Тема 4. Биогеохимические циклы.

1. Круговорот веществ и превращение энергии как основа существования биосферы.

2. Круговорот воды.

3. Круговорот углерода.

4. Круговорот кислорода.

5. Круговорот азота.

6. Круговорот фосфора.

7. Круговорот серы.

8. Осадочный цикл. Круговорот второстепенных элементов.

1. Круговорот веществ и превращение энергии как основа существования биосферы. Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т. е. циркуляция веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.

Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них—в окружающую среду, пополняя таким образом неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз. Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ — за 200—300 лет (рис. 1).

Рис. 1. Темпы циркуляции веществ (Клауд и Джибор, 1972)

Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Связанная в органических веществах энергия по ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах, поэтому в биосфере наблюдается поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.

Живое вещество по массе составляет 0,01 ... 0,02 % от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах.

Живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Оно производит гигантскую геохимическую работу, преобразовывая другие оболочки Земли в геологическом масштабе времени.

Термин “биогеохимия” предложен академиком В.И. Вернадским.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы снова в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла.

При этом выделяют два круговорота, большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот измеряется масштабами геологического времени и длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что происходит постоянное превращение материковой коры в океаническую и наоборот. Продукты разрушения и выветривания горных пород переносятся водами в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования. Медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь (рис. 2). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

На фоне этого глобального круговорота вещества в биосфере непрерывно происходят малые биотические круговороты. Малый круговорот заключается в том, что углекислый газ, вода и питательные вещества почвы аккумулируются растениями и расходуются на построение тела и жизненные процессы как самих продуцентов, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества вновь разлагаются детритофагами и редуцентами до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в поток вещества.

В каждом цикле различают две части или два фонда:

- резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент (не связанных с организмами);

- подвижный, или обменный, фонд - меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением.

Для биосферы в целом все биогеохимические круговороты делят:

- на круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан);

- на осадочный цикл с резервным фондом в земле.

Рис. 2. Большой (геологический) круговорот веществ

Наличие больших резервных фондов (в виде атмосферы или океана) в круговоротах углерода, кислорода и азота способствует быстрой саморегуляции соответствующих биогеохимических циклов при различных местных нарушениях. Так избыток СО₂, образовавшийся где-либо из-за интенсивного горения, достаточно быстро рассеивается в атмосфере и, кроме того, усиленное образование углекислого газа компенсируется увеличением его потребления растениями или превращением в карбонаты в море. Поэтому считается, что круговороты веществ, включающие в себя большие атмосферные фонды, в глобальном масштабе хорошо зарезервированы или, по выражению Ю.Одума, “хорошо забуферены”, так как их способность приспосабливаться к изменениям велика. В результате саморегуляции по принципу обратной связи подобные биогеохимические циклы достаточно совершенны. Тем не менее, саморегуляция даже при таком громадном резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.

Осадочным циклам характерно, что основная масса вещества сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде - в земной коре. Поэтому круговорот, таких элементов, как фосфор или железо, значительно менее самоконтролируем и достаточно легко нарушается даже при небольших местных помехах.

Антропогенное вмешательство в биосферные процессы порой так ускоряет движение многих веществ, что их круговороты становятся значительно менее совершенными или процесс теряет цикличность. Складываются различные противоестественные ситуации, например, в одних местах возникает недостаток каких-либо веществ, а в других - их же избыток. В частности, добыча и переработка фосфатных пород ведётся столь несовершенно, что вблизи шахт, карьеров и заводов создаётся сильное локальное загрязнение. Кроме того, в сельском хозяйстве используется всё больше и больше фосфорных удобрений, а неизбежное попадание фосфатов в водоёмы, за которым следует их эвтрофизация, никак не контролируется.

При оценке влияния деятельности человека на биогеохимические циклы важное значение имеют сравнительные объёмы резервных фондов. Изменениям подвергаются в первую очередь самые малообъёмные фонды.

Таким образом, усилия по охране природных ресурсов в конечном счёте должны быть направлены на то, чтобы превратить нециклические процессы в циклические. В связи с этим основной целью должно быть возвращение веществ в круговорот, обеспечивающее их повторное использование.

Наиболее значимыми для функционирования биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества – углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов.

2.Круговорот воды

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов.

В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая – питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы – океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода – важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.

Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

В результате деятельности человека количество лесов на континентах катастрофически уменьшается. Правда, лес не обязательно теряет больше влаги в результате транспирации, чем травянистая растительность. Проблема в том, что леса способствуют удержанию влаги на данной территории. Для агроценозов, пришедших на смену лесам, характерно уплотнение и эрозия почв и увеличение стока воды. Это привело даже к тому, что в некоторых областях с достаточным количеством осадков возникли местные пустыни. Особенно велики потери для грунтовых вод в сильно урбанизированных районах, где велик процент водонепроницаемых покрытий. Все это нарушает локальные круговороты воды, приводя к засухам и одновременно к наводнениям в низовьях рек в периоды дожей, принесенных с моря.

3.Круговорот углерода

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно – зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО₂ переходит в H₂CO₃, НСО₃^–, СО₃^2–. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов СаСО₃ биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием СО₂. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

Фотосинтезирующий зеленый пояс и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО₂ в атмосфере. Но за последние 100 лет содержание СО₂ постоянно растет из-за новых антропогенных поступлений и сведения лесов. Полагают, что в начале промышленной революции (1800 г) в атмосфере Земли присутствовало около 0,029 % СО₂. В 1958 г., когда были проведены первые точные измерения, - 0,0315 %, в 1980 – 0,0335 %. Когда доиндустриальный уровень будет превышен вдвое (2050 г), ожидается повышение температуры в среднем на 1,5-4,5 градуса. Это связано в первую очередь с парниковым эффектом, к которому приводит повышенное содержание углекислого газа в атмосфере. Если в 20-м веке уровень моря поднялся на 12 см, то в 21-м веке нас может ожидать нарушение стабильности полярных ледяных шапок, что приведет к их таянию и катастрофическому подъему уровня мирового океана. По некоторым прогнозам в 2050 году под водой может оказаться Нью-Йорк и большая часть Западной Европы.

4.Круговорот кислорода

Кислород – наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели.

В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О₂. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.

Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растении и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

5.Круговорот азота

Основная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78 % процентов состоит из одноименного газа (N₂). Однако растения не могут усваивать его непосредственно; для этого азот должен входить в состав ионов аммония (NН⁴⁺) или нитрата (NO₃^–). К счастью, некоторые бактерии и ряд сине-зеленых водорослей (цианобактерий) способны превращать газообразный азот (N₂) в аммонийную форму в ходе так называемой азотфиксации. Важнейшую роль среди азотфиксирующих организмов играют бактерии из рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. Это хороший пример мутуализма. Растения обеспечивают бактерий местообитанием и пищей, получая от них взамен доступную форму азота. По пищевым цепям органический азот передается от бобовых другим организмам экосистемы.

Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в среду главным образом в аммонийной (NH⁴⁺) форме. Некоторые бактерии могут переводить ее в нитратную форму (NO₃^–). Важно то, что обе эти формы могут усваиваться любыми растениями. В результате азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку другие почвенные бактерии постепенно превращают нитраты снова в газообразный азот (N₂).

Таким образом, все естественные экосистемы зависят от азотфиксирующих организмов, поэтому крайне важна роль симбиотических бактерий в клубеньках бобовых растений. Это семейство включает огромное число представителей – от клевера до тропических деревьев и пустынных кустарников. В каждой крупной наземной экосистеме – от дождевых экваториальных лесов до тундры есть характерные для нее виды бобовых. Интересно отметить, что бобовые обычно первыми заселяют гари - на них процесс реколонизации идет значительно медленнее из-за недостатка в почве доступного азота. В водных экосистемах круговорот азота выглядит сходным образом, но здесь в роли основных азотфиксаторов выступают сине-зеленые водоросли.

Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со сточными континентальными водами), частично используется водной растительностью, а затем по пищевым цепям через животных возвращается на сушу. Небольшая часть азота выпадает из круговорота, уходя в осадочные соединения. Однако эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами, а также с индустриальными выбросами. Если бы наша цивилизация достигла такой технической мощи, что смогла бы блокировать все вулканы на Земле (можно не сомневаться, что подобные проекты обязательно возникли бы), то при этом из-за прекращения поступлений углерода, азота и других веществ, от голода могло бы погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений вулканов.

Антропогенный азот поступает в природу в основном в форме азотных удобрений.

