Круговорот веществ в биосфере

Жизнь на Земле продолжается уже около 4 млрд. лет, осуществляясь как постоянный круговорот веществ, поддерживаемый потоком солнечной энергии. Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ:

- геологический или большой, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и в его основе лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места планеты в другое;

- биологический или малый, который заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов создания органического вещества и его разрушения.

Оба круговорота взаимосвязаны, так как малый является частью большого.

Геологический (большой) круговорот - это обмен химических элементов между океаном и сушей в результате разрушения изверженных горных пород, растворения их в воде, физико-химических превращений и образования минералов при испарении воды. Он существовал и до появления жизни на Земле, его поддерживают энергия Солнца и сила земного тяготения. Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет - горные породы разрушаются, выветриваются, продукты выветривания сносятся потоками воды в Мировой океан, образуют напластования, возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь.

Этот круговорот характеризуется двумя важными моментами:

- осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;

- представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

С появлением биосферы, геологический круговорот, не прекратив своего существования, он поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Биологический (малый) круговорот - это циркуляция веществ между растениями, животными, микроорганизмами и почвой. Основа его - фотосинтез, т.е. превращение зелеными растениями лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ.

Малый круговорот развёртывается на фоне большого круговорота. Он происходит внутри экосистем, но не замкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот. По этой причине иногда говорят не о биологическом круговороте, а об обмене веществ и потоке энергии в экосистемах и отдельных организмах. С этой точки зрения биосферу можно рассматривать как геосферу, трансформирующуюкосмическое излучение в другие виды энергии (химическую, тепловую).

В отличие от большого круговорота, малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. Живые организмы создают в биосфере круговорот важнейших биогенных элементов: макробиогенных - С, Н, О, N, Р, К, Са, Mg, S и микробиогенных Fе, Mn, Сu, Zn, В, Na, Mo, CI, V, Со, которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю. Именно фотосинтез обусловил появление на Земле кислорода, защитного озонового слоя и условий для биологической эволюции. В результате фотосинтеза ежегодно образуется 145 млрд. т кислорода, более 100 млрд. т органических веществ и усваивается около 200 млрд. т углекислого газа. С появлением жизни на Земле химические элементы беспрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять - во внешнюю среду, образуя биогеохимические циклы.

В биогеохимических круговоротах выделяют две части:

- резервный фонд – это большая часть медленно движущихся веществ, как правило, абиотическая часть, не связанная с живым веществом;

- обменный фонд – это меньшая часть, но более активная, которая связана прямым обменом между организмами.

Антропогенной нагрузке в большей степени подвержены циклы, имеющие малый активный фонд.

До некоторой степени условно все циклы можно разделить на две группы:

- цикл веществ в газообразном состоянии с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (С, Н, О₂, N₂);

- осадочные циклы с резервным фондом в литосфере, стрелка этих циклов направлена вниз (Р, S₂).

Основными биосферными циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и остальных биогенных элементов.

4.2.1. Круговорот углерода

Углерод встречается в биосфере в свободном состоянии в виде алмаза, графита, и в связанном состоянии в виде углекислого и угарного газов, карбонатов, угля, нефти, битумов и т.д. Углерод – обязательный химический элемент органических веществ, то есть является одним из самых важных биогенных элементов (углерод в теле человека содержится в количестве 19,4 % по массе). В состав воздуха углерод входит в виде углекислого газа в незначительном количестве – 0,03 %, но роль его огромна. Атмосферный углерод в виде углекислого газа фиксируется продуцентами, которые переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков. Кроме того, растения и животные на каждом трофическом уровне при дыхании выделяют CO₂ в атмосферу (как конечный продукт обмена). Движение углерода по пищевой цепи продолжается до тех пор, пока он в виде CO₂ не возвратится в атмосферу в результате дыхания или в результате гибели организмов. Мертвая органика разлагается микроорганизмами почвы, в результате углерод мертвых тканей окисляется до CO₂ и выделяется в атмосферу. Процесс выделения углекислого газа из почвы называется почвенным дыханием. Другая, более сложная часть круговорота углерода, протекает в Мировом океане, который в 50–60 раз больше поглощает углерода, чем наземные экосистемы. Холодные воды Мирового океана, поглощая двуокись углерода, растворяют его в воде, при этом образуются угольная кислота, карбонатные и бикарбонатные ионы. Существует и обратный процесс, в результате которого часть углерода в составе CO₂ возвращается в атмосферу. Другая часть, содержащаяся в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Цикл углерода замкнут не полностью и на суше. Углерод может выходить из него на длительное время в виде залежей каменного угля, торфа, гумуса и др. Углерод выключается из биологического круговорота в результате стагнации. Стагнация (лат. стагнум – стоячая вода) – это естественная блокировка круговорота какого-либо вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, которые содержат до 500 млрд. т этого элемента. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, газа, нефти и вырубка лесов) приводит к увеличению содержания CO₂ в атмосфере и развитию парникового эффекта (рис. 6).

