Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца. В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы. Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.

Чтобы описать кратко круговорот веществ в биосфере необходимо поставить несколько отправных точек. Во-первых, из более чем девяноста химических элементов, известных и встречающихся в природе, для живых организмов, необходимо около сорока. Во-вторых, количество этих веществ ограничено. В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца. Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия». Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.

Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.

И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.

Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле. Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение. Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.

Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.

Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.

Кислород

Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии. Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез. Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.

Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.

И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей. Существовавший до этого так называемый обменный фонд кислорода в атмосфере в размере 5% общего его объема, то есть вырабатывалось в процессе фотосинтеза столько кислорода, сколько его потреблялось. То теперь этого объема становиться катастрофически мало. Происходит потребление кислорода, так сказать, из неприкосновенного запаса. Оттуда, куда его уже некому добавить.

Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.

Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.

Азот

Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.

Самыми активными «переработчиками» азота или азотофиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в клетках корней бобовых и преобразовывают молекулярный азот в его соединения, пригодные для растений. После их отмирания, азотом обогащается и почва.

Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.

Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.

И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.

Углерод

Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.

В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.

Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.

Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.

Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.

Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.

Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.

В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.

Фосфор

Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.

В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.

Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.

Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.

Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.

Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.

Сера

В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии. Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO 2- 4. Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.

Местами накопления серы и ее производных в биосфере является океан и атмосфера. В атмосферу сера поступает с выделением сероводорода из воды. Кроме того, сера попадает в атмосферу в виде диоксида при сжигании на производствах и в бытовых нуждах горючего ископаемого топлива. В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки. Реки несут ионы сульфатов серы в океан.

Содержится сера также в горных породах в виде сульфидов, в газообразном виде — сероводород и сернистый газ. На дне морей имеются залежи самородной серы. Но это все «резерв».

Вода

В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.

Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.

Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.

Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс. Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды.

Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.

В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.

Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная Землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают одна другую. В результате чего повышается температура окружающей среды. Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?

Видео — Круговорот веществ в биосфере

Круговорот углерода.

Самый интенсивный биогеохимический цикл – круговорот углерода. В

природе углерод существует в двух основных формах – в карбонатах

(известняках) и углекислом газе. Содержание последнего в 50 раз больше, чем

в атмосфере. Углерод участвует в образовании углеводов, жиров, белков и

нуклеиновых кислот.

Основная масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в

кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и

участвует в большом цикле круговорота.

Основное звено большого круговорота углерода – взаимосвязь процессов

фотосинтеза и аэробного дыхания (рис. 1).

Другое звено большого цикла круговорота углерода представляет собой

анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные виды анаэробных

бактерий преобразуют органические соединения в метан и другие вещества

(например, в болотных экосистемах, на свалках отходов).

В малом цикле круговорота участвует углерод, содержащийся в

растительных тканях (около 1011 т) и тканях животных (около 109 т).

Круговорот кислорода .

В количественном отношении главной составляющей живой материи является

кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в

различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В

результате возникает множество локальных циклов, происходящих между

атмосферой, гидросферой и литосферой.

(осадочные кальциты, железные руды), имеет биогенное происхождение и должно

рассматриваться как продукт фотосинтеза. Этот процесс противоположен

процессу потребления кислорода при дыхании, который сопровождается

разрушением органических молекул, взаимодействием кислорода с водородом

(отщеплённым от субстрата) и образованием воды. В некотором отношении

круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа. В

основном он происходит между атмосферой и живыми организмами.

Потребление атмосферного кислорода и его возмещение растениями в

процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают,

что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около

двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды

гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми

организмами, необходимо два миллиона лет. Большая часть кислорода,

вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а

фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа, и её

масса составляет 5,9*1016 т. Масса кислорода, циркулирующего в биосфере в

виде газа или сульфатов, растворённых в океанических и континентальных

водах, в несколько раз меньше (0,4*1016 т).

Отметим, что, начиная с определённой концентрации, кислород очень

токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой

анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом

веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.

Круговорот азота

Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака,

образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

4NH3 + 3O2 (2N2 + 6H2O.

Круговорот азота – один из самых сложных, но одновременно самых

идеальных круговоротов. Несмотря на то что азот составляет около 80%

атмосферного воздуха, в большинстве случаев он не может быть

непосредственно использован растениями, т.к. они не усваивают газообразный

азот. Вмешательство живых существ в круговорот азота подчинено строгой

иерархии: только определённые категории организмов могут оказывать влияние

на отдельные фазы этого цикла. Газообразный азот непрерывно поступает в

атмосферу в результате работы некоторых бактерий, тогда как другие бактерии

– фиксаторы (вместе с сине-зелёными водорослями) постоянно поглощают его,

преобразуя в нитраты. Неорганическим путём нитраты образуются и в атмосфере

в результате электрических разрядов во время гроз.

Самые активные потребители азота – бактерии на корневой системе

растений семейства бобовых. Каждому виду этих растений присущи свои особые

бактерии, которые превращают азот в нитраты. В процессе биологического

цикла нитрат-ионы (NO3-) и ионы аммония (NH4+), поглощаемы растениями из

почвенной влаги, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты и т.д. Далее

образуются отходы в виде погибших организмов, являющихся объектами

жизнедеятельности других бактерий и грибов, преобразующих их в аммиак. Так

возникает новый цикл круговорота. Существуют организмы, способные

превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот. Основные звенья

круговорота азота в биосфере представлены схемой на рис. 3.

Биологическая активность организмов дополняется промышленными

способами получения азотосодержащих органических и неорганических веществ,

многие из которых применяются в качестве удобрений для повышения

продуктивности и роста растений.

Антропогенное влияние на круговорот азота определяется следующими

процессами:

1. сжигание топлива приводит к образованию оксида азота, а затем

реакциям:

2. 2NO + O2 (2NO2 ,

3. 4NO2 + 2H2O.+ O2 (4HNO3 ,

4. способствуя выпадению кислотных дождей;

5. в результате воздействия некоторых бактерий на удобрения и отходы

животноводства образуется закись азота – один из компонентов,

создающих парниковый эффект;

6. добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат-ионы и ионы аммония,

для производства минеральных удобрений;

7. при сборе урожая из почвы выносятся нитрат-ионы и ионы аммония;

8. стоки с полей, ферм и из канализаций увеличивают количество нитрат-

ионов и ионов аммония в водных экосистемах, что ускоряет рост

водорослей и других растений; при разложении последних расходуется

кислород, что в конечном счёте приводит к гибели рыб.

Круговорот фосфора

Фосфор – один из основных компонентов (главным образом в виде и

) живого вещества и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК),

клеточных мембран, аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ),

жиров, костей и зубов. Круговорот фосфора, как и других биогенных

элементов, совершается по большому и малому циклам.

Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в

литосфере. Основные источники неорганического фосфора – изверженные или

осадочные породы. В земной коре содержание фосфора не превышает 1%, что

лимитирует продуктивность экосистем. Из пород земной коры неорганический

фосфор вовлекается в циркуляцию континентальными водами. Он поглощается

растениями, которые при его участии синтезируют различные органические

соединения и таким образом включаются в трофические цепи. Затем

органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ

возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и

превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.

В экосистеме океана фосфор приносится текучими водами, что

способствует развитию фитопланктона и живых организмов.

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных

естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это

связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ.

Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот.

Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом

круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных

пород к поверхности.

Таким образом фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений

на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно

короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы

фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор – основной фактор,

лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор –

главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это – наиболее

слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.

Антропогенное влияние на круговорот фосфора состоит в следующем:

1. добыча больших количеств фосфатных руд для минеральных удобрений и

моющих средств приводит к уменьшению количества фосфора в

биотическом круговороте;

2. стоки с поле, ферм и коммунальные отходы приводят к увеличению

фосфат-ионов в водоёмах, к резкому росту водных растений и

нарушению равновесия в водных экосистемах.

Круговорот серы

Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде сероводорода,

диоксида серы и частиц сульфатных солей (рис. 5).

Около одной трети соединений серы и 99% диоксида серы – антропогенного

происхождения. В атмосфере протекают реакции, приводящие к кислотным

2SO2 + O2 (2SO3 ,

SO3 + H2O (H2SO4 .

