Круговорот веществ в биосфере.

Важное свойство биосферы – наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ – геологический, или большой, круговорот и биологический, малый, круговорот.

Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды. На Землю от Солнца ежегодно поступает 5,24 х 10²⁴ Дж энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды. При этом из океана испаряется больше воды, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда – снова в океан (перенося при этом определенное количество минеральных соединений). Это и обусловливает большой круговорот в биосфере, основанный на том, что суммарное испарение воды с Земли компенсируется выпадением осадков.

С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического вещества, биологический (малый) круговорот.

По мере развития живого вещества из геологического круговорота постоянно извлекаются все больше элементов, которые вступают в новый биологический круговорот. В отличие от простого переноса минеральных веществ в геологическом, как в виде растворов, так и в виде механических осадков, в биологическом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. В противоположность геологическому, биологический обладает небольшой энергией. На создание органического вещества, как правило, затрачивается всего 0,1-0,2 % всей поступающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот – 50%). Несмотря на это, энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию первичной продукции.

С появлением на Земле живой материи химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом.

Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.

Биогенная миграция вещества – одна из форм всеобщей миграции элементов в природе. Под биогенной миграцией следует понимать миграцию органического и косного вещества, участвующего в росте и развитии живых организмов и производимого ими в результате сложных биохимических и биогеохимических процессов. В.И. Вернадский сформулировал закон биогенной миграции атомов, который гласит:

Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СО₂, Н₂ и т.д.) обусловлены живым веществом (тем, которое населяет биосферу в настоящее время и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории).

Человек воздействует прежде всего на биосферу и ее живое население, поэтому он тем самым изменяет условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для глубоких химических перемен. Таким образом, процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека, и при глобальном масштабе практически неуправляемым.

С точки зрения планетарного круговорота вещества наиболее важным является почвенно-ландшафтный, гидросферный и глубинный (внутриземной) циклы. В первом из них осуществляется извлечение химических элементов из горных пород, воды, воздуха, разложение органического вещества, поглощение и синтез различных органических и органо-минеральных соединений. В гидросферном цикле главную роль играют состав воды и биологическая активность живых организмов. Биопродуцирование вещества осуществляется при господствующем участии фито- и зоопланктона. В глубинном цикле биогенной миграции наиболее важная роль принадлежит деятельности анаэробных микроорганизмов.

Процессы, происходящие в различных оболочках Земли, находятся в состоянии динамического равновесия, и изменение какого-либо из них влечен за собой бесконечные цепочки подчас необратимых явлений. В каждом природном круговороте целесообразно различать две части, или два «фонда»:

- резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном, неорганической природы;

- подвижный, или обменный, фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой.

Обменный фонд образуется за счет веществ, которые возвращаются в круговорот либо за счет первичной экскреции (от лат. – выделенное) животными, либо при разложении детрита микроорганизмами.

Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:

- круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;

- осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Круговорот азота. Круговорот азота – это пример саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере. Воздух, на 78% состоящий из азота, представляет собой крупнейший «резервуар» и одновременно, вследствие своей малой химической активности, - «предохранительный клапан» системы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий и постоянно извлекается из атмосферы в результате деятельности азотфиксирующих бактерий и некоторых водорослей (биохимическая фиксация азота), а также действия электрических разрядов при грозе. Круговорот азота складывается из следующих процессов:

- фиксация азота свободноживущими и симбиотическими почвенными бактериями и сине-зелеными водорослями;

- ассимиляция азота растениями, включение его в белки и другие азотсодержащие вещества;

- передача органических соединений азота в пищевых цепях;

- аммонификация органических соединений азота – освобождение азота в виде ионов аммония (NH⁺) из мертвого органического вещества, осуществляется почвенными микроорганизмами-аммонификаторами;

- нитрификация – окисление иона аммония до нитрита (NО₂^-) или нитрита до нитрата (NО₃^-). Идет при участии почвенных микроорганизмов нитрификаторов;

- денитрификация – восстановление нитритов и нитратов до газообразного молекулярного азота N₂, происходит в почве благодаря работы микроорганизмов денитрификаторов.

