Лекция 4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ

План лекции

1. Большой круговорот – круговорот воды в природе.

2. Малый круговорот – биологический круговорот и его блоки.

3. Круговороты газообразных веществ: углерода, азота.

4. Осадочные циклы.

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический).

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота веществ лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабах планеты.

Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т.п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу и процессы возобновляются. К этим циклам подключается вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре.

Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, – один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В круговороте воды суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Особенность круговорота заключается в том, что из океана испаряется воды на 10% больше, чем возвращается с осадками. На суше испарение составляет примерно ¼ часть от испарения из океана. При этом осадков на суше выпадает на 40% больше, чем с этой суши испаряется. В связи с тем, что из океана воды испаряется больше, чем возвращается, значительная часть осадков используется экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, для производства пищи, в том числе пищи для человека. Излишки воды с суши стекают по водосборной территории в озера и реки, а оттуда снова в океан. Время оборота пресных вод составляет примерно год.

С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавляется процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью растений и животных, называемый транспирацией. Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат регионов. Она является также водоохранным и водорегулирующим фактором: смягчает паводки, удерживает влагу в почвах и препятствует их иссушению и эрозии.

Деятельность человека оказывает огромное влияние на глобальный круговорот воды, что может изменять погоду и климат. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т.п. сток воды в океан увеличивается и пополнение фонда грунтовых вод сокращается. Во многих сухих областях эти резервуары выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются. Поэтому в настоящее время по всему миру создана сеть измерительных станций для выявления изменений в круговороте воды, от которого в значительной мере зависит будущее человека на Земле.

Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый биологический круговорот.

В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1% попадающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усваиваемую для других организмов форму.

При своем движении практически все химические элементы участвуют и в большом и малом круговороте веществ. Более или менее замкнутые пути движения химических элементов называются биогеохимическими циклами(«био» – относится к живым организмам, а «гео» – к твердым породам, воздуху и воде). Из более чем ста химических элементов, встречающихся в природе, 30-40 являются биогенными, т.е. необходимыми организмам. Одни элементы, такие, как азот, фосфор, калий, углерод, кислород, водород, нужны организмам в больших количествах – это макроэлементы. Другие – в малых или даже ничтожных – микроэлементы. Жизненно важные для организмов элементы всегда участвуют в биогеохимических циклах, которые называются круговоротом питательных, или биогенных веществ.

В круговороте отдельных элементов различают две части: резервный фонд –большая масса медленно движущихся веществ (в основном небиологическая часть) и подвижный, или обменный фонд – меньший, но более активный, который быстро обменивается между организмами и окружающей средой. Следует иметь в виду, что циклы с малым объемом резервного фонда более подвержены воздействию человека.

Биогеохимические циклы делятся на два типа: цикл с круговоротом газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме круговорота воды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других элементов.

Самым главным биогеохимическим процессом в биосфере являетсякруговорот углерода.С чисто химических позиций, он представляется упрощенно в виде следующих химических уравнений:

фотосинтеза: 6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

разложения или минерализации: С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О.

Образующиеся в процессе фотосинтеза молекулы углеводов в ходе дальнейших химических процессов, происходящих в растениях, превращаются в другие химические соединения живой материи – белки, жиры и т.д.

Процесс фотосинтеза требует затрат энергии – на образование 1 молекулы углеводов расходуется 674 калл. Эту энергию растения получают в виде электромагнитной энергии солнечного излучения. Акцептором (поглотителем) ее является зеленый пигмент растений – хлорофилл. В результате процесса фотосинтеза электромагнитная энергия трансформируется в химическую энергию образующихся соединений.

Обратная фотосинтезу реакция разложения органических соединений в условиях биосферы приводит к неполному расходованию образовавшегося при фотосинтезе кислорода. Часть органического углерода соединяется в виде устойчивых соединений – гумусовых кислот, из которых в процессе трансформации формируются залежи твердых горючих ископаемых (торф, уголь). Неполное разложение образующихся органических веществ – источник накопления в биосфере кислорода, который используется животными для дыхания.

Поступление углекислого газа в атмосферу происходит в современных условиях в результате: 1) дыхания всех организмов; 2) минерализации органических веществ; 3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород; 4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях; 5) сжигания топлива.

Потребление углекислого газа происходит главным образом: 1) в процессе фотосинтеза; 2) в реакциях его с карбонатами в океане; 3) при выветривании горных пород.

Как видно из приведенных выше фактов, с циркуляцией углекислого газа тесно связана циркуляция кислорода.

