

Участие микроорганизмов в биологическом круговороте азота. Азот является вторым наиболее важным биогенным элементом. В результате биохимической деятельности микроорганизмов могут образовываться его соединения с валентностью от -3 до +5 (в зависимости от окислительно-восстановительных условий).

Круговорот азота состоит из четырех этапов:

Схема круговорота азота: