Структура и основные типы биогеохимических циклов

Определения

Химические элементы, в том числе все основные элементы протоплазмы, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду.

медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент, 2) подвижный, или обменный, фонд — меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением. Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа: I) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Объяснения

Как подчеркивалось в гл. 2, разд. 2, экологам следует изучать не только организмы и их связи со средой, но и основные свойства неживой среды в их связи с организмами. Мы уже видели, как две части экосистемы, биотическая и абиотическая, эволюционируя совместно, влияют друг на друга (гл. 2, разд. 4). Известно, что из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, 30—40 требуются живым организмам. Некоторые элементы, такие, как углерод, водород, кислород и азот, необходимы организмам в больших количествах, другие — в малых или даже в ничтожных количествах. Какова бы ни была потребность в них, жизненно важные для

организмов элементы (как, впрочем, и другие элементы) участвуют в биогеохимических циклах. Элементы, не имеющие столь существенного значения, хотя и не так тесно связаны с организмами, но также участвуют в круговоротах.

«Био» относится здесь к живым организмам, а «гео» — к горным породам, воздуху и воде. Геохимия изучает химический состав Земли и миграцию элементов между различными частями земной коры и океанами, реками и другими водными массами. Вопросы геохимии с экологической и холистической позиций и с использованием понятий ландшафтной геохимии обсуждает в своем обзоре Фортескыо (Fortescue, 1980). Концепцию ландшафтной геохимии предложил русский ученый Б. Б. Полынов (1937); эта концепция рассматривает роль химических элементов в синтезе и распаде различных веществ, причем особое внимание в ней уделяется процессу выветривания. В свою очередь биогеохимия — термин, впервые предложенный другим русским ученым, В. И. Вернадским, но закрепившийся после ранних монографий Хатчинсона (Hutchinson, 1943, 1944, 1950), — занимается изучением обмена веществ (т. е. их движением в обе стороны) между живыми и неживыми компонентами биосферы. Выдержки из ключевых работ по биогеохимии представлены Помроем (Pomeroy,

1974).

На рис. 4.1 схема биогеохимического цикла дана в сочетании с упрощенной схемой потока энергии, чтобы показать, как однонаправленный поток энергии приводит в движение круговорот вещества. В природе элементы никогда или почти никогда не бывают распределены равномерно по всей экосистеме и не находятся всюду в одной и той же химической форме. На рис. 4.1 резервный фонд (т. е. та часть круговорота, которая физически или химически отделена от организмов) обозначен надписью «Фонд элементов питания», а обменный фонд представлен кольцом, идущим от автотрофов к гетеротрофам и от них снова к автотрофам. Иногда резервный фонд называют «недоступным» фондом, а активный циркулирующий фонд — «доступным» или обменным. Например, агрономы обычно измеряют плодородие почвы, оценивая концентрацию обменных форм элементов питания в той, как правило, небольшой части общего их содержания в почве, которая непосредственно доступна для растений.

Рис. 4.1. Биогеохимический цикл (кольцо) на фоне упрощенной схемы потока энергии. Обращает на себя внимание тот факт, что вещества вовлечены в процесс круговорота, а энергия течет лишь в одну сторону. Pg — валовая продукция; Pn — чистая первичная продукция, которая может быть потреблена гетеротрофами в самой системе или же экспортирована; P — вторичная продукция; R — дыхание. (Е. Odum, 1963.)

Разделение биогеохимических циклов на круговороты газообразных веществ и осадочные циклы основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот или кислород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических (или же и тех и других) фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения. Например, избыток СО2, накопившийся в каком-либо месте в связи с усиленным окислением или горением, обычно быстро рассеивается воздушными потоками; кроме того, усиленное образование СО2 компенсируется усиленным ее потреблением растениями и превращением в карбонаты в море. Круговороты газообразных веществ с их большими атмосферными фондами можно считать в глобальном масштабе «хорошо забу- ференными», поскольку их способность приспосабливаться к изменениям велика.

