Жаһандық биогеохимиялық циклдер. Биосферадағы заттар айналымы

«Биогеохимия» терминін В.И. Вернадский енгізді. «Био» - тірі организм-дерге, «Гео» - тау жыныстарына, топыраққа, ауаға, суға жатады.

Биогеохимиялық айналым – бұл химиялық элементтердің, протоплазма-ның барлық негізгі элементтерінің сыртқы ортадан тірі организмге және қайтадан сыртқы ортаға айналуы. Бұл процеске экожүйенің биотикалық та, абиотикалық та бөлігі қатысады.

Экожүйелердегі заттар ағындарының маңызды қасиеті олардың циклділігі болып табылады.

Заттар айналымында екі бөлікті немесе екі қорды ажыратады:

1. қол жетпейтін (резервтік) қор – негізінде тірі организмдермен байланыссыз қрзғалатын заттың үлкен массасы; биотикалық фазадан өтпейді (мысалы, көміртектің резервтік қоры – бұл атмосферадағы, мұхиттағы, атқылаған тау жыныстарындағы, кальций карбонаты, көмір, мұнай түзілім-деріндегі органикалық емес қосылыстар);

2. қол жетерлік (айырбас) қоры – организмдер мен олардың тікелей қоршаған ортасы арасындағы жылдам айырбасты сипаттайтын кірі, бірақ аса активті қор; заттар биотикалық фазаға енгізілген (мысалы, көміртектің айырбас қоры – бұл активті көміртек массасы, ол көмірсулары бар фотосинтез процесінде ассимиляцияланады, сонан соң өсімдіктердің тыныс алуына қайта жұмсалады).

Жалпы алғанда биосфера үшін биогеохимиялық айналымдарды екі негізгі түрге бөлуге болады:

1. атмосферада немесе гидросферада резервтік қоры бар газ тәрізді заттар;

2. жер қыртысында резервтік қоры бар жауын-шашын циклі.

Биосферадағы негізгі биогенді заттар айналымдарын қарастырамыз.

5.5.1 Су айналымы. Су – кез келген тірі организмдер құрамындағы қажетті зат. Негізгі масса – су планетада гидросферада шоғырланған. Су қоймалары бетінен булану атмосфералық ылғал көзін білдіреді; оның шықтануы жауын-шашындар тудырады, су ақырында олармен мұхитқа қайтып келеді. Бұл процесс Жер бетіндегі судың үлкен айналымын құрайды.

Жеке экожүйелер шегінде үлкен айналымды күрделілендіретін және оның биологиялық маңызды бөлігін қамтамасыз ететін процестер жүзеге асырылады. Қағып алу процесінде өсімдік жауын-шашын бөлігінің жер бетіне жеткеннен бұрын атмосфераға булануына мүмкіндік туғызады. Топыраққа жеткен жауын-шашын суы оған сіңеді және не топырақ ылғалы түрлерінің бірін түзеді, не беттік ағындыға қосылады; жартылай топырақ ылғалы капиллярлар бойымен үстіңгі бетке көтерілуі және булануы мүмкін. Ылғал топырақтың аса терең қабаттарынан өсімдіктер тамырларымен сіңіріледі; оның бір бөлігі жапыраққа жетеді және атмосфераға транспирацияланады.

Эвапотранспирация – бұл судың экожүйеден атмосфераға жиынтық берілуі. Оған физикалық буланатын су да, өсімдіктермен транспирацияланатын ылғал да кіреді. Транспирация деңгейі әр түрлер үшін және әр түрлі ландшафт-климаттық аймақтарда әр түрлі.

Егер топыраққа сіңген судың мөлшері оның ылғал сыйымдылығынан жоғары болса, ол грунттық сулар деңгейіне жетеді және олардың құрамына кіреді. Жер астындағы ағынды топырақ ылғалын гидросферамен байланысты-рады.

Сонымен, судың экожүйелер аралығындағы айналымы үшін қағып алу, эвапотранспирация, инфильтрация және ағынды процестері аса маңызды.

Жалпы алғанда, су айналымы көміртектен, азоттан және басқа элемент-терден айырмашылығында судың жинақталмауымен және тірі организмдерде байланыспай, экожүйелер арқылы шығынсыз дерлік өтуімен сипатталады; экожүйе биомассасын қалыптастыруға жауын-шашындармен түсетін судың тек 1%-ға жуығы ғана пайдаланылады.

