Биогеохимические круговороты

Любые элементы или их соединения необходимы для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения называются питательными веществами. Они включают как органические вещества (сахар и протеины) так и неорганические (вода, углекислый газ, кислород, нитраты, фосфаты, железо, мель).

Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важными для живых организмов. Эти элементы необходимые в больших количествах называются питательными макроэлементами. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, калий. Они составляют 97: массы человеческого тела.

Около 30 других элементов, необходимых для жизни в небольших или незначительных количествах, называют питательными микроэлементами. Это железо, медь, цинк, хлор, йод.

Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что не могут быть напрямую использованы живыми организмами. К счастью, элементы и их соединения, необходимые в качестве питательных веществ, находятся в постоянном круговороте и способны преобразовываться в необходимые для поглощения формы.

Круговорот веществ в биосфере обусловлен совместным действие биологических, геохимических и геофизических факторов.

Биологические циклы обусловлены жизнедеятельностью организмов: питание, пищевые сети, размножение, рост, передвижение, смерть, разложение, минерализация.

Абиогенные циклы сложились намного раньше биологических; они включают в себя весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических и атмосферных процессов.

Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

К главным циклам можно отнести круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и биогенных катионов.

Круговорот углерода

Рис. Круговорот углерода в биосфере

Углерод является основным «строительным материалом» молекул органических соединений. Большинство наземных растений получают необходимый углерод, поглощая углекислый газ из атмосферы., концентрация которого там составляет 0,04%. Фитопланктон (микроскопические растения, плавающие в водных экосистемах) получают углерод их углекислого газ, растворенного в воде.

В процессе фотосинтеза растения – продуценты превращают углерод углекислого газа в углерод сложных органических соединений, например глюкозы:

углекислый газ + вода + солнечная энергия = глюкоза + кислород

Затем в процессе клеточного дыхания глюкоза и другие сложные органические соединения расщепляются и преобразуют углерод обратно в углекислый газ, для повторного использования продуцентами:

глюкоза + кислород = углекислый газ + вода + энергия

В круговороте углерода, а точнее наиболее подвижное его формы – углекислого газа, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, консументы, редуценты.

Углерод быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Некоторая часть планетарного углерода на длительные периоды «связывается» в форме ископаемых видов топлива – каменного и бурого угля, нефти, природного газа, торфа, сланцев – процесс образования которых в литосфере длился миллионы лет. В таком виде углерод остается «связанным» до тех пор пока не будет снова введен в атмосферу в форме углекислого газа, что происходит при добыче и сжигании минерального топлива.

Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, в результате быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:

- Сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать углекислый газ.

- Сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу, постепенное возрастание содержания которого, вызывает так называемый «парниковый эффект».

Круговорот азота

Рис. Круговорот азота в биосфере

Круговорот азота охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом (N0^3- и NH₄). И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а точнее поч­венные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в ам­монийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нит­ратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделен­ными при гниении газами. Правда, часть его окисля­ется в воздухе — во время грозовых разрядов — и поступает в почву с дождевой водой, но таким спо­собом его фиксируется в 10 раз меньше, чем с помо­щью бактерий.

Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

- при сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере с кислородом и образуется диоксид азота (NO₂),который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту (HNO₃). Эта кислота становится компонентом кислотных осадков.

- использование удобрений приводит к выделению в атмосферу «парникового газа» закиси азота (N₂O)

- увеличение количества нитратов и ионов аммония в водных экосистемах при смыве с удобрений с полей. Избыток питательных веществ приводит к быстрому росту водорослей, при разложении которых расходуется растворенный кислород, что приводит к массовым морам рыб.

Круговорот фосфора

Рис. Круговорот фосфора в биосфере

Фосфор, главным образом в виде фосфат-ионов (РО^3- и НРО₄^2-), является важным питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в со­став молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходи­мая для организмов химическая энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клет­ках; а также веществ, входящих в состав костей и зу­бов. Общий круговорот фосфора можно разделить на две части — водную и наземную

Фосфор медленно перемещается из фосфатных ме­сторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и затем обратно. Фос­фор, высвобождаемый при медленном разрушении (или выветривании) фосфатных руд, растворяется почвенной влагой и поглощается корнями растений.

Животные получают необходимый им фосфор, поедая растения или других растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в виде экскремен­тов животных и продуктов разложения мертвых жи­вотных и растений возвращается в почву, в реки и в конце концов на дно океана в виде нерастворимых фосфатных осадочных пород.

Часть фосфора возвращается на поверхность суши в виде гуано — обогащенной фосфором органической массы экскрементов питающихся рыбой птиц (пели­канов, олушей, бакланов и т. п.). Однако несравнимо большее количество фосфатов ежегодно смывается с поверхности суши в океан в результате природных процессов и антропогенной деятельности. Вмешатель­ство человека в круговорот фосфора сводится в основ­ном к двум вариантам:

- добыча больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств;

- увеличение избытка фосфат-ионов в водных эко­системах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных ком­мунально-бытовых стоков. Избыток этих элементов способствует «взрывному» росту сине-зеленых водорослей и других водных растений, что нарушает жизненное равновесие в водных экосистемах.