Биогеохимические круговороты.

В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями.

Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например, азот.

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний день.

Когда 2 млрд. лет тому назад на Земле появилась жизнь, атмосфера состояла из вулканических газов. В ней было много углекислого газа и мало кислорода (если вообще был), и первые организмы были анаэробными. Так как продукция в среднем превосходила дыхание, за геологическое время в атмосфере накапливался кислород и уменьшалось содержание углекислого газа. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается в результате сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения поглотительной способности «зелёного пояса». Последнее является результатом уменьшения количества самих зелёных растений, а также связано с тем, что пыль и загрязняющие частицы в атмосфере отражают поступающие в атмосферу лучи.

В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных элементов и веществ она не одинакова), но тем не менее не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах – наиболее древних и консервативных).

Таким образом, следует говорить не об изменении человеком того, что не должно меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление изменений и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования природы. Последнее формулируется следующим образом: в ходе эксплуатации природных систем нельзя превышать некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например, избыток вносимых 

удобрений столь же вреден, сколь и недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему всё позволено.

Надежды на преодоление экологических трудностей связывают, в частности, с разработкой и введением в эксплуатацию замкнутых технологических циклов. Создаваемые человеком циклы превращения материалов считается желательным устраивать так, чтобы они были подобны естественным циклам круговорота веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы обеспечения человечества невосполнимыми ресурсами и проблема охраны природной среды от загрязнения, поскольку ныне только 1 – 2% веса природных ресурсов утилизируется в конечном продукте.

Теоретически замкнутые циклы превращения вещества возможны. Однако полная и окончательная перестройка индустрии по принципу круговорота вещества в природе не реальна. Хотя бы временное нарушение замкнутости технологического цикла практически неизбежно, например, при создании синтетического материала с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое вещество вначале всесторонне апробируется на практике, и только потом могут быть разработаны способы его разложения с целью внедрения составных частей в природные круговороты.

Круговорот азота.

Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака,

образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

4NH₃ + 3O₂ ® 2N₂ + 6H₂O.

Круговорот азота – один из самых сложных, но одновременно самых идеальных

круговоротов. Несмотря на то что азот составляет около 80% атмосферного

воздуха, в большинстве случаев он не может быть непосредственно использован

растениями, т.к. они не усваивают газообразный азот. Вмешательство живых

существ в круговорот азота подчинено строгой иерархии: только определённые

категории организмов могут оказывать влияние на отдельные фазы этого цикла.

Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы

некоторых бактерий, тогда как другие бактерии – фиксаторы (вместе с сине-

зелёными водорослями) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты.

Неорганическим путём нитраты образуются и в атмосфере в результате

электрических разрядов во время гроз.

Самые активные потребители азота – бактерии на корневой системе растений

семейства бобовых. Каждому виду этих растений присущи свои особые бактерии,

которые превращают азот в нитраты. В процессе биологического цикла нитрат-ионы

(NO₃^-) и ионы аммония (NH₄⁺),

поглощаемы растениями из почвенной влаги, преобразуются в белки, нуклеиновые

кислоты и т.д. Далее образуются отходы в виде погибших организмов, являющихся

объектами жизнедеятельности других бактерий и грибов, преобразующих их в

аммиак. Так возникает новый цикл круговорота. Существуют организмы, способные

превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот. Основные звенья

круговорота азота в биосфере представлены схемой на рис. 3.

Биологическая активность организмов дополняется промышленными способами

получения азотосодержащих органических и неорганических веществ, многие из

которых применяются в качестве удобрений для повышения продуктивности и роста

растений.

Антропогенное влияние на круговорот азота определяется следующими процессами:

1. сжигание топлива приводит к образованию оксида азота, а затем реакциям:

2. 2NO + O2 ® 2NO2 ,

3. 4NO2 + 2H2O.+ O2 ® 4HNO3 ,

4. способствуя выпадению кислотных дождей;

Оксиды азота (в атмосфере)

Азот

(в атмосфере)


Молнии


Денитрифицирующие


Азотфиксирую- бактерии

щие бактерии

Сине-зелёные

Бактерии Осадки водоросли

Аммиак и ионы аммония (в почве и воде)



Бактерии


Бактерии

Бактерии

Рис. 3. Круговорот азота.

5. в результате воздействия некоторых бактерий на удобрения и отходы

животноводства образуется закись азота – один из компонентов, создающих

парниковый эффект;

6. добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат-ионы и ионы аммония, для

производства минеральных удобрений;

7. при сборе урожая из почвы выносятся нитрат-ионы и ионы аммония;

8. стоки с полей, ферм и из канализаций увеличивают количество нитрат-

ионов и ионов аммония в водных экосистемах, что ускоряет рост водорослей и

других растений; при разложении последних расходуется кислород, что в

конечном счёте приводит к гибели рыб.

Круговорот фосфора.

Фосфор – один из основных компонентов (главным образом в виде

и ) живого вещества

и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран,

аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), жиров, костей и зубов.

Круговорот фосфора, как и других биогенных элементов, совершается по большому и

малому циклам.

Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в

литосфере. Основные источники неорганического фосфора – изверженные или

осадочные породы. В земной коре содержание фосфора не превышает 1%, что

лимитирует продуктивность экосистем. Из пород земной коры неорганический

фосфор вовлекается в циркуляцию континентальными водами. Он поглощается

растениями, которые при его участии синтезируют различные органические

соединения и таким образом включаются в трофические цепи. Затем органические



фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в

землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в

минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.

В экосистеме океана фосфор приносится текучими водами, что способствует

развитию фитопланктона и живых организмов.

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных

условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с

постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на

небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты,

отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом круговороте.

Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к

поверхности.

Таким образом фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше

и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно (рис. 4).

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий

период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы фосфора на

земле малы. Поэтому считают, что фосфор – основной фактор, лимитирующий рост

первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор – главный регулятор

всех других биогеохимических циклов, это – наиболее слабое звено в жизненной

цепи, которая обеспечивает существование человека.

Антропогенное влияние на круговорот фосфора состоит в следующем:

1. добыча больших количеств фосфатных руд для минеральных удобрений и

моющих средств приводит к уменьшению количества фосфора в биотическом

круговороте;

2. стоки с поле, ферм и коммунальные отходы приводят к увеличению фосфат-

ионов в водоёмах, к резкому росту водных растений и нарушению равновесия в

водных экосистемах.