Глава 4. Биогеохимические циклы

В экосистемах очень важна роль биогеохимических циклов. Биогенные элементы – C, O₂, N₂, P, S, CO₂, H₂O и другие – в отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. В каждом круговороте различают два фонда: резервный, включающий большую массу движущихся веществ, в основном небиологических компонентов, и подвижный, или обменный, фонд – по характеру более активный, но менее продолжительный, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Биогеохимические циклы можно подразделять на два типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан); 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Из 90 с лишним элементом, встречающихся в природе, 30-40 необходимы для живых организмов. Человек уникален не только тем, что его организм нуждается в 40 элементах, но и тем, что в своей деятельности использует почти все другие имеющиеся в природе элементы.

Круговорот азота. Азот составляет около 80% атмосферного воздуха и является крупнейшим резервуаром и предохранительным клапаном атмосферы. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении всех белков и нуклеиновых кислот. Усваивать азот из воздуха способны только некоторые организмы – бактерии, которые существуют в симбиозе с бобовыми растениями (горох, фасоль, соя). Они поселяются на корнях бобовых растений, образуя клубеньки, в которых и происходит химическая фиксация азота. Азот могут усваивать также сине-зеленые водоросли, называемые цианобактериями. Они образуют симбиоз с плавающим папоротником, который растет на заливаемых водой рисовых полях и до высадки рассады риса удобряет эти поля азотом. Первый этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию аммиака и называется аммонификацией. Аммиак используется растениями для синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Второй этап фиксации азота микроорганизмами – нитрификация, при этом образовавшийся аммиак преобразуется в соли азотной кислоты – нитраты. Нитраты усваиваются корнями растений и транспортируются в листья, где происходит синтез белков. Процесс разложения белков, осуществляемый особой группой бактерий, называется денитрификацией. Распад идет сначала с образованием нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. Содержание азота в живых тканях составляет около 3% его содержания в обменных фондах экосистем. Общее время круговорота азота – примерно 100 лет.

Круговорот углерода. Круговороты углекислоты и воды в глобальном масштабе – самые важные для человечества биогеохимические круговороты.

В круговороте СО₂ атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Но в ХХ в. содержание СО₂ постоянно растет в результате новых техногенных поступлений (сжигание горючих ископаемых, деградация почвенного слоя, сведение лесов и т.д.). В 1800 г. в атмосфере Земли содержалось 0,29% СО₂; в 1958 – 0,315%, а к 1980 г. его содержание выросло до 0,335%. Если концентрация СО₂ вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться в середине ХХI в., то температура поверхности Земли и нижних слоев атмосферы в среднем повысится на 3⁰. В результате подъем уровня моря и перераспределение осадков могут погубить сельское хозяйство.

 

 

Флора и фауна

 

 

Денитрификация с образованием N2O и свободного азота Продукция и ассимиляция Аммонификация и образование
Аммиака NH3	Иона аммония NH4

 

 

 

Рис.1. Основные биохимические этапы круговорота азота

Биологический круговорот углерода достаточно прост; в нем участвуют только органические соединения и СО₂. Весь потребленный в процессе фотосинтеза углерода включается в углеводы, а в процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в СО₂. Растения потребляют ежегодно около 100 млрд.т углерода, 30 млрд.т возвращаются в атмосферу в результате дыхания растений. Остальные 70 млрд.т обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в различных трофических цепях. Растения и животные ежегодно пропускают через себя 0,25-0,30% углерода, содержащегося в атмосфере и океанах. Весь обменный фонд углерода совершает круговорот каждые 300-400 лет.

Кроме СО₂ в атмосфере присутствует в небольших количествах окись углерода – СО (примерно 0,1 части на миллион). Однако в городах с сильным автомобильным движением содержание СО может достигать 100 частей на миллион, что представляет уже угрозу для здоровья человека. Для сравнения можно привести другой пример: курильщик, потребляющий в день пачку сигарет, получает до 400 частей на миллион, что часто является причиной анемии и других сердечно – сосудистых заболеваний.

Другое соединение углерода в атмосфере – метан (СН₄). Его содержание составляет 1,6 частей на миллион. Считается, что метан поддерживает стабильность озонового слоя в атмосфере.

Круговорот воды. Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека - по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны.

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса:

• перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это - физическое испарение;

• транспирация - биологическое испарение воды растениями.

Это не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т.е. экосистемная. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

• инфильтрация - просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

• сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.

Круговорот фосфора. Фосфор - один из наиболее важных биогенных компонентов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем аккумуляции и переноса энергии, костной ткани и дентина. Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью организмов.

В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора служат не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Круговорот фосфора - типичный пример осадочного цикла.

Круговорот второстепенных элементов. Второстепенные элементы подобно жизненно важным мигрируют между организмами и средой, хотя и не представляют ценности для организмов. Но в окружающую среду часто попадают побочные продукты промышленности, содержащие высокие концентрации тяжелых металлов, радиоактивные элементы и ядовитые органические соединения.

Радиоактивный Sr-90 крайне опасен для человека и животных. По химическим свойствам он похож на кальций и поэтому, попав в организм, накапливается в костях и оказывается в опасном контакте с костным мозгом - кровеносной тканью.

Радиоактивный Cs-137 - по свойствам схож с калием и поэтому быстро циркулирует по пищевым цепям.

Sr-90 и Cs-137 - новые вещества, которые не существовали в природе до того, как человек расщепил атом. Они характеризуются длительными периодами полураспада. Аккумуляция этих радиоактивных изотопов в организме человека создает постоянный источник облучения, приводящего к канцерогенезу.

Для того, чтобы количественно определить повторно используемую часть вещества в обороте, предложен коэффициент рециркуляции - отношение суммарных количеств вещества, циркулирующих между разными отделами системы, к общему потоку вещества через всю систему: CI = TST_с/TST, где СI - коэффициент рециркуляции, TST_C - рециркулируемая доля потока через систему и TST - общий поток вещества через систему..

Элементы, которые человек считает ценными (платина, золото), повторно используются на 90% и более. Однако коэффициент рециркуляции энергии равен нулю.

Вопросы

1. Что такое биогеохимические циклы?

2. Как происходит круговорот биогенных элементов?

3. Что такое коэффициент рециркуляции?

4. Какие существуют фазы круговорота в пределах экосистем?

5. Круговороты каких соединений особенно важны для человечества?

Тесты

1. Что такое биогеохимические циклы?

а) круговорот веществ из внешней среды в организмы;

б) замкнутый круговорот биогенных элементов;

в) непрерывный круговорот биогенных элементов из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду.

2. Дайте определение природной среды.

а) совокупность объектов природы;

б) совокупность условий природы;

в) совокупность объектов и условий природы, где происходит деятельность какого-либо субъекта.

3. Охарактеризуйте резервный фонд круговорота веществ.

а) фонд, включающий большую массу движущихся веществ;

б) фонд, включающий массу движущихся биологических компонентов;

в) фонд, включающий большую массу движущихся небиохимических компонентов.

4. Охарактеризуйте подвижный (обменный) фонд круговорота веществ.

а) фонд, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами;

б) фонд, включающий большое количество биогенных элементов;

в) фонд, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

5. Что показывает коэффициент рециркуляции?

а) рециркулируемую долю потока через систему;

б) общий поток вещества через систему;

в) отношение суммарных количеств вещества, циркулирующих между разными отделами системы, к общему потоку вещества через всю систему.