Круговорот воды

Вода, как и воздух, - основной компонент, необходимый для жизни. В

количественном отношении это самая распространённая неорганическая

составляющая живой материи. Семена растений, в которых содержание воды не

превышает 10%, относятся к формам замедленной жизни. Такое же явление

(ангидробиоз) наблюдается у некоторых видов животных, которые при

неблагоприятных внешних условиях могут терять большую часть воды в своих

Вода в трёх агрегатных состояниях присутствует во всех составных

частях биосферы: атмосфере, гидросфере и литосфере. Если воду, находящуюся

в различных гидрогеологических формах, равномерно распределить по

соответствующим областям земного шара, то образуются слои следующей

толщины: для Мирового океана 2700 м, для ледников 100 м, для подземных вод

15 м, для поверхностных пресных вод 0,4 м, для атмосферной влаги 0,03 м.

Основную роль в циркуляции и биогеохимическом круговороте воды играет

атмосферная влага, несмотря на относительно малую толщину её слоя.

Атмосферная влага распределена по Земле неравномерно, что обуславливает

большие различия в количестве осадков в разных районах биосферы. Среднее

географической широты. Например, на Северном полюсе оно равно 2,5 мм (в

столбе воздуха с поперечным сечением 1 см2), на экваторе - 45 мм.

О механизме гидрогеологического цикла было сказано выше – в разделе

касающемся описания особенностей гидросферы. Вода, выпавшая на сушу, затем

расходуется на просачивание (или инфильтрацию), испарение и сток.

Просачивание особенно важно для наземных экосистем, так как способствует

снабжению почвы водой. В процессе инфильтрации вода поступает в водоносные

горизонты и подземные реки. Испарение с поверхности почвы также играет

важную роль в водном режиме местности, но более значительное количество

воды выделяют сами растения своей листвой. Причём количество воды,

выделяемое растениями, тем больше, чем лучше они ею снабжаются. Растения,

производящие одну тонну растительной массы, поглощают как минимум 100 т

Главную роль в круговороте воды на континентах играет суммарное

испарение (деревья и почва).

Последняя составляющая круговорота воды на суше – сток. Поверхностный

сток и ресурсы подземных водоносных слоёв обеспечивают питание водных

потоков. Вместе с тем при уменьшении плотности растительного покрова сток

становится основной причиной эрозии почвы.

Как уже отмечалось, вода участвует и в биологическом цикле, являясь

источником кислорода и водорода. Однако фотолиз её при фотосинтезе не

играет существенной роли в процессе круговорота.

Биогеохимические круговороты

В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом,

превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в

биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним

элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам.

Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод,

водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате

фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из

атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в

неё другими бактериями.

Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт

саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части

экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего

бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза,

так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы,

например, азот.

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в

биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило увеличения

замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии. В процессе

эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании

биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический

круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном

направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом

проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере

на сегодняшний день.

Когда 2 млрд. лет тому назад на Земле появилась жизнь, атмосфера

состояла из вулканических газов. В ней было много углекислого газа и мало

кислорода (если вообще был), и первые организмы были анаэробными. Так как

продукция в среднем превосходила дыхание, за геологическое время в

атмосфере накапливался кислород и уменьшалось содержание углекислого газа.

сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения поглотительной

способности «зелёного пояса». Последнее является результатом уменьшения

количества самих зелёных растений, а также связано с тем, что пыль и

загрязняющие частицы в атмосфере отражают поступающие в атмосферу лучи.

В результате антропогенной деятельности степень замкнутости

биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для

различных элементов и веществ она не одинакова), но тем не менее не

абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы.

Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости

биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах –

наиболее древних и консервативных).

Таким образом, следует говорить не об изменении человеком того, что не

должно меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление

изменений и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования

природы. Последнее формулируется следующим образом: в ходе эксплуатации

природных систем нельзя превышать некоторые пределы, позволяющие этим

системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры как в сторону

увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным

результатам. Например, избыток вносимых удобрений столь же вреден, сколь и

недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что

в биосфере ему всё позволено.