Рис. 6. Влияние парниковых газов на тепловой баланс Земли

(по Л. И. Цветковой и др., 1999)

Все виды солнечного излучения достигают поверхности Земли и нагревают ее. Часть тепловой энергии, отражаясь от поверхности Земли должна уходить в космическое пространство, но эта энергия интенсивно поглощается парниковыми газами. Основным парниковым газом является углекислый газ, он задерживает от 50–65 % энергии; метан – около 20 %; оксиды азота – не более 5 %; озон, фреоны и другие газы – 10–25 %. В результате парникового эффекта за последние 100 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 20 %, при этом средняя температура у поверхности Земли увеличилась на 0,5–0,6 ^о С. Как показывают компьютерные модели, во второй половине ХХI столетия температура может повыситься на 1–3,5 ^о С, при чем повышение будет неравномерное, если на экваторе оно составит около 1–2 ^о С, то на полюсах может достичь 6–8 ^о С. Большинство ученых указывают на то, что столь значительное повышение средней температуры у поверхности Земли изменит погоду, климат и приведет к следующим негативным последствиям:

- затопление прибрежных зон океанов и морей, при этом целые государства уйдут под воду, множество беженцев мигрируют вглубь материков;

- таяние ледников в горах, в результате изменение режима рек и внутренних морей;

- таяние ледников Гренландии, Арктики, Антарктики приведет к изменению альбедо (от лат. albus – светлый) Земли, т.е. отражательной способности Земли (отношение светового потока, отраженного Землей, обратно в космическое пространство, к поступающей энергии) и повлияет на процессы тепломассопереноса в атмосфере и океане;

- воздействие указанных выше факторов изменит режим осадков, что усилит процесс опустынивания на плане Земля;

- приведет к снижению биоразнообразия, так как некоторые виды не смогут адаптироваться в короткие сроки к повышению температуры, и целые экосистемы могут исчезнуть;

- повышение температуры воды в Мировом океане, приведет к еще большей разбалансировке климата на наше планете, так как снизится процесс поглощения углекислого газа из атмосферы и усилится процесс выделения его из Мирового океана.

Вместе с тем глобальное потепление может иметь и положительные моменты:

- исследования показали, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере в два раза приведет к росту урожайности сельскохозяйственных культур на 30 %;

- в России зона рискованного земледелия отодвинется на 500-1000 км на север. Судоходство по Северному морскому пути будет осуществляться без ледоколов в течение всего сезона, так как увеличение средней приземной температуры на 1-3,5 ⁰С означает увеличение средней температуры на полюсах на 6-8 ⁰С.

Для того чтобы уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу, необходимо значительно сократить количество углеродосодержащего топлива.

В июне 1988 года в Торонто состоялась международная конференция, которая рекомендовала сократить выбросы CO₂ в атмосферу к 2005 году на 20 %, используя альтернативные источники энергии.

В 1992 году конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро приняла конвенцию об изменении климата, по которой необходимо было стабилизировать к 2000 году выбросы парниковых газов на уровне 1990 года.

В декабре 1997 года состоялась Киотская международная конференция, в итоговом документе которой предусматривалось общее сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов на 5,2 %. К 2008-2012 гг. страны Европейского союза должны сократить выбросы парниковых газов на 8 % от уровня 1990 г., США – на 7 %, Япония, Канада – на 6 %. Россия до 2012 г. может производить выбросы на уровне 1990 г. из-за сокращения промышленного производства. По протоколу возможна торговля квотами на эмиссию парниковых газов, особенно тех стран, которые сохранили огромные лесные массивы. Основные «поставщики» CO₂ в атмосферу, США и Китай, не ратифицировали протокол конференции. Киотское соглашение заключалось сроком на 12 лет.

4.2.2. Круговорот азота

Круговорот азота - один из самых сложных, но одновременно и один из самых идеальных круговоротов. Азот является жизненно важным элементом, входит в состав белков и нуклеиновых кислот.

Газообразный азот выделяется в результате окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O.