Как указывает Хатчинсон в своем классическом труде (Hutchinson, 1948а), человек уникален не только тем, что его организм нуждается в 40 различных элементах, но и тем, что в своей деятельности он использует почти все другие имеющиеся в природе элементы, а также ряд новых, искусственно им созданных. Человек так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность и складывается противоестественная ситуация: в одних местах возникает недостаток, а в других — избыток каких-то веществ. Например, мы добываем и перерабатываем фосфатные породы так неосторожно, что отходы производства создают вблизи шахт и заводов сильнейшее локальное загрязнение. Кроме того, с такой же крайней близорукостью мы применяем все больше и больше фосфорных удобрений в сельском хозяйстве, никак не контролируя при этом неизбежное увеличение выноса фосфатов, который сильно вредит нашим водоемам и ухудшает качество воды. О том, что человек является мощным геологическим фактором, говорилось в гл. 2 (см. с. 67).

Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете направлены на то, чтобы превратить ациклические процессы в циклические. Основной целью общества должно стать «возвращение веществ в круговорот». Начать можно было бы с воды, так как, если мы научимся восстанавливать и поддерживать круговорот воды, мы сумеем взять под контроль и те элементы питания, которые движутся вместе с водой.

Примеры

Для иллюстрации принципа круговорота достаточно трех примеров. Круговорот азота (рис. 4.2) — пример очень сложного и хорошо забуференного круговорота газообразных веществ; круговорот фосфора (рис. 4.4) — пример более простого осадочного цикла с менее совершенной регуляцией. Эти два элемента часто являются очень важными факторами, лимитирующими или контролирующими численность организмов, поэтому их много и подробно изучали. Круговорот серы (рис. 4.5) — удачный пример для иллюстра-

Рис. 4.2. Три способа изображения круговорота азота. Круговорот азота — пример сравнительно хорошо забуференного саморегулирующего цикла с большим резервным фондом в атмосфере. А. Циркуляция азота между организмами и окружающей средой; показаны также микроорганизмы, ответственные за ряд ключевых этапов. Б. Выделены основные этапы и приведены оценки количеств азота, участвующего в основных потоках. Числа в скобках — тераграммы (I Tr=IO6 т) в год. В. Основные этапы расположены таким образом, что соединения, богатые энергией, находятся вверху; это позволяет сразу отличить этапы, требующие затраты энергии, от этапов, протекающих с ее высвобождением.

иди связи между воздухом, водой и земной корой, так как сера «активно циркулирует в каждом из этих резервуаров и между ними. Круговороты серы и азота иллюстрируют ключевую роль микроорганизмов, а также осложнения, вызываемые промышленным загрязнением воздуха.

Круговорот азота. На рис. 4.2 показаны три способа изображения сложного круговорота азота; каждая из схем иллюстрирует «какую-то существенную общую особенность или движущую силу. На рис. 4.2, А подчеркивается цикличность перемещений и приведены виды микроорганизмов, осуществляющие основные типы обмена азотом между организмами и средой. Азот протоплазмы переводится из органической в неорганическую форму в результате деятельности ряда бактерий-редуцентов, причем каждый вид выполняет свою часть работы.

На рис. 4.2,Б основное внимание обращено на процессы, из которых складывается круговорот азота, а именно фиксация, ассимиляция, нитрификация, денитрификация, разложение, выщелачивание, вынос, выпадение с осадками и т. д. Показаны также некоторые оценки (числа в скобках) ежегодных глобальных потоков азота в этих процессах в тераграммах (I Tr=IO6 т), в том числе оценки двух потоков, прямо связанных с деятельностью человека, — а именно выбросов соединений азота в атмосферу и промышленной фиксации азота, продукты которой в основном поступают в форме азотных удобрений в пахотные земли. Количество последних довольно велико, оно примерно равно природной фиксации азота в атмосфере, но ниже биологической фиксации (которая, разумеется, увеличивается благодаря использованию в сельском хозяйстве бобовых культур). Так как в последнее время содержание N2 в атмосфере не менялось, можно думать, что приток азота и его отток из атмосферного резервуара (денитрификация и фиксация) в целом уравновешивают друг друга; возможно, фиксация слегка преобладает.

