БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

биогеохимический круговорот веществ, обмен веществом и энергией между разл. компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятель ностью организмов и носящий циклич. характер. Термин «Б. п.» введён в 10-х гг. 20 в. В. И. Вернадским, разработавшим теоретич. основы биогеохимич. цикличности в учении о биосфере и трудах по биогеохимии. Все Б. ц. в природе взаимосвязаны, составляют динамич. основу существования жизни, а нек-рые из них (циклы С, О, Н, N, S, Р, Са, К. Si и др. т. н. биогенных элементов) являются ключевыми для понимания эволюции и совр. состояния биосферы. Движущими силами Б. ц. служат потоки энергии Солнца (более широко — космоса) и деятельность живого вещества (совокупности всех живых организмов), приводящие к перемещению огромных масс химич. элементов, концентрированию и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии. Благодаря фотосинтезу и непрерывно дейстнующим циклич. круговоротам биогенных элементов создаётся устойчивая организованность биосферы Земли, осуществляется её нормальное функционирование. Нормальные (ненарушенные) Б. ц. в биосфере не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95—98%. Неполная обратимость (незамкнутость) — одно из важнейших свойств Б. ц., имеющее планетарное значение. За всю историю развития биосферы (3,5—3.8 млрд. лет) доля вещества, выходящая из биосферного цикла (длительностью от десятков и сотен до неск. тыс. лет) в геол. цикл (длительностью в млн. лет), обусловила биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере, разл. химич. элементов и соединений в земной коре. Особенно показателен Б. ц. углерода. Ежегодно и:) биосферного Б. ц. наземных экосистем выходит («сбрасывается») в геол. цикл ок. 130 т углерода, что составляет всего 10 — 18% от запасов углерода, находящихся в обращении в совр. биосфере.

Химические элементы циркулируют в биосфере характерными путями из внешней среды в организм и снова во внешнюю среду. Процессы движения химических элементов, которые происходят с участием живого вещества, называются биогеохимическими циклами. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговорот элементов питания. Относительно биосферы, биогеохимические циклы можно разделить на два основных типа:
1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;
2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Из газообразных круговоротов рассмотрим два глобальных круговороты — углерода и воды. Они имеют очень большое значение для человечества. От изменений, происходящих в этих круговорот, зависит будущее человечества на Земле.

Углекислый газ поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Второе его источник — выделение по трещинам земной коры из осадочных пород благодаря химическим процессам.

Можно считать, что этот СО₂ теж имеет биогенное происхождение. Часть углекислого газа поступает в атмосферу из мантии Земли во время вулканических извержений. Это 0,01% всего СО₂, выделяемого живыми организмами (Н. М. Чернова, А. М. Билова, 1986). Кроме СO₂, в атмосфере присутствуют в небольшом количестве СО (0,1 части на миллион) и СН₄ — 1,6 части на миллион. Эти соединения, как и СО₂, находятся в быстром круговороте: 0,1 года для СО; 3,6 года для СН₄ и 4 года для СО₂. СО и СН₄ образуются при неполной или анаэробного разложения органических соединений.

В дальнейшем в атмосфере они окисляются до СО₂. Сегодня запасы углерода в атмосфере оценивают в 700 млрд тонн, а в гидросфере — 50 000 млрд тонн. Годовой фотосинтез составляет для атмосферы 30 млрд тонн и для гидросферы — 150 млрд тонн. Исходя из этих цифр, время кругооборота СО₂ составляет 300-400 лет (Р. Дажо, 1975). Количество СО₂ в атмосфере не уменьшается, его запасы постоянно увеличиваются за счет дыхания, брожения, сведение лесов, распашка почв, сгорания. С увеличением содержания СО₂ в атмосфере связана глобальная экологическая проблема — потепление климата.

 

Круговорот воды

Большой круговорот:

Вода испаряется и переносится воздушными течениями. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, способствует разрушению горных пород, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и органическими частицами в океаны и моря.

Малый круговорот:

Происходит в пределах экосистемы (между гидросферой, почвой, атмосферой, растениями, животными и микроорганизмами).

Круговорот углерода

Начинается с поглощения СО2 при фотосинтезе зелеными растениями и водорослями, включает прохождение углерода по цепям питания в составе органических соединений и заканчивается выделением углерода в виде СО2, образующегося при окислении органических веществ в процессе дыхания или разложения организмов.

Человек завершает круговорот углерода, возвращая в атмосферу СО2 (сжигает ископаемое топливо).

Круговорот азота

Азот-фиксаторы (клубеньковые бактерии бобовых растений, некоторые водоросли и грибы) переводят N2 в нитраты, доступные остальным растениям. От них по пищевым цепям азот передается другим организмам экосистемы. Продукты их жизнедеятельности и мертвые тела, разлагаясь, возвращают азот в почву, главным образом в аммонийной форме, которую некоторые бактерии — нитрификаторы могут переводить в нитритную (NO2) или нитратную форму, усваиваемые любыми растениями. Восстановление азота до газообразного или оксидов азота осуществляется бактериями-денитрификаторами.

