Лекция №4. Круговороты веществ в природе

Для существования живой материи, кроме потока энергии высокого качества, нужен «строительный материал». Это необходимый набор химических элементов числом более 30 - 40 (углерод, водород, азот, фосфор. сера, железо и др.). Одни элементы нужны в большом объеме, а другие - в минимальных количествах. Отсутствие любого элемента, вне зависимости от требуемого количества, невосполнимо, и его отсутствие для организма носит катастрофический характер.

Химические элементы содержатся в окружающей среде в весьма ограниченных количествах. Кроме того, в процессе жизнедеятельности они могут «связываться» органическими веществами и стать недоступными для живых организмов. Непрерывность существования жизни «требует» непрерывного высвобождения необходимых химических элементов из органических веществ и непрерывного их транспорта к продуцентам. Безостановочный планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества называется круговоротом веществ.

Солнечная энергия «обеспечивает» на Земле два круговорота веществ:

♦ большой, или геологический (абиотический);

♦ малый, или биологический (биотический).

Большой круговорот. Атмосферные осадки, проникающие в обломочную породу, обусловливают растворение и передвижение растворимых продуктов выветривания. Быстрее всего и на большее расстояние переносятся наиболее подвижные соединения. Соединения хлора и серы, отнесенные к наиболее подвижным, вымываются в форме солей с эквивалентным количеством оснований из следующего ряда. Неподвижность Si02 кварца относительная. Некоторая часть элементов, преимущественно наиболее подвижных, выносится в речную сеть и поступает в моря и океаны. Кроме того, реки несут взмученные частицы, полученные в результате размывания русел и смывания их с поверхности.

Весь этот материал откладывается на дне океанов (морей) частью непосредственно, частью после его переработки морскими организмами. В течение тысячелетий на дне океанов образуется мощная толща осадочных пород. По мере погребения новыми осадками ранее отложенные претерпевают глубокие изменения под влиянием возрастающего давления и температуры. В зависимости от степени изменения они переходят в различные метаморфические породы, и затем кристаллические сланцы. В последующем под влиянием тектонических процессов и морских регрессий отложенные на дне океанов (морей) породы могут выходить на дневную поверхность, подвергаться новому континентальному выветриванию. Тогда наступает новый цикл большого геологического круговорота.

Таким образом, большой геологический круговорот элементов слагается из процессов:

• континентального выветривания горных пород, в результате которого образуются подвижные соединения;
• переноса этих соединений с континентов в моря и океаны;
• отложения на дне морей и океанов с последующим метаморфозом;
• нового выхода морских осадочных и метаморфических пород на дневную поверхность.

Биологический (биотический) круговорот веществ включает в себя круговороты отдельных элементов: углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и многих других. Каждый из круговоротов отдельных элементов имеет «узкие места», то есть затормаживание процесса превращений. Причиной торможения может быть низкая численность вида, участвующего в преобразованиях, или его низкая эффективность. Как правило, число видов, узко специализированных к использованию того или иного элемента, мало, и при их исчезновении есть большая вероятность разрыва круговорота, что может рассмафиваться как экологическая катастрофа. Обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов веществ осуществляет почва, которая здесь выступает как важное связующее звено, так как на нее замыкаются круговороты биогенных элементов (углерода, азота, фосфора, калия, кальция и др.).

Различают два типа биохимических круговоротов:

♦ круговорот газообразных веществ (кислорода, углекислого газа, азота и др.) или газовый цикл;

♦ осадочный цикл (круговорот твердых и жидких веществ, например, известняка, мрамора и др.).

