Круговорот углерода

Биологический круговорот углерода проще круговорота кислорода, так как в нем участвуют только органические соединения и диоксид углерода. Фонды углерода в атмосфере обширны. Основная его масса аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3*10¹⁶ т), в кристаллических породах (1*10¹⁶ т), каменном угле и нефти (0,34*10¹⁶ т) В атмосфере углекислого газа относительно немного (1,3*10¹² т), менее 1/10000 общего запаса углерода.

Аккумулированный углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте Земли. Влияние этого круговорота на краткосрочное функционирование экосистемы незначительно. Поэтому жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшим количеством углерода, участвующего в малом круговороте. Фотосинтез и дыхание полностью комплементарны, (от лат. «complementum», дополнение). Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в диоксид углерода.

Биологический круговорот углерода протекает по схеме: биоассимиляция углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями - потребление органических соединений животными - окисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходов - возврат углекислого газа в атмосферу. Если принять за 100% углерод, ассимилированный растениями в ходе фотосинтеза, то примерно 30% возвращается в фонд атмосферного углекислого газа в результате дыхания растений, а остальные 70% обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в растительноядных и детритных пищевых цепях.

В наземных экосистемах в круговорот вовлекается ежегодно 12% содержащегося в атмосфере углекислого газа. Поэтому углерод сравнительно быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Время переноса атмосферного углерода равно примерно восьми годам. В связи с этим система круговорота атмосферного углерода значительно более чувствительна к внешним воздействиям, чем таковая кислорода. С середины. XIX в. ускорился процесс перехода углекислого газа в атмосферу за счет сжигания топлива. Его содержания в атмосфере увеличилось на 22% и продолжает расти. Такое положение вызывает серьезную озабоченность, так как нарушается сложившееся в природе энергетическое равновесие.

Круговорот азота

Азот - один из главных биогенных элементов. Основным резервуаром газообразного азота служит атмосфера (78% объема воздуха).

Однако в отличие от углекислого газа круговорот азота связан с рядом особенностей. Во-первых, усваивать азот из воздуха могут только отдельные виды так называемых азотфиксирующих организмов - некоторые сине-зеленые водоросли и симбиотические бактерии бобовых растений. Во-вторых, являясь химически весьма инертным, азот не принимает непосредственного участия, как углерод, в высвобождении энергии при дыхании, он только входит в состав белков и нуклеиновых кислот. В-третьих, разложение азотсодержащих веществ с выделением газообразного азота осуществляется, как правило, в несколько стадий с помощью целого ряда специализированных микроорганизмов. В связи с этим большая часть биохимических превращений происходит в почве, где доступность азота растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений.

Содержание азота в тканях живых организмов около 3%. В окружающую среду органический азот попадает в виде аминогруппы NH₂ или мочевины CO(NH₂)₂. Процессы аммонификации и нитрификации происходят при участии специализированных бактерий. При недостатке кислорода в почве бактерии могут использовать кислород нитратов и нитритов. В процессе денитрификации азот переводиться в газообразное состояние и частично фиксируется клубеньковыми растениями, а остальная часть удаляется из активных фондов почвы и попадает в виде свободного азота в атмосферу.

В естественных условиях процессы связывания и освобождения азота уравновешивают друг друга. Искусственное внесение азота с удобрениями достигло 30 млн. т. в год и сравнялось с естественным потоком азота в биосфере, что привело к избытку азота в некоторых почвах и водоемах. Однако глобального нарушения круговорота азота пока не произошло.

Круговорот фосфора

К круговоротам основных химических элементов, имеющих газовую фазу, примыкают так называемые осадочные круговороты. Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, его содержание в земной коре не превышает 1%.

Основным источником фосфора служат изверженные и осадочные породы.

Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию при их вы­щелачивании и растворении в континентальных водах. На суше неорганический фосфор поглощается растениями и переводится в состав живого вещества растений и потребляющих растения животных. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и экскрементами животных возвращаются в землю, подвергаются переработке микроорганизмами и снова включаются в круговорот.

Фосфор доступен растениям только в узком диапазоне кислотности - в слабокислой среде, при другой кислотности он переходит в нерастворимые соединения, и становиться не­доступным для них.

С текучими водами фосфор поступает в водоемы в виде фосфатов. Если на суше его круговорот происходит в сравнительно благоприятных условиях, то в водоемах дело обстоит сложнее. Отмершие организмы накапливаются в донных отложениях. Разложение органики вблизи дна замедлено вследствие недостаточного притока кислорода. Минерализованный фосфор образует нерастворимые соединения с трехвалентным железом, кальцием и прочно удерживается в осадке. Происходит обеднение фосфором верхних слоев воды. Это обстоятельство ограничивает развитие водной растительности.

Во многих водоемах возврат фосфора из донных отложений происходит в основном только при сезонном перемещении вод. В мелких водоемах важную роль в поддержании круговорота фосфора играет его анаэробный возврат - в этом случае в водоеме создаются восстановительные условия. При этом железо переходит в растворимую двухвалентную форму с одновременным высвобождением растворимых фосфатов. Фосфаты возвращаются в верхние слои воды с пузырьками метана, сероводорода и при перемешивании вод. Анаэробный возврат фосфора в жаркое время нередко бывает причиной массового «цветения» водоемов.

Ежегодный вынос фосфора в водные объекты оценивается в 1,4*10⁷ т. Скорость его обратного переноса на сушу птицами и продуктами рыбного промысла значительно меньше - около 10⁵ т/год. Искусственное внесение удобрений в наземные агроценозы оценивается в 7*10⁷ т/год, причем заметная доля их смывается с полей в водоемы.

Таким образом, механизмыестественного возврата фосфора на сушу не способны сегодня компенсировать потери этого элемента. Поскольку на Земле запасы фосфора малы и круговорот его недостаточно совершенен, любые воздействия человека на его биогеохимиче­ский круговорот могут привести к серьезным последствиям.

Круговороты других биогенных элементов изучены в меньшей степени, чем круговорот фосфора, но все они происходят по похожей схеме с рядом своих особенностей. При этом следует отметить, что перемещение минеральных солей - это очень важный фактор. Человек, расширяя сельскохозяйственную деятельность, забирает вместе с продукцией и входящие в ее состав минеральные элементы. Поэтому необходимо знать, сколько минеральных солей извлекается из почвы, чтобы вернуть ей идентичное количество. Ранее этот процесс обеспечивался естественным круговоротом минеральных солей, но теперь в зонах деятельности человека этот процесс необходимо регулировать.

Круговорот воды

Роль воды в происходящих в биосфере процессах огромна. Без воды невозможен обмен веществ в живых организмах. С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физиологического испарения добавился более сложный процесс биологического испарения (транспирация), связанный с жизнедеятельно­стью растений и животных.

Кратко круговорот воды в природе можно описать следующим образом. Вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, которые образуются главным образом из водяного пара, попадающего в атмосферу в результате физического испарения и испарения воды растениями. Одна часть этой воды испаряется прямо с поверхности водных объектов или косвенно, при посредстве растений и животных, а другая питает подземные воды.

Характер испарения зависит от многих факторов. Так, с единицы площади в лесной местности испаряется значительно больше воды, чем с поверхности водного объекта. С уменьшением растительного покрова уменьшается и транспирация, а, следовательно, и количество осадков.

Поток воды в гидрологическом цикле определяется испарением, а не осадками. Способность атмосферы удерживать водяной пар ограниченна. Увеличение скорости испарения ведет к соответствующему увеличению осадков. Вода, содержащаяся в воздухе в виде пара в любой момент, соответствует в среднем слою толщиной 2,5 см., равномерно распределенному по поверхности Земли. Количество осадков, выпадающих в год, составляет в среднем 65 см. Следовательно, водяные пары атмосферного фронта ежегодно совершают круговорот примерно 25 раз (раз в две недели).

Содержание воды в водных объектах и почве в сотни раз больше, чем в атмосфере, однако она протекает через два первых фонда с одинаковой скоростью. Среднее время переноса воды в ее жидкой фазе по поверхности Земли около 3650 лет, в 10000 раз больше, чем время ее переноса в атмосфере. Человек в процессе хозяйственной деятельности оказывает сильное воздействие на основу гидрологического цикла - испарение воды.

Загрязнение водных объектов и в первую очередь морей и океанов нефтепродуктами резко ухудшает процесс физического испарения, а уменьшение площади лесов - транспирацию. Это не может не сказаться на характере круговорота воды в природе.