В свободном виде азот составляет 78 % атмосферного воздуха, но является химически инертным газом и поэтому недоступен большинству организмов. Растения усваивают азот лишь после его соединения с кислородом или водородом. Процессы превращения азотсодержащих веществ в форму, пригодную для усвоения высшими растениями, называются нитрификацией. В природных условиях связывание атмосферного азота происходит под действием света и при грозовых разрядах, в результате образуется азотная кислота, которая с осадками попадает в почву:

N₂ + O₂ →2NO;

2NO + O₂ → 2NO₂;

4NO₂ + 2H₂O + O₂ → 4HNO₃.

Но при разрядах молний незначительное количество атмосферного азота (4-10 кг/га) вовлекается в круговорот, значительно больше благодаря азотфиксации. Процесс связывания азота осуществляют микроорганизмы азотфиксаторы (метанобразующие и сульфатвосстанавливающие бактерии, грибы, сине-зеленые водоросли, клубеньковые бактерии и др.). Таким путем за год накапливается азота 150-400 кг/га. Однако пресы­щения биосферы связанным азотом не происходит. Азот почвы потребляют растения в виде нитратов, нитритов и солей аммония.

В составе растительных белков его используют животные. Возврат азота в атмосферу осуществляемый бактериями-денитрификаторами, которые разлагают нитраты до нитритов, аммиака и молекулярного азота и кислорода.

Азот может выключаться из круговорота путём аккумуляции в глубоководных осадках океана. Однако это компенсируется выделением его в составе вулканических газов.

Влияние деятельности человека на цикл азота определяется следующими процессами:

- сжигание топлива приводит к образованию оксида азота, что способствует выпадению кислотных дождей;

- в результате воздействия микроорганизмов на удобрения и отходы животноводства образуется закись азота, что способствует усилению парникового эффекта;

- для производства минеральных удобрений возрастает добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат-ионы и ионы аммония;

- при распашке земель примерно в 5 раз снижается активность фиксации азота микроорганизмами и активизируется деятельность разрушающих азотные соединения бактерий. При сборе урожая из почвы выносятся соединения азота. В итоге уменьшается содержание связанного азота в его основном хранилище-почве;

- стоки с полей, ферм и из канализаций увеличивают количество нитрат-ионы и ионы аммония в водных экосистемах, что ускоряет рост водорослей, приводящий к процессу эвтрофикации.

Эвтрофикация (греч. eutrophia - хорошее питание) - это повышение уровня первичной продуктивности водоёмов из-за повышения в них концентрации биогенных веществ, в основном азота и фосфора, поступающих обычно из-за смыва удобрений с полей. Эвтрофикация приводит к «цветению» воды, вызываемому массовым развитием синезелённых и других водорослей, зарастанию прибрежной зоны, к уменьшению прозрачности и содержанию кислорода. Высокая степень эвтрофикации приводит к заморам рыб и других гидробионтов.

4.2.3. Круговорот фосфора

Минеральный фосфор – редкий элемент, содержание его в земной коре не превышает 1 %, что ограничивает продуктивность экосистем. Фосфор является жизненно важным элементом, входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, жиров, костей и зубов. Кроме того, он необходим для построения таких молекул, которые способны аккумулировать все виды энергии и распределять ее в зависимости от потребностей организма. Основным источником неорганического фосфора служат изверженные породы - апатиты и древние осадочные - фосфориты.

Круговорот фосфора делится на наземную и морскую части. В наземных экосистемах фосфор поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические вещества. Далее фосфор передается по пищевой сети. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых организмов возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в ортофосфаты (фосфаты), употребляемые зелеными растениями.

В наземных системах круговорот фосфора происходит с минимальными потерями, в отличие от водных экосистем. В океане большая часть фосфора оседает, уходит на дно, исключается из круговорота и лишь небольшая часть усваивается фитопланктоном. Фитопланктон – основной источник кислорода и органических веществ для других обитателей водной экосистемы, вплоть до морских птиц. Их экскременты (исп. гуано) либо сразу попадают в море, либо в больших количествах скапливаются у берегов, а затем смываются водными потоками в море. Скелеты морских животных, особенно рыб, достигают больших глубин, и заключенный в них фосфор оседает на дно морей и океанов, присоединяясь к фосфору, который сразу затонул. Возврат фосфора в круговорот в природе происходит медленно, и не компенсирует его потери. Сейчас не происходит поднятия донных отложений на поверхность, лишь спустя миллионы лет геологические процессы смогут поднять океанические отложения фосфатов и вернуть их в круговорот, что делает круговорот фосфора менее замкнутым. Главным отличием рассмотренного круговорота является то, что резервным фондом его является не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.