При затормаживании на отдельных участках круговорота веществ происходит накопление отдельных соединений, то есть формируется резервный фонд соответствующего вещества, который впоследствии «обеспечивает» сложную систему запасами данного вещества.
В биогеохимических циклах выделяют две части: 1) резервный фонд; 2) обменный фонд. Резервным фондом называется количество химического элемента биосферы в составе косного или биогенного вещества, находящееся в труднодоступной для миграции форме и исключенное из биогеохимического круговорота. Например, резервным фондом углерода является атмосфера, осадочные породы, ископаемое топливо; главный резервуар биологически связанного углерода – леса. Количество химического элемента, входящее в состав живого, биогенного или биокосного веществ, находящееся в постоянном биогеохимическом круговороте, называется обменным фондом. Количество химического элемента, входящее в состав косного или биогенного вещества и исключенное из биогеохимического круговорота, называется резервным фондом.Оба типа биохимических круговоротов имеют резервные фонды в атмосфере, гидросфере и в земной коре.

Все планетарные кругово­роты веществ тесно переплетены, образуя единый гло­бальный круговорот, в котором осуществляется перенос вещества и энергии. Это означает, что все химические эле­менты участвуют как в геологическом, так и в биотическом круговоротах. Зачастую некоторые круговороты являются замкнутыми и их называют биогеохимическими циклами. Перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества называется биогеохимическим циклом. Учение о биогеохимических циклах разработал В.И. Вернадский.

Круговорот углерода.Углерод – главный участник биотического круговорота. Биотический круговорот углерода в наземных экосистемах начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза.Из углекислого газа и воды образуются углеводы и высвобождается кислород. При этом углерод частично выделяется во время дыхания растений в составе углекислого газа. Фиксированный растениями углерод потребляется животными как составная часть пищи в процессе питания и выделяется при дыхании в составе углекислого газа. Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и вновь попадает в атмосферу, завершая круговорот. Процессы образования органического вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и превращения органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения составляют суть биотического круговорота веществ.

Значительная часть углекислого газа поступает в атмо­сферу в результате сжигания углеродного топлива на ТЭЦ, в котельных, в двигателях транспортных средств. Обще­планетарный расход кислорода на сжигание углеродного топлива составляет почти 17 млрд т в год, при этом в ат­мосферу поступает около 23,4 млрд т углекислого газа. Значительную роль в круговороте углерода играют про­цессы, происходящие в гидросфере, где углекислый газ представлен как в виде разбавленных растворов угольной кислоты, так и главным образом в виде гидрокарбонатов металлов. Многие живые организмы гидросферы, погло­щая углекислый кальций, создают свои скелеты, из кото­рых впоследствии образуются донные известковые отложе­ния. При этом часть углерода в составе карбоната кальция остается на дне Мирового океана и пресноводных водоемов в виде осадочных горных пород, а часть — в виде углекис­лого газа — возвращается вновь в атмосферу. Уменьшение содержания С0₂ в атмосфере вызывает дегазацию вод гид­росферы и соответственно поступление углекислого газа в атмосферу. При повышении содержания С0₂ в атмосфере наблюдается обратный процесс.

Круговорот азота. Объемное содержание азота в ат­мосфере достигает 78%, т.е. атмосфера представляет собой крупнейшую кладовую этого элемента.

В атмосферу азот поступает в основном из трех источни­ков:

1) при биохимическом восстановлении оксидов азота NO_x до молекулярного азота N₂;

2) при извержении вул­канов;

3) при сжигании топлива антропогенных объектов.

Резервным фондом свободного азота в биосфере является атмосфера.

Азотосодержащие вещества мертвых организмов и экс­кретов с помощью редуцентов постепенно превращают­ся в неорганические. Конечным звеном редукционной цепи являются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак NH₃. Часть NH₃ входит в цикл нитрификации, где соответствующими бактериями превращается в нитриты и нитраты.

Последним звеном в процессе восстановления молеку­лярного азота являются бактерии — денитрофикаторы. Бла­годаря их деятельности с 1 га почвы ежегодно в атмосферу поступает до 60 кг N₂. Следует отметить, что подобные процессы денитрификации используются при глубокой очистке сточных вод от соединений азота, образующихся при принудительном разложении органических веществ в очистных сооружениях.

