Биогеохимические круговороты основных химических элементов в биосфере

Углерод жизненно важный элемент. Он служит основным сырьем для фотосинтеза растений. Углерод находился до формирования биосферы в виде графита и алмаза в расплавах магмы, незначительная часть – в виде летучих углеводородов, карбида и диоксида углерода. В атмосфере содержался в основном СО₂ (до 91 % без учета водяных паров).

Теперь в биосфере углерод распространен в виде следуюших соединений: в атмосфере — в виде диоксида углерода (СО₂); в литосфере – в форме графита, алмаза; в живомвеществе – в составе органических соединений. Общий запас углерода на Земле составляет 26 10¹⁵ т. Вода морей и озер содержит 0,14% общего количества углерода в виде диоксида углерода, карбонатов и бикарбонатов.

Круговорот углерода совершается по большому (геологическому) и малому (биотическому) циклам. Большой круговорот углерода осуществляется медленно (сотни тысяч или миллионы лет). Так, до развития биосферы в результате выветривания горных пород гидрокарбонат кальция выносился поверхностными речными водами в океан, где образовывались отложения, или пласты, карбонатов кальция, которые исключаются из круговорота на целые геологические эпохи. Он возвращался на сушу в результате геотектонических изменений, процессов поднятия морского дна и опускания материков. С возникновением жизни в воде в биогеохимический цикл углерод вовлекается фитопланктоном, затем передается по пищевым цепям, возвращаясь вводу с дыханием организмов в виде СО₂. В континентальных водах диоксид углерода взаимодействует с поверхностными горными породами, такими, как известняки, с образованием гидрокарбоната кальция – Са(НСО₃),. выносимого речными водами в Мировой океан. Морские беспозвоночные используют гидрокарбонат кальция для построения раковин. На дне океанов в течение сотен тысяч лет образовались мощные толщи различных карбонатов из раковин беспозвоночных. В наземных экосистемах значительная часть углерода накапливается в мертвой органике, в гумусе, торфе. Круговорот углерода также блокируется в залежах каменного угля, нефти ив других углеводородных соединениях, находящихся в ископаемом состоянии. Углерод возвращается в круговорот в виде СО, в результате хозяйственной деятельности человека (например, при сжигании топлива).

Биотический круговорот углерода является составной частью большого цикла и обусловлен жизнедеятельностью живых организмов. Этот круговорот называют быстрым, так как он определяется временем жизни организмов. Углерод атмосферы включается в биотический круговорот в виде диоксида углерода, который используется в процессе фотосинтеза, превращаясь в сахара, белки, жиры и другие органические вещества. В течение года таким образом аккумулируется примерно 2 10¹⁰ т углерода. Затем углерод в составе органических соединений поступает в пищевые цепи. В атмосферу он возвращается в виде того же диоксида углерода при дыхании растений и животных, при разложении мертвой органики деструкторами (редуцентами). Следовательно, в биогеохимический ворот углерода входят процессы фотосинтеза растений, создания органического вещества и возврата его в атмосферу в виде СО₂ (рис.1). Полный цикл биотического круговорота углерода равен 8 годам.

Техногенез нарушает природный биотический круговорот СО₂. При сжигании газа, каменного угля, нефти в атмосферу выбрасывается дополнительно более 5 млрд т углерода в виде СО₂, и СО. Возрастает приток углерода в атмосферу, даже несмотря на высокую саморегуляцию (удаление излишков в водоемах, эффективное усвоение растениями при фотосинтезе), и в результате разрушения лесной подстилки, осушения торфяников, сведения лесов, чрезмерной распашки земель, уменьшения количества планктона в континентальных водах, производства строительных материалов, особенно цемента, и обжига извести.

 

Рис. 1. Круговорот кислорода и углерода в биосфере

 

Азот, из которого на 79% состоит воздух, играет важнейшую роль в жизни живых организмов. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, необходим для повышения плодородия почв. Азот находится в атмосфере в неактивной молекулярной форме (N₂). Однако все живые организмы зависят от связанного, т.е. фиксированного, азота, а вернее, включенного в химические соединения (например, нитраты, аммонийный и амидный азот). Связанный азот в экосистемы поступает следующими путями: 1) в виде оксидов азота и аммиака, синтезированных в атмосфере за счет энергии электрических разрядов (молния), при которых протекают реакции взаимодействия между кислородом, азотом и водородом; поступает в почвы с дождевой водой – до 10 кг/га в год; 2) в результате биологической фиксации свободного азота (до 70 кг/га в год) микроорганизмами, водорослями и лишайниками. Азотфиксаторы вступают в симбиоз с некоторыми высшими растениями, наиболее широко – с бобовыми, образуя на их корнях клубеньки; 3) в результате производства и применения минеральных удобрений (аммиак, аммиачная селитра, карбамид и др.).

