در این درس، شما در مورد
چرخه مواد مغذی به حرکت و تبادل مواد آلی و معدنی به تولید مواد زنده اشاره دارد. این فرآیند توسط مسیرهای شبکه غذایی که مواد آلی را به مواد مغذی معدنی تجزیه می کنند، تنظیم می شود. چرخه های مواد مغذی در اکوسیستم ها اتفاق می افتد.
چرخه های مواد مغذی در طبیعت را چرخه های بیوژئوشیمیایی می نامند زیرا عناصر به صورت چرخه ای از محیط به موجودات زنده حرکت می کنند و به محیط باز می گردند.
اکوسیستم ها بازیافت حلقه بسته را نشان می دهند که در آن تقاضا برای مواد مغذی که به رشد زیست توده می افزایند از عرضه در آن سیستم بیشتر است. تفاوت‌های منطقه‌ای و فضایی در رشد و نرخ مبادله مواد وجود دارد، که در آن برخی از اکوسیستم‌ها می‌توانند در بدهی مواد مغذی (سینک‌ها) باشند و برخی دیگر منابع اضافی (منابع) داشته باشند. این تفاوت ها توسط تاریخ زمین شناسی و توپوگرافی ایجاد می شود.
در یک شبکه غذایی، یک حلقه یا یک چرخه به عنوان دنباله ای جهت دار از یک یا چند پیوند تعریف می شود که از یک گونه شروع شده و به آن ختم می شود. به عنوان مثال، در اقیانوس، باکتری‌ها توسط تک یاخته‌هایی مانند میکروفلاژله‌های هتروتروف مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند که سپس توسط مژگان‌ها مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. این فعالیت چرای با دفع موادی همراه است که سپس توسط باکتری ها استفاده می شود تا عملکرد سیستم یک مدار بسته باشد.
هضم آنزیمی سلولز نمونه ای از بازیافت اکولوژیکی است. سلولز که یکی از فراوان ترین ترکیبات آلی روی زمین است، پلی ساکارید اصلی در گیاهان است که دیواره های سلولی را تشکیل می دهد. آنزیم هایی که سلولز را تجزیه می کنند در بازیافت اکولوژیکی مواد گیاهی طبیعی شرکت می کنند. اکوسیستم های مختلف ممکن است نرخ بازیافت زباله متفاوتی داشته باشند.
عناصر شیمیایی پس از استفاده به صورت زیر به طور مداوم بازیافت می شوند:
هر عنصر چرخه مواد مغذی خود را دارد و هر چرخه دارای یک مسیر منحصر به فرد است که شامل مخازن، استخرهای تبادل و زمان اقامت است.
مخزن - منطقه ای که عنصر در بالاترین غلظت خود است و برای مدتی نگهداری و ذخیره می شود. به عنوان مثال، زغال سنگ یا سوخت های فسیلی مخازن کربن هستند.
استخرهای تبادل - زمانی که عناصر برای مدت زمان کوتاهی نگهداری می شوند. به عنوان مثال، گیاهان و جانوران به طور موقت از این عناصر در سیستم خود استفاده می کنند و آنها را دوباره در محیط آزاد می کنند.
زمان اقامت - مدت زمانی که یک عنصر در یک مکان نگه داشته می شود.
انرژی از طریق اکوسیستم های زمین به طور جهت جریان می یابد و معمولاً به شکل نور خورشید وارد می شود و به شکل گرما از آن خارج می شود. با این حال، اجزای شیمیایی که موجودات زنده را تشکیل می دهند متفاوت هستند: آنها بازیافت می شوند.
دی اکسید کربن و متان نمونه هایی از ترکیبات کربنی هستند که در جو در گردش هستند و بر اقلیم جهانی تأثیر می گذارند. از طریق فرآیندهای فتوسنتز و تنفس، کربن نیز بین موجودات زنده و اجزای غیر زنده اکوسیستم در گردش است.
چرخه کربن "سریع" حرکت کربن از طریق اجزای زیستی در محیط است. گیاهان و سایر موجوداتی که قادر به فتوسنتز هستند، دی اکسید کربن را از محیط خود به دست می آورند و از آن برای ساختن مواد بیولوژیکی استفاده می کنند. گیاهان، حیوانات و تجزیه کننده ها مانند باکتری ها و قارچ ها، دی اکسید کربن را با تنفس به جو باز می گرداند.
