Приклади найважливіших біогеохімічних кругообігів

Кругообіг вуглецю. Джерела сполук вуглецю в природі багаточисленні та різноманітні. Окрім процесів, зв’язаних з синтезом органіки, її розкладом, утворенням грунтових сполук, суттєве місце в природному середовищі займають процеси, що обумовлюють відкладення карбонатів (хімічне і біогенне, кількість вуглецю в них оцінюється в 9,6 х 10¹³ т), вулканічні викиди вуглекислого газу в атмосферу та його надходження внаслідок спалювання горючих корисних копалин. Найважливіша роль у всіх цих процесах належить вуглекислому газу. Треба відзначити, що процес фотосинтеза можливий або з участю вуглекислого газу в наземних екосистемах, або бікарбонат-іону в водних екосистемах. Протікає процес фотосинтезу на фоні малого вмісту вуглекислоти в повітрі(0,03%) (Рис. 5.2).

Рисунок 5.2 – Кругообіг вуглецю

Взагалі ж обмінні процеси цикла вуглецю характеризуються високвою активністю. Достатньо сказати, що весь вуглекислий газ атмосферного повітря за 300 років проходить крізь рівень рослин. Проте є ланки в циклі вуглецю, де швидкість протікання процесів уповільнюється. В такому середовищі як грунт, органічні речовини не мінералізуються повністю і нагромаджуються, при цьому деяка їх частина може бути виключена з циклічних процесів на деякий (іноді на протязі цілого геологічного періода) час. Це призвело до утворення покладів вугілля, нафти і інших копалин Розвідані запаси горючих копалин (вугілля, нафта, сланці, бітуми, торф, газ) вміщують біля 1х10¹³т вуглецю. Зараз також досить інтенсивно протікає торфоутворення.

З деякого часу людина стала активно впливати на природний цикл вуглецю за рахунок викидів в атмосферу щорічно 2х10¹⁰т со₂, який утворюється при спалюванні горючих копалин – труби заводів та теплоелектростанцій, а також автомобільний транспорт є його постачальниками. Вуглекислий газ прозорий для для ультрафіолетового та видимого випромінювання Сонця, але він екранує зворотнє теплове випромінювання з поверхні Землі, внаслідок чого температура приземного шару атмосфери повинна підвищуватися, що сприяє виникненю так званого “парнікового ефекту”, наслідки якого можуть бути катастрофічними для планети. Проте розрахунки вмісту вуглекислого газу в атмосфері дозволили зробити висновок, що його кількість зростає значно повільніше, ніж цього треба було чекати з величин щорічних викидів в атмосферу цього газу з антропогенних джерел. Пояснити це можна поглинанням надлишку вуглекислого газу , що утворюється в атмосфері, поверхнею Світового океану. В воді вуглекислий газ розчинюється в 35 разів краще, ніж кисень, і вступає в дуже складну взаємодію з карбонатно-кальцієвими комплексами. Рослини, що в процесі фотосинтеза використовують розчинений у воді вуглекислий газ, викликають висадження карбонатів. Внаслідок цього на дні Світового океану, а також внутрішніх водоймищ відкладення карбонатів можуть досягати значної товщини. Кругообіг вуглекислого газу з фазою його розчинення у воді Світового океана показаний на рис. 5.3.

Рисунок 5.3 – Гідродинамічна модель обміну СО₂ між

атмосферою та Світовим океаном на фоні кругообігу вуглецю

Кругообіг кисню. Кисень з’явився в атмосфері планети десь біля 2 млрд років тому, коли на Землі виникли перші хлорофілоносні рослини. Сучасна атмосфера вміщує приблизно одну двадцяту частину всього кисню, що є в біосфері. Головні запаси кисню вміщені в карбонатах, деяких органічних речовинах, рудах. В атмосфері кисню вміщено 21% і ця концентрація сформувалася біля 20 млн років тому. Кругообіг кисню дуже складний, тому що в біосфері до нього приєднується велика кількість органічних і неорганічних речовин, а також водень, з яким він утворює воду. Розчинений у воді кисень також відіграє велику роль – він визначає зростання водної рослинності на глибині, де йде процес фотосинтез-дихання водних рослин. В океані рівень цей розташований на глибині 50-100м. Схематично кругообіг кисню зображений на рис. 5.4.

