Болятко Основы екологии и охраны окружаюсчей 2008

Рис. 2.5. Круговорот углерода в биосфере. Запасы в миллиардах тонн, потоки в миллиардах тонн в год (данные на конец XX в.)

Содержание углерода в атмосфере Земли по массе составляет 0,046% в форме диоксида углерода и 1,0∙10-4% в форме метана. Эти соединения в соответствии с Киотским протоколом являются первым и вторым по значимости парниковыми газами. При этом диоксид углерода относится к малым радиационноактивным составляющим атмосферы, формирующим за счет парникового эффекта ее температурный режим.

61

Биосферный цикл углерода связан с кислородным циклом и разделяется на два круговорота – наземный и морской (рис. 2.5).

В земной коре содержится 0,35% углерода, а в живом веществе около 18%. С углеродом связан процесс возникновения и развития биосферы, он обусловливает разнообразие и сложность строения веществ, так как этот элемент способен соединяться с большинством из элементов самыми разнообразными способами.

Через поверхность океана оба круговорота объединяются благодаря растворимости диоксида углерода в воде. Диоксид углерода и углекислота, находящиеся в атмосфере или в растворенном состоянии в воде, служат сырьем для фотосинтеза растений и переработки углерода в органическое вещество живых существ. Углерод в природе находится, в основном, в двух формах: диоксид углерода и карбонаты (CaCO3, BaCО3 и др.). И хотя содержание углерода в виде диоксида значительно меньше, чем в карбонатной форме, но CO2 является быстро мигрирующей формой, вовлеченной в процесс фотосинтеза и дыхания.

За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение 3 – 5 лет растения потребляют столько углерода, сколько его содержится в атмосфере.

Основная масса углерода биосферы аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана, торфа и гумуса. Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом

круговороте. Цикл оборота углерода в почвах охватывает 300 –

500 лет.

2.3.2.Круговорот кислорода

Кислород – самый распространенный элемент земной коры (содержание 47%), а его содержание в мировом океане составляет 85,6%. В живом веществе его содержится более 70%, и он составляет основу живой материи. Источником свободного кислорода является фотосинтез, поэтому баланс кислорода непосредственно связан с круговоротом углерода. Из-за высокой химической активности кислород играет исключительно важную роль в земной коре.

62

Эволюция процессов на Земном шаре сопровождается увеличением содержания кислорода. Признаки деятельности фотосинтезирующих организмов обнаружены в древних осадочных отложениях возрастом около 3,6 млрд лет. В настоящее время атмосфера Земли на 21% состоит из свободного кислорода (более 1015 т), который является продуктом фотосинтеза цианобактерий, водорослей и высших растений. Накопление кислорода в атмосфере - результат непрерывного ухода из биологического круговорота органического углерода.

Второй миграционный цикл свободного кислорода связан с массообменном в системе природные воды – тропосфера. В мировом океане холодная вода высоких широт поглощает кислород, а поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она его выделяет. В газовый оборот между тропосферой и океаном вовлекается около 1010 т кислорода.

Кислород расходуется в разнообразных окислительных реакциях, в которых высвобождается энергия, поглощенная в ходе фотосинтеза. В почвах, илах, водоносных горизонтах развиваются микроорганизмы, использующие кислород для окисления органических соединений. Кислород 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 кислорода при фотосинтезе;

поглощение кислорода в окислительных реакциях. Помимо участия в разнообразных химических процессах в

биосфере, кислород играет важнейшую роль в образовании озонового слоя, защищающего живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения.

2.3.3.Круговорот азота

Азот и его соединения играют в жизни биосферы, в формировании почвенного покрова и плодородия экосистемы такую же важную роль, как и углерод.

Общая направленность биогеохимического круговорота азота на планете – аккумуляция в молекулярной форме в атмосфере,

которая на 78% состоит из молекул N2. Начальное появление азота в

63

атмосфере, вероятно, было связано с дегазацией верхней мантии, магмы и вулканическими выделениями.

В атмосфере планеты сосредоточена большая часть запасов молекулярного азота, что связано с направлением биогеохимических потоков соединений азота, образующихся при денитрификации. Соединения азота образуются в атмосфере в основном за счет биологической фиксации в результате деятельности азотфиксирующих бактерий. Кроме того, часть азота фиксируется в результате электрических и фотохимических реакций, вулканической деятельности и поступает на сушу и в океан с атмосферными осадками.

Рис. 2.6. Схема цикла азота в сухопутных системах, где микориза – симбиоз гриба с корнем высшего растения

64

Этот азот включается в общий биогеохимический поток растворенных соединений, мигрирующих с водными массами, участвует в почвообразовательных процессах и формировании биомассы растений. В результате биосфера содержит большое количество азота в связанном виде: в органическом веществе почвенного покрова (более 1011 т), а также в биомассе растений и животных.