Мечта современных специалистов по генной инженерии - создать самоудобряющиеся сорта зерновых культур, которые имели бы на корнях клубеньки с азотофиксирующими бактериями, аналогичные клубенькам на корнях бобовых растений. Полагают, что это позволило бы совершить существенный прорыв в сельском хозяйстве. Однако как знать, не нарушит ли подобное увеличение природной фиксации свободного азота того хрупкого баланса притока и оттока азота в атмосфере, который обеспечивает стабильность концентрации азота в воздухе, которым мы дышим.

6.Круговорот фосфора

Этот элемент входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона (РО₄^3–). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают РО₄^3– из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединении, где он выступает в форме так называемого органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика вероятность окисления содержащего фосфор соединения в процессе клеточного дыхания для получения организмом энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.

В отличие, например, от углекислого газа, который, где бы он не выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет "свободного возврата" в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.

Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя, например, урожай вместе с накопленными из почвы биогенами на большие расстояния к потребителям.

7.Круговорот серы

Сера является важным составным элементом живого вещества. Большая часть её в живых организмах находится в виде органических соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ: витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты.

Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от окислительно-восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше 420 минералов.

В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных минералов: пирита FeS₂, пирронита Fe₇S₈, халькопирита FeCuS₂, в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов CaSО₄ · 2 H₂О, в ископаемых углях – в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические соединения.

В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфат-иона переносится природными водами в Мировой океан, где SО₄^2– занимает второе место по распространению после Сl^–. Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные.

Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву. Сульфат SO₄ аналогично нитрату и фосфату - основная доступная форма серы, которая восстанавливается растениями и включается в белки. Затем она проходит по пищевым цепям экосистем и возвращается в круговорот с экскрементами животных.

Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов), вулканы, разложение органики и распад серосодержащих руд и минералов.

Отметим одну важную особенность малых, круговоротов. Применительно к ним понятие круговорота достаточно условно, поскольку природные круговороты не являются замкнутыми. Не все образуемое при разложении органики неорганическое вещество снова используется живыми организмами. Неиспользуемая его часть образует, в частности, осадочные породы как в океане, так и на суше, включаясь в большой геологический круговорот. Вещества "не теряются" для биосферы в целом, но уходят из малого круговорота.

8.Осадочный цикл. Круговорот второстепенных элементов

Большинство важных для жизни элементов, таких как железо, кальций, калий, магний, марганец, медь, хлор и др., более привязано к земле, чем, например, азот или углерод. Их круговороты входят в общий осадочный цикл, циркуляция в котором осуществляется путем эрозии, осадкообразования, горообразования, вулканизма и биологического переноса.

Второстепенные элементы, подобно жизненно важным, нередко мигрируют между организмами и средой, хотя и не представляют какой-либо ценности для организмов. Большинство из этих элементов участвуют в общем осадочном цикле. Обычно они оказывают малое воздействие на живые существа. Однако могут быть и неожиданные последствия, связанные в основном с деятельностью человека. Например, радиоактивный стронций-90, ранее в природе не существовавший, по химическим свойствам похож на кальций, поэтому, попав в организмы, он накапливается в костях и оказывается в тесном контакте с кроветворными тканями. Радиоактивный цезий-137 по свойствам схож с калием и поэтому быстро циркулирует по пищевым цепям.

Современная промышленность обогатила биосферу ртутью, соединениями кадмия, меди, цинка, свинца. Для жизни эти вещества токсичны.

Пути возврата элементов в круговорот.

Можно выделить несколько путей возврата элементов в круговорот:

1) через микробное разложение;

2) через экскременты животных;

3) прямой передачей от растения к растению в симбиозе;

4) физическими процессами (молния, ионизация и т.п.);

5) за счет энергии топлива (например, при промышленной фиксации азота);

6) автолиз (саморастворение) - высвобождение питательных веществ из остатков растений и экскрементов без участия микроорганизмов.

Если не разрушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они в основном самопроизвольно реализуют возврат в круговорот воды и элементов питания. К сожалению, человек так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность: в одних местах возникает недостаток, а в других - избыток каких-то веществ. Кроме того, человек изымает из круговорота многие элементы, связывая их в таких веществах, для которых в природе отсутствуют деструкторы, поэтому он вынужден сам быть деструктором этих веществ. Поэтому одной из основных целей общества должно стать возвращение вещества в круговорот.