5.5.2 Көміртек айналымы. Табиғатта көміртек көптеген түрлерде, соның ішінде органикалық қосылыстар құрамында бар болады. Осы элементтің биогенді айналымының негізінде жатқан органикалық емес зат, - СО₂ көмірқышқыл газы. Табиғатта көмірқышқыл газы атмосфераның құрамына кіреді, сондай-ақ гидросферада ерітілген күйде болады. Көміртек фотосинтез процесінде органикалық заттар құрамына кіреді, оның нәтижесінде СО₂ және Н₂О негізінде қант түзіледі. Әрі қарай биосинтездің басқа процестері осы көмірсуларды аса күрделілерге (крахмал, гликоген), сондай-ақ протеидтерге, липидтерге және т.б. түрлендіреді. Осы қосылыстардың барлығы фотосинтез-дейтін организмдер трактарын құрып қана қоймай, сонымен бірге жануарлар мен жасыл емес өсімдіктер үшін органикалық заттар көзі болады.

Тыныс алу процесінде барлық организмдер күрделі органикалық заттарды тотықтырады; бұл процестің соңғы өнімі, СО₂, сыртқы ортаға шығарылады, онда фотосинтез процесіне қайта қатыстырылуы мүмкін.

Тірі организмдер тіндерінің құрамында көміртек бар органикалық қосылыстары олар өлген соң организмдермен – редуценттермен биологиялық ыдырауға ұшыратылады, оның нәтижесінде көміртек көмірқышқыл түрінде айналымға қайта түседі. Бұл процесс топырақтық тыныс алудың мәнін құрайды.

Көміртектің көп бөлігі мұхиттарда болады. Атап айтқанда атмосферадағы СО₂ мөлшері осы көміртекке байланысты болады. Мұхит ауадан көмірқышқыл газының артығын жұтады, оның нәтижесінде карбонаттық және бикарбонаттық иондар түзіледі. Кері процесс те бар болады, оның барысында көмірқышқыл газы мұхиттардан атмосфераға бөлінеді. Сонымен, мұхит СО₂ концентрациясын атмосферада индустриализация факторы (СО₂ атмосфераға лақтырыстары, ормандарды кесу) араласпағанша сақтайды. 1.10-суретте табиғаттағы көміртек айналымы процесінің сұлбасы көрсетілген.

1.10-сурет – Табиғаттағы көміртек айналымы процесінің сұлбасы

5.5.3 Азот айналымы (1.11-сурет). Азот атмосферада газ түрінде болады. Атмосфералық азот оны органикалық қосылыстар мен нитраттарда белгілеу қабілетін иеленетін бактериялар мен балдырлардың тіршілік әрекетінің арқасында ғана тірі материяның бөлігі болады. Ірі бұршақ тұқымдас өсімдіктер (беде, жоңышқа, соя, ақ акация) тамырларында шағын түйнектер түзіледі, оларда азотты белгілейтін бактериялар тіршілік етеді.

Азоттың бір бөлігі теңіздер мен мұхиттардың терең түптік түзілімдерінде шөгіп, айналымнан шығады, алайда бұл шығынның орны жанар таулар атқылағанда азоттың бөлінуімен толығымен дерлік толтырылады.

Жануарлар мен өсімдіктер азотты нитраттар түрінде жұтады. Азоттың көп бөлігі аммиак түзетін бактериялардың көмегімен тірі жүйелерге түседі. Аммиак тірі заттың ыдырауы процесінде бөлінеді. Алдымен – нитриттер, сонан соң нитраттар түзіледі. Кейбір бактериялар газ тәрізді азотты бөліп, нитраттарды ыдырату қабілетін иеленеді.

Адам қоршаған ортаға оның ауыл шаруашылықтық (тыңайтқыштар енгізу) және өнеркәсіптік (пайдаланылған газдар, кәсіпорындар лақтырыстары) қызметінің нәтижесінде айналатын жаңа нитраттар мен азоттың газ тәрізді оксидтерін енгізіп, азот айналымына әсер етеді.

1.11-сурет – Азот айналымы

5.5.4 Фосфор айналымы (1.12-сурет). Табиғатта фосфор бірқатар тау жыныстарында көп мөлшерде болады. Осы тау жыныстарының бұзылуы процесінде ол жер бетіндегі экожүйелерге түседі немесе тұнбалармен сілтісіз-дендіріледі (шайылады) және гидросферада болады. Екі жағдайда да бұл элемент қорек тізбектеріне кіреді. Көптеген жағдайларда организмдер – редуценттер құрамында фосфор бар органикалық заттарды органикалық емес

1.12-сурет – Табиғаттағы фосфор айналымы

фосфаттарға минералдайды, олар өсімдіктермен қайта пайдаланылуы мүмкін және сөйтіп, айналымға қайта қатыстырылады.