Рисунок 5.4 – Кругообіг кисню

Кругообіг азоту. Азот є частиною білкових речовин організмів і його міграція у біологічному кругообігу речовин тісно з ними зв’язана. Атмосфера містить понад 78% молекулярного азоту, але в такому стані він зовсім недоступний для зелених рослин. Для свого живлення рослини можуть використовувати лише солі азотної та азотистої кисліт, дещо гірше – сполуки аміаку. У грунті живуть азотфіксуючи бактерії, здатні засвоювати молекулярний азот з повітря. Вони збагачують грунт на сполуки азоту і тому їх значення надзвичайо велике. До них належать аеробні азотобактерії, бульбочкові бактерії, що живуть на корінцях квіткових рослин, переважно бобових. За рік усі азотфіксуючи бактерії можуть запасати в грунті в доступному для рослин вигляді до 20-30 кг азоту на 1 га. Перетворення азоту в грунті відбувається за участю ряду бактерій і мають протилежні напрямки. Групи нітрифікуючих бактерій перетворюють аміак на солі азотної кислоти, а денітрифікуючи бактерії розкладають ці солі, перетворюючи їх на аміак і навіть молекулярний азот. Початковий стан біохімічного циклу азоту пов’язаний з фіксацією його молекулярної форми бактеріями:

2N₂ + 3H₂ 2NH₃

Процес нітрифікації має наступний вигляд – нітритні бактерії окислюють аміак до азотистої кислоти:

2NH₃ + 3O₂ 2HNO₂ + 2H₂O

нітратні бактерії доокислюють останню до азотної кислоти за рівнянням:

2HNO₂ + O₂ 2HNO₃

Ці кислоти в процесі обмінних реакцій в грунтовому розчині утворюють солі, які й споживаються рослинами.

У рослинах сполуки азоту беруть участь у синтезі білкових сполук, які пізніше в ланцюгах живлення передаються від організму до організму. Продукти виділення (сечовина), трупи рослин і тварин за допомогою редуцентів мінералізуються, білкові речовини перетворюються на солі азотної кислоти. останні денітрифікуючими бактеріями вивільнюються ватмосферу у вигляді аміаку і молекулярного азоту:

5C₆H₁₂O₆ + 24KNO₃ 30CO₂ + 18H₂O + 24KOH + 12N₂

У великий геологічний кругообіг весь час надходить частина азоту у вигляді різних сполук, які ріками виносяться в моря. Вміст сполук азоту найбільший у районах впадіння великих ірк, найменший – в центральних частинах океанів. Азотміські сполуки використовуються водоростями для синтезу органічних речовин, частина поступпово осідає на дно, отже винесення азоту з суші не збільшує його концентрації у морській воді. Схематично кругообіг азоту зображений на рис. 5.5.

Рисунок 5.5 – Кругообіг азоту

Кругообіг сірки. Біогеохімічний цикл цього елементу також характеризується участю різних його сполук і стосується всіх середовищ, хоч і в нерівній мірі. Основні форми існування сірки – це сульфіди і сульфати металів в літосфері (0,047-0,06%), в морській воді - сульфат-іон SO₄^2- (0,09%), в атмосфері – гази SO₂;H₂S з природних та антропогенних джерел. Загальний вміст сірки в атмосферному повітрі 25 х 10^-6 %, сумарні викиди з природних та антропогенних джерел складають 2 х 10⁸ т/рік, причому доля останніх складає 30%. Як біогенний елемент, сірка присутня в різних біологічних рідинах і тканинах у вигляді органічних і неорганічних сполук (амінокислоти, білки, SO₄^2-), що беруть аткивну участь в обмінних процесах організму. Живі істоти частіше за всього засвоюють цей елемент у вигляді розчинених сульфатів. Кругообіг сірки схематично показаний на рис. 5.6.

