Біогеохімічні цикли. Кругообіг хімічних елементів у біосфері

 

За рахунок процесів міґрації хімічних елементів усі геосфери Землі зв'язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, дістав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер. Тривалість його існування — близько 4 млрд років. Потужність великого (геологічного) кругообігу речовин в атмосфері, гідросфері та літосфері оцінюється в 2×10¹⁶ тонн/рік.

Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міґрації хімічних елементів — біогенної. За рахунок біологічної міґрації на великий кругообіг наклався малий (біогенний) кругообіг речовин. У малому біологічному кругообігу переміщуються в основному вуглець (10¹¹ тонну рік), кисень (2×10¹¹ тонн у рік), азот (2×10¹¹ тонн у рік) та фосфор (10⁸ тонн у рік).

Зараз обидва кругообіги протікають одночасно, тісно пов'язані між собою. Завдяки взаємодії різних груп живих організмів між собою та з навколишнім середовищем в екосистемах виникає певна та характерна кожному виду екосистем структура біомаси, створюється своєрідний тип потоку енергії та специфічні закономірності її передачі від однієї групи організмів до іншої, формуються трофічні ланцюги, що визначають послідовність переходу органічних речовин від одних груп живих організмів до інших.

Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин і приводять до виникнення біогеохімічних циклів. Пріоритетні дослідження біогеохімічних циклів були розпочаті В.І. Вернадським ще на початку 20-х років XX ст.

Біогеохімічний цикл можна визначити як циклічне, поетапне перетворення речовин та зміну потоків енергії з просторовим масоперенесенням, яке здійснюється за рахунок сумісної дії біотичної та абіотичної трансформації речовин. Біогеохімічні цикли становлять собою циклічні переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію та ін. Від одного компоненту біосфери до інших. На певних етапах цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.

Рушійною силою всіх речовин в біогеохімічних циклах є потік сонячної енергії або частково енергії геологічних процесів Землі. Витрати енергії необхідні і для переміщення речовин у біогеохімічних циклах, і для подолання біогеохімічних бар'єрів. Такими бар'єрами на різних рівнях виступають мембрани клітин, самі особини рослин і тварин та інші матеріальні структури. Переміщення речовин у біогеохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів. Головними оціночними параметрами ефективності та напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад та активне функціонування живих організмів.

Просторове переміщення речовин у межах геосфер, або, інакше кажучи, їхня міграція поділяється на п'ять основних типів:

1. Механічне перенесення (йде без зміни хімічного складу речовин).

2. Водне (міґрація здійснюється за рахунок розчинення речовин та їх наступного переміщення у формі іонів або колоїдів). Це один із найважливіших видів переміщення речовин у біосфери

3. Повітряне (перенесення речовин у формі газів, пилу або аерозолів із потоками повітря),

4. Біогенне (перенесення здійснюється за активної участі живих організмів).

5. Техногенне, що проявляється як результат господарської діяльності людини.

Інтенсивність кругообігу речовин в будь-якому біогеохімічному циклі є найважливішою характеристикою. Оцінки такої інтенсивності зробити непросто. Одним із найдоступніших індексів інтенсивності біологічного кругообігу речовин може слугувати співвідношення маси підстилки та іншого органічного опаду, який є в будь-якому біомі, та маси опаду, що утворюється за один рік. Чим більше цей індекс, тим, очевидно, нижче інтенсивність біологічного кругообігу. Реальні оцінки показують, що в тундрі значення цього індексу максимальні й, отже, тут мінімальна інтенсивність біогеохімічних циклів. У зоні тайги інтенсивність біологічного кругообігу зростає, а в зоні широколистих лісів стає ще більшою. Найбільша швидкість кругообігу речовин реєструється в тропічних та субтропічних біомах: саванах та вологих тропічних лісах. В аґроекосистемах біогеохімічний кругообіг йде інтенсивно, але якісні його параметри вже інші.

Живі організми біосфери ініціюють та реалізують велику кількість широкомасштабних фізико-хімічних процесів. Метаболізм живих організмів супроводжується серйозними змінами газового складу атмосфери. З атмосфери вилучаються або, навпаки, надходять до неї кисень, вуглекислий газ, азот, аміак, метан, водяна пара та багато інших речовин. Під впливом накопичення в атмосфері вільного кисню, який є продуктом життєдіяльності зелених рослин, на Землі почали переважати окислювальні процеси, які відіграють важливу роль в абіогенному та біогенному перетвореннях вуглецю, заліза, міді, азоту, фосфору, сірки та багатьох інших елементів. У той же час на планеті збереглися і відновні процеси, які здійснюють анаеробні організми. Результатом цих планетарних процесів є утворення таких суто біогенних покладів, як осадкові гірські породи: вапняки, фосфати, силікати, кам'яне вугілля та ін. Всі вони — результат життєдіяльності живих організмів.