Фиксированный минеральный азот усваивается из почвы растениями, а затем в виде органических соединений поступает в пищевые цепи. После отмирания растений и животных их ткани разлагаются и минерализуются при участии микроорганизмов; т.е. происходят процессы аммонификации и нитрификации с последовательным образованием солей аммония, нитритов и нитратов. Часть образовавшихся нитритов и нитратов поступает в растения или закрепляется в гумусе. Остальной азот вымывается, так как соли азотной кислоты и аммония легкорастворимы, попадают в гидросферу и остаются в донных отложениях. Если бы в биосфере не протекал процесс денитрификации (восстановления) связанного азота до оксида азота и свободного азота, вновь поступающих его в атмосферу, то запасы атмосферного азота значительно уменьшились бы. Процесс денитрификации выполняют в анаэробных условиях бактерии-денитрификаторы, которые используют нитритный ион как акцептор электронов (рис. 2).

Годовой приход азота в результате биологической фиксации составляет 54·10⁶ т, а за счет индустриальной фиксации — 30·10⁶ т. Общий приход его равен 91,8·10⁶ т, а расход – 83,2·10⁶ т (главным образом вследствие денитрификации). Потери азота с глубоководными отложениями компенсируются поступлением с вулканическими газами в количестве до 3 млн т в год.

В условиях научно-технического прогресса увеличились выбросы в атмосферу аммиака, оксидов азота как продуктов сгорания каменного угля, нефти, газа, бензина, сланцев, торфа (200…350) 10⁶ т аэрозолей в год. С осадками они поступают в почвы и воды.

 

Рис. 2. Круговорот азота в биосфере

 

В природных водах концентрация нитратов часто превышает предельно допустимые нормы в десятки раз, достигая в отдельных случаях токсических величин (более 1000 мг/л). Считают, что баланс азота в биосфере нарушен, избыток его вызывает загрязнение окружающей среды, отравления, тяжелые заболевания человека.

Фосфор – один из важнейших биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костной ткани, дентина, участвует в переносе энергии. Незначительна также миграционная способность фосфора. Его круговорот, как и круговорот других биогенных элементов, совершается по большому и малому циклам; связан с жизнедеятельностью организмов, антропогенными факторами. Круговорот фосфора относится к осадочному циклу, ибо его резервный фонд находится в литосфере, где он представлен изверженными горными породами (апатитом, фторапатитом) или осадочными отложениями (фосфоритом, вивианитом вавеллитом). Общие запасы фосфора на Земле составляют 26 млрд т, а расход – 2 млн т в год. Крупные месторождения существуют на Кольском полуострове, в районе хребта Каратау на юге Казахстана, а также в США, Марокко, Алжире, Тунисе.

В результате усилившегося с формированием биосферы выветривания горных пород, содержащих фосфор, произошло перераспределение этого элемента. Значительная часть фосфора со стоком попадает в моря и океаны, где остается в осадках мелководий или в глубоководных отложениях, обогащает воды, питая фитопланктон. С ежегодным стоком в моря и океаны выносятся (3…4)·10⁶ т фосфатов, где они практически надолго выпадают из круговорота. Из морей фосфор возвращается за счет вылова рыбы и использования гуано в виде фосфатов кальция (60 тыс. т фосфора в год). В наземных экосистемах фосфор проходит через пищевые цепи в составе органических соединений, а затем после отмирания организмов возвращается в почвы, минерализуется или вновь усваивается корнями растений либо со стоком поступает в гидросферу. Таким образом, круговорот фосфора в основном включает следующие процессы: растения ассимилируют фосфор в виде ионов Н₂Р0₄^- и НРО^2-₄ из почвенного раствора, воды; у животных избыточный органический фосфор, содержащийся в пище, выводится в виде; фосфатов; некоторые группы бактерий превращают органический фосфор, содержащийся в детрите, в фосфаты. Фосфор наиболее доступен при рН 6...7. Избыток растворимого кислорода способствует переводу фосфора в нерастворимые соединения.

В промышленно развитых странах проявляется фосфатизация суши за счет производства фосфорных удобрений, различных фосфорсодержащих препаратов, вылова продуктов моря, богатых фосфором. Выделяются и районы, в которых наблюдается дефосфатизация территории. Запасы же фосфора в почвах низкие – в среднем 0,1…0,2%, причем 20...40% этого фосфора недоступно для растений.

В атмосферу фосфор поступает лишь в виде пыли или выносится ветром из моря с брызгами.

В среднем живое вещество планеты содержит 7∙10^-2 % фосфора, в литосфере его 9·10^-2 %. Живое вещество извлекло из литосферы 2,1·10¹¹т фосфора.

Кислород – составная часть всех живых и растительных организмов, а также минеральных соединений. В живом веществе на долю кислорода приходится 65…70%, в литосфере – 49%.Тело человека почти на 65% состоит из этого элемента. Кислород – сильный окислитель, активно вступающий в химические реакции с образованием оксидов, гидроксидов, кислот и других кислородсодержащих соединений. Он поглощается организмами в газообразном состоянии, в виде Н ₂О, СО ₂, оксидов и других образований.