حرکت کربن از طریق عناصر غیر زنده در محیط مانند سنگ ها، خاک و اقیانوس ها چرخه کربن آهسته را تشکیل می دهد. حرکت کربن از طریق این عناصر غیر زنده می تواند تا 200 میلیون سال طول بکشد.
از آنجایی که موجوداتی مانند باکتری های تثبیت کننده نیتروژن از نیتروژن برای سنتز مولکول های بیولوژیکی مورد نیاز برای بقا استفاده می کنند، نیتروژن اتمسفر ابتدا باید توسط باکتری های تثبیت کننده نیتروژن در محیط های آبی و خاکی به آمونیاک تبدیل شود. سپس آمونیاک توسط باکتری ها به نیتریت و نیترات تبدیل می شود. گیاهان با جذب آمونیوم (NH4-) و نیترات از طریق ریشه، نیتروژن را از خاک بدست می آورند. سپس از نیترات و آمونیوم برای تولید ترکیبات آلی استفاده می شود. سپس حیوانات گیاهان را مصرف می کنند و در نتیجه به نیتروژن موجود در ترکیبات آلی می رسند. هنگامی که حیوانات دیگر از این حیوانات می خورند، نیتروژن به شکل ارگانیک به زنجیره غذایی منتقل می شود. سپس تجزیه کننده ها آمونیاک را با تجزیه مواد زائد جامد و مواد مرده یا پوسیده به خاک برمی گردانند. باکتری های نیتریفیک کننده آمونیاک را به نیتریت و نیترات تبدیل می کنند. سپس باکتری‌های نیترات زدایی، نیتریت و نیترات را به نیتروژن تبدیل می‌کنند و نیتروژن را دوباره به جو آزاد می‌کنند.
فسفر یک ماده مغذی ضروری برای رشد گیاهان و حیوانات است. نقش حیاتی در رشد سلولی دارد و جزء کلیدی مولکول‌هایی است که انرژی مانند آدنوزین تری فسفات (ATP)، دی‌اکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) و لیپیدها را ذخیره می‌کنند.
سنگ ها هنگام تماس با آب باران یون های فسفات و سایر مواد معدنی را در طول زمان آزاد می کنند. این فسفات معدنی سپس در خاک و آب توزیع می شود. سپس گیاهان فسفات معدنی را از خاک می گیرند و این گیاهان ممکن است توسط حیوانات مصرف شوند. سپس فسفات به مولکول‌های آلی مانند DNA وارد می‌شود و هنگامی که گیاهان یا حیوانات می‌میرند و پوسیده می‌شوند، فسفات آلی به خاک بازگردانده می‌شود. سپس باکتری های موجود در خاک، مواد آلی را به اشکال فسفات که توسط گیاهان قابل جذب هستند تجزیه می کنند. همچنین فرآیندی به نام کانی سازی است. فسفر موجود در خاک می تواند به آبراه ها و اقیانوس ها ختم شود و در طول زمان به رسوبات وارد شود.
گوگرد به شکل طبیعی و به این شکل جامد است; محدود به چرخه رسوبی است. این می تواند توسط فرآیندهای فیزیکی مانند باد، فرسایش توسط آب و رویدادهای زمین شناسی مانند فوران های آتشفشانی منتقل شود. همچنین می تواند توسط اقیانوس و به جو، خشکی و از طریق ترکیبات خود مانند دی اکسید گوگرد، اسید سولفوریک، نمک های سولفات یا گوگرد آلی توسط بارندگی و رودخانه ها به اتمسفر، خشکی و به اقیانوس ها برگردد.
گیاهان و حیوانات هر دو در چرخش اکسیژن در جو نقش دارند. همانطور که می دانید، اکسیژن برای بسیاری از حیوانات، از جمله انسان، حیاتی است. ما در اکسیژن تنفس می کنیم و بدن ما از آن برای تولید انرژی طی فرآیندی به نام تنفس سلولی استفاده می کند. این فرآیند دی اکسید کربن را به عنوان یک محصول زائد آزاد می کند که همان چیزی است که ما بیرون می دهیم. گیاهان در طول فتوسنتز دی اکسید کربن می گیرند که در آن غذا و اکسیژن می سازند. اکسیژن آزاد می شود و چرخه دوباره شروع می شود.
