Структура и основные циклы биогеохимических круговоротов

Чтобы биосфера продолжала свое существование, и на Земле не прекращалось развитие жизни, должны происходить непрерывные химические превращения ее живого вещества. Академик В.Р. Вильямс указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.

Из-за геологических изменений Земли часть веществ может исключаться из круговорота. Например, такие биогенные осадки, как каменный уголь, нефть на многие тысячелетия консервируются в толще Земли, но в принципе не исключено их повторное включение в биосферный круговорот.

Малый (биологический) и большой (геологический) круговорот веществ, а также круговорот воды, азота, углекислого газа, как главных компонентов атмосферы, и круговорот серы, фосфора, углерода, как жизненно важных веществ биосферы.

Круговорот веществ – многоразовое участие веществ в природных процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в биосферу планеты, при непрерывном притоке энергии. Малый (биологический) кругооборот имеет место в пределах малых экосистем, большой (геологический) кругооборот – в пределах планеты между океанами и континентами и длится сотни миллионов лет. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций биогеохимическим циклом. Во время круговорота происходит циркуляция веществ между воздухом, почвой, водой, растениями, животными и микроорганизмами, когда минеральные вещества, необходимые для жизни, поглощаются, трансформируются, поступают из окружающей природной среды в состав растений, а затем через пищевые цепочки в виде органических веществ – к животным и далее снова в окружающую природную среду (почву, воду, воздух) в виде неорганических соединений. Важную роль в круговороте веществ, а точнее химических элементов, играют живые организмы. Благодаря большому запасу в атмосфере и гидросфере большого резервного фонда углерода, азота, кислорода, серы, фосфора круговороты могут достаточно быстро саморегулироваться.

Круговорот воды. Постоянный перенос воды происходит с одного места в другое в масштабе всей планеты, главным образом между океаном и сушей. Он осуществляется в основном непосредственно за счет энергии Солнца, однако живые организмы оказывают на него важное регулирующее воздействие. В процессе переноса воды часто происходит изменение агрегатного состояния последней (превращение жидкой воды в твердую, парообразную, и наоборот), что позволяет поддерживать равновесие между суммарным испарением и выпадением осадков на планете. Подсчитано, что с поверхности Земли за одну мину испаряется около одного миллиона тонн воды и сколько же выпадает обратно в виде осадков.

Общий объем воды, поступивший из атмосферы на поверхность Земли, составляет за год около 500 тыс. км³ и такое же количество испаряющийся воды. При этом на континентах выпадает в год 109 тыс. км³, а испаряется 72 тыс. км³. Разница в37 тыс. км³ и есть значение полного поверхностного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (441 тыс. км³), чем выпадает осадков (411 тыс. км³). Разница восполняется речным стоком. Часть испарившейся воды с поверхности океана переносится с атмосферными потоками, выпадает в виде осадков над сушей и поступает обратно в океан с поверхностным стоком и через грунтовые воды.

Вода, доступная для наземных организмов составляет около сотой доли процента от ее общего количества. Тем не мене количество воды, входящее в годовую продукцию фотосинтезирующих организмов составляет, по данным академика А.П. Виноградова, 830 млрд. т. При этом лишь малая часть воды, проходящая через растения, разлагается.

Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей – важнейшее звено в поддержании жизни земных организмов и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой материей. Одновременно вода в геологическом круговороте – величайшая трансформирующая сила, которая способствует постепенному разрушению литосферы, переносу ее составных частей в глубины морей и океанов.

Круговорот углерода. Это один из важнейших круговоротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба в круговороте углерода, связанные с человеческой деятельностью, приводят к неблагоприятным для биосферы последствиям. С углеродом непосредственно связано содержание кислорода в атмосфере и его круговорот в биосфере. Углерод участвует в большом и малом круговоротах. Его соединения в биосфере постоянно возникают, испытывают превращения и разлагаются. Основной путь миграции углерода – от углекислого газа атмосферы в живое вещество из живого вещества в углекислый газ атмосферы. При этом часть его выходит из круговорота, оставаясь в почве или откладываясь в осадочных породах. Круговорот углерода контролирует содержание кислорода в атмосфере. Освобожденный кислород при фотосинтезе почти полностью используется при дыхании организмов и минерализации отмершей органической массы, а также частично консервируется в литосфере. Только незначительная часть его (0,04 %) пополняет содержание кислорода в атмосфере. Расход кислорода на сжигание топлива в 100-200 раз превышает его поступления в атмосферу в результате фотосинтеза. На сжигание топлива используется кислород, уже накопленный атмосферой, и ежегодное его уменьшение происходит примерно на одну десятитысячную часть его массы в атмосфере. Поэтому полное сжигание углеродного топлива уменьшит содержание кислорода в атмосфере на долю процента. Значительные изменения массы кислорода могут быть только за очень длительные промежутки времени, измеряемые миллионами лет. По этой причине наибольшую вероятную опасность для биосферы представляет нарушение круговорота углерода.

Круговорот азота. Азот, как углерод и большинство других химических элементов, участвует в большом и малом круговоротах веществ. Его круговорот – один из наиболее сложных в биосфере. Азот – незаменимый биогенный элемент, поскольку он входит в состав белков и нуклеиновых кислот.

