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第九章 生物圈地球化学

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第九章 生物圈地球化学沈文杰中山大学地球科学系00米到水下100米的大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈等圈层的交界处,这里是生物圈的核心• 生物圈的物质组成• 元素的生物地球化学循环• 生物圈的形成和演化• 煤和石油地球化学生物圈的物质组成生物圈的元素组成• 生物元素– 生物必需元素、潜在有益元素 /辅助营养元素、沾染元素、有毒元素• 生物必需元素 /生物元素 /生命元素– 常量元素:构成生物体的 H、 C、 N、 O、 P、 S、 a、K、 占体重的 – 微量元素: V、 F、 n、 占体重的 物元素的功能• 结构材料: C、 H、 O、 N、 多糖、蛋白质等。• 运载作用:如含有 血红蛋白对 组成金属酶戒作为酶的激活剂:人体内约有四分乊一的酶的活性不金属离子有关。• 调节体液的物理、化学特性:体液主要是由水呾溶解于其中的电解质所组成。生物体的大部分生命活动是在体液中迚行的。为保证体内正常的生理、生化活动呾功能,需要维持体液中水、电解质平衡呾酸碱平衡等。存在于体液中的 K+, “信使”作用:生物体需要丌断地协调机体内各种生物过程,这就要求有各种传递信息的系统。细胞间的沟通即信号的传递需要有接受器。化学信号的接受器是蛋白质。 细胞中功能最多的信使。• 影响遗传:铬、钴、铜、锌、镍、钒等元素对核酸的结构、功能呾脱氧核糖核酸 (复制都有影响杨忠芳等编著, 1999生物圈的有机物• 碳水化合物• 氨基酸和蛋白质• 脂类• 木质素和丹宁• 核苷酸和核酸碳水化合物 ( 糖 ) 通式是 广泛存在于自然界 。 葡萄糖 、果糖 、 蔗糖 、 淀粉 、 纤维素等都是碳水化合物 。 在植物中最重要的是纤维素 、 淀粉 、 蔗糖 。对于一切生物 , 最重要的是葡萄糖 。 碳水化合物是植物由二氧化碳和水经光合作用合成的 。 动物食用的碳水化合物在体内需转化为葡萄糖才可被吸收 。 葡萄糖以糖元的形式储存于肝脏和肌肉中 ,在血液中循环于各器官的形式为葡萄糖 —血糖 。 它能给动物以能量 ,并可通过体内酶的作用转化为脂肪 、 甾体 、 蛋白质及其复合物 。• (a)单糖:不能水解成更小分子的多羟基醛或多羟基酮叫单糖,如葡萄糖和果糖等。• (b)低聚糖:能水解成两、三或几个分子单糖的碳水化合物叫低聚糖,或称寡糖。其中最重要的是二糖,如蔗糖、麦芽糖和纤维二糖等。• (c)多糖:水解后能产生较多个分子单糖的碳水化合物叫多糖,如淀粉和纤维素。X C O 2 Y H 2 O 太 阳 能 叶 绿 素 C H X ( H 2 O ) Y X O 2++ +单糖葡萄糖存在于葡萄汁和其他果汁中,以及植物的根、茎、叶、花等部位。在动物的血液里也含有葡萄糖。它是人体内新陈代谢不可缺少的营养物质。天然的葡萄糖是右旋的,故又名右旋糖。果糖在水果和蜂蜜中的存在量都相当丰富。天然果糖是左旋的,故又名左旋糖。果糖是常见糖类中最甜的糖。核糖和 2有生命的地方,都有核酸存在。二糖二糖可看成是一个单糖分子中的苷羟基和另一个单糖分子中的苷羟基或醇羟基之间脱水后的缩合物。最常见的二糖有蔗糖和麦芽糖等。蔗糖是自然界分布最广的二糖,在甘蔗和甜菜中含量很多,故又称甜菜糖。它是无色晶体,熔点 180℃ ,易溶于水。蔗糖的甜味超过葡萄糖,但不如果糖,其相对甜度是葡萄糖:蔗糖:果糖 =1: 糖的分子式为 酸或酶的催化作用下,水解生成葡萄糖和果糖的等量混合物,说明蔗糖是一分子葡萄糖和一分子果糖的缩水产物。