Надежды на преодоление экологических трудностей связывают, в

частности, с разработкой и введением в эксплуатацию замкнутых

технологических циклов. Создаваемые человеком циклы превращения материалов

считается желательным устраивать так, чтобы они были подобны естественным

циклам круговорота веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы

обеспечения человечества невосполнимыми ресурсами и проблема охраны

природной среды от загрязнения, поскольку ныне только 1 – 2% веса природных

ресурсов утилизируется в конечном продукте.

Теоретически замкнутые циклы превращения вещества возможны. Однако

полная и окончательная перестройка индустрии по принципу круговорота

вещества в природе не реальна. Хотя бы временное нарушение замкнутости

технологического цикла практически неизбежно, например, при создании

синтетического материала с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое

вещество вначале всесторонне апробируется на практике, и только потом могут

быть разработаны способы его разложения с целью внедрения составных частей

в природные круговороты.

Похожая информация.

Азот и его соединения играют в жизни биосферы важную и незаменимую роль. Основным резервуаром азота в биосфере также является воздушная оболочка. Около 80% всех запасов азота сосредоточено в атмосфере планеты, что связано с направлением биогеохимических потоков соединений азота, образующихся при денитрификации. Основной формой, в которой содержится азот в атмосфере, является молекулярная - N2.

Биогеохимический цикл азота хорошо изучен в различных экосистемах. Основные процессы цикла следующие:

• * Фиксация - трансформация атмосферного N2 в органический N;
• * Минерализация - превращение органического N в неорганический;
• * Нитрификация - окисление NН4+ в нитрит NО2- и нитрат NО3 -;
• * Денитрификация - трансформация неорганического N в атмосферный N2О и N2;
• * Ассимиляция - превращение неорганического N в органический.

Первичный азот в атмосфере, вероятно, появился в результате процессов дегазации верхней мантии и из вулканических выделений. Фотохимические реакции в высоких слоях атмосферы приводят к образованию соединений азота и заметному поступлению их на сушу и в океан с атмосферными осадками (3-8 кг/га аммонийного азота в год и 1,5-6 кг/га нитратного). Этот азот также включается в общий биогеохимический поток растворенных соединений, мигрирующих с водными массами, участвует в почвообразовательных процессах и в формировании биомассы растений. (Рис. 1)

Рис.

Атмосферный азот не может напрямую использоваться высшими растениями. Поэтому ключевую роль в биологическом круговороте азота играют организмы-фиксаторы. Это микроорганизмы нескольких различных групп, обладающие способностью путём прямой фиксации непосредственно извлекать азот из атмосферы и, в конечном счёте, связывать его в почве. К ним относятся:

• - некоторые свободноживущие почвенные бактерии;
• - Симбионтные клубеньковые бактерии (существующие в симбиозе с бобовыми);
• - цианобионты, которые также бывают симбионтами грибов, мхов, папоротников, а иногда и высших растений. В результате деятельности организмов - фиксаторов азота он связывается в почвах в нитритной форме (соединения на основе NH3).

Нитритные соединения азота способны мигрировать в водных растворах. При этом они окисляются и преобразуются в нитратные - соли азотной кислоты HNO3. В этой форме азотные соединения способны эффективно усваиваться высшими растениями и использоваться для синтеза белковых молекул на основе пептидных связей C-N. Далее, по трофическим цепям, азот попадает в организмы животных. В окружающую среду (в водные растворы и в почву) он возвращается в процессах выделительной деятельности животных или разложения органического вещества.

Возврат свободного азота в атмосферу, как и его извлечение, осуществляется в результате микробиологических процессов. Это звено круговорота функционирует благодаря деятельности почвенных бактерий-денитрификаторов, вновь переводящих азот в молекулярную форму. (Рис. 1)

В литосфере, в составе осадочных отложений, связывается весьма небольшая часть азота. Причина этого в том, что минеральные соединения азота, в отличие от карбонатов, очень хорошо растворимы. Выпадение некоторой доли азота из биологического круговорота также компенсируется вулканическими процессами. Благодаря вулканической деятельности в атмосферу поступают различные газообразные соединения азота, который в условиях географической оболочки Земли неизбежно переходит в свободную молекулярную форму.