Второй по важности частью биогеохимического круговорота является круговорот азота. Воздух по объему на 78% состоит из молекулярного азота и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента.

Поступление азота в атмосферупроисходит: 1) в процессе денитрификации, т.е. биохимического восстановления оксидов азота до молекулярного; 2) с вулканическими газами; 3) с дымовыми газами. В водоемы соединения азота поступают: с поверхностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий; с подземными водами; с промышленными стоками; со сточными водами сельскохозяйственных производств.

Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в процессе деятельности азотфиксирующих бактерий и многих водорослей; 2) в результате естественных физических процессов фиксации азота в атмосфере (электрические разряды при грозе и др.); 3) в процессе промышленного синтеза аммиака.

Минеральные соединения азота потребляются растениями при фотосинтезе. Животные, поедая растения, используют азот для построения белков протоплазмы, превращая его в органические формы.

Биологический круговорот азотавключает ряд очень сложных процессов, основную роль в которых играют микроорганизмы. Схема «Превращение азота в биологическом круговороте» представлена на схеме 3.

Схема 3

N₂

Аммонификация Азотфиксация Денитрификация

Белки NH₃ NO₃^– _{_}

Фотосинтез Нитрификация Нитрификация

NO₂^–

В последнее время содержание азота в атмосфере не менялось. Это позволяет утверждать, что поступление его в атмосферу (денитрификация) и отток из атмосферы (азотфиксация) в целом уравновешены, хотя, возможно, фиксация слегка преобладает вследствие деятельности человека.

Перечисленные выше биологические круговороты углерода, кислорода, азота и других биогенных элементов являются основой биологического круговорота. Полная схема трансформации вещества в экологической системе называется биологическим круговоротом. Его основные блоки: 1) солнечный свет, 2) продуценты, 3) консументы различных порядков, 4) мертвое органическое вещество, 5) редуценты, 6) минеральные вещества, 7) окружающая среда (куда происходит вынос вещества). Время, в течение которого атом углерода совершает полный оборот, это скорость биологического круговорота.

Как показано выше начальным этапом биологического круговорота является продукция. Лимитирующие продукцию факторы следующие:

- количество солнечной радиации видимого спектра;

- влажность местообитания, свойства почв (их структура, запасы гумуса, биологическая активность);

- макробиогены (азот, фосфор, калий и др.) и микроэлементы (молибден, медь, цинк и др.) – вещества, важные для функционирования живого организма.

Осадочные циклы. Для большинства химических элементов и соединений, которые обычно связаны с лито- и гидросферой, характерны осадочные циклы. Циркуляция таких элементов осуществляется путем эрозии, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и переноса веществ организмами. Твердые вещества, переносимые по воздуху как пыль, выпадают на землю в виде сухих осадков или с дождем. Осадочные циклы имеют направленность вниз.

Живым сообществам биосферы доступны в основном те химические элементы, которые входят в состав пород, расположенных на поверхности Земли. Одним из важных для биосферы элементов, недостаток которого на поверхности ограничивает рост растений, является фосфор. Циркуляция его легко нарушается, так как основная масса вещества сосредоточена в малоактивном и малоподвижном резервном фонде, захороненном в земной коре.

Поступление фосфора в круговорот происходит в основном: 1) в процессе эрозии фосфорных пород; 2) вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных. Образующиеся фосфаты поступают в наземные и водные экосистемы, где могут потребляться растениями.

Потребление фосфора: 1) растениями и животными для построения белков протоплазмы; 2) в промышленности при производстве удобрений и моющих средств. Механизмы возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективны и не возмещают его потерь. Сейчас не происходит сколько-нибудь значительных поднятий отложений на поверхность. Вынос фосфатов на сушу осуществляется в основном с рыбой, что не компенсирует их унос с суши в море.

Влияние деятельности человека на циркуляцию фосфора в основном ведет к потерям и захоронению его на дне океана, что четко прослеживается при анализе воды, стекающей с освоенных территорий. Так, в воде, стекающей с городских территорий, содержание фосфора в 7 раз выше, чем в водах реки, протекающей по лесной территории.

Сохранение цикличности круговорота фосфора очень важно, потому что из всех биогенных веществ, необходимых организмам в больших количествах, фосфор – один из наименее доступных элементов на поверхности Земли. Фосфор и теперь часто лимитирует первичную продукцию экосистемы, а в будущем его лимитирующее значение может резко возрасти, что грозит снижением пищевых ресурсов планеты.