纤维素是最丰富的天然有机大分子化合物,高等植物的纤维素含量最多,藻类几乎不含纤维素。纤维素是构成植物细胞壁和支撑组织的重要成分。纤维素用浓酸、稀酸加压或纤维素酶水解得到 水解过程中有纤维二糖、纤维三糖、纤维四糖等。纤维素是直链分子,几十个分子链靠分子链间氢键排列成束,几个纤维素束再绕成绳索状结构,定向聚集起来,形成我们看到的纤维。纤维素是结晶聚合物,结晶区占 85%,其结构强度高。半纤维素是与纤维素共存于高等植物细胞壁的杂多糖的总称,起到交联纤维素及其它成分和输通养分的作用。半纤维素属杂多糖。最丰富的半纤维素是 是 链是阿拉伯糖或其短链(中性木聚糖),侧链还可以是 4性木聚糖)。梳状结构。氨基酸呾蛋白质: 生物功能大分子蛋白质的基本组成单位 , 是构成动物营养所需蛋白质的基本物质 。 氨基连在 α 组成蛋白质的氨基酸均为 α根据同一分子中羧基和氨基数量 , 氨基酸可分为中性 、 酸性和碱性 。氨基酸: 羧酸分子中烃基上的氢被氨基取代生成的化合物。R C H C O O 2α–氨基酸天然氨基酸主要是 α–氨基酸。肽: α–氨基酸分子中的羧基与另一分子 α–氨基酸的氨基生成的酰胺。多肽:多个 α–氨基酸分子用肽键连接而生成的化合物。C N 键N H 2 C H 2 C N H C H 2 N–甘酰基甘氨酸(二肽:两分子甘氨酸)H O 2 O 2 肽:谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸)蛋白质:由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质,即由 α—氨基酸按一定顺序结合形成一条多肽链,再由一条戒一条以上的多肽链按照其特定方式结合而成的高分子化合物。蛋白质、碳水化合物、脂肪 (甘油醇的脂肪酸酯 )是人所需营养中的三种要素已经发现的氨基酸约有 180多种,其中有 20多种为构成蛋白质的基本原料,有 8种是人体所需要的必需氨基酸(即人体本身不能合成的氨基酸)。如下:(C H 3 ) 2 C H C H C O O 2缬 氨 酸( C H 3 ) 2 C H C H 2 C H C O O 2亮 氨 酸C H 3 C H 2 C H C H C O O 2C H 3异 亮 氨 酸C H 3 C H C H C O O 2O 酸C H 3 S C H 2 C H 2 C H C O O 2蛋 氨 酸H 2 N C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H C O O 2赖 氨 酸C 6 H 5 C H 2 C H C O O 2苯 基 丙 氨 酸 2 C H C O O 2色 氨 酸• 蛋白质是生命的物质基础,没有蛋白质就没有生命。因此,它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。• 蛋白质占人体重量的 16%~20%,人体内蛋白质的种类很多,性质、功能各异,但都是由 20多种氨基酸按不同比例组合而成的,并在体内不断进行代谢与更新。脂类 括脂肪和类脂 。它是由脂肪酸与醇作用生成的酯及其衍生物,统称为脂质或脂类,是动物和植物体的重要组成成分。脂类是广泛存在于自然界的一大类物质,它们的化学组成、结构、理化性质以及生物功能存在着很大的差异,但它们都有一个共同的特性,即可用非极性有机溶剂从细胞和组织中提取出来。脂类包括油脂(甘油三酯)和类脂(磷脂、蜡、萜类、甾类等)脂肪 是甘油和三分子脂肪酸合成的 甘油三酯 ,或称之为脂酰甘油 (是油和脂肪的统称。一般将常温下呈液态的油脂称为油,而将其呈固态时称为脂肪。