Биогеохимический цикл углерода.

Содержание углерода в атмосфере Земли составляет 0,046% в форме двуокиси углерода и 0,00012% в форме метана. Среднее его содержание в земной коре – 0,35%, а в живом веществе – около 18% (Виноградов, 1964). С углеродом тесно связан весь процесс возникновения и развития биосферы, т.к. именно углерод является основой белковой жизни на нашей планете, т.е. углерод является важнейшим химическим компонентом живого вещества. Именно этот химический элемент, благодаря своей способности образовывать прочные связи между своими атомами, является основой всех органических соединений.

Индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам составляет для углерода 100 и 1000 соответственно (Ковда, 1985).

Основным резервуаром углерода в биосфере, из которого этот элемент заимствуется живыми организмами для синтеза органического вещества, является атмосфера. Углерод содержится в ней, главным образом, в форме диоксида СО₂. Небольшая доля атмосферного углерода входит в состав других газов – СО и различных углеводородов, в основном метана СН₄. Но они в кислородной атмосфере неустойчивы, и вступают в химические взаимодействия с образованием, в конечном счёте, того же СО₂.

Из атмосферы углерод усваивается автотрофными организмами-продуцентами (растениями, бактериями, цианобионтами) в процессе фотосинтеза, в результате которого, на основе взаимодействия с водой, формируются органические соединения – углеводы. Далее, в результате процессов метаболизма, с участием веществ, поступающих с водными растворами, в организмах синтезируются и более сложные органические вещества. Они не только используются для формирования растительных тканей, но также служат источником питания для организмов, занимающих очередные звенья трофической пирамиды – консументов. Таким образом, по трофическим цепям, углерод переходит в организмы различных животных.

Возвращение углерода в окружающую среду происходит двумя путями. Во-первых – в процессе дыхания. Суть процессов дыхания заключается в использовании организмами окислительных химических реакций, дающих энергию для физиологических процессов. Окисление органических соединений, для которого используется атмосферный или растворённый в воде кислород, имеет результатом разложение сложных органических соединений с образованием СО₂ и Н₂О. В итоге углерод в составе СО₂ возвращается в атмосферу, и одна ветвь круговорота замыкается.

Второй путь возвращения углерода – разложение органического вещества. В условиях биосферы процесс этот в основном протекает в кислородной среде, и конечными продуктами разложения являются те же СО₂ и Н₂О. Но большая часть углекислого газа при этом не поступает прямо в атмосферу. Углерод, высвобождающийся при разложении органического вещества, в основном остаётся в растворённой форме в почвенных, грунтовых и поверхностных водах. Или в виде растворённого углекислого газа, или же в составе растворённых карбонатных соединений – в форме ионов НСО₃^- или СО₃^2-. Он может после более или менее продолжительной миграции частично возвращаться в атмосферу, но большая или меньшая его доля всегда осаждается в виде карбонатных солей и связывается в составе литосферы.

Часть атмосферного углерода непосредственно поступает из атмосферы в гидросферу, растворяясь в воде. Главным образом, углекислый газ поглощается из атмосферы, растворяясь в водах Мирового Океана. Сюда же поступает и часть углерода, в тех или иных формах растворённого в водах суши. СО₂, растворённый в морской воде, используется морскими организмами на создание карбонатного скелета (раковины, коралловые постройки, панцири иглокожих и т.д.). Он входит в состав пластов карбонатных пород биогенного происхождения, и на более или менее продолжительное время «выпадает» из биосферного круговорота.

В бескислородных средах разложение органического вещества также идёт с формированием в качестве конечного продукта углекислого газа. Здесь окисление протекает за счёт кислорода, заимствуемого из минеральных веществ бактериями-хемосинтетиками. Но процесс в этих условиях идёт медленнее, и разложение органического вещества обычно является неполным. В результате существенная часть углерода остаётся в составе не до конца разложившегося органического вещества и накапливается в толще земной коры в битуминозных илах, торфяниках, углях.

Хранители углерода – это живая биомасса, гумус, известняки и каустобиолиты. Естественными источниками углекислого газа, кроме вулканических эксгаляций, являются процессы разложения органичесекого вещества, дыхание животных и растений, окисление органических веществ в почве и других природных средах. Техногенная углекислота составляет 20х10⁹ т, что пока намного меньше, чем естественное ее поступление в атмосферу. За миллиарды лет с момента появления жизни на Земле весь углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение всего 304 лет живые организмы усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, всего за 4 года может полностью обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за этот срок завершает свой цикл. Цикл углерода, входящего в состав гумуса почв оценивается в 300-400 лет.