Кислород молекулярный появился в атмосфере благодаря зеленым растениям, выделяющим его в процессе фотосинтеза. Все остальные существа – потребители кислорода. При дыхании растения потребляют кислород. Потребление и выделение растениями кислорода обеспечивает круговорот этого элемента и поддерживает концентрацию его в атмосфере на уровне 21% (см. рис.1). При этом выделившийся при фотосинтезе кислород проходит в итоге через живое вещество биосферы примерно за 2000 лет, т.е. такова скорость его круговорота в атмосфере. Небольшая часть уходит из обращения, участвуя в создании различных осадочных пород, расходуется на окисление органических соединений с выделением энергии и образованием конечных продуктов окисления – СО₂ и Н ₂ О.

Циклы кислорода в большом геологическом и малом биологическом круговоротах между всеми компонентами биосферы выражаются следующим образом:

	СО2   О2		СО2   О2

 

почва живое вещество; живое вещество атмосфера;

 

	СО2 ;О2   СО2 ;О2   О2
		СО2   О2   О2

 

атмосфера гидросфера; почва атмосфера.

 

 

Долгое время баланс О₂ в атмосфере был положительным, в современных условиях он нарушен техногенными миграциями. Резко возрастает потребление кислорода промышленностью, транспортом. Так, реактивный самолет сжигает более 35 т О₂ за время перелета через Атлантический океан. Этого количества О₂ было бы достаточно для дыхания 30 человек на целый год. Сжигание горючих ископаемых ведет к накоплению СО₂, а следовательно, значительно ухудшает кислородный обмен, снижая содержание О₂ в атмосфере. Вырубка лесов, отчуждение земель, загрязнение почв, опустынивание территорий также способствуют сокращению запасов кислорода. Промышленные, бытовые, сельскохозяйственные отходы, сброшенные в озера, реки, моря, океаны, загрязняют природные воды, связывая растворенный кислород, что нарушает круговорот его между атмосферой и гидросферой. Вследствие загрязнения морей сокращается поступление О₂ от зеленых водорослей. Для поддержания установившегося баланса кислорода важно сохранить главнейшую геохимическую силу – живое вещество, способное высвобождать О₂, даже из кристаллических решеток минералов.

Вода – наиболее распространенное вещество, важнейшая составная часть живых организмов. Она совершает непрерывный круговорот между гидросферой, литосферой и атмосферой под влиянием солнечной радиации и силы тяжести. Переходя из газообразного состояния в жидкое, она поступает из атмосферы на сушу в реки и водоемы. Сток рек и подземных вод, океанические течения, перемещение облаков над материками, передвижение воды из почв от корней к листьям – различные звенья круговорота воды в биосфере. Различают большой (мировой) и малый (в пределах экосистем) круговороты. Большой круговорот воды включает следующие процессы. Водяные пары, испарившиеся с поверхности океанов, морей, внутренних водоемов под воздействием солнечной энергии, при соответствующих условиях конденсируются, образуя облака, охлаждение которых вызывает осадки в виде дождя, снега и града. Осадки поглощаются почвами, породами и пополняют подземные воды илиже стекают по поверхности, поступая в реки. В итоге вода возвращается в моря, океаны, и все повторяется. Этот круговорот хорошо замкнут.

Круговорот воды в экосистемах состоит из четырех фаз: перехвата, эвапотранспирации, инфильтрации и стока. Поступая в виде осадков, вода частично перехватывается листьями, ветвями, стволами деревьев, испаряется с их поверхности в атмосферу, не достигнув почвы, т.е. теряется для экосистемы. Часть воды просачивается (инфильтруется) до уровня грунтовых вод или теряется для экосистемы с поверхностным стоком. Вода возвращается в атмосферу вследствие эвапотранспирации, или суммарного испарения, т.е. физического с поверхности почвы и физиологического (биологического) в процессе транспирации растений. Суммарное испарение в Европе составляет в среднем 3…7 тыс. т/га за год. Ежегодно экосистема использует из всей транспирируемой воды примерно 1% ее на формирование биомассы.

Антропогенные воздействия – вырубка лесов, распашка лугов, осушение пойменных болот, внесение удобрений и пестицидов, строительство дорог, городов и заводов – увеличивают поверхностный сток, приводят к загрязнению водоемов, грунтовых вод, рек промышленными, бытовыми и сельскохозяйственными стоками, а следовательно, к сокращению запасов пресных вод. Учет круговорота воды весьма важен в хозяйственной деятельности человека.

Контрольные вопросы и задания. 1. Кто ввел термины «биосфера» и «ноосфера»?

2. Что такое биосфера и ноосфера?

3. Перечислите основные компоненты вещества биосферы.

4. Назовите пределы биосферы.

5. Что такое экосистема и биогеоценоз? 6. В чем проявляется многообразие экосистем? 7. Что такое агроэкосистема? 8. Какие геохимические процессы протекали до появления жизни на Земле? 9. В чем состоит сущность большого (геологического) круговорота веществ? 10. Какие особенности приобрела миграция химических элементов с возникновением жизни на Земле? 11. Дайте определение биогеохимического круговорота веществ и раскройте его сущность. 12. Назовите главные круговороты элементов и веществ в биосфере. 13. По каким циклам совершается круговорот углерода? 14. Чем обусловлен биотический круговорот углерода? 15. Перечислите особенности круговорота азота в биосфере? 16. В чем сущность круговорота фосфора в биосфере? 17.Из каких фаз состоит круговорот воды в экосистемах?