Круговорот веществ в природе.

Типы круговоротов веществ. Биосфера З. характеризуется определённым образом сложившимся круговоротом веществ и энергии. Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере. В том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы З. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении внешней энергии Солнца и внутренней энергии З.

1.Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) – круговорот веществ. Движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы. Эндогенные процессы происходят под влиянием внутренней энергии З. К эндогенным процессам относятся : тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм. Экзогенные процессы протекают под влиянием внешней энергии Солнца. Они включают выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. Крупнейшие формы рельефа образовались за счёт эндогенных процессов, а средние и мелкие формы рельефа – за счёт экзогенных процессов. Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями З.

2.Биологический (малый круговорот веществ в биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. В отличии от большого геологического малый биогеохимический круговорот веществ совершается в биосфере. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируется автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов органические вещества подвергаются минерализации, т.е. превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ. В биологических круговоротах различают две части: 1. резервный фонд – это часть вещества, не связанная с живыми организмами; 2. обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением. В зависимости от резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на типа: 1. круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота). 2. круговороты осадочного типа с резервный фондом в земной коре ( круговороты фосфора, кальция, железа и др. ). Круговороты газового типа более совершенны, так как обладают большим обменным фондом , а значит, способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в «недоступном» живым организмам виде. Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.

3.Антропогенный круговорот – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нём можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей. Геологический и биологический круговороты в значительной степени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества.

4.Круговороты основных биогенных веществ и элементов. *Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учётом трнспирации воды растениями и поглощения её в биогеохимическом цикле весь запас воды на З. распадается и восстанавливается за 2млн. лет.

*Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500млрд. т. этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, и др.) приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере и развитию парникового эффекта. Скорость круговорота СО2, т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300лет.

*Круговорот кислорода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород поступает в атмосферу, в результате фотосинтеза зелёных растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганизмами, а также при минерализации органических остатков. Незначительное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количество кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при извержении вулканов и т.д. Основная доля кислорода продуцируется растениями суши - почти 3/4, остальная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота – около 2 тыс. лет.

*Круговорот азота. Запас азота в атмосфере огромен (78% от её объёма). Однако растения поглощать свободный азот не могут, усваивая его только в связанной форме, в основном в виде NH4 или NO3. Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растениям формы. В растениях азот закрепляется в органическом веществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передаётся по цепям питания. После отмирания живых организмов редуценты минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в свободный азот, который возвращается в атмосферу. Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в поземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество излишне велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений, то происходит загрязнение вол и продуктов питания, что вызывает заболевания человека.

*Круговорот фосфора. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфора включается в результате процессов выветривания горных пород. В наземных экосистемах растения извлекает фосфор из почвы ( в основном в форме РО4) и включают его в состав органических соединений( белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов идр.) или оставляют в неорганической форме. Далее фосфор передаётся по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву. При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны, это приводит к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфосодержащих руд ( фосфоритов, апатитов и др.) С другой стороны поступление из почвы в водоёмы больших количеств таких биогенных элементов как фосфор, азот, сера и др. Вызывает бурное развитие синезелёных водорослей и других водных растений («цветение воды») и эвтрофикацию водоёмов. Но большая часть фосфора уносится в море.

*Круговорот серы. Основной резервный фонд серы находится в отложениях и почве, но, в отличие от фосфора, имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроорганизмам. Одни из них – восстановители, другие – окислители. В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в растворах – в форме иона (SO4), в газообразной форме – в виде сероводорода (H2S),. В некоторых организмах сера скапливается в чистом виде (S), и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы. По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второе место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков. В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до H2S, другая часть окисляется до сульфатов и ионов, включается в круговорот. Образовавшийся сероводород улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками. Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), а также выбросы химической промышленности приводят к накоплению в атмосфере сернистого газа, который, реагируя с парами воды, выпадает на З. в виде кислотных дождей.