<<
>>

3.1. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА В БИОСФЕРЕ


Мы видели, что зеленые растения используют солнечную энергию и синтезируют органическое вещество из диоксида углерода, воды, минеральных элементов почвы. Это вещество накапливается в биосфере, частично консервируется в виде, например, торфа, каменного угля, сланцев, донных отложений океана.


Эти процессы идут уже сотни миллионов лет. Ho поскольку Земля — конечное физическое тело, то любые химические элементы (в чистом виде или в виде соединений) также физически конечны. За миллионы лет их ассимиляции фотосинтетиками они должны были, казалось бы, оказаться исчерпанными, полностью связанными в мертвой органике, превратиться в косную материю. Ho, как мы знаем, эти процессы происходят и в настоящее время. Более того, человек постоянно стремится к их интенсификации, повышая продуктивность создаваемых им экологических систем.
В. Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного — это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот. Действительно, все вещества на нашей планете находятся в процессе биогеохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворенные в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные 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.
Малый круговорот является частью большого и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в распоряжение почвенной микрофлоры и ме- зофауны (бактерий, грибов, червей, моллюсков, простейших и др.) и, как мы видели, вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток вещества.
Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла.
Круговорот углерода, как и любого другого элемента, 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
Рис. 3.1. Большой круговорот углерода По Р. Риклефсу, 1979


Биотический круговорот углерода является составной частью большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организмов.
Углерод, содержащийся в виде СОг в атмосфере (23,5X XlO11 т), служит сырьем для фотосинтеза растений и далее поступает вместе с веществом, в котором он аккумулирован, в пищевые цепи: в распоряжение консументов разных уровней, а далее—редуцентов. При дыхании организмов СОг возвращается в атмосферу. Определенная часть углерода накапливается в виде мертвой органики, частично переходит в ископаемое состояние. Так, залежи каменного угля или торфа — это и есть органическое вещество — продукт процессов фотосинтеза растений прошлых геологических эпох. В связи с тем, что солнечную энергию, аккумулированную (негэнтропированную) в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает при сжигании этого топлива, возникает так называемый биологотехнический круговорот углерода, поскольку при сжигании топлива диоксид углерода дополнительно поступает в атмосферу (рис. 3.2) .
Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3- IO16 т), кристаллических породах (1,0- Io16 т), в каменном угле и нефти (3,4 • IO15 т). Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле й газовый баланс атмосферы поддерживаются участвующими в малом (биогенном) круговороте относительно небольшими количествами углерода, содержащегося в растительных (5* IO11 т) и животных (5-IO9 т) тканях. Однако в настоящее время человек интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе углерода. Так, например, подсчитано, что суммарная биомасса всех домашних
Рис. 3.2. Трансформация и использование СОг в природе
Рис. 3.2. Трансформация и использование СОг в природе


животных уже превышает биомассу всех диких наземных животных. Площади культивируемых растений приближаются к площадям естественных биогеоценозов, и многие культурные экосистемы по своей продуктивности, непрерывно повышаемой человеком, значительно превосходят природные.
С другой стороны, поступление диоксида углерода в атмосферу в результате сжигания энергоносителей ведет к глобальным изменениям в биосфере — прежде всего в отношении теплового баланса. Стойкое увеличение содержания СОг в атмосфере в связи с сжиганием топлива подтверждается прямыми наблюдениями и расчетами. За последнее столетие содержание СОг увеличилось на 10 % от его современной концентрации, причем основная доля приходится на последние десятилетия. В атмосфере задерживается около половины «антропогенного» диоксида углерода, а остальное поглощается водами Мирового океана и, отчасти, живыми (в первую очередь, автотрофными) 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 78 % азота, непосредственно ассимилировать его высшие организмы- продуценты не могут. Цикл азота состоит в следующем. Его главная роль 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 I % имеющегося в активном фонде азота, т. е. время его круговорота составляет 100 лет. От ра- стений-продуцентов азотсодержащие соединения переходят тс консументам, от которых после отщепления аминов от органических соединений азот выделяется в виде аммиака или мочевины (рис. 3.3), причем мочевина также превращается в аммиак в результате гидролиза. В дальнейшем в процессах окисления азота аммиака (нитрификации) образуются нитраты, способные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Все эти химические превращения возможны в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, в частности свободноживу- щих аэробных и анаэробных бактерий, сине-зеленых и пурпурных водорослей. Так, хемосинтетики нитрозомонас превращают аммиак в нитриты, а нитробактер — в нитриты и нитраты..
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 ферментативного расщепления молекул N2 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 [х использование приводит к избыточному накоплению нитратов. Азот, поступающий на поля в виде удобрений, теряется из-за отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации. С другой стороны, при снижении скорости превращения аммиака в нитраты аммонийные
Рис. 3.3. Круговорот азота
Рис. 3.3. Круговорот азота
По Р. Риклефсу, 1979


