КРУГОВОРОТЫ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызванная энергией Солнца. Солнечная энергия вызывает на Земле два вида круговоротов веществ:

большой (биогеохимический), протекающий в пределах биосфе-ры; малый (биотический), проходящий в границах элементарных эко-

логических систем (рис. 2.3).

Круговорот веществ –закономерный процесс многократногоучастия веществ в явлениях, протекающих в биосфере планеты. Веще-ство , вовлеченное в круговорот, не только перемещается, но и испыты-вает трансформацию и нередко меняет свое физическое и химическое состояния. Особенно активную роль в ускорении круговорота и транс-формации играют живые организмы.

Большой (биогеохимический) круговорот веществ –это безос-

тановочный планетарный процесс закономерного циклического, нерав-номерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обнов-ляющиеся экологические системы биосферы.

Малый круговорот веществ развивается на основе большого и за-ключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микроорганизмами и животными.

Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой единый процесс, который обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.

На нашей планете всегда существовал геохимический круговорот веществ, но с появлением жизни на Земле геохимические связи стали биогеохимическими – более сложными и разнообразными. Поэтому го-ворят о биогеохимическом круговороте веществ, или биогеохимическом цикле.

Различают три основных типа биогеохимических круговоротов:

круговорот воды; круговорот элементов преимущественно в газовой фазе (кисло-

род, углерод, азот и др.); круговорот элементов преимущественно в твердой и жидкой фа-

зах (фосфор, калий, кальций и др.).

Круговорот углерода(рисунок3.2)на суше начинается с фикса-ции углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза.

Рисунок 3.2 – Круговорот углерода

Из СО₂ и Н₂О образуются углеводы и высвобождается кислород. Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными . Отжившие животные и растения разлагаются микроорга-низмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Кроме

того, углерод частично выделяется на всех стадиях круговорота в соста-ве СО₂ во время дыхания растений и животных. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Круговорот азота(рисунок3.3).Азот,которого очень много ватмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водо-родом или кислородом. Это, как правило, происходит в результате раз-личных физических явлений, протекающих в атмосфере (атмосферная фиксация) и производстве (промышленная фиксация), а также в резуль-тате действия азотфиксирующих бактерий или водорослей (биофикса-ция) . Соединения азота используются растениями и через них по пище-вым цепям попадают к животным. Растительные и животные отходы, мертвые организмы разлагаются, и с помощью денитрифицирующих бактерий происходит восстановление азота и возвращение его в атмо-сферу.

Рисунок 3.3 – Круговорот азота

Круговорот фосфора(рисунок3.4) –пример простого незамкну-того цикла. Фосфор совершает круговорот в наземных экосистемах. Биоредуценты минерализуют органические соединения фосфора, кото-рые вновь потребляются корнями растений.

Рисунок 3.4 – Круговорот фосфора

Громадные запасы фосфора, накопившиеся в прошлые геологиче-ские эпохи , содержат горные породы. В процессе разрушения эти поро-ды отдают наземные фосфаты экосистемам. Однако значительное количество их оказывается включенным в круговорот воды, выщела-чивается и увлекается в море. Здесь фосфор вовлекается в пищевые це-пи, а затем с отмершими остатками погружается в океанические глуби-ны. Частичный возврат фосфатов на сушу возможен с помощью мор-ских птиц и благодаря рыболовству.

Биогеохимические круговороты веществ и связанные с ними пре-вращения энергии являются основой динамического равновесия и ус-тойчивости биосферы. Нормальные, ненарушенные биогеохимические циклы имеют почти круговой, почти замкнутый характер. Этим под-держивается известное постоянство и равновесие состава, количества и концентрации компонентов в биосфере, например, состава атмосферно-го воздуха, концентрации солей в воде океанов и т .п . В свою очередь, подобное постоянство обусловливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов к существованию на Земле.

С другой стороны, неполная замкнутость циклов в геологическом масштабе времени приводит к концентрированию или рассеиванию от-дельных элементов. Например, концентрирование азота и кислорода в

атмосфере, воды в океанах, образование залежей фосфатов, железной руды и т.п.

Общепланетарные биогеохимические циклы, существующие в биосфере, складывались длительное время и протекают довольно мед-ленно. По оценкам ученых , полный оборот углекислого газа в атмосфе-ре, т.е. время его полного замещения, составляет 300 лет, кислорода – 2000 лет. В этих пределах колеблется и продолжительность круговоро-тов других элементов.

Огромные по размерам и происходящие в крайне короткие сроки (порядка десятков лет) масштабы антропогенных воздействий на био-сферу нарушают установившиеся скорости биогеохимических кругово-ротов, что может привести к опасным, непоправимым последствиям.

Например, в настоящее время сельское хозяйство и промышлен-ность дают почти на 60 % больше фиксированного азота, чем естест-венные наземные экосистемы. Это приводит к нарушению круговорота азота и, в результате, к накоплению нитратов в почве и далее в трофиче-ских цепях. Нитраты, как известно, являются опасными веществами, вызывающими отравление живых организмов.

В руках человека концентрируются огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества азотсодержа-щих и других веществ. В атмосферу выбрасываются с дымовыми газами продукты сгорания топлива: оксиды азота, серы и другие вредные веще-ства. Накапливаются огромные энергетические мощности. Все это спо-собствует изменению хода геохимических процессов и требует глубоко-го изучения всех природных превращений веществ на Земле с тем, что-бы установить рациональные взаимоотношения в системе «человек – природа».