Рисунок 5.6 – Кругообіг сірки

Кругообіг фосфору.Фосфор – один з найважливіших біогенних елементів. Він входить до складу нуклеїнових кисліт, клітинних мембран, ферментів, кістяку. Проте порівняно з азотом він зустрічається в небагатьох хімічних формах. В біологічний кругообіг фосфор надходить в процесі руйнування протплазми організмів і поступово переходить у фосфати.

Особливістю біогеохімічного циклу фосфора є те, що на відміну від азоту та вуглекислого газу, резервним фондом його є не атмосфера, а гірські породи та відкладення, що утворилися в минулі геологічні епохи.

Надходження фосфору в кругообіг здійснюється в основному в процесі ерозії фосфатних порід та внаслідок мінералізації продуктів життєдіяльності і органічних залишків рослин і тварин. Утворені фосфати (РО₄^3-) надходять в наземні і водні екосистеми, де знов можуть споживатися рослинами.

Механізми вертання фосфора в кругообіг в природі недостатньо ефективні і не відшкодовують його втрат. Зараз не існує значних піднять відкладень на поверхню – винос фосфатів на сушу здійснюється в основному з рибою. Але це не компенсує їх поток з суші в море. Морські птахи також приймають участь у вертанні фосфору в кругообіг, але це малоефективний шлях.

Вплив діяльності людини на циркуляцію фосфору веде до втрат його і похованню на дні океану, що робить цикл менш замкнутим. Так, за деякими даними, з морською рибою, що виловлюється людиною, на сушу вертається лише біля 60 тис. т на рік елементарного фосфору. Видобувається ж щорічно біля 2 млн т фосфорвміщуючих порід. Більша частина цього фосфору надходить в море з миючими засобами, у виробництві яких він використовується, і з добривами, тобто, виключається з кругообігу. Так, наприклад, втрати фосфора з непорушених , вкритих лісами водозборних басейнів невеликі і компенсуються надходженнями з дощем та продуктами вивітрювання. Але нижче за течією річок, де діяльність людини активізується, картина змінюється. Із зростанням ступеня освоєння, тобто, із зростанням теріторій, зайнятих сільськогосподарськими культурами, в водах річок різко зростає вміст фосфору. В воді. що стікає з міських теріторій, в 7 разів більше фосфору, ніж у воді річок, що протікають у місцевості, зайнятої лісом. Схематично кругообіг фосфору показаний на рис. 5.7.

Рисунок 5.7 – Кругообіг фосфору

Збереження циклічності кругообігу фосфору дуже важливо, тому що з усіх біогенних елементів, необхідних організмам у великих кількостях, фосфор – один з найменш доступних елементів на поверхні Землі. Фосфор і зараз часто лімітує первинну продукцію екосистем, а в майбутньому його лімітуюче значення може різко зрости, що загрожує зниженню харчових ресурсів планети.

Кругообіг води. Вода присутня у всій біосфері – не тільки в водоймищах, але й у повітрі, грунті і в усіх живих організмах. Вода, більша частина якої вміщена в морях і океанах, утворилася внаслідок процеса кристалізації гранітної магми, що була вивержена під час вулканічної діяльності в доісторичні часи. Біосфера вміщує ту кількість води, яку вона одержала внаслідок кристалізації магми й охолодження земної кори. Правда, на поверхні Землі знайдені незначні запаси води, винесені термальними джерелами в загальний кругообіг води земної кулі. Ці води утворюються з кисню та водню, що вивільнюється з магми. Уся вода, що існує зараз на поверхні Землі , має в основному одне походження, а океани – це її резервуари.