Роль углерода в биосфере наглядно иллюстрируется схемой его круговорота (рис. 3.5.1).

Рис. 3.5.1. Схема биогеохимического цикла углерода

Из этой схемы наглядно видно, что растения, используя механизм фотосинтеза, выполняют функцию продуцентов кислорода и являются основными потребителями углекислого газа.

Однако, цикл биологического круговорота углерода не замкнут. Что очень важно, в том числе, и для нас. Этот элемент нередко выводится из геохимического круговорота на длительный срок в виде карбонатных пород, торфов, сапропелей, углей, гумуса. Таким образом, часть углерода всё время выпадает из биологического круговорота, связываясь в литосфере в составе различных горных пород. Почему же тогда не возникает дефицита углерода в атмосфере? Причина в том, что его потеря компенсируется постоянным поступлением СО₂ в атмосферу в результате вулканической деятельности. То есть, в атмосферу постоянно поступают глубинные углекислый газ и окись углерода. Это позволяет поддерживать баланс углерода в биосфере нашей планеты.

Хозяйственная деятельность человека интенсифицирует биологический круговорот углерода и может способствовать повышению первичной, а, следовательно, и вторичной продуктивности. Но дальнейшая интенсификация техногенных процессов и может сопровождаться повышением концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Повышение концентрации углекислоты до 0,07% резко ухудшает условия дыхания человека и животных. Расчеты показывают, что при условии сохранения современного уровня добычи и использования горючих ископаемых потребуется чуть больше 200 лет для достижения такой концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. В отдельных крупных городах эта угроза вполне реальна уже сейчас. Пути, по которым движутся химические элементы, называются биогеохимическими циклами (от слов «био» − жизнь, живые организмы и «гео» − неорганическая природа) или биогеохимическими круговоротами веществ.

Представление о биогеохимических циклах ввел в науку В.И. Вернадский, который видел в них основу организованности биосферы. Особое внимание Вернадский уделял роли живых организмов в биогеохимических круговоротах. Он сформулировал следующий закон миграции: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течении всей геологической истории».

Биогеохимические циклы являются обязательным условием устойчивости природных экосистем, обуславливая постоянство химического состава различных элементов биосферы.

Полный биогеохимический круговорот многих элементов длится сотни тысяч и миллионы лет, так как включает в себя медленные процессы разрушения горных пород, выветривания продуктов разрушения и снесения их потоками в мировой океан, образования отложений на дне океана, которые частично возвращаются на сушу с атмосферными осадками и с извлекаемыми на сушу водными организмами. Кроме того, в биогеохимический цикл входят постоянно идущие очень медленные процессы опускания морского дна и поднятия материков. Полный цикл круговорота воды составляет примерно 2 млн. лет, кислорода − 2000 лет, углекислого газа − 300 лет.

Вообще все вещества в биогеохимическом круговороте движутся по спирали, новый виток которой не повторяет полностью предыдущий. В результате этого постоянно меняется вся геологическая оболочка Земли.

В качестве примера рассмотрим биогеохимический цикл воды, на который затрачивается более трети поступающей на Землю солнечной энергии. В ходе круговорота вода переходит из жидкого в газообразное состояние и опять в жидкое в ходе процессов испарения с поверхности Земли (водоемов и почвы) и транспирации.

Транспирация − это процесс биологического испарения воды через листья растений.

Подсчитано, что в круговороте веществ на Земле участвуют более 500 тыс. км³ воды в год (500·10²⁷тонн).

Особенностью круговорота воды является то, что с поверхности океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. Количество воды, испарившейся с суши, наоборот, меньше, чем объем выпавших осадков. Эта вода поступает в экосистемы суши, а ее излишек возвращается в океан с грунтовыми водами и поверхностным стоком. Круговорот воды играет важную роль в формировании климата Земли.

В пределах единого биогеохимического круговорота какого-либо элемента можно выделить его часть, связанную с деятельностью живых организмов. Это так называемый малый или биологический круговорот этого элемента.

В основе малого круговорота лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений, входящих в состав живых клеток. Эти два взаимосвязанных процесса обеспечивают жизнь на Земле и составляют одну из ее главных особенностей. К подобным процессам в первую очередь относятся фотосинтез, хемосинтез и дыхание. В ходе малого круговорота соединения углерода, вода и питательные вещества почвы накапливаются в растениях, образуя различные органические вещества. Синтезированные вещества частично расходуются на жизненные процессы растений, а затем в процессе питания переходят к животным. Образующиеся отходы жизнедеятельности и продукты распада органических соединений разлагаются микроорганизмами до простых минеральных веществ и вновь вовлекаются в круговорот.