удобрения накапливаются в почве. Возможно подавление деятельности микроорганизмов в результате загрязнения почвы отходами промышленности. 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 в качестве промежуточных продуктов, но в городах и промышленных районах их концентрации становятся опасными. Они раздражают органы дыхания, а под воздействием ультрафиолетового излучения возникают реакции между оксидами азота и углеводородами с образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений.
Круговорот фосфора. У живых организмов фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мебран, систем переноса энергии (аденозинди- и аденозинтрифосфат), костных тканей. Фосфор усваивается растениями из почвы в форме растворенных фосфат-ионов. Далее он переходит по пищевой цепи к животным и возвращается в почву в виде фосфатов, либо непосредственно— выводимый животными, либо опосредованно — в результате бактериального преобразования органических соединений, содержащихся в остатках отмирающих растений (детрите). Фосфаты при посредстве фосфатредуцирующих бактерий образуют растворимые фосфат-ионы, опять доступные растениям (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Упрощенная схема круговорота фосфора 146
щис бактерии)
Рис. 3.4. Упрощенная схема круговорота фосфора 146


Рис. 3.5. Круговорот фосфора с учетом интенсификации земледелия и эксплуатации других биологических ресурсов По Н. Ф. Реймерсу, 1990
Рис. 3.5. Круговорот фосфора с учетом интенсификации земледелия и эксплуатации других биологических ресурсов По Н. Ф. Реймерсу, 1990


Таков в общих чертах биогенный круговорот фосфора. Общий (большой) круговорот более сложен (рис. 3.5). Основной фонд фосфора, в отличие от азота и углерода, сосредоточен в горных породах, включая вулканический апатит, подвергающихся эрозии. В процессе эрозии образуются растворимые фосфаты, которые частью локализуются в почве, а частью выщелачиваются и сносятся в воду, где отлагаются в мелководных и глубоководных осадках. Возврат фосфора в почву или в поверхностные воды происходит различными путями, например за счет подъема океанических глубинных вод (апвеллинга). В пищевых цепях водных экосистем фосфор переходит от фи-
топланктона к рыбам, а далее — к морским птицам, возвращающим его на сушу. Последний перенос привел, в частности, к огромным скоплениям экскрементов птиц (гуано). В атмосфере фосфор практически отсутствует, если не считать кратковременно присутствующих пылевидных форм, и поэтому перенос происходит только в системе почва — вода.
Сбалансированный круговорот фосфора означает, что его вынос с суши компенсируется возвратом на сушу, причем вынесенный фосфор не выключается из доступных фондов за счет образования, например, нерастворимых соединений.
Антропогенная деятельность активно изменяет круговорот фосфора. При этом баланс в глобальном аспекте может существенно не нарушаться, а локальные изменения могут быть весьма значительными.
Важнейшей формой влияния человека на круговорот фосфора является вовлечение в использование депонированных на суше отложений (минералов, фосфатов, апатитов) для производства миллионов тонн фосфорных удобрений, а также детергентов (моющих средств). Большая часть фосфора, внесенного с удобрениями в почву, смывается и исключается из круговорота Правда, значительная доля фосфора возвращается на сушу в результате вылова рыбы, часть которой также идет на производство удобрений. Дефицит фосфора, разумеется, пока Se угрожает, ибо запасы фосфорсодержащих пород велики, но избыточное поступление фосфора в воду в результате смыва удобрений и сброса промышленных и бытовых сточных вод приводит к резкому повышению продуктивности водных экосистем Скачкообразный рост массы фитопланктона (аэробного комплекса) приводит к связыванию кислорода и обеднению им воды, что негативно сказывается прежде всего на рыбе, особенно на молоди, приводит к преобладанию анаэробных процессов, т. е. к явлению эвтрофикации.
Круговорот серы. Данный цикл охватывает воду, почву и атмосферу. Основные резервы серы находятся в почве и в отложениях. Содержание серы в воздухе относительно невелико. На рис. 3.6 представлен этот круговорот, ключевым звеном которого являются процессы аэробного окисления сульфида (сероводорода) до сульфата (S02~) 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 H2S, что, например, типично для Черного моря. Выделяющийся