На рис. 4.2, В показаны энергетические взаимоотношения между компонентами круговорота азота, необходимые для функционирования этого круговорота. Ступенчатый процесс разложения бел- сков до нитратов сам служит источником энергии для организмов,

Рис. 4.3. А. Клубеньки на корнях бобового растения. В них находятся азот- фиксирующие бактерии, являющиеся симбионтами, или мутуалистами, растения. На фотографии показано бобовое — шершавоволосый люпин, разновидность, выращиваемая на Юго-Востоке США (фото Службы охраны почв США). Б. Клубеньки, возникающие на корнях древесных небобовых растений под действием азотфиксирующих актиномицетов. Показаны клубеньки5 на корнях Camptonia (семейство лавровых). (Снимок предоставлен доктором J. Torrey.)

осуществляющих это разложение, а обратный процесс требует других источников энергии, таких, как органическое вещество или солнечный свет. Например, хемосинтезирующие бактерии Nitroso- monas, превращающие аммиак в нитрит, и Nitrobacter1 превращающие нитрит в нитрат, получают энергию за счет разложения, а денитрифицирующие и азотфиксирующие бактерии используют для производимых ими превращений энергию других источников.

Примерно до 1950 г. считалось, что фиксировать атмосферный азот способны лишь следующие немногие, но широко распространенные в природе, роды микроорганизмов: Свободноживущие бактерии — Azotobacter (аэроб) и Clost- ridium (анаэроб). Симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений — Rliizobium (см. рис. 4.3). Сине-зеленые водоросли, называемые также цианобактериями — Anabaena, Nostoc, и другие члены порядка Nostocales.

Затем было обнаружено, что азот фиксируют также пурпурные бактерии Rhodospirillum и другие представители фотосинтезирующих бактерий (см. Kamen, Gest, 1949; Kamen, 1953) и что различные близкие к Pseudomonas почвенные бактерии также обладают этой способностью (см. Anderson, 1955). Позже было обнаружено, что актиномицеты (особые примитивные грибы) в корневых клубеньках ольхи (Alnus) и некоторых других, не относящихся к бобовым, древесных растений фиксируют азот не менее эффективно, чем Rhizobium в клубеньках бобовых, хотя актиноризные клубеньки устроены проще и эволюционно менее продвинуты (сравнение азотфиксации двумя типами клубеньков можно найти в работе Tjephema, Winship, 1980). До сих пор вызываемые актиномицета- ми клубеньки на корнях обнаружены у 160 видов, относящихся к родам и 8 семействам двудольных растений; кроме Alnus это Ceanothus. Comptonia, Elaeagnus9 Myrica, Casuarina9 Coriaria9 Araucaria и Ginkgo (Torrey, 1978). В отличие от бобовых, которые имеют в основном тропическое происхождение, эти фиксаторы азота возникли в умеренной зоне. Большинство этих видов приспособлены к бедным песчаным или болотистым почвам, где доступного для растений азота мало. Некоторые виды, например ольха, могут увеличивать продукцию лесов, если ее сажать вместе с деловыми породами.

У сине-зеленых водорослей (цианобактерий) фиксация азота может происходить как у свободноживущих форм, так и в симбиозах с грибами (в составе некоторых лишайников), или со мхами, папоротниками, а в одном известном случае — с семенным растением. На вайях мелкого плавающего водного папоротника Azolla имеются микроскопические поры, наполненные симбиотическими сине-зелеными водорослями Anabaena1 активно фиксирующими азот (Moore, 1969). Многие века этот папоротник играл важную роль на заливаемых рисовых полях Востока. До высаживания рассады риса залитые поля зарастают папоротником, который фиксирует достаточно азота для снабжения риса в период его созревания. Этот способ, а также стимуляция свободноживущих сине-зеленых водорослей позволяют выращивать рис сезон за сезоном на одном и том же поле, не внося удобрений. Как и в случае бактерий из клубеньков бобовых, симбиотические сине-зеленые водоросли более эффективны, чем свободноживущие [обзор фиксации азота сине-зелеными водорослями дал Питерс (Peters, 1978)].

