7. Биохимические циклы кислорода

Кислород - самый распространенный элемент земной коры: его кларк равен 47 [9, с. 196]. Основная масса кислорода на периферии Земли находится в кристаллическом силикатном веществе земной коры. Еще выше концентрация кислорода в мировом океане – 85,7 %, а в живом веществе – 70 %. Для биосферы исключительно важное значение имеет свободный молекулярный кислород, аккумулированный в атмосфере и растворенный в гидросфере. Будучи продуктом процессов жизни, кислород в то же время служит одним из основных условий существования ее главных форм и определяет самые важные реакции в биосфере.

Образование свободного кислорода связано со световой энергией Солнца и поэтому может осуществляться только на поверхности Земли либо абиогенно, путем фотолиза паров воды, либо путем биологического фотосинтеза. Исходным «сырьем» для образования кислорода посредством реакций фотолиза и фотосинтеза служит вода. Связывание 1 г углерода в органическое вещество при реакции фотосинтеза сопровождается выделением 2,7 г кислорода в результате расщепления молекулы воды.

Эволюция процессов на Земном шаре сопровождается увеличением содержания кислорода. Наличие органического вещества установлено в древних осадочных отложениях, возраст которых исчисляется в 3,8 млрд. лет. Следовательно, выделение кислорода в процессе фотосинтеза продолжается миллиарды лет. В настоящее время количество кислорода в атмосфере равно 1,185∙10¹⁵ т. При годовом выделении кислорода (280-300)10⁹ т указанное количество может быть удвоено примерно за 4000 лет. Но этого не происходит, так как на протяжении года разными путями разлагается такое количество органического вещества, которое почти равно образованному при фотосинтезе, и при этом поглощается почти весь выделившийся кислород. Тем не менее, благодаря сохранению части органического вещества, свободный кислород постепенно накапливается в атмосфере.

Второй миграционный цикл свободного кислорода связан с массообменном в системе тропосферы – природные воды. В 1 л воды растворено от 2 до 8 см³ О₂. Следовательно, в воде океана находится от 310⁹ до 1010⁹ м³ растворенного кислорода. Холодная вода высоких широт поглощает кислород; поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она выделяет О₂. Поглощение и выделение кислорода происходят также при смене теплых и холодных сезонов года. По подсчетам А. П. Виноградова (1967), в годовой массобмен между атмосферой и океаном вовлекается около 0,5 % атмосферного кислорода, т. е. 590010⁹ т. Это почти в 20 раз больше биогенного продуцирования кислорода.

В биохимическом круговороте можно выделить потоки кислорода, четко выраженные между отдельными компонентами биосферы (рис. 33).

Кислород расходуется в громадном количестве окислительных реакций, большинство из которых имеют биохимическую природу. В этих реакциях высвобождается энергия, поглощенная в ходе фотосинтеза. В почвах, илах, водоносных горизонтах развиваются микроорганизмы, использующие кислород для окисления органических соединений. Запасы кислорода на планете огромны. Он входит в состав кристаллических решеток минералов и высвобождается из них живым веществом.

Таким образом, общая схема круговорота кислорода в биосфере складывается из двух основных ветвей:

- образование свободного кислорода при фотосинтезе;

- поглощение кислорода в окислительных реакциях.

Согласно расчетам Дж. Уолкера (1980), основные составляющие глобального годового цикла кислорода следующие:

- выделение растительностью мировой суши - 15010¹⁵ т;

- выделение фотосинтезирующими организмами океана – 120∙10¹⁵ т ;

- поглощение процессами аэробного дыхания – 210∙10¹⁵ т;

- биологическая нитрификация и др. процессы - 7010¹⁵ т.

Сейчас свободный кислород образуется со скоростью 1,5510⁹ т/год, а расходуется его 2,1610¹⁰ т/год, т. е. больше чем на порядок по сравнению с его приходом. Это обстоятельство свидетельствует о нарушении экологического компонента в биосфере в результате антропогенного воздействия.

Рис. 33. Круговорот кислорода в природе

Выделите негативные стороны цивилизации в изменении содержания свободного кислорода…

[1] химические соединения, сброшенные предприятиями в природные воды, связывают растворенный в воде кислород, нарушая природные потоки этого элемента;

[2] загрязнение почв, вырубка лесов, опустынивание земель уменьшают обмен кислородом и углекислым газом между атмосферой и сушей; огромное количество О₂ расходуется при сжигании топлива;

[3] в наше время фотосинтез и дыхание в природных условиях с большой точностью уравновешивают друг друга; в связи с этим накопление кислорода в атмосфере не происходит, а его содержание (20,946 %) остается постоянным (без учета деятельности человека);

[4] ситуация расценивается как проблемная, которая без вмешательства в антропогенные явления может перерасти в экологически конфликтную ситуацию, как общественно неоправданную или опасную ситуацию, вызванную ухудшением среды жизни человека.