Аналізуючи біогеохімічні цикли, В.І. Вернадський виявив концентраційну функцію живої речовини. За рахунок реалізації цієї функції жива речовина вибірково поглинає з навколишнього середовища хімічні елементи. Якщо наша планета в цілому сформована зі сполук із заліза, нікелю, магнію, сірки, кисню в першу чергу, то за рахунок вибіркового поглинання та концентраційної функції склад біомаси зовсім інший. Вона утворена з вуглецю, водню при порівняно малій участі інших елементів (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Співвідношення хімічних елементів на Земній кулі та в живих організмах. (Частка елементів, виражена у відсотках)

Хімічні елементи, що беруть переважну участь у побудові живої речовини та необхідні для його синтезу, дістали назву біогенних. Концентраційна функція тварин та рослин по-різному реалізується щодо різних їхніх видів. Принцип циклічності в перетвореннях та переміщенні речовин в біосфері є основоположним. Збереження циклічності — це умова існування біосфери. Введення в біосферу однонаправлених процесів, які здійснює людина при конструюванні техносфери та аґросфери, виявляється для біосфери згубним та найбільш небезпечним. Для біосфери характерна висока замкненість біогеохімічних циклів. Втрати речовин у них складають не більше 3—б%. Однак усі біогеохімічні цикли дають деяку кількість "відходів". Такі природні відходи для біосфери не шкідливі. Вони є накопиченням у певній мірі інертних речовин, що акумулюються в атмосфері, або тих, що надходять у літосферу у вигляді осадкових порід. Більше того, відходи окремих біогеохімічних циклів є умовою виникнення та підтримки існування багатьох груп живих організмів. Так, біогенне походження має весь кисень атмосфери, що виникає як "відход" фотосинтетичного процесу. За рахунок відходів біогеохімічного циклу вуглецю в земній корі накопичилися великі запаси вуглецевміщувальних геологічних покладів: кам'яного вугілля, нафти, вапняків. Загальна кількість їх сягає 10¹⁶—10¹⁷ тонн. Біогеохімічні цикли еволюціонують разом з еволюцією біосфери. Реалізація окремих біогеохімічних циклів та накопичення відходів є основою виникнення біогеохімічних циклів нового типу або ускладнення вже існуючих. Так, накопичення в атмосфері вільного кисню створило передумову виникнення великої групи організмів, які використовують вільний кисень для дихання. Процеси хімічного біогенного окислення стали складовою частиною біогеохімічних циклів.

Центральне місце в біосфері посідають біогеохімічні цикли: вуглецю, води, азоту та фосфору. Ці цикли найбільшою мірою зазнали трансформації при формуванні техносфери та аґросфери, і вивчення їх стало важливим завданням екології.

Біогеохімічний цикл вуглецю базується на атмосферному депо, яке утримує його в кількості, приблизно рівній 700 млрд тонн у формі вуглекислого газу (рис. 7.5). Цей цикл ініціюється фотосинтезом і диханням. Обидва процеси йдуть так інтенсивно, що у рослин і тварин на долю вуглецю припадає до 40 — 50% загальної маси. Залишки відмерлих рослин і тварин сприяють утворенню гумусу. Аналогічно утворюється й торф. У цих двох формах вміщується до 99% вуглецю нашої планети. Швидкість кругообігу вуглецю обчислюється в середньому від 300 до 1000 років.

Утворення техносфери суттєво змінило цей цикл. Зараз антропогенне надходження вуглекислого газу в атмосферу зросло більше природного на 6—-10%. Це пов'язано головним чином з вирубуванням лісів та заміною їх менш продуктивними аґроценозами.

Певний внесок робить і промисловість та всі виробництва, які пов'язані зі спалюванням палива.

Біогеохімічний цикл азоту. Це один із найбільш швидких кругообігів речовин (рис. 7.6). Реалізується він в основному за рахунок діяльності різних груп живих організмів і, в першу чергу, при активній участі мікробів. Основним депо азоту є газоподібний азот атмосфери. Його зв'язування здійснюється вільно існуючими азотофіксаторами (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органічні речовини, які вміщують зв'язаний азот, мінералізуються за рахунок амоніфікації та нітрофікації, що робить доступним для вищих рослин нітратний та амонійний азот. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 100—170 мг/м² на рік до 1—20 г/м² на рік. Це відповідає приблизно 126 млн тонн азоту в рік. В антропогенну епоху на кругообіг азоту великий вплив має виробництво синтетичних азотних добрив. Воно полягає у зв'язуванні азоту повітря та поетапного його перетворення спочатку в аміак, потім в азотну кислоту, необхідну для отримання нітратів. Цей процес став широкомасштабним та залучив у біогеохімічний цикл азоту з атмосферного депо велику його кількість. Введення антропогенного азоту в його біогеохімічний цикл дорівнює 6,4×10⁷ тонн азоту в рік.

З усіх синтетичних мінеральних добрив азотні добрива вимагають найбільш енергетичних витрат при їх виробництві і тому є найдорожчими. Однак у сільському господарстві не розроблені технології безвідходного застосування азотних добрив. Нітрати не цілком використовуються культурними рослинами і суттєво забруднюють ґрунтові води та водойми. Проблема нітратного забруднення навколишнього середовища в наш час стала однією з найбільш актуальних.

Біогеохімічний цикл фосфору. Цей цикл має найбільш простий характер (рис. 7.7). Основний запас фосфору зосереджений на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивітрюванні утворюються фосфати, які використовуються рослинами для побудови органічних речовин свого тіла. Після відмирання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми-редуценти. Втрати фосфору з біогеохімічного циклу пов'язані в основному з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано.

Фосфорні добрива виробляють в основному з гірських порід. Таке переведення фосфору з депо в активну частину біогеохімічного циклу так само, як у випадку з азотом, має негативні наслідки. Не використаний культурними рослинами фосфор у результаті ерозії надходить до водойм, що призводить до евтрофікації.

Особливістю природних екосистем є повторне використання біогенних речовин. Хоча в біогеохімічних циклах деякі з таких елементів і губляться, надходячи в депо, і робляться недоступними для рослин, у природних екосистемах масштаб цих процесів незначний.