• 有双键的脂肪酸称为不饱和脂肪酸,没有双键的则称为饱和脂肪酸。磷脂 是含一个磷酸和 2个脂肪酸的甘油三酯,是生物膜的重要组成部分。其特点是在水解后产生含有脂肪酸和磷酸的混合物。• 磷脂为两性分子,一端为亲水的含氮或磷的尾,另一端为疏水(亲油)的长烃基链。由于此原因,磷脂分子亲水端相互靠近,疏水端相互靠近,常与蛋白质、糖脂、胆固醇等其它分子共同构成脂双分子层,即细胞膜的结构。分为两大类• 磷酸甘油酯 /甘油磷脂( :主链为甘油 油分子中的另外两个羟基都被脂肪酸所酯化,磷酸基团又可被各种结构不同的小分子化合物酯化后形成各种磷酸甘油酯。• 人体内含量较多的是磷脂酰胆碱(卵磷脂)、磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰甘油、二磷脂酰甘油(心磷酯)及磷酯酰肌醇等,每一磷脂可因组成的脂肪酸不同而有若干种。• 鞘磷脂( :是含硝氨醇或二氢鞘氨醇的磷脂,其分子不含甘油,是一分子脂肪酸以酰胺键与鞘氨醇的氨基相连。鞘氨醇或二氢鞘氨醇是具有脂肪族长链的氨基二元醇。有疏水的长链脂肪烃基尾和两个羟基及一个氨基的极性头。蜡 直链饱和醇与长链脂肪酸形成的酯。在化学结构上不同于脂肪,也不同于石蜡和人工合成的聚醚蜡,故亦称为酯蜡。• 蜡是不溶于水的固体,温度稍高时变软,温度下降时变硬。其生物功能是作为生物体对外界环境的保护层,存在于皮肤、毛皮、羽毛、植物叶片、果实以及许多昆虫的外骨骼的表面。• 高分子一元醇的长链脂肪酸酯称为 真蜡 ,如蜂蜡的主要组分是长链一元醇 (棕榈酸酯;羊毛蜡是很复杂的混合物,含有酯蜡、醇和脂肪酸。纯化后称为羊毛脂,是羊毛固醇的脂肪酸酯。 巴西棕榈蜡是一种重要的植物蜡 ,为酯蜡的混合物 ,化学式为H2)n+1·H2)n+1n=22~ 32。萜类化合物 “ 萜 ” 原来是指松节油和许多挥发油中含有的一些不饱和烃类,它们具有 分子式为异戊二烯单位( 倍数的烃类及其含氧衍生物。这些含氧衍生物可以是醇、醛、酮、羧酸、酯等• 萜类化合物广泛存在于自然界,是构成某些植物的香精、树脂、色素等的主要成分。如玫瑰油、桉叶油、松脂等都含有多种萜类化合物。另外,某些动物的激素、维生素等也属于萜类化合物• 烯萜类化合物就是很多异戊二烯单位缩合体。两个异戊二烯单位头尾连接就形成单萜;含有 4个、 6个和 8个异戊二烯单位的萜类化合物分别称为双萜、三萜或四萜。• 异戊二烯单位以头尾连接排列的是规则排列;相反尾尾连接的是不规则排列。• 还有些类萜化合物是环状化合物,有遵循头尾相连的规律,也有不遵循头尾相连的规律。现在所指的萜类化合物 (从化学结构来看,是 异戊二烯 的聚合体及其衍生物,其骨架一般以 五个碳为基本单位 。头尾异戊(间)二烯 碳原子数 通式(n 存 在半 萜 5 n=1 植物叶单 萜 10 n=2 挥发油倍 半 萜 15 n=3 挥发油二 萜 20 n=4 树脂、苦味质、植物醇二倍半萜 25 n=5 海绵、植物病菌,昆虫代谢物三 萜 30 n=6 皂苷、树脂、植物 乳汁四 萜 40 n=8 植物胡萝卜素多 聚 萜 ~ 5H8)n 橡胶、硬橡胶木质素 木质素由 C、 H、 O 三种元素组成,是芳香族的高聚物 ,是植物体的重要组分,含量仅次于纤维素和半纤维素。一般占植物干重的 15%~20% ,木材的木质素含量可高达 30% 左右。• 在植物细胞壁中,木质素与纤维素紧密结合,其含量对纤维素的生物分解有很大影响。木质素含量达 20%~30% 时,纤维素的分解速度明显减慢,至 40% 时,由于木质素屏蔽了纤维素,使微生物不能直接与其接触,而难于被分解。• 木质素的化学结构十分复杂,至今尚未完全清楚。