Известно, что для сжигания топлива необходим кисло­род, который потребляется из атмосферы. При сжигании топлива в антропогенных установках в камеры сгорания подается воздух, хотя необходим только кислород. Это вынужденная мера, так как пока нет дешевых технологий выделения кислорода из атмосферного воздуха. Под воз­действием высоких температур происходит образование оксидов азота NO_x, которые поступают в атмосферу.

Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в резуль­тате жизнедеятельности азотофиксирующих бактерий; 2) в результате естественных физических процессов в ат­мосфере; 3) при промышленном синтезе аммиака NH₃.

Обратный процесс денитрификации называется азото-фиксацией. В почве обитают свободноживущие азотофик-сирующие бактерии {Azotobacter, Clostridium), синтезирую­щие сложные протеиды. Отмирая, они обогащают почву органическим азотом (до 25 кг в год на 1 га), который до­статочно быстро минерализуется редуцентами.

Самая эффективная фиксация азота проводится клу­беньковыми бактериями бобовых растений (Rhizobium). Таким путем в этих растениях на одном гектаре накаплива­ется до 400 кг азота в год.

Существуют также азотофиксирующие бактерии, обра­зующие симбиоз (греч. symbiosis — сожительство) с други­ми организмами. Кроме того, способностью фиксировать азот обладают примитивные грибы. В клубеньках многих деревьев, например ольхи, они могут достаточно эффектив­но фиксировать N₂. Способностью к фиксации азота обла­дают и цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Окисление атмосферного азота происходит при электрических разрядах, процессах иониза­ции воздуха, фотохимических процессах. При этом оксиды азота растворяются в дождевой воде и попадают в почву.

При производстве азотных удобрений происходит фик­сация атмосферного азота, в основном в виде NH₃. Любая фиксация (биотическая и абиотическая) газообразного азота требует достаточно больших затрат энергии. Так, клубень­ковые бактерии для фиксации 1 г N₂ расходуют до 170 кДж энергии, извлекаемой из глюкозы растений. Затраты энергии на фиксацию N₂ при производстве удобрений значи­тельно выше, поэтому азотные удобрения одни из самых дорогих.

В последние годы влияние человека на круговорот азо­та стало достаточно ощутимым. Промышленность и сель­ское хозяйство дают почти на 60% больше фиксированного азота, чем естественные экосистемы. В сельском хозяйстве это достигается за счет увеличения посевов бобовых. Зна­чительное количество азота, поступившего с синтезирован­ными минеральными удобрениями, не вовлекается в кру­говорот повторно. При этом часть азота выносится в реки, а затем — в озера и моря, часть изымается вместе с урожа­ем, часть теряется в процессе денитрификации.

За последние годы содержание азота в атмосфере практически не менялось и в глобаль­ных масштабах можно считать процессы денитрификации и азотофиксации достаточно уравновешенными. Следует, однако, отметить, что из-за антропогенных процессов азотофиксация должна преобладать. Видимо, механизм дени­трификации имеет достаточные резервы для поддержания постоянства N₂ в атмосфере.

Круговорот кислорода. Вторым по значимости элемен­том, входящим в состав воздуха, является молекулярный кислород О₂. Объемная доля этого элемента в воздухе до­стигает 21%. Основным поставщиком кислорода в атмо­сферу являются фотосинтезирующие организмы. Незначительное количество О₂ поступает в атмосферу в результате диссоциации паров воды под воздействием жесткого ультрафиолетового излучения.

Потребителей кислорода значительно больше, чем азота. Основные потребители — живые организмы, использующие кислород при дыхании. Некоторая часть кислорода расхо­дуется при окислительном выветривании при вулканиче­ских извержениях. С наступлением эры индустриализации потребление кислорода начинает возрастать, в основном на сжигание топлива.

Кислород в свободной форме является не только продук­том жизнедеятельности живого вещества, но и элементом, принимающим участие в образовании озона, который защи­щает жизнь от губительного ультрафиолетового излучения.

