Химия окружающей среды
Любая экологическая система как структурная часть биосферы представляет собой химическую среду обитания.
От соответствия химического состава биосферы требованиям живых организмов зависит их жизнедеятельность. На уровне экосистемы и биосферы в целом происходят непрерывные физико-химические процессы, которые именуются биогеохимическими циклами.
Деятельность человеческого общества оказалась в настоящее время мощной геологической, геофизической, геохимической силой, радикально трансформирующей физико - химию биосферы.
Большинство современных специалистов связывают эти изменения с процессами загрязнения твердой, жидкой и газообразной составляющих биосферы. Человек влияет на биогеохимические циклы не только на экосистемном, но и на биосферном а также на планетарном и околоземном космическом уровнях.
3.1. Круговорот веществ в биосфере
Единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного ‑ это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот. Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот длится сотни тысяч и миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде, сносятся потоком воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками,
Глобальные тектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение исторических эпох приводили к тому, что эти напластования возвращались на сушу, и этот процесс повторялся вновь.
Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода и углерод аккумулируются в веществе растений и расходуются на построение их тела и на осуществление жизненных процессов как их самих,(то есть растений) так и организмов ‑ консументов.
Продукты распада органического вещества особей биоценоза мезофауной ( т.е. бактериями, грибами, червямии, моллюсками и т. д.) затем опять вовлекаются представителями флоры в процессы фотосинтеза и вновь возвращаются в круговорот веществ в природе.
Перемещение веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с расходованием энергии потока солнечных лучей носит название биогеохимического цикла.
В биогеохимические циклы вовлечены все основные жизненно- важные химические элементы, входящие в состав представителей флоры и фауны.
3.1.1.Круговорот углерода
Круговорот углерода, как и любого другого элемента для построения живой материи совершается по большому и малому циклам. Большой (геологический) круговорот углерода можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 3.1.
Рис.3.1 Большой круговорот углерода. По Р.Риклефсу, 1979.
Биотический круговорот углерода ( малый цикл ), является основной частью большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод, содержащий в виде СО2 в атмосфере (его количество там составляет примерно 23,5 х 1011 т), служит "сырьем" для фотосинтеза растений, а затем вместе с их веществом потребляется консументами разных трофических уровней (см. рис. 2.5).
При дыхании растений и животных, а также при функционировании деструктуров (редуцентов) мертвой органики в почве СО2, возвращается в атмосферу.
Но некоторая часть продукции фотосинтетиков не потребляется перичными консументами и не разлагается деструкторами. Она депонируется в литосфере в виде мертвой органики, переходя в ископаемое состояние. Так, залежи каменного угля или торфа ‑ это и есть депонированное органическое вещество ‑ продукт процесса фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.
В связи с тем, что солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает, сжигая это топливо, то возникает и так называемый биолого-технический круговорот углерода.
Основная масса ископаемого углерода в настоящее время аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3 х 1016 т) и в кристаллических породах (1 х 1016 т). В каменном угле и в нефти запасы углерода составляют примерно 3,4 х 1015 т. Этот углерод принимает участие в геологическом круговороте.
Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшими количествами углерода, участвующего в малом круговороте и содержащегося в растительных тканях (5 х 1011 т) и в тканях животных (5 х 109 т).
Вместе с тем, в результате интенсивного сжигания энергоносителей содержание С02 в атмосфере за последнее столетие увеличилось на 10% от его современной концентрации. В атмосфере задерживается около половины "антропогенного" диоксида углерода, а остальное количество поглощается водами мирового океана и, отчасти, живыми организмами. Считается, что наземные экосистемы ежегодно ассимилируют около 12% диоксида углерода, т.е. общее время его переноса в круговороте составляет 8 лет.