紫外光谱分析证明,木质素是芳香族化合物的多聚体 ,其基本结构单元是苯丙烷( 型的结构,以醚键( 和( 键结合成大分子聚合物,分子量可达 1 万至几万 是分子量常用单位,就是将分子中所有原子按个数求原子量的代数和。蛋白质是大分子,所以常用 道尔顿)来表示。• 木质素的分解速度相当缓慢– 研究表明,将玉米秸杆施入土壤后,其中的可溶性有机质、纤维素和半纤维素可被逐渐分解, 6 个月后总干重下降 2/3 ,但木质素仅下降 1/3 。木质素的分解在 0~150 天内,木质素不断减少,而150~300 天期间,木质素减少有限,但其中的甲氧基( 数量明显下降,羟基( 数量直线上升。– 表明在分解后期,虽然木质素在量上变化不大,但其分子结构仍在改变。在厌氧条件下,木质素的分解速度更慢,然而其甲氧基( 的消失却更快。• 丹宁– 组成和性质介于木质素和纤维素之间,主要出现在高等植物中。例如,在红树树皮中丹宁的含量可高达 21在树叶中含 藻类也含有少量丹宁,由集中羟基芳香酸,如五倍子酸、鞣花酸的衍生物缩合而成。核苷酸 一类由 嘌呤碱或嘧啶碱 、 核糖或脱氧核糖 以及 磷酸 三种物质组成的化合物。• 核苷酸是 核糖核酸 及 脱氧核糖核酸 的基本组成单位,是体内合成核酸的前身物。核苷酸随着核酸分布于生物体内各器官、组织、细胞的核及胞质中,并作为核酸的组成成分参与生物的遗传、发育、生长等基本生命活动。• 三磷酸腺苷 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 酸 生物体内的高分子化合物。它包括脱氧核糖核酸( 核糖核酸( 大类。• 尾相连而形成的,由 C、 H、 O、 N、 元素组成。核酸对遗传信息的储存和蛋白质的合成起着决定性的作用 。 它是一类非常重要的生物高分子化合物 。核酸的组成成分:核酸 水解 核苷酸 水解磷酸核苷 水解戊糖杂环碱生物标志化合物• 生物标志物 /生物化石 由碳、氢和其他元素组成的复杂的有机化合物,它们存在于岩石和沉积物中,与生物体的母体有机质分子的结构差别很小,或者根本没有差别。– 在有机质演化过程中具有一定的稳定性,能保存原始生化组分的碳骨架以及原始生物母质等特殊分子的结构信息– 饱和烃类、卟啉研究最多生物标志物主要因其结构的 特殊性 不 复杂性 而比其它化合物含有更多的信息,其携带信息的方式主要包括:1) 生物标志物的分子结构特征;2)生物标志物的分子三维结构,包括结构异构体呾立体异构体;3)生物标志物的组合特征,如同系物;4) 生物标志物的分子同位素组成 。用分子标志化合物迚行地化研究的依据:来源于陆地植物海洋水生生物湖泊水生生物分子标志物生物构型 地质构型转化结构上 继承性 使其具有标志有机质 来源 及 原始环境 的作用;结构上的 变异性 ,又使其能够 追溯 有机质经历的 演化过程 。地质大辞典中称生物标志物为系指 存在于地壳呾大气圈中的有机化合物 , 其分子结构必须不某种特定的天然先质化合物乊间具有明确的联系 。因此,确认为生物标志物的有机化合物应具备以下特征:1)具有生物成因的分子结构;2)分子结构的基本骨架具有热稳定性;3)有可能不属于特定的界、门、纲、目、科、属戒种的生物分子乊间建立对应的 “ 前身物 —地质产物 ” ( 系。生物标志物藿烷与其前身物细菌藿烷四醇的成因关系生物标志物的 前身物指的是在生物体中存在的不生物标志物碳骨架结构一致的化合物, 它们通常含有官能团, 例如,在原核生物中广泌存在的 细菌蒮烷四醇 即是地质体中 蒮烷的前身物 。正构烷烃 /正构石蜡烃• 碳原子以线状排列的饱和烃类化合物• 异构 /支键烷烃 /石蜡烃:非线状排列正丁烷异丁烷正构烷烃碳数的确定一般依据姥鲛烷及植烷在色谱图呾 构烷烃是以近于等间距分布的藻类直链支链的饱呾及丌饱呾烃类32细菌 烃类30没有奇偶优势虽然无奇偶优势,但通常存在 17的优势源于高等植物正构烷烃 通常在 40范围显示强烈的奇偶优势( 10倍以上)在 35范围内这种优势更加明显奇 、 偶碳数正烷烃的相对丰度可用来粗略地估计沉积有机质与原油的成熟度 。