В составе малого круговорота можно выделить четыре основных составляющих: запасы минеральных веществ в воде и почве, продуценты, консументы, редуценты.

Продуценты создают первичное органическое вещество, продуцируя его из неорганического. К ним относятся растения и некоторые микроорганизмы.

Консументы питаются созданным продуцентами органическим веществом, но не доводят его разложение до простых минеральных компонентов. Это животные, рыбы, птицы, а также человек.

Редуценты перерабатывают отходы жизнедеятельности продуцентов и консументов, образуя замкнутый цикл органического вещества. Редуцентами являются некоторые микроорганизмы и насекомые (личинки насекомых, черви), а также грибы.

Масса вещества, входящего в состав живых организмов, составляет 0.01% от общей массы биосферы или 0,0001% от веса земной коры. Однако вещества перемещается по малому круговороту с очень большой скоростью, в сотни тысяч и миллионы раз превышающей скорость веществ в большом круговороте. Это объясняется тем, что все процессы в живых организмах ускоряются особыми биологическими катализаторами − ферментами. В каждой живой клетке имеются сотни ферментов, с помощью которых при относительно низких температурах осуществляются сложные органические превращения. Совокупность катализируемых ферментами химических реакций составляет основу обмена веществ в живых организмах.

При рассмотрении потоков вещества и энергии в биосфере необходимо учесть, что в природе химические элементы распределены неравномерно. В любой экосистеме и биосфере в целом различают резервный и обменный фонды элементов.

Резервный фонд составляет большая часть вещества, в основном не связанного с живыми организмами и находящаяся в состоянии медленного геологического круговорота. Это вещество горных пород, нижних слоев почвы, большая часть газообразных веществ в атмосфере, глубинные отложения на дне океана и т.д.

В зависимости от местонахождения основного резерва химического элемента выделяют два типа круговоротов веществ.

1) Круговороты газообразных веществ с основным резервным фондом в атмосфере (реже в гидросфере)

3) Физическое загрязнение − изменение физических параметров среды. К этому типу относятся следующие виды загрязнений.

- Тепловое − избыточное поступление тепла от антропогенных источников, приводящее к повышению температуры окружающей среды. Тепловое загрязнение наблюдается вблизи теплотрасс, промышленных предприятий, в водоемах вблизи мест сброса нагретых сточных вод. В результате теплового загрязнения от различных источников, температура воздуха в городе выше, чем в сельской местности, крупные города представляют собой «острова тепла».

- Шумовое − превышение естественного уровня звуковых колебаний в среде. На улицах крупных городов уровень шума от транспортных потоков достигает 90−100 дБ. При уровне шума свыше 90 дБ начинают деградировать органы слуха, уровень 110−120 дБ является болевым порогом, шум в 130 дБ − разрушительный предел для человеческого уха.

- Световое − нарушение естественной освещенности местности, ведущие к нарушению биологических ритмов.

- Электромагнитное − изменение электромагнитных свойств среды, наблюдается вблизи линий электропередач, радио- и телепередающих станций. Вблизи линий электропередач наблюдается высокая напряженность электрического поля (так, для ЛЭП-350 напряженность поля в точке проекции на Землю составляет 3,5−5 кВ/м, для ЛЭП-500 − 10−15 кВ/м). Электромагнитное загрязнение в помещении возникает при использовании микроволновых печей, радиотелефонов, компьютеров и других бытовых приборов. При воздействии электромагнитного излучения на живой организм наблюдается тепловое разрушение тканей, при большой интенсивности излучения − изменения в генах (нарушение наследственных свойств). С увеличением частоты излучения (уменьшением длины волны) интенсивность электромагнитного воздействия возрастает.

- Радиоактивное − превышение естественного уровня радиоактивных веществ в среде. Естественный радиационный фон обуславливается космическим излучением, природными изотопами (например, радон, содержащийся в подземных водах). Источниками радиоактивного излучения могут быть промышленные отходы, строительные материалы, естественные горные породы. За последние 50 лет практически все население Земли подвергалось облучению от радиоактивных осадков, образующихся при испытании ядерного оружия. Радиоактивное облако может обойти всю Землю за две недели и невозможно предсказать, где именно выпадет радиоактивный дождь. Продукты радиоактивного распада поступают в живые организмы и участвуют в обмене веществ, заменяя стабильные элементы. Радиоактивное загрязнение очень сильно влияет на наследственные свойства, вызывая мутации в генах, обуславливает разрушение тканей, возникновение онкологических заболеванийСреди большого количества источников загрязнения наиболее важными являются следующие.