Большинство живых организмов нуждается в получении азота в химически связанном состоянии, что обеспечивают азотфиксирующие бактерии, усваивающие молекулярный азот. На рис. 2.6 приведена схема круговорота азота в сухопутных системах.

Вместе с тем, вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и аммония, азота в почве почти всегда недостаточно для питания растений. Поэтому большое количество азота вносится человеком в почву в виде минеральных удобрений. Это, в свою очередь, приводит к загрязнению окружающей среды и заболеваниям человека и животных.

2.3.4.Круговорот фосфора и серы

Фосфор и сера играют важную роль в круговороте веществ биосферы. Круговорот фосфора сильно отличается от биогеохимических циклов углерода, кислорода и азота, так как газовая форма соединений фосфора практически не участвует в биогеохимическом цикле. Этот круговорот входит в общий осадочный цикл, циркуляция в котором поддерживается путем образования осадков, эрозии, вулканической деятельности, а также биологического переноса.

Фосфор совершает кругооборот в наземных экосистемах в качестве важной и необходимой составной части живых клеток. Как и в других биогеохимических циклах, после усвоения неорганического фосфата растениями он переходит в органические соединения и по цепям питания попадает к организмам более высоких трофических уровней. Биоредуценты минерализуют органические соединения фосфора из отмерших организмов в фосфаты, которые вновь потребляют корни растений и клетки водорослей.

Резервуаром фосфора в отличие от азота служит не атмосфера, а изверженные (апатиты) или осадочные (фосфориты)

65

горные породы. В процессе разрушения горных пород огромные запасы фосфора, накопившиеся за геологические эпохи, передаются наземным экосистемам.

Фосфаты в большом количестве оказываются вовлеченными

вкруговорот воды, когда происходит их выщелачивание водой и вынос в моря и океаны. Необходимо отметить, что дефицит фосфора

довольно скоро может стать актуальной проблемой для сельского хозяйства.

Сера определяет многие биохимические процессы клетки, является компонентом питания растений и микрофлоры. Соединения серы участвуют в формировании химического состава почв, содержатся в подземных водах, что играет важную роль при засолении почв.

Существуют многочисленные газообразные соединения серы (оксид и диоксид серы, сероводород). Однако преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит

впочвах и воде, хотя перенос серы в атмосфере также имеет

определенное значение для биосферы.

Основной источник серы, доступный организмам, – сульфаты, значительная часть которых хорошо растворима в воде. Экосистеме требуется не так много серы, как азота или фосфора. Тем не менее круговорот серы является ключевым в процессе продукции и редукции биомассы.

Осадочные породы в биосфере содержат главные запасы серы (пирит, сульфаты кальция и магния), некоторое количество серы поступает в результате вулканической деятельности.

Вбиогеохимическом круговороте серы можно выделить четыре стадии (рис. 2.7):

усвоение минеральных соединений серы растениями и бактериями с включением ее в состав белков и аминокислот и других соединений;

превращение органической серы животными и бактериями в сероводород;

окисление минеральной серы живыми организмами (серобактериями) при сульфатредукции;

восстановление минеральной серы десульфоредуцирующими бактериями до сероводорода.

66

Рис.2.7. Биогеохимический цикл серы: I – десульфофикация; II - минерализация органической серы живыми организмами до сероводорода

2.3.5.Круговороты микроэлементов

Из элементов, содержащихся в земной коре, более 99% массы приходится на девять элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан. Около 70 элементов, содержание которых не превышает 0,14% общей массы, известны как микроэлементы.

С точки зрения суточной потребности для человеческого организма элементы условно можно разделить на следующие группы по масштабу поступления в сутки:

Элемент	Поступление
	в сутки
C, O, H, N, S, P	кг
Ca, Mg, Na, K	г
Cu, Zn, Co, Cr, Sn, Fe	мг
As, Se, Br, I, Ge	мкг, нг

67

Элементы первых двух групп относятся к макроэлементам и их содержание в живых организмах стремится к постоянному значению независимо от содержания этих элементов в окружающей среде. Элементы последних двух групп называют микроэлементы, и они могут накапливаться в организме в зависимости от содержания этих элементов в окружающей среде.

Такие макроэлементы, как фосфор, сера, калий, кальций, магний, натрий, жизненно необходимы организму растений и животных и выполняют в организмах более чем одну функцию.