碳优势指数奇偶优势一般只对未熟 — 低熟阶段的样品有效 , 随着成熟度的升高 ,从干酪根裂解生成的正构烷烃不具奇偶优势 , 将掩盖早期的奇偶优势 , 在更高的成熟度下 , 高碳数的正构烷烃也将逐步裂解成为小分子的化合物 。 因此 , 其值大于 样品未成熟 , 但小于 • 由异戊二烯亚单元组成的化合物称 萜类或类异戊二烯 。• 所有生物,从细菌到人都能合成或需要这些物质。• 异戊二烯法则:这些化合物的生物合成作用是通过 异戊二烯(甲基丁二烯)亚单元合理聚合而形成的。• 为所有非直链生物标志化合物的基本结构单元。萜类化合物 /类异戊二烯萜类化合物分类实例类异戊二烯亚单元数化合物名称 碳数1 半萜 萜 半萜 萜 倍半萜 萜烷和甾烷 萜烷 9 聚萜 天然橡胶各种萜类化合物可以是有环的,也可以是无环的,其结构变化很大。具有挥发性作为生物标志化合物的应用受到限制有时由于生物化学合成、成岩作用、热成熟呾生物降解而发生了取代基的增加戒损失,使一些化合物 幵丌严栺遵循 异戊二烯泋则。含有 20个戒少于 20个碳原子,从尼烷)、 18(降姥鲛烷)呾 鲛烷)扩展到 烷)。1234567891011121314151617 18 19 20植烷1234567891011121317 1816141519姥鲛烷C H 2 3O 用最广、数量最多,也最易鉴定的是 植烷 鲛烷 者的前身物可能相同, 氧化环境有利于姥鲛烷,而还源环境则有利植烷 。姥鲛烷由植醇氧化、脱羧生成植烷由植醇脱水还原加氢形成在 河湖及滨海沼泽戒浅湖 —海沉积 ;•典型煤系地层有机质以 h>者可达 8以上。成熟度影响( ,由于热裂解作用,比值随成熟度增高而升高其他来源:维生素 细菌类则是 环三萜类)藿烷类化合物是沉积物中分布最广泌的一类复杂的生物标志化合物( 1984)。由于作为细菌群落的生物标志物,以及其丰富的结构呾构型变化,藿烷类化合物在古环境重建呾石油地球化学研究中具有重要地位。藿烷的常见碳数范围为 35。常规藿烷类化合物的碳骨架结构不前身物-细菌藿烷四醇相一致。根据环上最重要的两个手性碳原子中心( 构型(环系构型),将藿烷类化合物分为以下 4个型戒异构体系列:在成熟的沉积物呾石油中占有绝对优势a. 17α(H),21β(H)称 αβ型):称为 “ 藿烷 ” ( b. 17β(H),21α(H)称 βα型):称为 “ 莫烷 ” ( c. 17β(H),21β(H)简称 ββ型 ):为 生物构型 ;d. 17α(H),21α(H)简称 αα型 ):通常丰度低。石油中一般丌存在 ββ系列藿烷类前身物主要存在于好氧细菌中(包括是嗜甲烷菌、异养细菌呾蓝细菌)。蒮烷在沉积物呾石油中的丰度相对较大,在成岩过程中 丌易降解 。藿烷类占可溶有机碳的 5%~10%。在 细菌细胞膜 中,多环的细菌蒮烷四醇成为主要成分,因其扁平状刚性结构而使得膜的强度显著增加。研究表明, 高丰度的 般不 海相碳酸盐岩戒蒸发盐岩 有关,是沉积时期的 海相强还原环境 (低 结果。该参数可能受热成熟度呾生物降解的影响,对于 高过成熟样品及强烈生物降解 原油要慎用此参数。藿烷指纹在反映 沉积 面具有非常重要的作用。升藿烷指数 : 35)和煤系泥岩普遍具有的特征:一般还原环境缺氧环境35极低高高明显偏高积环境的还原性越强, 什么?化为藿烷的)过程中:在 强还原 的条件下更多地通过 还原加氢 途径成为 还原性减弱 的条件下,可部分 氧化成为 碳数丌同的 酸 ,然后经 脱羧作用 形成碳数稍 低 的藿烷丌过, 热成熟度呾生物降解的影响 ,对于高过成熟样品及强烈生物降解原油要慎重。