Круговорот фосфора — это пример осадочного цикла с резервным фондом в земной коре. Фосфор входит в состав различных минералов, содержится в виде неорганических фосфат-ионов РО43~. Их поглощают растения, включают в состав различных органических соединений и передают по пищевым цепям другим организмам экосистемы. В процессе клеточного дыхания фосфаты снова поступают в окружающую среду, после чего могут опять поглощаться растениями и начинать новый цикл.

Круговорот серы

Соединения серы поступают в круговорот в основном в виде сульфидов из продуктов выветривания пород суши и морского дна. Ряд микроорганизмов способны переводить сульфиды в доступную для растений форму — сульфаты. Растения и животные отмирают, минерализация их остатков редуцентами возвращает соединения серы в почву. Сульфаты способствуют переводу труднорастворимых соединений фосфора в растворимые. Количество минеральных соединений, доступных растениям, возрастает, улучшаются условия для их питания.

Избыток серы в атмосфере приводит к кислотным дождям и нарушает процессы фотосинтеза.

Круговорот золота

Малый круговорот золота начинается с выветривания золотосодержащих пород. Животные, съедая растения, получают от них золото. После гибели организмов при их разложении золото вновь переносится.

Из рек размытое золото попадает также и в воды Мирового океана. В морской воде золото содержится не только в растворенном состоянии. Нерастворимые соединения, осаждаясь на дно, включаются в состав придонных илов, образуя слоистые осадочные породы.

Большой круговорот включает процессы перемещения в нижних слоях земной коры и в магме. Золотосодержащие породы попадают в магматическую область и плавятся. С магмой оно может быть вновь вынесено на поверхность Земли.

Третий тип круговорота

При естественном разрушении породы под действием температуры, ветра и дождя превращаются в россыпи, которые под влиянием гравитации и природных факторов начинают сползать по склону.

Круговорот кальция

Кальций — один из наиболее распространенных на Земле элементов.

Кальция СаСО3 кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО3)2 в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение:

Где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция.

Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные провалы (см. Карст), а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» — сталактиты и сталагмиты.

Биогеохимические циклы тяжелых металлов.

Тяжелыми металлами обычно называют химические элементы, имеющие атомную массу более 50 единиц. Несмотря на сравнительно низкую распространенность этих элементов в природе, они оказывают большое влияние на биогеохимические процессы в биосфере. Так как многие изних оказывают выраженное токсическое действие на живые организмы.

Многочисленными исследованиями установлено, что наиболее токсичными являются следующие 9 элементов: Cr, As, Ni, Sb, Pb, Vo, Cd, Hg, Ta. Польские ученые провели ранжирование тяжелых металлов по потенциалу загрязнения на 4 группы. К группе элементов с очень высоким потенциалом загрязнения отнесены кадмий, ртуть, свинец, медь, таллий, олово, хром, сурьма, серебро, золото.

К группе элементов с высоким потенциалом загрязнения относятся висмут, уран. Молибден, барий, марганец, титан, железо, селен, теллур. К группе элементов со средним потенциалом загрязнения относятся фтор, бериллий, ванадий, рубидий, никель, кобальт, мышьяк, германий, индий, цезий, вольфрам. Элементы со слабым потенциалом загрязнения – стронций, цирконий, лантан, ниобий.

 

Как видно, 4 металла из первой группы (с очень высоким потенциалом загрязнения) – свинец, ртуть, кадмий и хром

В известной степени каждый крупный город является причиной возникновения биогеохимических аномалий, в том числе и опасных для человека.

Общеизвестно, что накопление свинца и цинка происходит в зонах интенсивного движения автотранспорта, вдоль автострад и в индустриальных центрах. Почвы в сельской местности содержат в 10-20 раз меньше свинца. Чем почвы городов. Свинец обладает способностью накапливаться в органическом веществе почв.

Доступность тяжелых металлов растениям зависит от вида растений, почвенных и климатических условий. У каждого вида растений концентрации тяжелых металлов могут варьировать в различных частях и органах, а также зависят от возраста растений.

К почвенным факторам, существенно влияющим на доступность для растений тяжелых металлов относятся: гранулометрический состав, реакция среды почвы,, содержание органического вещества, катионообменная способность и дренаж. В более тяжелых почвах меньшая опасность возможной адсорбции растениями избыточного (токсичного) количества тяжелых металлов. С повышением рН почвенного раствора возрастает вероятность образования нерастворимых гидроксидов и карбонатов. Сложилось мнение, что для снижения до минимума доступности токсичного металла в почве необходимо поддерживать рН не ниже 6,5. Металлы могут образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, и поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения растениями. Обменная емкость катионов зависит, главным образом, от содержания и минералогического состава глинистой части почв и содержания в них органического вещества. Чем выше обменная емкость катионов, тем больше удерживающая способность почв по отношению к тяжелым металлам.

Избыток воды в почве способствует появлению в ней металлов с низкой валентностью в более растворимой форме.

Приоритетные загрязнители биосферы – ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь. Увеличение их концентрации в воде, почве, воздухе и биоте является прямым показателем опасности для животных и человека.