Таким образом, круговорот азота обязан своей замкнутостью именно почвенным бактериям. В целом круговорот азота замедленный и полностью зависит от живого вещества. В литосфере запасы неорганического азота отсутствуют. Лишь иногда в засушливых районах могут накапливаться нитраты Nа (селитра). Запасы органического азота, так называемое гуано – продукт разложения птичьего помета в «птичьих базарах» накапливается на островах у западного побережья Южной Америки.

Человеческая деятельность нарушает цикл азота. При распашке земель снижается активность микроорганизмов азотфиксаторов примерно в 5 раз, увеличивается активность денитрификаторов, что ведет к снижению почвенного плодородия.

Круговорот углерода. В круговороте углерода (углекислого газа) атмосферный фонд очень невелик в сравнении с запасами углерода, входящего в состав многочисленных органических и неорганических соединений. Источником первичного СО₂ является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией магмы и нижних горизонтов земной коры. Миграция СО₂ идет двумя путями. Первый заключается в связывании его в процессе фотосинтеза и образовании органического вещества, которое откладывается в глобальном масштабе в виде многолетнего детрита: торфа, нефти, газа, угля. По второму пути миграция СО₂ идет в водоемах с созданием карбонатной системы: так как СО₂ легко растворяется в воде, образуется слабая угольная кислота, в воде она может находиться в виде ионов – карбонатов и гидрокарботнатов, процесс идет по схеме: СО₂ – Н₂ СО₃ – Н СО₃^-, СО₃^2-. Карбонаты осаждаются ионами Са и Мg, причем это может осуществляться как абиогенно, так и биогенно. Возникают толщи известняков. По некоторым данным отношение фотосинтезированного СО₂ к известковому равно 1: 4. Возвращение углерода в атмосферу происходит также двумя путями: дыхание растений и животных, дыхание почв, разложение растительных и животных останков, по второму пути – возврат в атмосферу из литосферы известняков, гашение извести и мела. Основным источником этих поступлений считается массовое сжигание многолетнего детрита, горючих ископаемых. Свой вклад вносят развитие сельского хозяйства и уничтожение лесов. Леса – важные накопители углерода, так как в их биомассе содержится в 1,5 раза, а в лесном гумусе – в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере. Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. В настоящее время замкнутость круговорота углерода снизилась примерно на один порядок (т.е. уменьшилась примерно в 10 раз), что при сохранении подобной тенденции может привести к глобальной экологической проблеме.

Последние 100 лет содержание СО₂ постоянно растет в результате новых антропогенных наступлений.

Круговорот фосфора. Круговорот фосфора – пример осадочного цикла с резервным фондом в земной коре. Фосфор – важный и необходимый элемент для живых организмов. Он циркулирует, переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями. Водоросли и наземные растения содержат до 0,1% фосфора, животные от 0,1 % до нескольких процентов.

Общий круговорот фосфора состоит из двух частей – морской и наземной. В горных породах фосфор сосредоточен в основном в фосфоритах и апатитах (всего известно 190 фосфорсодержащих минералов). В процессе выветривания (разрушение горных пород под действием физических и химических атмосферных факторов) и перемещения продуктов выветривания горных пород водой, ветром, льдом или под действием силы тяжести фосфор переносится природными водами в Мировой океан. В соленых морских водах фосфор переходит в состав фитопланктона, который служит пищей другим организмам моря, с последующим накоплением в тканях морских животных, в частности рыб. Определенное количество фосфора переносится на сушу морскими птицами и благодаря рыболовству. Основное количество фосфора остается в недрах Мирового океана.

Круговорот фосфора незамкнутый, большая его часть оседает на дне океанов, поэтому на суше фосфор относится к числу дефицитных.