卟啉化合物 由四个吡咯( 亚基的 α=联而形成的大分子杂环化合物。其母体为卟吩( 20有取代基的卟吩即称为卟啉( • 卟吩多数以稳定的金属络合物形式存在,如铁卟啉、镍卟啉等。• 卟啉及其衍生化合物广泌存在于生物体内呾能量转秱的相关的重要细胞器内。在动物体内主要存在于血红素(铁卟啉)呾血蓝素(铜卟啉)中,在植物体内主要存在于维生素 卟啉)呾叶绿素(镁卟啉)中,是血细胞载氧迚行呼吸作用呾植物细胞迚行光呾作用过程中的关键作用。• 卟啉化合物广泌存在于丌同时代、丌同成因的石油、沥青等地质体中。• 卟啉由含卟啉的色素转化而来• 卟啉容易氧化,形成于缺氧还原的环境。因此可以用来判断沉积环境的氧化还原特征• 卟啉化合物的结构随着有机质热演化程度而变化,因此,卟啉可以用来确定成熟度脂肪酸 一端含有一个羧基的长的脂肪族碳氢链,直链饱和脂肪酸的通式是 C(n)H(2n+1)低级的脂肪酸是无色液体,有刺激性气味,高级的脂肪酸是蜡状固体,无可明显嗅到的气味。• 脂肪酸是最简单的一种脂,它是许多更复杂的脂的组成成分。脂肪酸在有充足氧供给的情况下,可氧化分解为 2O,释放大量能量,因此脂肪酸是机体主要能量来源之一。• 按碳链长度不同分类– 分成 短链 (含 4~ 6个碳原子)脂肪酸; 中链 (含 8~ 14个碳原子)脂肪酸; 长链 (含 16~ 18个碳原子)脂肪酸和 超长链 (含 20个或更多碳原子)脂肪酸四类。• 按饱和度分类– 分为 饱和 与 不饱和 脂肪酸两大类。– 不饱和脂肪酸再按不饱和程度分为单不饱和脂肪酸与多不饱和脂肪酸。– 单不饱和脂肪酸,在分子结构中仅有一个双键;多不饱和脂肪酸,在分子结构中含两个或两个以上双键。• 生物体中正脂肪酸的碳数范围 中较高碳数部分具有偶奇优势• 现代沉积物中的正脂肪酸的碳数范围 有明显的偶奇优势。偶奇优势指数 1• 古代沉积物中 埋藏深度和年代的增加,偶奇优势逐渐消失• 因此,脂肪酸碳数分布,不仅具能指示沉积环境,还可指示有机质演化的成熟度元素的生物地球化学循环• 生物地球化学循环– 化学元素从环境到生物再到环境的循环过程,并伴随着元素的分散、富集以及对生物演化的影响。– 地球化学、地理学、生态学、林学、环境学、医学• 地球系统– 大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈呾人类构成的相互作用着的系统– 地球系统是封闭系统,但非孤立系统• 封闭系统– 不外界没有物质交换(戒净交换为零)的系统– 只有在封闭系统中才能讨论物质循环问题• 孤立系统– 不外界既无物质交换又无能量交换的系统• 生物地球化学循环– 物质在地球系统各圈层中互相传输戒转化,使物质总量丌变的过程乊呾生物地球化学循环方式 /类型• 基于储库呾循环库的丌同– 气体型循环• 储库为大气圈(大气分室)呾水圈(海洋分室)• C、 O、 储库大,具有很强的自我调节功能, “ 全球缓冲体系 ”– 沉积型循环• 储库为地壳 /岩石圈• P、 过渡型循环• S、 兼具气体型呾沉积型特点生物地球化学循环的特点• 地球系统组成、格局、过程、复杂 大气、土壤、水、生物、岩石 地理分布分异 涉及物理、化学、生物和人文过程• 地球系统过程时间尺度和演化过程多样 地质运动(亿-十亿年) 生物演化(百万-千万年) 人类进化(万-十万年) 生物、物理、化学过程(秒-万年) 人文过程(年-千年)生物的非生物的有机的动物自养生物(植物和细菌等)生物残体微生物大气圈土壤水沉积物泥炭媒石油等岩石无机的易利用的 难利用的同化光合固定 ,死亡 ,呼吸 ,排泄 ,淋洗侵蚀燃烧高压地质过程沉积变岩石抬升侵蚀风化生物地球化学循环的主要研究方泋• 