Антропогенное влияние на биогеохимические циклы

Антропогенные воздействия приводят к нарушению практически всех природных биогеохимических циклов. По данным ученых ежегодно в мире в результате деятельности человека в атмосферу поступает 25,5 млрд. т оксидов углерода, 190 млн. т оксидов серы, 65 млн. т оксидов азота, 1,4 млн. т фреонов, органические соединения свинца, углеводороды, в том числе канцерогенные, большое количество твердых частиц (пыль, копоть, сажа). Кислотные дожди, вызываемые главным образом диоксидом серы и оксидами азота, наносят огромный вред лесным биоценозам. От них страдают леса, особенно хвойные. Все это ведет к глобальному экологическому кризису и требует незамедлительного перехода к рациональному природопользованию.

Обобщающие вывод: Антропогенные воздействия приводят к нарушению практически всех природных биогеохимических циклов. Все это ведет к глобальному экологическому кризису и требует незамедлительного перехода к рациональному природопользованию. (источник - учебник для вузов «Экология», авт. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П., глава 6.3.1.3. (с. 167-170)).

Азот составляет почти 78% массы атмосферы. Основная его часть образует молекулы N 2 из двух атомов Большинство организмов не способно использовать этот азот из-за прочной связи атомов. Для них необходим азот в таких химических формах, как аммиак, ионы аммония, нитрат- и нитрит-ионы, которые участвуют в химических реакциях с кислородом. Поэтому для данного биогеохимического цикла важен связанный азот.

Природный биогеохимический цикл азота показан на рис.16. Суммарный поток азота в биосферу составляет порядка 14·10 10 т/г. Главный поставщик связанного азота – азотфиксирующие бактерии. Наиболее известные из них находятся в клубеньках бобовых растений. На их деятельности основан традиционный метод повышения плодородия. На поле выращивают бобовые культуры, потом их запахивают, накопленный в клубеньках азот переходит почву. На следующий год поле засевают другими культурами, которые используют этот азот. Некоторое количество азота связываться во время грозы. Электрический разряд нагревает воздух до температуры, при которой образуются различные оксиды азота. Как и в случае с углеродом, определенное количество соединений азота поступает из недр Земли.

Обратный процесс – восстановление нитрат-ионов выполняет цепочка бактерий:

· аммонифицирующие бактерии разлагают азотистые органические соединения, образуя аммиак (NH 3) или ионы аммония (NH 4 +);

· бактерии нитрификаторы окисляют аммиак в азотистую кислоту – NO 2 – . (нитриты);

· нитратные бактерии переводят азотистую кислоту в азотную кислоту – NO 3 – (нитраты) и цикл начинается снова.

Рис. 15. Биогеохимический круговорот азота

Антропогенный поток азота в биосферу примерно равен природному. Наибольший вклад дает применение азотных удобрений (8·10 10 т/г). Последствием может быть увеличению содержания в продуктах нитритов, нитратов и нитрозаминов с широким спектром токсического действия.

Источником оксидов азота (2·10 10 т/г) являются многие металлургические процессы, транспорт и сжигание топлива при производстве тепла и электроэнергии. Оксиды азота участвуют в образовании кислотных дождей и фотохимического смога.

Экосистемы усваивают определенное количество азота. Его избыток вымывается и накапливается в водоемах. Процесс увеличения в воде биогенных элементов (не только соединений азота) называется эвтрофикацией. Ее основные причины – сброс в водоемы промышленных и коммунальных сточных вод, химизация сельского хозяйства и концентрация животноводства. В настоящее время это явление охватило 90% всех озер мира. Процесс вызывает подчас необратимые нарушения водных экосистем и ухудшает качество вод (см. раздел 6.2.3.). Основные меры снижения эвтрофикации: очистка стоков и контроль за использование удобрений.

Целостность природных экосистем особенно отчетливо проявляется при рассмотрении циркулирующих в них потоков вещества. На всем значительном протяжении пути вещества и энергии в сообществах совпадают. Однако по своей сути энергия не может передаваться по замкнутому кругу. Она доступна для живых организмов в форме солнечной радиации, которая может быть связана в процессе фотосинтеза. Расходуясь затем в виде химической энергии, она теряется, превращаясь в бесполезное тепло. Вещество же может передаваться по замкнутым циклам, многократно циркулируя между организмами и окружающей средой. Круговые движения химических элементов (то есть веществ) называются биогеохимическими циклами (био относится к живым организмам, а гео – к почве, воздуху, воде на земной поверхности).