Ключевой фермент биофиксации — нитрогеназа, катализирующая расщепление молекулы N2. Этот фермент может и восстанавливать ацетилен до этилена, на чем основан удобный способ измерения азотфиксации в клубеньках, почве, воде и вообще там, где, как полагают, может происходить фиксация. Измерение восстановления ацетилена, а также использование изотопной метки 15N привели к значительному упрощению методики измерений и позволили установить, что способность фиксировать азот широко распространена у фотосинтезирующих, хемосинтезирующих и гетеротрофных микроорганизмов. Показано даже, что водоросли и бактерии, живущие на листьях и эпифитах влажных тропических лесов, фиксируют заметные количества атмосферного азота, которые, возможно, частично используются самими деревьями. Короче говоря, биологическая фиксация азота свободноживущими и симбиотическими микроорганизмами идет и в автотрофном, и в гетеротрофном ярусах экосистем, и в аэробной, и в анаэробной зонах почвы и донных осадков.

Фиксация азота требует особенно больших затрат энергии, так как много энергии идет на разрыв тройной связи в молекуле N2 (N=N), чтобы с добавлением водорода из воды превратить ее в две молекулы аммиака (NH3). Бактерии в клубеньках бобовых расходуют на биофиксацию I г азота около 10 г глюкозы (примерно 40 ккал), полученной растением в фотосинтезе, т. е. эффективность составляет 10%. Обзор энергетической стоимости фиксации азота дает Гучик (Gutschick, 1978). При промышленной фиксации также расходуется много энергии в форме горючих ископаемых; вот почему килограмм азотного удобрения стоит дороже килограмма большинства других удобрений.

Итак, лишь прокариоты, безъядерные, самые примитивные микроорганизмы, могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы. Когда эти микроорганизмы образуют взаимно выгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота значительно усиливается. Растение предоставляет бактериям подходящее местообитание (т. е. корневые клубеньки), защищает микробов от излишка кислорода, который мешает фиксации, и поставляет им необходимую высококачественную энергию. За это растение получает легкоусваиваемый фиксированный азот.

Взаимовыгодное сотрудничество — стратегия, способствующая выживанию, очень распространено в природных системах, и человеку следовало бы перенять ее. И в самом деле, мечта современных специалистов по генной инженерии — индуцировать образование клубеньков у кукурузы, пшеницы, риса и других основных пищевых культур. Если им это удастся, такие самоудобряющиеся культуры позволят сэкономить немало средств и энергии. А пока мы могли бы более эффективно использовать широко распространенные системы фиксации азота, уже появившиеся в эволюции. Например, можно было бы лучше использовать некоторые сорта бобов в сельском хозяйстве, особенно в тропиках. Фиксаторы азота работают активнее всего, когда в среде мало соединений азота»

Биогеохимические циклы. Принципы и концепции

так что внесение азотных удобрений под бобовые практически выключает биофиксацию.

Как показано на рис. 4.2,5, из IO9 т (1000 тераграммов) азота, которые, по оценкам, усваиваются ежегодно глобальным биотическим сообществом, около 80% возвращается в круговорот с суши и из воды (из теросферы) и лишь около 20% необходимого количества — это «новый» азот, поступающий из атмосферы с дождем и в результате фиксации. Напротив, из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть используется повторно; большая же часть теряется с собираемым урожаем в результате выщелачивания (выноса водой) и денитрификации. Сейчас изучается возможность уменьшения последней статьи расхода с помощью новых синтетических химикатов, которые подавляют деятельность нитрифицирующих бактерий (Huber et al., 1977)* Если скорость нитрификации (т. е. превращения аммиака в нитрат) уменьшается, то аммонийные удобрения, сравнительно малоподвижные по сравнению с нитратными, будут оставаться в почве* Ho, как всегда, прежде чем рекомендовать к широкому использованию такие химикаты, следует внимательно проверить их влияние на другие организмы и другие процессы круговорота азота, а также влияние их выноса с водой на водные экосистемы. Kaic сообщает Баррис (Burris, 1978), использование азотных удобрений выросло в США с 1950 г. в 12 раз (с I млн. до 12 млн. т). Поскольку урожаи выросли за это время не более чем вдвое, большая часть этого массивного прироста в использовании удобрений пропала зря. Кроме того, излишек нитратов в пище и воде может быть опасным для людей (см. доклад Национальной академии наук США за 1978 г.). Напрасной траты азота и энергии можно избежать, если зерновые культуры перемежать в севообороте или на иоле с бобовыми (Heichel, 1978). Более подробные сведения о фиксации азота можно найти в работах Nutman, 1976 и Brill, 1979.

Благодаря механизмам обратной связи, обеспечивающим саморегуляцию (эти механизмы очень упрощенно показаны стрелками на рис. 4.2), круговорот азота относительно совершенен, если рассматривать его в масштабе крупных площадей или всей биосферы. Часть азота из густозаселенных областей суши, пресных вод и мелководных морей уходит в глубоководные океанические отложения и таким образом выключается из круговорота, по крайней мере на время (возможно, на несколько миллионов лет). Эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами (а также из наших «индустриальных вулканов»). Стало быть, вулканические явления нельзя считать целиком вредными; какая-то польза от них все же есть. Если бы оказалось технически возможным блокировать все вулканы на Земле, то при этом от голода вполне могло бы погибнуть больше людей, чем страдает, сейчас от извержений. Заказ № 1383

Круговорот фосфора. По структуре он несколько проще круговорота азота, поскольку фосфор встречается лишь в немногих химических формах. Как показано на рис. 4.4, этот важный и необходимый элемент протоплазмы циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями. Ho в отличие от азота резервуаром фосфора

Тис. 4.4. Круговорот фосфора. Фосфор — элемент, относительно редкий по сравнению с азотом. Отношение P:N в природных водах составляет примерно I : 23 (Hutchinson, 1944). Химическую эрозию в США оценивают величиной 34 т на I км2 в год. После возделывания целинных земель Среднего /Запада на протяжении 50 лет содержание в них Р2О5 уменьшилось на 36% (Clarke, 1924). Как видно из схемы, возвращение фосфора в почву не компенсировало его потерь, связанных с отложением фосфатов в глубоководных осадках.

служит не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Породы эти постепенно подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы, но большое количество фосфатов попадает в море, отлагаясь частично в мелководных осадках, а частично теряясь в глубоководных. Механизмы возвращения фосфора в круговорот, видимо, недостаточно эффективны и не возмещают потерь. В некоторых районах земного шара сейчас не происходит сколько-нибудь значительного поднятия отложений, а перенос на сушу рыбы не компенсирует поток фосфора с суши в море. В прошлом морские птицы, по-видимому, играли важную роль в возвращении фосфора в круговорот (вспомним колоссальные скопления гуано на побережье Перу). Этот перенос птицами фосфора и других веществ из моря на сушу продолжается и сейчас, но, видимо, не столь интенсивно, как в прошлом.