1) Транспорт. При сгорании топлива выделяется большое количество веществ, многие из которых токсичны. Загрязнение распространяется на атмосферу, гидросферу и литосферу.

На долю транспорта приходится около 40−60 % всего загрязнения атмосферы. Большое количество загрязняющих веществ (около 200) содержится в выхлопных газах автомобилей с поршневым двигателем, работающих на бензине. Наиболее распространенными транспортными загрязнителями являются оксиды серы, углерода, азота, сажа, канцерогенные вещества. Большая часть продуктов сгорания топлива скапливается у поверхности Земли, в зоне дыхания человека.

В выбросах дизельных двигателей меньше токсичных веществ, но в 5 раз больше сажи, чем в выбросах бензиновых двигателей.

Большое количество загрязнителей выбрасывается в атмосферу при строительстве автомобильных дорог (токсичные углеводороды, пары растворителей, пыль).

В лито- и гидросферу при работе автотранспорта поступают свинец, органические вещества, другие загрязнители. Они оседают на поверхности почвы и поглощаются растениями. Так, придорожные растения накапливают большое количество свинца (поступающего из детонатора для бензина − тетраэтилсвинца). Свинец концентрируется в тканях растений и передается далее по трофической цепи, поступая в организм растительноядных животных (например, пасущихся у дороги коров), а затем в организм человека.

Еще один источник загрязнения литосферы − автомобильные шины, в процессе износа которых образуются микроскопические частицы резины. Большая часть этой резиновой пыли накапливается в придорожной полосе, где ее масса составляет около 2% от массы почвы.

Очень опасны для биосферы аварийные нефтяные выбросы. Они создают на поверхности воды пленку, не пропускающую солнечные лучи. Это приводит к гибели многих организмов и подавлению жизнедеятельности других, то есть к нарушению биологического равновесия в Мировом океане.

2) Производство энергии − следующий источник загрязнения. На его долю приходится около 25 % загрязнения атмосферы. Основное загрязнение идет от выбросов теплоэлектростанций. В атмосферу поступают оксиды серы, азота и углерода, зола, в лито- и гидросферу − соединения тяжелых металлов, шлаки, сажа.

Тепловое загрязнение, возникающее при сбросе нагретых сточных вод электростанциями, обуславливает уменьшение количества растворенного в воде кислорода и, как следствие, цветение водоемов.

Опасны также электромагнитные излучения от станций и подстанций.

3) Промышленность. Промышленные выбросы, содержащие огромное количество органических и неорганических веществ, обуславливают около 20 % загрязнения атмосферы. Токсичные вещества из промышленных выбросов могут поглощаться растениями, водными организмами и передаваться по трофической цепи, попадая в организм людей. Известны случаи массового смертельного отравления людей промышленными отходами при авариях или незапланированных выбросах. Пыль и сажа, в большом количестве образующиеся при работе промышленных предприятий, оседают в легких, изменяя их структуру.

4) Сельское хозяйство. В результате деятельности сельскохозяйственных предприятий в лито- и гидросферу выбрасываются удобрения и ядохимикаты. Эти вещества опасны для многих живых организмов, некоторые из ядохимикатов обладают канцерогенным действием.

Даже нетоксичные отходы сельского хозяйства (навоз, компост) могут отрицательно влиять на природные экосистемы. Эти отходы содержат много биогенных веществ, способствующих размножению микроорганизмов. Поэтому выбросы сельскохозяйственных стоков водоемы часть ведут к цветению и заболачиванию последних. При этом нарушаются биогеохимические циклы многих элементов.

5) Жилые дома и бытовые предприятия. Основными загрязнителями, поступающими из этих источников, являются строительный мусор, пищевые отходы, бытовой мусор. В современном городе накопление бытовых отходов составляет 250−300 кг на человека в год. Около 4 % отходов очень токсичны и представляют особую опасность для биосферы. Часть отходов являются небиоразлагаемыми и накапливаются в окружающей среде (это в первую очередь отходы пластмасс, другие синтетические вещества).

Городские свалки загрязняют почву и влияют на растительность на расстоянии до полутора километров. Загрязнения разносятся со стоком и дождевыми водами. Особенно опасны отходы, содержащие тяжелые металлы, ртуть.

Коммунально-бытовые сточные воды (из жилых домов, прачечных, столовых) содержат синтетические моющие средства (детергенты), а также болезнетворные микроорганизмы, ведущие к заражению водоемов и почвы