З виникненням життя на Землі кругообіг води став відносно складним, тому що до простого явища фізичного випаровування додався набагато більш складний процес біологічного випаровування - транспірації, зв’язаний з життєдіяльністю рослин. До того ж, роль людини стає все більш значною в цьому кругообізі. Можна відзначити, що людину завжди цікавила вода і він оселювався або поблизу від морських берегів, або поблизу інших джерел води: річок, ставків, озер. Це свідчить, що в житті людини вода відіграє дуже важливу роль. Тому не випадково водним джерелам раніше вклонялися як поганським богам, а пізніше їм давали імена християнських святих. Кругообіг води можна охарактеризувати наступним чином: вода надходить на поверхню Землі у вигляді опадів, що утворюються головним образом з водяної пари, яка надходить в атмосферу внаслідок випаровування води рослинами - транспірації – і випаровування з поверхні морей і океанів. Частина її знов випаровується, частина ж живить підземні води, а частина разом з річним стоком досягає океану і звідси вже знов випаровується (рис. 5.8).

Рисунок 5.8 – Кругообіг води

Кількість води, що випаровується внаслідок транспірації або випаровування з поверхні моря, змінюється залежно від місцевих умов. Так, з одиниці площі в лісної місцевості, що віддалена від моря, випаровується значно більше води, ніж з поверхні моря. Із зменшенням рослинного покрову зменшується і транспірація, а також і кількість опадів. Середня транспірація складає в 2000-6000м³ води за рік з 1 га площі рослинного покрову. Зростанню рослинного матеріалу в середньому на 1 т за ірк відповідає зростання опадів на 100мм. Отже, рослинний покров відіграє найважливішу роль в рівновазі кругообігу води в природі. Транспірація – це процес, вкрай необхідний для життєдіяльності рослин. По-перше, випаровування води з поверхні листя зберігає тепловий баланс його і не дає перегріватися. По-друге, великі маси води, які випаровуються рослинністю в повітря, були необхідні для грунтового харчування рослин речовинами, що розчинюються у воді. Так, для утворення 1 г сухої речовини рослині треба підняти з грунту і транспірувати 500 г води, а для засвоєння 1 г вуглекислого газу – 100 г води.

Кругообіги деяких інших елементів. Для нормальної жіттєдіяльності організмів необхідні катиони - макро- і мікроелементи. В екосистемах(056) джерелом цих елементів є грунт, куди вони надходять з підстилаючих материнських порід. Наступний шлях металів визначається їх нагромадженням рослинами і рухом з органічною речовиною за харчовими ланцюгами. Біологічна роль таких мікроелементів, як важкі метали, різноманітна. Деякі з них виступають як мікрокомпоненти харчування, вони належать до незамінних. Це мідь, цинк, молібден, кобальт , тощо. Інші, хоч і присутні в організмі, проте роль їх неясна. Відповідно з цим прийнято розділення їх на незамінні і незамінність яких не встановлена. В свою чергу, для тварин і людини джерелом мікроелементів є рослини, що захоплюють їх з середовища. Щорічне захоплення важких металів рослинністю суші складає, тис.т: цинк – 8625; мідь – 1725; свинець – 431; нікель – 345; кобальт – 172; молібден – 103; олово – 69; мишьяк – 60; ртуть – 2; сурьма – 1; кадмій – 1.

Питання для самоконтролю

Питання 5.6. Чи можна сказати, що кругообіги газоподібних речовин довершені і саморегуляція їх необмежена?

Так.

Ні.

Питання 5.7. Чи можна вважати фосфор елементом, циркуляція якого дуже швидко порушується.

Так.

Ні.

Питання 5.8. Чи можна сказати, що біогеохімічний цикл вуглецю відзначається найбільш високою активністю серед усіх кругообігів.

Так.

Ні.

Питання 5.9. Чи можна вважати основною причиною парнікового ефекту зростання викидів вуглекислого газу в атмосферу в сучасний період внаслідок спалювання корисних горючих копалин?

Так.

Ні.

Питання 5.10. Чи можна стверджувати, що кисень непритаманий первинній атмосфері планети?

Так.

Ні.

Питання 5.11. Чи можна сказати. що сірка не є біогенним елементом, а зустрічається лише в гірських породах і морській воді у вигляді сільфат-іонів?

Так.

Ні.

Питання 5.12. Обов’язкові чи ні для організму всі мікроелементи. що в ньому знаходять?

Так.

Ні.

Параграф 5.3