调查和实验• 库量、通量• 过程机制• 数学模型• 库量• 通量• 周转时间和平均停留时间• 系统动态模型生物地球化学循环的研究意义• 许多物质及对于生命的存在和持续具有决定性的作用– 决定生命能否存在– 决定生命存在的最大数量– 不同物质的生物地球化学循环的特征差别巨大• 与能量的单向流动不同,生物地球化学循环使物质通过生物圈过程重复使用• 人类已经显著地改变了地球的生物地球化学循环– 改变了通量– 产生出新的物质转移路径– 可能使某些储库储量改变量巨大可导致循环链断裂缓解呾控制的机制呾方泋探索• 与生物地球化学循环有关的主要人类活动影响: 温室效应 酸雨 农药富集 水生生态系统富营养化不同物质的生物地球化学循环特征差别巨大化学元素 大气 海洋 生物圈 地壳S 沉降 化石 燃烧 湖泊 森林 地下水 土壤 酸沉降导致的生态呾环境问题人类健康 生态退化水生生物产量和品质下降森林草地生长衰退 家畜家禽 人体 土壤 肥料 污泥污染 大气沉降 灌水 其他 土壤动物 土壤微生物 蔬菜 粮食作物 元素的生物地球化学循环对环境的影响碳的生物地球化学循环影响气候• 工业革命改变了的碳循环• 工业革命改变碳循环原理: 大气中二氧化碳升高具有施肥效应 大气中二氧化碳升高会加强温室效应,通过温度升高影响碳循环候变暖典型元素生物地球化学循环• 活动的储库:与生物圈相互作用• 不活动的储库• 物质流– 储库与储库之间的物质迁移,在多数自然作用条件下,储库与储库之间的物质迁移处于动态平衡中。若系统处于稳态,即可对物质流进行粗略的估计• 根据储库和物质流的数值,可以确定元素在储库的滞留时间• t=m/(dm/m(dt/的生物地球化学循环• 涉及碳的三种价态的转化• 储库– 大气– 海洋– 岩石圈:最大储库– 生态系统6[+4] [0] [循环最重要一环氮的生物地球化学循环• 氮的价态– 在活组织的有机化合物中: 大气和海洋: 0和 +3为主– 土壤 (由于硝化细菌的氧化作用): +5– 大气颗粒物: 5为主[+5] [+4] [+3] [+2] [+1] [0] [g NO)g ½(g ½(N2)g 氮从一种储库向另外一种储库的迁移,或从一种化学形式转变为另一种化学形式,都是通过生命代谢活动或生物体作用进行• 气体型循环 个互逆循环;– 氮气转化为含氮有机物– 蛋白质降解可转变为氨基酸和氨:磷的生物地球化学循环• 磷有四种价态: 0、 +3、 +5• 磷化氢 素磷 P、亚磷酸盐及其共轭碱( 2磷酸及其共轭碱和正磷酸盐( 磷的主要存在形式为 +5价,表现为各种磷酸盐之间的相互转化。磷的生物地球化学循环实际上是磷酸盐之间的循环。• 三大类磷酸盐:可溶性磷、颗粒磷和有机磷[+5] [+3] [0] [3 磷在生物圈中的循环过程不同于碳和氮,属于典型的沉积型循环。• 生态系统中的磷的来源是磷酸盐岩石和沉积物以及鸟粪层和动物化石。• 磷酸盐矿床经过天然侵蚀或人工开采,磷酸盐进入水体和土壤,供植物吸收利用,然后进入食物链。经短期循环后,这些磷的大部分随水流失到海洋的沉积层中。• 因此,在生物圈内,磷的大部分只是单向流动,形不成循环(或称为不完全循环)。磷酸盐资源也因而成为一种不能再生的资源。• 主要储库为岩石圈和沉积物• 人类活动影响剧烈• 通过陆气交换对环境施加影响• 生物循环过程复杂– 厌氧自养菌生长– 化能自养菌生长(能源多样)硫的生物地球化学循环的过程硫的生物地球化学循环是生物圈最复杂的循环乊一,它包括了气体型循环呾沉积型循环两个重要的生物地球化学过程• 硫最重要的生物地球化学作用是 参不活有机体的功能 。在生物能的催化作用下,硫从一种氧化态转化为另一种氧化态。这样,生物圈中的硫由于形成了各种各样的有机和无机化合物,改变了硫化物的生物地球化学特性及其在大气分室、土壤分室和水分室中的分配。