Необходимые для жизни элементы и растворенные соли условно называют биогенными элементами (дающими жизнь), или питательными веществами. Среди биогенных элементов различают две группы: макротрофные вещества и микротрофные вещества.

Первые охватывают элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Сюда относятся: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера.

Вторые включают в себя элементы и их соединения, также необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами. Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Хотя микротрофные элементы необходимы для организмов в малых количествах, их недостаток может сильно ограничивать продуктивность, так же как и нехватка биогенных элементов.

Циркуляция биогенных элементов сопровождается обычно их химическими превращениями. Нитратный азот, например, может превращаться в белковый, затем переходить в мочевину, превращаться в аммиак и вновь синтезироваться в нитратную форму под влиянием микроорганизмов. В процессах денитрификации и фиксации азота принимают участие различные механизмы, как биологические, так и химические.

В отличие от энергии биогенные элементы могут использоваться неоднократно: круговорот – их характерная черта. Другое отличие от энергии состоит в том, что запасы биогенных элементов непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой биомассы снижает количество, остающееся в среде экосистемы. И если бы растения и другие организмы в конечном счете не разлагались бы, запас биогенов исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась. Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофов, и в первую очередь организмов, функционирующих в детритных цепях, - решающий фактор сохранения круговорота биогенных элементов и образования продукции.

Рассмотрим небольшой пример, дающий представление о роли одного из биогенных элементов – фосфора . Соединения фосфора в организмах подобны резервуарам, в которых накапливается необходимая для жизнедеятельности энергия (наподобие аккумулятора автомобиля).

С точки зрения биологической потребности фосфор является весьма дефицитным элементом. Организмы выработали много приспособлений для улавливания этого элемента, поэтому концентрация фосфора в биомассе обычно во много раз превышает его концентрацию в окружающей среде (в том числе в воде).

По типу питания моллюски относятся к фильтраторам. Они засасывают и фильтруют воду, извлекая оттуда мелкие организмы и детрит. В результате тока воды, создаваемого этой фильтрацией, большое количество детритных частиц, богатых фосфором и другими элементами, удерживается в мелководной зоне прилива. Удалось подсчитать, что круговорот частиц, содержащих фосфор, происходит всего за 2,6 суток. Но за это время моллюски извлекали такое количество фосфора, которое равно среднему его содержанию во всех взвешенных частицах.

Таким образом, хотя моллюски являются второстепенным компонентом прибрежного сообщества(по биомассе и потоку энергии), они оказывают очень большое влияние на круговорот и удержание ценного фосфора.

Наибольшее значение для различных экосистем имеют три газа, входящих в состав атмосферы: кислород, углекислый газ и азот.

Эти газы участвуют в основных биогеохимических циклах.

Кислород играет важнейшую роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. Он необходим всем для дыхания. Под действием ультрафиолетовых лучей он превращался в озон. По мере накопления озона произошло образование озонового слоя в верхних слоях атмосферы. Озоновый слой, как экран, надежно защищает поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации, гибельной для живых организмов. Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним вступает в реакцию большое количество органических и неорганических веществ, а также водород, соединяясь с которым кислород образует воду.

Углекислый газ (диоксид углерода) используется в процессе фотосинтеза для образования органических веществ. Именно благодаря этому процессу замыкается круговорот углерода в биосфере. Как и кислород, углерод входит в состав почв, растений, животных, участвует в многообраз-ных механизмах круговорота веществ в природе.

Азот - незаменимый биогенный элемент, поскольку он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Атмосфера - неисчерпаемый резервуар азота, однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот: он должен быть предварительно связан в виде химических соединений.

Частично азот поступает из атмосферы в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время гроз. Однако основная часть азота поступает в воду и почву в результате его биологической фиксации. Существует несколько видов бактерий и сине-зеленых водорослей (к счастью, весьма многочисленных), которые способны фиксировать азот атмосферы. В результате их деятельности, а также благодаря разложению органических остатков в почве растения-автотрофы получают возможность усваивать необходимый азот. Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода.