Биогеохимические циклы основных химических элементов в биосфере

Биогеохимические циклы- это круговые движения хими­ческих элементов между организмами и природной средой. Общая схема круговорота биогенного вещества:а) фотосинтез органи­ческих веществ; б) их использование живыми организмами, в) ре­дукция (возвращение) органических веществ в неорганические.

В процессе фотосинтеза органических веществ и роста тка­ней растений, т.е. жизнедеятельности продуцентов, используются энергия Солнца, вода и минеральные вещества: соединения углеро­да, азота, фосфора, кальция, натрия, калия и других элементов. Часть биомассы продуцентов, вода, кислород, некоторые мине­ральные вещества обеспечивают жизнедеятельность консументов 1 порядка - травоядных животных. Последние, вместе с рядом не­органических веществ - источник жизни консументов 2 порядка -хищников. После гибели живых организмов их органические веще­ства попадают обратно в природную среду. Здесь они претерпева­ют различные превращения, перемещения и в итоге с помощью ре­дуцентов минерализируются. Биогеохимические циклы носят кру­говой, примерно на 99% замкнутый характер. Иными словами они почти не имеют отходов. Один процент - это соединения углерода в земной коре (известняк, нефть, уголь), дополнительный кислород в воздухе.

Круговорот азота

Океан воздуха, окружающий Землю, со­держит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: полу­чение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез ок­сидов азота в атмосфере грозовыми разрядами - 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами - 30, бобовыми - 14, сине-зелеными водорослями - 10; синтез азотных удобрений челове­ком - 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нит­ратов используется растениями для синтеза протеинов, являющих­ся составной частью всех клеток растительных и животных орга­низмов. Содержание азота в тканях около 3%. Протеины при отми­рании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты. Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется. Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с уча­стием бактерий (реакция нитрификации). Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца. Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ. Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нит­рификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в жи­вотные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СОг, НгО, NH3. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде раствори­мых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенси­руются соединениями азота из вулканических газов.

Денитрификация - это процесс освобождения связанного азота посредством его восстановления с участием бактерий денит-рификаторов. Денитрификация идет в анаэробных условиях, т.е. в отсутст­вие кислорода как на суше (43 млрд т/год), так и в море (40 млрд т/год) с образованием 83 млрд т азота в год. На суше бактерии ак­тивны в почвах, богатых соединениями азота и углерода, особенно в навозе.

Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации (83 млрд т/год), в биосфере идет его накопление в количестве около 92 - 83 = 9 млрд т/год. Причина излишка - производство человеком избыточного количества азотных удобрений. Таким образом, кру­говорот азота нарушен на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами. Человечество ожидают новые ослож­нения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих от­бросов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.

Рисунок 18 – Круговорот азота

Круговорот кислорода

Запасы кислорода в биосфере очень большие, примерно 50% ее массы. В ней он самый распространен­ный элемент. Основное количество связанного кислорода прихо­дится на гидросферу и литосферу. В песке его около 53%, глине -56%, воде - 89%. Свободный кислород содержится в атмосфере в количестве 1 200 000 млрд т, что составляет лишь 0,01% его обще­го количества. Большая часть атмосферного кислорода - продукт фотосинтеза растений.

Схема круговорота кислорода: а) генерация растениями в процессе фотосинтеза (около 16 млрд т/год); б) потребление живы­ми организмами при дыхании; в) расход на окисление биогенного вещества.

Рисунок 19 – Круговорот кислорода

Для высших форм жизни (растения, животные) пригодно аэробное дыхание - прямое окисление кислородом органики. Большое количество энергии, которая выделяется при дыха­нии и окислении веществ в организме с участием кислорода, идет на поддержание жизнедеятельности высших организмов, которая требует значительных энергетических затрат, например, при пере­мещениях. Для низших организмов большое выделение тепла опас­но. Они приспособились проводить окисление органики в анаэроб­ных условиях (без О2) с помощью ферментов (см. выше).

Скорость круговорота кислорода в биосфере в нашу эпоху составляет около 2500 лет. Небольшая часть кислорода постепенно уходит в осадочные породы: карбонаты, сульфаты. Однако эти процессы идут весьма медленно и в целом не влияют на главный круговорот атмосферно­го кислорода. Опасность представляет антропогенный фактор. Так, за последние 100 лет человеком при сжигании топлива изъято из атмосферы около 250 млрд т кислорода и добавлено около 380 млрд т СО2. Ежегодный прирост расхода кислорода человеком око­ло 5%.