Источник азота в биологическом круговороте – нитраты и нитриты, которые поглощаются растениями из почвы и воды. Частично азот поступает из атмосферы в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время грозы. У растений нет способности извлекать азот непосредственно из воздушной среды, хотя в атмосфере его содержится около 80 %. Существует несколько видов бактерий и сине-зеленых водорослей, которые способствуют фиксировать азот атмосферы. В результате их деятельности, а также благодаря разложению органических остатков в почве растения-автотрофы получают возможность усваивать необходимый азот.

Фиксированный азот почвы не только поглощается корневыми системами растений. Часть его соединений выносится в реки, а из них в моря и океаны. В поверхностных слоях воды азот потребляется растительными микроорганизмами. Потеря азота восполняется новыми поступлениями из суши, в результате вертикального перемешивания воды, выпадения аммиака из атмосферы и разложения остатков растений и животных в поверхностных слоях воды. При естественном ходе круговорота эти процессы не вызывают резких колебаний содержания азота в воде морей и океанов за исключением зон переноса его из суши.

Антропогенные нарушения круговорота азота в биосфере связаны со сжиганием топлива в двигателях наземного и воздушного транспорта, на тепловых электростанциях, теплоэнергетических установках, а также с промышленной фиксацией азота – производством удобрений.

Проблема нарушения круговорота азота в биосфере и на конкретных территориях дискутируется долгие годы, однако интенсификация сельского хозяйства, развитие химической промышленности, теплоэнергетики и транспорта делают ее все более трудноразрешимой.

Круговорот фосфора. Биологическое значение фосфора в жизни организмов исключительно велико: его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, мозга и костной ткани. Как углерод и азот, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте веществ. Резервуаром фосфора в биологическом круговороте служит не атмосфера, а литосфера, точнее фосфоросодержащие горные породы, прежде всего апатиты. В процессе их выветривания

Из почвы фосфор извлекается в виде растворимых фосфатов, с растительной пищей фосфор потребляют животные. В результате фосфаты попадают в почвы, в большом количестве выносятся в моря, откладываясь в мелководных осадках и рассеиваясь на больших глубинах. В результате бактериальных преобразований в почве органический фосфор растительного опада, отмерших животных и их выделений трансформируются в фосфаты. Фосфатразрушающие бактерии продолжают биологический круговорот фосфора, в итоге приводя к поступлению ионов фосфора в водную среду.

Круговорот фосфора в биосфере оказался резко нарушенным в результате широкого применения фосфорных удобрений в сельском хозяйстве, получение в промышленных масштабах многочисленных фосфорсодержащих препаратов, используемых в быту и т.д. В результате произошло перераспределение содержания фосфатов на суше и в гидросфере. В зонах концентрации населения, сельского хозяйства наблюдается аномально высокая, малообратимая аккумуляция органических соединений фосфора, в то время как большая часть углерода и азота в газообразном виде рассеивается в атмосфере.

Круговорот серы. Сера имеет важное биологическое значение, поскольку в составе широко распространенных в живой природе аминокислот, белков и других сложных органических соединений она содержится во всех организмах. В большом, геологическом, круговороте сера переносится с океана на материки с атмосферными осадками и возвращается в океан со стоками. Одновременно ее запасы в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности, добычи полезных ископаемых и других источников. В малом кругообороте сульфаты поглощаются растениями и входят в состав аминокислот, белков и эфирных масел. Поедая растения, серу получают животные. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, который в дальнейшем окисляется или до элементарной серы или до сульфатов. В первом случае формируются месторождения серы, во втором – залежи гипса. Гипс может подвергаться разрушению, и сера в таком случае возобновляет свой круговорот.

Круговорот серы также подвергается нарушению в результате промышленного загрязнения атмосферы. Основной дополнительный поставщик серы в большой круговорот – теплоэнергетические установки, транспорт, которые при сжигании топлива выбрасывают сернистый газ.

Экологическая опасность сернистого ангидрида состоит в том, что он, окисляясь, образует серный ангидрид, который соединяясь с водными парами в атмосфере, превращается в аэрозоли соляной кислоты. Продолжительность всего цикла – от момента естественных или техногенных выбросов сернистого ангидрида до удаления из атмосферы паров серной кислоты составляет 5 – 14 суток. С воздушными потоками аэрозоли серной кислоты мигрируют на значительные расстояния, иногда на сотни километров, и выпадают в виде «кислотных» дождей. Многочисленные реки и озера, в результате выпадения «кислотных» дождей подвержены загрязнению серными и азотистыми соединениями. Испытывают воздействие «кислотных» дождей и лесные массивы умеренной зоны.

Во всех рассматриваемых случаях круговорота обнаруживаются явные глобальные изменения в биосфере вследствие деятельности человека. Однако их региональное проявление неоднородно. Пока нет всеобъемлющей научной концепции, которая позволила бы оценить масштабы этого разрушения. Трудность заключается в том, что нет возможности определить показатели природных условий «чистой» биосферы и допустимого уровня ее загрязнения, а все составляющие ее компоненты чрезвычайно мобильны и изменчивы.