Биологические функции большинства микроэлементов непосредственно связаны с деятельностью ферментов, и их суточная потребность не превышает нескольких микрограммов или даже нанограммов. В пище животных должно содержаться не менее 15 микроэлементов, причем для некоторых из них биологические функции еще не установлены. Так, в крови насчитывается 78 элементов, за исключением инертных газов и трансурановых элементов.

Кроме того, как повышенное, так и пониженное содержание многих элементов приводит к серьезным нарушениям в организме. Например, отличие от оптимальной концентрации фтора (0,0005%) ведет к разрушению эмали зубов при меньших значениях, или к флюорозу при больших величинах.

Микроэлементы распространяются в окружающей среде в результате первичного (вулканическая деятельность) и вторичного (выпадения осадков, сток в реки и моря, перенос ветром, миграция вглубь почвы и др.) рассеивания. Третичное рассеивание возникло в результате антропогенной деятельности, что привело к перераспределению элементов и возникновению областей загрязнений.

В отличие от макроэлементов, содержание которых в различных геологических формациях отличается не более, чем в два раза, содержание микроэлементов в разных областях Земли может отличаться на порядок и более. Это связано с изменчивостью скоростей потоков вторичной миграции в условиях земной поверхности. На ней возникают участки, где резкое изменение условий миграции приводит к накоплению тех или иных веществ на отдельных участках.

68

Территории, на которых имеется аномальное содержание элементов, называются геохимическими провинциями. Например, Уральская геохимическая провинция – повышенное содержание Cu, Cr, Ni, Co, Ti; Финляндия – пониженное содержание Se; Забайкалье – недостаток Ca, но избыток Sr.

Геохимические провинции разбросаны по земной поверхности не хаотически, а образуют систему, связанную со структурой поверхности. Некоторые из них имеют техногенное происхождение, это - осушенные и обводненные территории, каналы, плотины, дамбы и пр. Богатые месторождения определяются пространственной дифференциацией вещества на земной поверхности.

Таблица 2.2

Кларки земной коры

O	47
Si	29,5
Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti	от 8,05 до 0,45
H	0,14
Mn	0,1
P	0,092
F, Ba, S, Sr	от 0,066 до 0,034
C	0,023
Cl, Zr	0,017
V, Cr, Zn, Ce, Ni, Cu,	от 0,009 до 0,0019
Li, Y, La, Nb, Ga, N
Co, Pb, Th, Se, Be, Cs, U,	от 0,0018 до 0,00003
Sn, Br, As, Ge, W, Mo, Sb, I
Cd, Hg, Ag, Au	от 1,3∙10-5 до 4,3∙10-7

Для учета способности элементов концентрироваться или рассеиваться в отдельных местах планеты вводится понятие кларка. Кларк – среднее значение содержания элемента в земной коре в целом или в других природных телах, выраженное в процентах. Кларки некоторых элементов земной коры в порядке убывания показаны в табл. 2.2.

Знакомство с кларками показывает, что широко распространено неверное мнение о представительстве отдельных элементов

69

земной коры. Например, кларк меди в 100 раз меньше, чем кларк титана, а кларк галлия в 300 раз больше, чем кларк ртути.

Микроэлементы, как и макроэлементы, вовлекаются в водную, воздушную и биологическую миграции и образуют круговороты. Однако интенсивность миграции разная для различных элементов.

Для характеристики вовлечения химического элемента вводится понятие коэффициента биологического поглощения, показывающего активность перехода данного элемента в растение.

Замечательно, что этот коэффициент не связан с распространенностью элемента в земной коре. Наиболее активно мигрирует йод (содержание в земной коре 0,00003%), в то время как кремний, составляющий почти треть земной коры, мигрирует в

1000 раз менее интенсивно. Все типы растительности хорошо поглощают Mn, Zn, Mo, Cu, Ni, Ag.

В результате водной миграции усердно вымываются из почвы Mg, Ca, а с океаническими воздушными массами на большие расстояния переносятся Cl, I, B.

2.4. Антропогенное воздействие на биогеохимические круговороты

В глобальном масштабе геохимическую роль живого вещества следует рассматривать как мощный исторически сложившийся фактор массопереноса.

Абиогенные циклы сложились на нашей планете намного раньше биогенных. Они включают в себя весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических и атмосферных процессов. В условиях развитой биосферы круговорот веществ направляется совместным действием биологических, геологических и геохимических факторов. Именно в этом смысле употребляются термины – биогеохимический круговорот веществ, биогеохимические циклы.

Ненарушенные биогеохимические циклы практически замкнуты. Таким образом, поддерживается постоянство и равновесие состава и концентрации компонентов, вовлеченных в круговорот, а также генетическая и физиологическая приспособленность организмов и окружающей среды. Из-за неполной

70