Круговорот углерода

Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО₃. Лишь около 10 000 млрд т углерода находит­ся в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). В неживой орга­нике углерода: в океане - 3000 млрд т, в почве - 700 млрд т. Со­держание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения - 450, поверхностные слои моря - 500, фито-, зоопланктон и рыбы - 10-20. В атмосфере воздуха в виде СО₂ - около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО₂ воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

Рисунок 20 – Круговорот углерода

В процессе фотосинтеза СО₂ превращается в сахара, жиры и другие вещества. Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыха­ния животных и растений (около 10 млрд т), разложения организ­мов в почве (в виде СО2, углеводородов, меркаптанов; около 25 млрд т). Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмо­сферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.; 5 млрд т) и природный его диоксид - при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускают­ся на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбо­натные осадочные породы, а неразложившееся органическое веще­ство - ископаемое углеродное топливо. Обмен СО2 воздуха с поверхностными морскими водами составляет: растворение в воде -100 млрд т, выделение из воды - 97 млрд т.

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организма­ми: а) потребление СО₂ в процессе фотосинтеза органических ве­ществ, б) выделение СО₂ при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма. Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет -средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СОг на суше и основным хранилищем биологически связанного уг­лерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топ­ливо, что исключает углерод из оборота на длительное время -миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО₂ в резуль­тате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.

Задание

Сжигание ископаемого топлива (80%) и истребление обширных лесных массивов (30 %) привели к тому, что большое количество ранее изолированного углерода было выброшено на протяжении 20 и начала 21 веков в атмосферу в виде диоксида углерода. Это, как полагают ученые, усиливает парниковый эффект.

Один из возможных способов решения проблемы парникового эффекта – засадить большие площади поверхности Земли лесом. Деревья поглощают диоксид углерода и переводят его в древесину, уменьшая его концентрацию в атмосфере.

Задача

На заводе по производству оборудования для легкой промышленности, ежегодно выбрасывалось в атмосферу 190 т/год углерода в виде его диоксида. Руководство завода полагает, что посадки однолетней сосны, высаженные в 1994 году, за 20 лет смогут фиксировать количество углерода, которое было выброшено заводом в атмосферу за этот промежуток времени.

Рассчитать

1. Какую площадь необходимо отвести заводу под посадки сосны, чтобы к концу 20-летнего периода суммарное количество диоксида углерода, выброшенного в атмосферу, стало равным нулю.

2. Сколько деревьев необходимо приобрести заводу, если площадь занимаемая одной сосной составляет 25 м².

3. На сколько надо уменьшить выброс углерода. Если площадь посадок сосны составляет 6 га.

Таблица 4 - Справочные данные по фиксации углерода соснами в зависимости от возраста, т/га*год

Возраст дерева, лет	Фиксация углерода, (ФС)
	0,2
	7,0
	14,0
	21,0

Вариант 1

ОАО «Оргсинтез» выбрасывает в атмосферу 500 т/год углерода.

Рассчитать

1. Какую площадь необходимо отвести заводу под посадки сосны, чтобы к концу 10-летнего периода суммарное количество диоксида углерода, выброшенного в атмосферу, стало равным нулю.

2. Сколько деревьев необходимо приобрести заводу, если площадь занимаемая одной сосной составляет 10 м².

3. На сколько надо уменьшить выброс углерода. Если площадь посадок сосны составляет 8 га.

Вариант 2

ОАО «Химпром» выбрасывает в атмосферу 800 т/год углерода.

Рассчитать

1. Какую площадь необходимо отвести заводу под посадки сосны, чтобы к концу 15-летнего периода суммарное количество диоксида углерода, выброшенного в атмосферу, стало равным нулю.

2. Сколько деревьев необходимо приобрести заводу, если площадь занимаемая одной сосной составляет 10 м².

3. На сколько надо уменьшить выброс углерода. Если площадь посадок сосны составляет 11 га.

Круговорот воды

Воды на Земле много - 1,5 млрд км³, но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды - 29 млн км³ (75%) - находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около 13 млн км³ - в атмосфере, 1 млн км³ - в живых организмах. Лишь все­го 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км³ , представляют объем еже­годно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40-45 тыс. км³ ): а) испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца; б) перенос паров воды с воздушными массами; в) выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега; г) поглощение воды растениями и почвой, д) сток воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны. Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Зем­ле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды - основы жизни, но и тепла, поглощающегося при ис­парении воды и выделяющегося при ее конденсации.