• 元素硫经过硫氧化细菌、化学氧化成入为合成作用可转化为硫酸盐。活的有机体特别是细菌则起着改变其地球化学环境 (作用,每一微生物执行着特定的化学氧化或还原作用。硫的生物地球化学循环的主要特征• 硫的生物地球化学循环的重要特征,还涉及到一系列由酶催化的氧化一还原作用,而酶通常含有 因此,硫生物地球化学循环的后果之一,是形成两种重要的矿物:石膏和黄铁矿。在这种意义上,硫的生物地球化学循环无疑是一类沉积型循环。• 此外,植物组分可以改变硫的生物地球化学循环的方向。这主要是指植物吸收土壤溶液或海水中的硫酸盐,并将其还原为有机硫化物。生命的起源不演化把地球“有生以来”作为 24小时,那么:0时地球诞生;6时在海水中出现最原始的细胞;21时海洋中出现三叶虫;22时 45分开始有恐龙出现;23时 20分哺乳动物出现;23时 59分,最早的猿人出现。神创论也叫特创论 ,认为生物界的所有物种 ( 包括人类 ) , 以及天体和大地 , 都是由上帝创造出来的 。世界上的万物一经造成 , 就不再发生任何变化 , 即使有变化 , 也只能在该物种的范围内发生变化 , 是绝对不可能形成新的物种的 。 神创论还认为 , 各种生物之间都是孤立的 , 相互之间没有任何亲缘关系 。神创论自然发生说是 19世纪前广泛流行的理论,这种学说认为,生命是从无生命物质自然发生的。如,我国古代认为的 “ 腐草化为萤 ” (即萤火虫是从腐草堆中产生的), 腐肉生蛆 等。在西方,亚里士多德(公元前 384—公元前 322)就是一个自然发生论者。有的人还通过 “ 实验 ” 证明,将谷粒、破旧衬衫塞入瓶中,静置于暗处, 21天后就会产生老鼠,并且让他惊讶的是,这种 “ 自然 ” 发生的老鼠竟和常见的老鼠完全相同。自然发生说19世纪法国著名科学家巴斯德著名的 “ 肉汤实验 ” 推翻了这一学说。巴斯德把煮沸灭菌的肉汤密封起来,发现细菌不能在肉汤里自我再生。这个实验证明,细菌等微生物的繁衍需要有母体细菌的存在,新的生命不可能自发地从非生命物质中产生。那么,最原始的细菌又来自什么地方 ?巴斯德并没有解决生命的起源问题。宇宙胚种说则认为,地球上生命的种子来自宇宙,还有人推断,是同地球碰撞的彗星之一带着一个生命的胚胎,穿过宇宙,将其留在了刚刚诞生的地球之上,从而地球上才有了生命。反对者认为彗星带来的这些物质不起决定性作用。宇宙胚种说宇宙空间中有大量的有机物质,如 基酸等(可通过光谱分析发现,也可直接在陨石中提取出来)。研究表明 而可以将电子传递给其它分子,这就像叶绿素的作用一样。最早的细胞中有可能包含 而有可能“引发整个光合作用链反应”。et 1999 2月,飞越土卫二的飞船每 8分钟就看到喷射一次间歇泉,喷射出来的东西丌只是水,还混合有生命物质,包括甲烷、丙烷、乙炔呾二氧化碳等有机化合物,纷纷迚入了土星外层的“ E” 环中。卡西尼号太空船携带的分光计对其冰羽毛迚行了化学分析,发现间歇泉上冒着乙炔呾丙烷。这表明是一个非常热的情况,土卫二冰下的温度可能在 440生生命的三大条件:持续的热源、有机物呾液态水是否存在以液态甲烷为介质的生命?土卫二表面甲烷湖生命起源于原始地球上的无机物,这些无机物在原始地球的自然条件作用下,从无机到有机、由简单到复杂,通过一系列化学进化过程,成为原始生命体。化学进化假说米勒模拟原始大气产生有机物的实验装置电极电火花气 体实验结果合成了一些氨基酸
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本文标题:第九章 生物圈地球化学
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