Основи біогеохімії

Зміни в швидкості і направленості циклів багатьох інших елементів, протягом геологічної історії Землі були пов'язані з

Оксигеном.

Еволюція біогеохімічного циклу Нітрогену

В безкисневій  атмосфері  замкнутий  цикл  Нітрогену  може  бути  представлений  такими  термодинамічно  можливими

реакціями:

- трансформація амонію до молекулярного азоту в реакціях з карбон (IV) оксидом, сульфату або окисненого феруму;

- фіксація молекулярного азоту різними органічними і неорганічними відновними агентами;

- окиснення амонію до нітритів  і нітратів з виділенням молекулярного азоту;

- денітрифікація;

- нітритне або нітратне дихання;

- окиснення амонію до нітритів або нітратів окисом заліза;

- асиміляція нітратів;

- асиміляція і дисиміляція амонію.

 

Еволюція біогеохімічного циклу Карбону

 

Дані по ізотопному  складу сполук Карбону в давніх відкладеннях  дозволяють  заключити,  що еволюція геохімічного циклу  Карбону  в  біогеохімічний  відбувалась  під  час  формування  цих  порід.  Таким  чином,  повністю  розвинутий біогеохімічний цикл Карбону може бути датований від – 3,8 мільярда років назад.

Розповсюдження СО2-фіксаторів в наземних екосистемах мало великий вплив на цикл Карбону, оскільки внаслідок біофільності Карбону відбувалось формування другого  пула для стоку  атмосферного СО2  і включення Карбону в склад біомаси  рослин.  Як  карбонати  (вапняки,  доломіти  та  ін.),  так  і Карбон  біологічного  походження  (відновлені  форми) присутні у великій  кількості  в  осадових  породах.  Органічний  Карбон  в  давніх  відкладеннях  представлений  у вигляді фосильних  залишків  вихідних   біологічних  речовин,  складаючи  в  середньому  від  0,5  до  0,6  %.  Карбон  знаходиться переважно  у  формі  керогену,   кислотно-нерозчинного   поліконденсованого  кінцевого  продукту  діагенезу  органічних детритів, які мають біологічне походження (самі організми  або продукти їх метаболізму).  При загальній масі осадових порід біля 2,4 . 1018 тонн, вміст органічного Карбону буде складати 1,2 - 1,4 . 1016 тонн. Відкладення карбонатів приблизно в п'ять разів більші, тобто, ≈ 5,0 . 1016 тонн. Відношення маси органічного Карбону до маси карбонатного не є сталим. Його значення мінімальні в резервуарі пелагічних осадів океанів; для резервуарів континентального блоку (континентів і континентальних окраїн) воно в шість разів більше і складає 1 : 7 .

Карбонати формувались шляхом осадження з водних розчинів рівноважної гетерогенної системи

. Пул наземного органічного Карбону почав формуватись за рахунок фотосинтезу.

Обидва типи Карбону і, особливо,  органічний Карбон,  можуть бути прослідковані в осадових породах практично до появи перших записів 3,8 мільярдів років назад.

Отже, підтверджується висновок про те, що органічний Карбон і Карбон карбонатів  мають походження практично  з одного і того самого пулу, і були поховані в осадових породах в несуттєвими змінами в ізотопному складі.

За останні 3,5 мільярдів років в неметаморфізованих гірських породах фракціонування ізотопів між органічним і карбонатним Карбоном було, вочевидь, таким же самим, як і в наш час, з характерною різницею δ13С величин в межах –

20 – 30 %, і відповідним збагаченням легким ізотопом біогенної фази. Приховане 12С збагачення,  показане в блоці для фоссильного органічного Карбону, дає чіткий сигнал про автотрофну фіксацію Карбону протягом 3,8 мільярдів років геологічної історії Землі, яка виникла одночасно з процесами, які призвели до появи біологічних організмів.

 

Еволюція біогеохімічного циклу Сульфуру

 

Оскільки заснований на H 2 S бактеріальний фотосинтез передував сучасному фотосинтезу, в основу якого покладена реакція розщеплення води, сульфат йон повинен був виникнути задовго до вільного кисню. В свою чергу, наявність сполук окисненого Сульфуру було необхідним для збільшення швидкості процесу дисиміляторної сульфатредукції, енергетично багатого зворотного процесу в первинній фотосинтетичній реакції, яка поєднує відновлення сульфатів до гідрогенсульфату

з окисненням органічних речовин.

 

Спрощений вигляд цих процесів, які керуються сонячним світлом, представлений таким чином:

 

Біогеохімічні фактори формування складу нафти

Серед найбільш важливих факторів, які визначають склад сирої нафти, можна назвати умови захоронення порід, які містять  попередні   органічні  матеріали  і залишки  тваринних  організмів,  їх  термальну  еволюцію  і вторинні  утворюючі процеси.

 

На рис. 2.16 показаний склад зразків сирої нафти, включаючи вміст насичених вуглеводнів плюс ізоалканів (парафінів), циклоалканів (нафтени)  і ароматичних вуглеводнів плюс полярні,  гетероатомні  сполуки  (NCO).  Показаний  розподіл  по групам використовується при класифікації нафти.

 

Рис. 2.16. Діаграма, яка показує склад шести класів

сирої нафти на основі усереднених результатів аналізу 541 виду нафти

 

Біохімічні цикли елементів

 

Біогеохімічний кругообіг елементів в різноманітних середовищах біосфери

Розвиток  Землі  протягом  її  геологічної  історії  супроводжувався  одночасною  еволюцією   біогеохімічної  структури біосфери. На стадії первинного розвитку планети відбувалась диференціація елементів між рідкою, твердою та газовою фазами. В подальшому відбувалось формування біогеохімічних циклів елементів в біосфері.

Переважаючими  хімічними  елементами  як  в