К сожалению, деятельность человека ведет к усиленной потере фосфора, что делает его круговорот менее замкнутым. Хотя человек вылавливает много морской рыбы, Хатчинсон считает, что в год этим способом на сушу возвращается всего около 60 ООО т элементарного фосфора. Добывается же на удобрения ежегодно I—2 млн. т фосфорсодержащих пород; большая часть этого фосфора смывается и выключается из круговорота. Это не должно нас особенно беспокоить, так как разведанные запасы фосфорсодержащих пород достаточно велики. Ho добыча и переработка фосфатов на удобрения местами создает серьезные проблемы с загрязнением среды, что хорошо видно на примере района залива Тампа во Флориде, где имеются огромные залежи фосфатов. В настоящее время больше всего опасений вызывает увеличение концентрации растворенных фосфатов в водных системах из-за усиленного выноса фосфора с промышленно-городскими и сельскохозяйственными сточными водами. В конце концов нам придется серьезно заняться возвращением фосфора в круговорот, если мы не хотим погибнуть от голода. Конечно, быть может, геологические поднятия в ряде районов Земли сделают это за нас, вернув на сушу «потерянные отложения». Ho кто знает? Сейчас ведутся эксперименты по «подъему» фосфора в круговорот путем опрыскивания наземной растительности сточными водами или пропускания их через естественные водно-болотистые угодья (травяные болота и болота), вместо того чтобы прямо сбрасывать эти воды в реки. Подробнее об этом см. в работах Боувера (Bouwer, 1968) и Вудвелла (Wood- well, 1977).

Во всяком случае, рассмотрите как следует схему круговорота фосфора. Его важность сильно возрастет в будущем, так как из всех макроэлементов (элементов, необходимых для всего живого в больших количествах) фосфор — один из самых редких в смысле его относительного обилия в доступных резервуарах на поверхности Земли. Фосфор как лимитирующий фактор рассматривается также в гл. 5.

Круговорот серы. На рис. 4.5 приведена подробная схема круговорота серы. Здесь хорошо видны многие основные черты био- геохимического круговорота, например: Обширный резервный фонд в почве и отложениях и меньший — в атмосфере. Ключевую роль в быстро обменивающемся фонде (центральное «колесо» на рис. 4.5) играют специализированные микроорганизмы, между которыми существует разделение труда — каждый вид выполняет определенную реакцию окисления или восстановления (см. подпись к рис. 4.5). Микробная регенерация из глубоководных отложений, в результате которой вверх движется газовая фаза (H2S), о чем уже говорилось на с. 49.

Рис. 4.5. Круговорот серы, охватывающий воздух, воду и почву. «Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата (SO4) и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и в осадках. Специализированные микроорганизмы выполняют следующие реакции: H2S-vS-gt;S04— бесцветные, зеленые и пурпурные серобактерии; SO4-^H2S (анаэробное восстановление сульфата) — Desulfovibrio; H2S-*- -gt;S04 (аэробное окисление сульфида) — тиобациллы; органическая S в SO4 и H2S — аэробные и анаэробные гетеротрофные микроорганизмы соответственно. Метаболизм этих различных серобактерий описан в гл. 2. Первичная продукция, разумеется, обеспечивает включение сульфата в органическое вещество, а экскреция животными служит путем возвращения сульфата в круговорот. Двуокись серы (SO2), выделяющаяся в атмосферу при сжигании горючих ископаемых, особенно угля, является одним из самых опасных компонентов промышленных выбросов.

Взаимодействие геохимических и метеорологических процессов (эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, абсорбция — десорбция и т. д.) с биологическими процессами (продукция и разложение). Взаимодействие воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота в глобальном масштабе.

Сульфат (SO4), аналогично нитрату и фосфату, — основная доступная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки (сера входит в состав ряда аминокислот). Экосистеме требуется не так много серы, как азота и фосфора, и сера реже бывает фактором, лимитирующим рост растений и животных. Тем не менее круговорот серы, как было указано в гл. 2, разд. 3, является ключевым в общем процессе продукции и разложения биомассы. Например, когда в осадках образуются сульфиды железа, фосфор из нерастворимой переводится в растворимую

форму («Высвобождение фосфора» на рис. 4.5) и становится доступным для организмов. Это прекрасный пример того, как один круговорот регулируется другим. Регенерация фосфора в круговороте серы наиболее выражена в анаэробных осадках водно-болотистых угодий (Patrick et al., 1973, 1974), которые занимают важное место также и в круговоротах азота и углерода. В гл. 2 мы уже говорили об интересном метаболизме некоторых серобактерий (с. 43 и 46), а в гл. 3 отмечали важность пищевой цепи восстановленной серы (см. рис. 3.11,5).