Круговорот воды в экосистемах. Здесь различают 4 фазы: 1) перехват,т.е. поглощение воды листьями, кроной, до того как она достигнет почвы; 2) эвапотранспирация:(лат. evaporatio - ис­парение, transpirere - испарение растениями) - отдача воды экоси­стемой в атмосферу за счет ее биологического испарения расте­ниями и испарения с поверхности почвы; 3) инфильтрация— про­сачивание воды в почву, затем перенос грунтовых вод и испарение; 4) сток— потеря воды экосистемой за счет ее стока в ручьи, реки и затем в моря, океаны.

Величина эвапотранспирации - это сумма биологической транспирации воды растениями и испарения ее с поверхности поч­вы. В Европе она оценивается как 3-7 тыс. т/га в год, из них около 1 тыс. т/га за год воды испаряется с поверхности почвы.

Велика биологическая транспирации воды растениями, что необходимо для извлечения питательных веществ и поддержания температурного режима тканей. Так, за день одна береза испаряет 75 л воды, бук - 100 л, липа - 200 л, 1 га леса - 50000 л.

Коэффициент транспирации - количество воды, транспирируемое растением в сезон для создания 1 кг сухого вещества. Он весьма велик и составляет от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 тводы.

Пример схемы круговорота воды.Рассмотрим типичное распределение осадков, количество которых составило 770 мм/год.

Эвапотранспирацияводы идет в объеме 400 мм/год и слага­ется из следующих видов (мм/год): перехват кронами - 10, транспирация растениями - 290, испарение с поверхности почвы - 100.

Поверхностный сток воды, равный испарению воды с по­верхности моря, составляет 370 мм/год. Его слагаемые (мм/год): подземный сток - 80, физическое испарение - 265, нужды челове­ка-25.

Как видно из примера, растениями транспирируется почти 40% воды [« (290 / 770)-100%]. Однако на формирование биомассы используется лишь около 1% воды [« (10 / 770)-100%]. На бытовые нужды человеком расходуется порядка 3% воды. В отличие от углерода, азота и фосфора вода проходит через экосистемы почти без потерь.

Рисунок 21 – Круговорот воды

Круговорот фосфора

Значение фосфора для биосферы. Фосфор - составная часть важнейших для организмов органических соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав слож­ных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существен­ную роль в дыхании и размножении организмов. При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустой­чивость растений, увеличивается в них содержание ценных ве­ществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фос­фор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кисло­ты - ионов Н2РО4 , НР04 . В почве их образуют три группы ус­вояемых фосфорных соединений: природные, органические и про­мышленные.

В земной коре фосфора довольно много - около 0,1% по мас­се. Разведанные запасы фосфатного сырья составляют около 26 млрд т. Известно примерно 120 фосфорсодержащих минералов: апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния и др. Од­нако все они трудно растворимы в воде и, следовательно, малоэф­фективны. Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования- ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений со­ставляет 20-60%. Промышленность выпускает фосфорные удобре­ния, которые хорошо усваиваются растениями. Это двойной су­перфосфат Са(Н2Р04)2-Н20, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцента­ми); б) потребление животными (консументами), редуцентами; в) дефосфорилирование (процесс отщепления остатка фосфорной кислоты от фосфорсодержащих органических соединений, играющий важную роль в энергетическом обмене клеток) . В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн. т в год. Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложе­ниях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс. т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Счита­ется, что круговорот фосфора - единственный в природе пример простого незамкнутого цикла.

Человек, производя фосфорные во­дорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн. т в год апатита и фосфоритов. При таком рас­ходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

Рисунок 22 – Круговорот фосфора

Круговорот серы

Сера, как и фосфор, имеет огромное биологическое значение, т.к. входит в состав аминокислот, белков и т.д.

Она попадает в биосферу следующими путями:

1. В почву – в результате естественного разложения горных пород (серы колчедан, медный колчедан), а также как продукт разложения органических веществ, в основном растительного происхождения. Через корни сера поступает в растения. Часть серы окисляется до сульфатов, образуя месторождения гипса, который, разрушаясь вступает в новый круговорот серы.

2. В организме животных она содержится в малых количествах и попадает в них с кормом.

3. Вулканы выбрасывают серу в виде серного ангидрида, сернистого газа и элементарной серы.

4. В болотах присутствует большое количество сульфатов, которые переводятся сульфатобактериями в сероводород, поступающий в атмосферу.

5. На дне морей в результате антропогенного загрязнения в анаэробных условиях образуется сероводород, выпадающий в виде осадочных пород в присутствии железа, и медленно накапливается в глубоко лежащих осадочных породах.