مهمترین معیار حیات، آب است. مانند چرخه کربن، چرخه آب نیز فرآیند حرکت آب بین موجودات زنده، زمین و جو است. آب از بدنه های آبی روی زمین مانند دریاچه ها، رودخانه ها و اقیانوس ها تبخیر می شود. بخار آب در ابرها متراکم می شود و بارشی را تشکیل می دهد که آب را به زمین باز می گرداند. روی زمین، مقداری از آب به دریاچه‌ها و اقیانوس‌هایی که از آن سرچشمه می‌گیرد باز می‌گردد و مقداری در زمین خیس می‌شود و آب‌های زیرزمینی را تشکیل می‌دهد. موجودات زنده مانند گیاهان و حیوانات آب مصرف می کنند. آب دوباره تبخیر می شود و این چرخه ادامه می یابد.
برخی از دانشمندان استدلال می کنند که اکوسیستم قادر به بازیافت کامل است. بازیافت کامل به این معنی است که 100 درصد مواد زائد قابلیت بازسازی به طور نامحدود را دارند. دانشمندان دیگر با این ایده مخالف هستند و ادعا می کنند که بازیافت کامل برای زباله های تکنولوژیکی امکان پذیر نیست.
بازیافت اکولوژیکی در کشاورزی ارگانیک بسیار رایج است. مزارع ارگانیک که بازیافت اکوسیستم را انجام می دهند، گونه های بیشتری را پشتیبانی می کنند، بنابراین ساختار شبکه غذایی متفاوتی دارند. مدل کشاورزی بازیافت زیست محیطی به اصول زیر پایبند است:
1. تبدیل ماده از یک شکل به شکل دیگر - چرخه های مواد مغذی امکان تبدیل ماده را به اشکال خاص مختلف می دهد که امکان استفاده از آن عنصر را در موجودات مختلف فراهم می کند.
2. انتقال عناصر از یک مکان به مکان دیگر - چرخه مواد مغذی امکان انتقال عناصر از یک مکان به مکان دیگر را فراهم می کند. برخی از عناصر در مناطقی که برای اکثر موجودات زنده غیرقابل دسترس است، مانند نیتروژن موجود در جو، بسیار متمرکز هستند. چرخه های مواد مغذی به این عناصر اجازه می دهد تا به مکان های قابل دسترس تری مانند خاک منتقل شوند.
3. عملکرد اکوسیستم ها - چرخه های مواد مغذی به عملکرد اکوسیستم ها کمک می کند. اکوسیستم که برای عملکرد صحیح به حالت تعادل نیاز دارد، از طریق چرخه های مواد مغذی به حالت تعادل باز می گردد.
4. ذخیره سازی عناصر - چرخه مواد مغذی ذخیره سازی عناصر را تسهیل می کند. عناصری که از طریق چرخه های مواد مغذی حمل می شوند در مخازن طبیعی خود ذخیره می شوند و در مقادیر کم که قابل مصرف هستند به موجودات آزاد می شوند.
5. پیوند موجودات زنده و غیر زنده - چرخه های غذایی موجودات زنده را با موجودات زنده، موجودات زنده را با موجودات غیر زنده و موجودات غیر زنده را با موجودات غیر زنده پیوند می دهند. این امر ضروری است زیرا همه موجودات به یکدیگر وابسته هستند و برای بقای موجودات زنده حیاتی هستند. این ارگانیسم ها توسط جریان مواد مغذی که توسط چرخه های مواد مغذی مهندسی شده است به هم مرتبط می شوند.
6. تنظیم جریان مواد - چرخه مواد مغذی جریان مواد را تنظیم می کند. همانطور که چرخه های مواد مغذی از کره های مختلف عبور می کنند، جریان عناصر تنظیم می شود زیرا هر کره دارای محیط و سرعت خاصی است که در آن جریان عناصر توسط ویسکوزیته و چگالی محیط تعیین می شود. بنابراین، عناصر موجود در چرخه‌های مواد مغذی با سرعت‌های متفاوتی در داخل چرخه جریان می‌یابند و این جریان عناصر را در آن چرخه‌ها تنظیم می‌کند.