Рис. 3.6. Круговорот серы
Рис. 3.6. Круговорот серы


«Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R)t благодаря которым происходит обмен серы жду фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимися глубоко в почве и в осадках. По Ю. Одуму, 1986

из воды сульфид окисляется до сульфата атмосферным кислородом.
Сульфат — основная форма серы, которая, доступна авто- трофам. Сера, как известно, входит в состав аминокислот.
Круговорот серы находится под сильным влиянием антропогенной деятельности, в первую очередь, в результате сжигания ископаемого топлива. В органических энергоносителях всегда содержится то или иное количество серы, выделяющейся в виде диоксида, который, как и оксиды азота, токсичен для живых организмов. Диоксид серы способен интенсивно поглощаться надземным ассимиляционным аппаратом растений и в сильной степени подавлять процесс фотосинтеза вплоть до некроза и полной гибели листьев. Диоксид серы может реагировать с водяными парами атмосферы, образуя диоксид серы и далее — сернистую кислоту.
Кроме того, большое количество серы как в элементарной форме (например, коллоидная сера), так и в виде сложных соединений (например, купоросов) используется в качестве средств уничтожения вредителей и болезней растений, что приводит к загрязнению почв на больших площадях, а также к проникновению серы в грунтовые и поверхностные воды.
Круговорот кислорода. Основная масса кислорода на Земле находится в связанном состоянии в молекулах воды, оксидах, солях и иных твердых соединениях и непосредственно для использования в экосистеме недоступна. Доступный для фотосинтеза кислород содержится в атмосфере (приблизительно 1,1 X XlO15 т) и проходит через растительные компоненты биосферы
Рис. 3.7. Круговорот кислорода По P. Риклефсу, 1979

I
С
H

H

Рис. 3.7. Круговорот кислорода По P. Риклефсу, 1979


в течение 2,5 тыс, лет. В процессе фотосинтеза СОг превращается в органическое вещество с выделением свободного Ог. Однако специфика процесса состоит в том, что образующаяся при фотосинтезе молекула Ог один из атомов получает от СОг; а другой — от воды. При дыхании потребляемая молекула Oa один из атомов отдает воде, а другой — диоксиду углерода (рис. 3.7). 
<< | >>
Источник: Стадницкий Г. В., Родионов А. И.. Экология: Учеб. пособие для вузов - 3-е изд. 1997

Еще по теме 3.1. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА В БИОСФЕРЕ:

  1. АНТРОПОГЕННЫЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА
  2. Круговорот вещества пород
  3. Пути возвращения веществ в круговорот: коэффициент возврата
  4. Нормирование загрязняющих веществ в биосфере
  5. III.2. Живое вещество, его средообразующие свойства и функции в биосфере
  6. Глава XVI. Круговорот веществ и энергии в водоемах. Самоочищение водоемов
  7. 1.3.2 Горькие, дубильные, красящие вещества, витамины, минеральныеи другие вещества пряно-ароматического сырья
  8. Круговорот воды
  9. 10.2. БЛОЧНАЯ МОДЕЛЬ КРУГОВОРОТА
  10. Биотический круговорот
  11. Круговорот второстепенных элементов
  12. Глава VII. Круговорот углерода
  13. Глобальные круговороты углерода и воды
  14. Круговорот элементов питания в тропиках
  15. Углич. Фобия. Круговорот