Влияние загрязнения воздуха. Круговороты азота и серы все больше подвергаются влиянию промышленного загрязнения воздуха. Оксиды азота (N2O и NO2) и серы (SO2) в отличие от нитратов и сульфатов токсичны в различной степени. Обычно эти соединения возникают только как промежуточные продукты в ходе круговоротов соответствующих элементов и в большинстве местообитаний присутствуют лишь в очень малых концентрациях. Ho «сжигание ископаемого топлива увеличило содержание этих летучих окислов в воздухе, особенно в городах, до такой степени, что оти уже становятся опасными для важных биотических компонентов экосистем. Если отравляются растения, рыбы, птицы или микробы, то рано или поздно это повредит и человеку. Эти окислы составляют около одной трети всех промышленных загрязнений воздуха над США. К счастью, принятие закона о чистоте воздуха в 1977 г. и введение более строгих стандартов на допустимые выбросы сократили объем загрязнений, так что Совет по качеству окружающей среды в своем отчете за 1979 г. смог констатировать, что «качество воздуха в США в целом улучшается». Эта тенденция должна развиваться, так как современное положение нельзя назвать «хорошим», оно лишь менее «плохое», чем было.

Основной источник SO2 — сжигание угля, a NO2 — выхлопные газы и другие промышленные выбросы. Можно сказать, что в таких выбросах азот «фиксирован», но в более ядовитой форме, чем при естественной биологической фиксации. Двуокись серы вредна для фотосинтеза, что было показано в начале 50-х годов, когда в районе Лос-Анджелеса были обнаружены признаки повреждения листовых овощей, плодовых деревьев и лесов. Гибель растительности вокруг медеплавилен, описанная на с. 38—41, вызывается в основном двуокисью серы. Кроме того, SO2 реагирует с водяным паром и образует капельки слабой серной кислоты (H2SO4), которые падают на землю с кислым дождем. Это действительно опасное явление все больше привлекает внимание общественности и исследователей. Кислый дождь — это уже не только местная проблема городов и окружающих районов; его влияние распространилось на девственные районы Адирондака и Аппалачей. Он стал также крупной проблемой в Скандинавии и на севере Европы. Строительство высоких дымовых труб на угольных ТЭЦ уменьшило местное загрязнение воздуха, но во многом ухудшило общее положение, так как, чем дольше окислы остаются в слое облаков* тем больше образуется кислоты. Это хороший пример краткосрочного «быстрого решения» проблемы, которое создало более серьезную долгосрочную проблему. Настоящим средством было бы удаление серы из топлива или из выбросов. Сильнее всего кислый дождь влияет на озера с мягкой водой и на кислые почвы, где нет буферов pH (например, карбонатов, солей кальция и других щелочных соединений). Увеличение кислотности (снижение pH) в некоторых адирондакских озерах сделало их непригодными для жизни- рыб.

Окислы азота также угрожают качеству жизни. Они раздражают дыхательные мембраны высших животных и человека. Кроме того, химические реакции с другими загрязнителями обусловливают синергический эффект (общее воздействие продуктов реакции больше суммарного воздействия каждого из реагирующих веществ), увеличивающий опасность. Например, под действием ультрафиолетового излучения Солнца NO2 вступает в реакцию с продуктами неполного сгорания углеводородов (NO2 и углеводороды содержатся в большом количестве в выхлопных газах), в результате возникает фотохимический смог, не только раздражающий глаза, но и не менее курения сигарет опасный для здоровья.

Более подробные сведения о круговоротах N, P и S можно найти в шведском обзоре под редакцией Свенсона и Седерлунда (Svenson, Soderlund, 1976). Обзор влияния загрязнения воздуха на растительность дал Козловски (Kozlowski, 1980).