Круговорот фосфора. Фосфор является одним из важ­нейших химических элементов, необходимых для жизне­деятельности организма. Он участвует в синтезе белков протоплазмы, входит в состав нуклеиновых кислот тканей мозга, скелета, панцирей животных.

В отличие от азота, углерода и кислорода резервы фос­фора содержатся не в атмосфере, а в литосфере. Это фосфоросодержащие горные породы, прежде всего апатиты, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Среднее содержание фосфора в земной коре около 0,09%. Поступление фосфора из литосферы в круговорот проис­ходит в процессе выветривания горных пород. Значитель­ная часть фосфатов, попавших в почву, выносшея в моря и внутриматериковые озера. Там фосфаты потребляются водными растениями, а также откладываются на мелко­водье и в глубоководных осадках. На больших глубинах практически происходит резервирование фосфора.

Вместе с почвенным раствором растения потребляют отрицательные ионы фосфата. В растениях фосфор при­обретает форму органических фосфатов и в таком виде передается к другим организмам при питании. Частично органические фосфаты выходят из биогенного круговорота в виде экскреций и могут быть вновь вовлечены растениями в биогеохимические циклы.

В разложении отмерших организмов участвуют также и фосфаторазрушающие бактерии, обеспечивая тем самым возможность дальнейшего вовлечения фосфора в био­генный круговорот. Вовлечение глубоководных богатых фосфором осадочных пород возможно в результате текто-нических процессов, которые через сотни миллионов лет могут привести к подъему пород на поверхность. Частич­ное возвращение фосфора из гидросферы на сушу про­исходит рыбоядными птицами в виде их помета (залежи гуано на побережье Перу), а также с выловленной рыбой. Такой возврат фосфора значительно меньше его выноса с водостоком.

Сложившийся за многие миллионы лет круговорот фос­фора в биосфере в XX в. оказался нарушенным. Основная причина - производство фосфорных удобрений и бытовых препаратов.С этой целью ежегодно добывается около 3 млн т фос­форосодержащих горных пород. Значительная часть этого фосфора смывается в гидросферу. Потери фосфора невели­ки, если природные водосборные бассейны рек не наруше­ны. С увеличением степени освоения данных бассейнов, т.е. с увеличением площадей, занятых городами и агросистемами, в водах рек резко возрастает содержание фосфора. В ре­зультате от избытка фосфора начинается бурное развитие водорослей («цветение» воды).

Круговорот серы. Сера используется живыми организ­мами при синтезе аминокислот — цистина, цистеина и метионина и синтезе белков. Это один из важнейших био­генных химических элементов. В земной коре содержится около 0,047% серы. В почву сера попадает в результате есте­ственного разложения серосодержащих горных минералов (серного FeS₂ и медного CuFeS₂ колчеданов), вместе с ат­мосферными осадками, а также при разложении природных органических веществ. Растения усваивают толь­ко ионы сульфатной серы. В атмосферу сера попадает при извержении вулканов в виде серного ангидрида S0₃, сернистого газа S0₂, серово­дорода H₂S и элементарной серы S.

При разложении белков с участием микроорганизмов образуется H₂S. В дальнейшем сероводород окисляется до элементарной серы или сульфатов. В первом случае об­разуются биогенные месторождения серы, а во втором — сульфаты поглощаются корнями растений и сера вновь вовлекается в круговорот. При избытке сульфатов образу­ются залежи гипса.

Круговорот серы в гидросфере происходит с помо­щью сульфаторедуцирующих бактерий, которые суще­ствуют в анаэробных (без доступа кислорода) условиях.

Они восстанавливают сульфаты до H₂S, который, подни­маясь в верхние слои воды, окисляется растворенным О₂.

Некоторые бактерии, обитающие в водной среде, спо­собны концентрировать серу в своих организмах. После их отмирания происходит накопление серы на дне океана.

Сложившийся за миллионы лет естественный кругово­рот серы все больше подвергается нарушению в результате антропогенной деятельности. Дополнительным поставщи­ком серы в круговорот являются установки для сжигания топлива и химические производства.