Глобальные круговороты жизненно важных биогенных элементов распадаются в биосфере на множество мелких круговоротов, приуроченных к локальным местам обитания различных биологических сообществ. Они могут быть более или менее сложными и в разной степени чувствительными различного рода внешним воздействия. Но природа распорядилась так, что в естественных условиях эти биохимические круговороты являются «образцовыми безотходными технологиями». Цикличность охватывает 98-99% биогенных элементов и лишь 1-2% уходит даже не в отходы, а в геологический запас.

В отличие от простого переноса — перемещения минеральных элементов в большом круговороте, — в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. Эти два лежащих в основе жизни процесса находятся в определенном соотношении, что и составляет одну из главных ее особенностей.

Уникальные свойства живого вещества и его биогеохимические функции, проявляющиеся в способности трансформировать газы и концентрировать химические элементы, объясняют его способность совершать грандиозную по масштабам и последствиям геохимическую работу на планете.

Как было отмечено выше, основой функционирования природной системы (ПС) являются энергетические и вещественные связи. Вещество в ПС движется по замкнутому кругу, формируя биогеохимический круговорот.

На пути от автотрофов к гетеротрофам питательные элементы могут попадать в так называемые резервные фонды, своеобразные отстойники. Вещества здесь малоподвижны и проходят лишь минеральные превращения, не связанные с живой материей. Такими резервными фондами являются, например, залежи угля, отложения карбонатных пород на дне моря. Резервными фондами можно считать также запасы древесины в лесных экосистемах, залежи торфа, лесную подстилку, перегной, запасы углерода в форме углекислоты в атмосфере, гидросфере, почве, растворённые в водах химические элементы, сами воды.

По скорости движения вещества и стабильности резервные фонды неоднородны. В границах резервного фонда можно выделить легкодоступную живым организмам массу вещества. Такое вещество, как правило, сосредоточено в высокоподвижных геосферах, в которых потоки вещества движутся значительно энергичнее, чем в остальной части резервных фондов. Это вещество имеет значительно больше шансов быть вовлеченным в биологические трофические цепи. Такую массу вещества называют обменным фондом.

Резервные фонды атмосферы, гидросферы и биосферы обычно легко доступны, вещество из них легко извлекается и так же легко в них возвращается, поэтому происходящие здесь процессы отличаются относительной стабильностью. Значительно труднее извлекается вещество из фонда осадочного цикла (из литосферы). Поэтому идущие с участием этого фонда процессы менее активны, неустойчивы. Здесь поступление в резерв идёт более быстрыми темпами, чем извлечение из него. Процесс извлечения и возврата вещества в резервные фонды является частью биогеохимических циклов.

В процессе эволюции биогеохимические циклы приобрели почти замкнутый, круговой характер. Благодаря этому поддерживается известное постоянство, динамическое равновесие состава, количества и концентрации вовлечённых в круговорот веществ. В то же время, за счёт неполной замкнутости биологического круговорота в атмосфере накапливается азот, кислород, в земной коре – соединения углерода (нефть, уголь, газ), в океане – различные соли.

Благодаря высокой подвижности атмосферы и наличию в ней большого обменного фонда, некоторые круговороты (кислорода, углерода, азота) обладают способностью быстрой саморегуляции. Например, образовавшиеся локальные сгущения углекислого газа быстро рассеиваются и более быстро поглощаются растительностью.

Круговороты, идущие в режиме осадочных циклов (обороты серы, фосфора, железа), менее активны и мало регулируемы. Основная масса этих веществ сосредотачивается в малоподвижной литосфере.

Как для геологического, так и биологического круговоротов характерна необратимость. В них обязательно привносятся новые элементы, новые условия, иные ритмы и звенья циклов. Постоянно накапливаясь, эти различия с каждым новым циклом приводят к заметным изменениям даже в биологических системах. Часть элементов периодически выпадает из круговорота, задерживается на то или иное время в тупиках, что приводит к развитию биосферы.

Контрольные вопросы по теме:

1. Что такое большой и малый круговорот веществ, чем они отличаются?

2. Опишите круговорот кислорода и углерода.

3. В чем особенность круговорота фосфора, его отличие от круговорота других биогенных веществ?

4. Опишите круговорот азота, какова роль азота как биогенного вещества биосферы?

5. Круговорот воды, роль транспирации в круговороте воды.