Мұхитта өлі органикалық қалдықтары бар фосфаттардың бір бөлігі тереңдік шөгінділерге түседі де, онда айналымнан шығып жинақталады. Қазіргі жағдайларда фосфордың табиғи айналымы процесі ауыл шаруашылығында фосфор тыңайтқыштарын қолданумен қарқындатылады, олардың көзі минералдық фосфаттар шоғырлары болады. Бұл дабыл қағу үшін себеп болуы мүмкін, өйткені мұндай пайдалану кезінде фосфор тұздары жылдам сілтісізденеді, ал минералдық ресурстарды пайдалану масштабтары қазіргі уақытта жылына 2 млн. тоннаға дейін құрап, үнемі артыр келеді.

5.5.5 Күкірт айналымы (1.13-сурет). Күкірт топыраққа кейбір тау жыныстарының (күкірт колчеданы FeS₂, мыс колчеданы CuFeS₂) табиғи ыдырауы нәтижесінде, сондай-ақ органикалық заттардың (басты түрде өсімдік текті) ыдырау өнімі ретінде түседі. Күкірт тамыр жүйелері арқылы өсімдіктерге түседі, олардың организмінде құрамында осы элемент бар амин қышқылдары цистин, цистеин, метионин синтезделеді. Жануарлар организмінде күкірт өте аз мөлшерде болады және оларға азықпен бірге түседі. Күкірт органикалық қосы-лыстардан топыраққа өлі органикалық қалдықтардың микроорганизмдермен

1.13-сурет – Табиғаттағы күкірт айналымы

ыдырауының арқасында түседі. Бұл процесте органикалық күкірт H₂S және минералдық күкіртке тотықсыздануы немесе өсімдіктер тамырларымен сіңірі-летін, яғни айналымға қайта түсетін сульфаттарға тотығуы мүмкін. Біздің кезімізде жаңбыр суымен (қышқыл жаңбыр) тасымалданатын өнеркәсіптік текті күкірт те (түтіндер) айналымға қатыстырылады.

5.5.6 Биогенді катиондар айналымы. Тірі организмдердің зат алмасу процестеріне әр түрлі катиондар қажетті қатысады. Олардың кейбіреулері аса көп мөлшерде болады және сәйкесінше макроэлементтер категориясына жатады. Натрий, калий, кальций, магний осындай. Басқалары аз (құрғақ заттың миллиондаған үлестері), бірақ, соған қарамастан, өмірлік қажет мөлшерде болады. Бұл темір, мырыш, мыс, марганец және т.б. катиондары, олар микроэлементтерге жатады.

Құрлықтағы биогенді катиондардың басты көзі топырақ болады, воған олар тау жыныстарының бұзылуы процестерінде түседі. Тамыр жүйесі арқылы олар – өсімдіктерге, ал өсімдік ұлпалары құрамында өсімдікпен қоректенетін организмдерге және қорек тізбектерінің жоғарғы буындарына түседі. Жануар-лар бұл элементтерді жартылай және тікелей топырақтан алуы мүмкін (сортаң-дану процесі). Экскременттерді және өлі организмдерді минералдандыру биогенді элементерді топыраққа қайтарады және оларды қайта айналымға енгізу үшін қолайлы етеді. Осы қарапайым цикл өзендерге және сонан соң теңіздерге беттік ағатын биогенді элементтердің шығарылуымен бұзылады. Катиондардың топырақтан жаңбыр суларымен сілтісіздендірілуі өсімдіктердің тамыр жүйелерінің әлсіреуіне әкеледі. Ауыл шаруашылығында астықты жинағанда биогенді элементтердің шығарылуы болмай қалмайды; оның орнын органикалық және минералдық тыңайтқыштарды енгізу арқылы толтыру проблеманы жартылай ғана шешеді.

Сонымен, берілген тарауда экология, экологиялық жүйе, биосфера, биоценоз, биогеоценоз және т.б. ұғымдарға қатысты мәселелер қарастырылған; экологияның негізгі бөлімдеріне және олардың сипаттамаларына түсініктер берілген; экологияның негізін құрайтын заңдары келтірілген; табиғаттағы заттар айналымы, биосфера эволюциясы, популяциялар дамуы және т.б. сияқты құбылыстар туралы ақпарат берілген; қазіргі биосфераның сипаттамасы, ролі және антропогенді жүктемелердің биосфераға өткен және осы уақыттағы салдарлары келтірілген; биосфераны сақтау проблемасын шешу жолдары көрсетілген.