Круговорот веществ в биосфере

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 18Следующая ⇒

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.

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.

Круговорот азота

Несмотря на то, что в составе воздуха находится 78% азота, непосредственно ассимилировать его высшие организмы - продуценты, не могут. Атмосферный азот фиксируется специфической микрофлорой –клубеньковыми бактериями.. Главная роль азота заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структур организма - аминокислот белка, а также нуклеиновых кислот. В целом в живых организмах содержится примерно 3% всего активного фонда азота. Растения ежегодно потребляют около 1 % имеющегося в активном фонде азота, и время его круговорота составляет примерно 100 лет. От растений – продуцентов, азотосодержащие соединения переходят к консументам, а от консументов после отщепления аминов из продуктов жизнедеятельности этих существ азот выделяется в виде аммиака и мочевины (рис. 3.2.), причем мочевина также превращается в аммиак в результате гидролиза. В дальнейшем в процессах окисления азота аммиака (нитрификации) образуются нитриты и нитраты, способные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Все эти химические превращения происходят в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, в частности свободно живущих аэробных и анаэробных бактерий, сине-зеленых и пурпурных водорослей. Так, хемосинтетики нитрозоамонас превращают аммиак в нитриты, а нитробактер ‑ в нитраты и нитриты.

Рис.3.2. Круговорот азота по Р. Риклефсу, 1979.

Особенно значима в круговороте азота роль симбиотических (от греч. симбиоз ‑ сожительство) клубеньковых бактерий, локализующихся на корнях растений преимущественно семейства бобовых. Бактерии родов азотобактер или ризобиум способны путем ферментативной активности фиксировать атмосферный азот и делать его доступным корневым системам растений.

Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека. С одной стороны, массовое производство азотных удобрений и их использование приводят к избыточному накоплению нитратов, а с другой стороны азот, поступающий на поля в виде удобрений, теряется из-за отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации. При снижении скорости превращения аммиака в нитраты аммонийные удобрения накапливаются в почве. Однако все эти процессы носят достаточно локальный характер. Гораздо большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на теплоэлектростанциях и на транспорте. Азот, " фиксированный" в промышленных выбросах, токсичен, в отличие от азота биологической фиксации. При естественных процессах оксиды азота появляются в атмосфере в малых количествах, но в городах и промышленных районах их концентрации становятся опасными. Под действием УФ-излучения возникают реакции между оксидами азота и углеводородами с образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений.

Круговорот фосфора

Фосфор ‑ один из наиболее важных биогенных элементов: он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии (аденозиндифосфат, аденозинтрифосфат), костной ткани, дентина. Круговорот фосфора, как и других биогенных элементов, совершается по большому и малому циклам и всецело связан с жизнедеятельностью организмов. Фосфор ‑ подвижный элемент, и поэтому процессы, связанные с его круговоротом, зависят от множества факторов окружающей среды, в первую очередь от антропогенных. Например, массовое поступление фосфора с моющими средствами (детергентами) и смыв удобрений с полей приводит к процессам эвтрофикации воды в природных объектах. Биогенный круговорот фосфора представлен на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Упрощенная схема биогенного круговорота фосфора по Р.Риклефсу, 1979

Усвоение фосфора растениями в значительной степени зависит от кислотности почвенного раствора. В воде фосфаты натрия и кальция малорастворимы, в щелочной среде - практически нерастворимы, по мере повышения кислотности фосфаты превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту.

Круговорот кислорода

Основная масса кислорода на Земле находится в связанном состоянии в молекулах воды, оксидах, солях и других твердых соединениях и непосредственно для использования в экосистеме недоступна. Доступный для фотосинтеза кислород содержится в атмосфере (приблизительно 1, 1 х 10¹⁵ т) и проходит через растительные компоненты биосферы в течение 2, 5 тысяч лет. В процессе фотосинтеза СО₂ превращается в органическое вещество с выделением свободного кислорода. Специфика процесса состоит в том, что образующаяся при фотосинтезе молекула О₂ один из своих атомов получает от СО₂, а другой - от воды. При дыхании потребляемая молекула О₂один из своих атомов отдает воде, а другой - диоксиду углерода.

Круговорот серы

Ключевым звеном этого круговорота являются процессы аэробного окисления сульфида (сероводорода) до сульфата и анаэробного восстановления сульфата до сульфида. Эти реакции осуществляются соответствующими группами бактерий. Благодаря окислительно-восстановительным процессам происходит обмен серы между фондом доступного сульфата в аэробной зоне почвы и фондом сульфидов железа, расположенным глубоко в почве и в осадках (в анаэробной зоне). В результате микробного восстановления глубоководных отложений к поверхности воды движется сероводород, что, например, типично для Черного моря. Выделяющийся из воды сульфид окисляется до сульфата атмосферным кислородом. Круговорот серы находится под сильным влиянием антропогенной деятельности, в первую очередь, в результате сжигания ископаемого топлива. Выделяющийся при этом диоксид серы может реагировать с водяными парами атмосферы с образованием сернистой кислоты, и в сильной степени подавлять процесс фотосинтеза вплоть до полной гибели растений.

Вмешательство человека во многих случаях нарушает процессы круговорота биологически важных элементов на планете. Например, вырубка лесов или повреждение ассимиляционного аппарата растений промышленными выбросами приводит к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде вследствие поступления в нее промышленных стоков приводит к эвтрофикации водоемов и перерасходу растворенного в воде кислорода, что исключает возможность существования здесь аэробных организмов. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в детергентах, человек как бы замыкает на себя круговорот элементов, что нередко вынуждает его полностью управлять химией окружающей среды.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