Ежегодно добывается 1 - 2 млн. т фосфорсодержащих пород с целью использования либо в качестве удобрений, либо в производстве моющих средств, что приводит к отрицательным последствиям: к истощению запасов фосфоритов, апатитов; к эвтрофикации водоемов.

Таким образом, круговорот фосфора является лимитирующим (ограничивающим) все другие круговороты и определяющим стабильность биосферы.

4.2.4. Круговорот серы

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в водных экосистемах – в форме иона (SO₄^2-), в виде газообразных соединений сероводорода (H₂S) или сернистого газа (SO₂), а также в свободном состоянии – самородная сера. Следовательно, резервный фонд серы находится не только в литосфере, но и в атмосфере в отличие от фосфора. Сера жизненно необходима живым организмам, она входит в состав белков и аминокислот, а у растений, кроме того, – в состав эфирных масел.

Большая часть круговорота серы происходит в почве и в водоемах при участии многочисленных микроорганизмов, которые окисляют сульфидную серу до сульфатной серы, которую и поглощают растения. Поглощая сульфаты, растения восстанавливают их и создают серосодержащие аминокислоты, которые необходимы для построения серосодержащих белков. В процессе разрушения микроорганизмами остатков организмов образуется сероводород, который далее окисляется хемосинтезирующими бактериями либо до элементарной серы, либо до сульфатов, которые доступны продуцентам.

Завершающая стадия круговорота серы полностью осадочная. В почве и глубоководных осадках сульфатная сера может образовывать залежи гипса, а сероводород в присутствии железа – сульфиды железа практически не растворимые в воде. По истечению времени и сульфиды, и гипс вновь подвергнутся разрушению, и сера возобновит свой цикл.

Деятельность человека нарушает круговорот серы тем, что, сжигая большое количество ископаемого топлива – мазута и угля с высоким содержанием серы, увеличивает содержание сернистого газа (SO₂) в атмосфере, который, смешиваясь водяным паром, приводит к образованию кислотных дождей (рис. 7).

Рис. 7. Схема образования кислотного дождя

Термин "кислотные дожди", обозначающий атмосферные осадки с повышенной кислотностью (рН ниже 5,6) ввёл английский инженер Роберт Смит в 1872 г. в своей книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии».

Проблема кислотных дождей возникла в начале 70-х годов ХХ в.. Первыми эту проблему ощутили страны Скандинавского полуострова, где тысячи озер становились «мертвыми», погибали все представители флоры и фауны из-за закисления воды (рН<5). Затем с этой проблемой столкнулись в США, Канаде, Северной Европе, России, Японии (рис. 8). Кислотные дожди являются трансграничными загрязнениями. Выбрасывают SO₂ одни страны, а с проблемой кислотного дождя сталкиваются другие страны, так как процесс образования капелек кислоты во времени очень длительный и воздушные массы могут относить их на сотни километров от источника выбросов. Основным «экспортером» кислотных дождей в 80-х годах стала Великобритания. На территорию России больше в 8 раз поступает сернистого газа, чем выносится с ее территории в другие государства. От кислотных осадков страдают не только озера, но и леса, поля, пастбища. Кислота разъедает исторические памятники, бетонные фундаменты, трубопроводы и усиливает коррозию строительных конструкций из железа и других металлов. Капельки кислоты, содержащиеся в воздухе, негативно воздействуют на человека, вызывая аллергию и бронхит. При вдыхании кислотных частиц с пылью, содержащей тяжелые металлы, возможен рост раковых опухолей.

Рис. 8. Средние значения рН=4,1…4,9 осадков в Европе по данным

наблюдений за 1978–1982 гг.

Для уменьшения выбросов сернистого газа предпринимаются следующие меры:

- замена угля на низкосернистые виды топлива (газ);

- промывка угля после измельчения;

- химическое удаление серы – десульфурация;

- использование скрубберов – жидких фильтров, пропитанных раствором извести, для газообразных продуктов сгорания;

- сжигание угля в псевдосжиженном слое в смеси с песком и известью, при этом сера соединяется с известью и удаляется с золой.

В 1983 году начала действовать Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на больших расстояниях. В 1985 г. в Хельсинки 20 государств и Канада подписали Протокол о снижении выбросов серы на 30 %. Принятые меры в странах Большой семерки в 1970–1990 гг. позволили снизить выбросы SO_х.

В рамках круговорота всех элементов происходит избавление от отходов и получение ресурсов, что является основополагающими факторами, обеспечивающими существование экосистем.