Рольф Эдберг

 

Куговорот воды, а также круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в биосфере называют круговоротом веществ. Это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере. Деятельность живых организмов сопровождается извлечением из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает круговорот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами. Таким образом накапливаются полезные ископаемые – уголь, нефть, газ, известняки и т.п.

Непрерывному круговороту в биосфере Земли подвергаются только вещества. Когда речь идет об энергии, можно говорить только о ее направленном потоке. Передаваясь по трофическим цепям, энергия постепенно рассеивается. Частично она накапливается в земной коре в алюмосиликатах в результате разложения органических остатков.

Обновление живого вещества биосферы происходит за 8 лет. Фитомасса суши (биомасса наземных растений) обновляется за 14 лет. Масса живого вещества океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса - за один день. Полная смена вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет, смена кислорода в атмосфере - за несколько тысяч лет (до 3000), а углекислого газа - за 6,3 года. Общепланетные климатические и геохимические циклы, охватывающие атмосферу, океан, толщу донных осадков и кору выветривания, протекают крайне медленно и исчисляются сотнями тысяч и миллионами лет. (Здесь следует заметить, что вмешательства человека, происходящие в крайне короткие сроки, искусственно интенсифицируют эти процессы, что чревато тяжелыми процессами).

Развитие и функционирование живого вещества изменили океан, атмосферу, поверхность земной коры, привели к образованию почвенного покрова. Почва вместе с растениями и животными образует на суше сложную экологическую систему, которая связывает и перераспределяет солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы-биофилы. Те же функции выполняет и мировой океан с водными растениями и планктоном. Жизнедеятельностью растительных организмов и их взаимодействием с животными, микроорганизмами и неживой природой обеспечивается механизм фиксации, накопления и перераспределения космической энергии, поступающей на Землю. Эта энергия аккумулируется в органических соединениях, слагающих биомассу живого вещества.

За миллиарды лет эволюции Земли на нашей планете сложились великий биогеохимический круговорот и дифференциация химических элементов в природе. На первых этапах своей истории человек стал звеном этого круговорота веществ и потока энергии вместе с животным населением. Однако в настоящее время хозяйственная деятельность человека привносит значительные изменения в биогеохимические циклы элементов в биосфере. Например, в результате производства удобрений азот атмосферы возвращается в почвы в размерах, превышающих его биологическую фиксацию. Рассеянные в виде следов ртуть, свинец, кадмий добываются, концентрируются и включаются в больших количествах в биосферу.

Элементами круговорота веществ в природе являются:

■ регулярно повторяющиеся или непрерывно текущие процессы переноса энергии, образование и синтез новых соединений;

■ постоянные или периодические процессы переноса и перераспределения энергии и процесса выноса и перемещения синтезированных соединений;

■ направленные процессы последовательного преобразования, разложения и деструкции синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных воздействий среды;

■ постоянное или периодическое образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообразном, жидком или твердом состоянии.

Важнейшую роль в биосфере играют круговороты воды, углерода, кислорода, азота, фосфора, серы.

Круговорот воды. Под влиянием энергии Солнца и жизнедеятельности биоценозов в биосфере поддерживается определенный баланс воды. Механизм, поддерживающий этот баланс, хорошо известен - это круговорот воды. Мировой баланс воды - величина довольно стабильная. Для существования жизни и развития человеческой цивилизации наиболее важной частью в этом балансе являются пресные воды, которые составляют речной сток, содержатся в озерах и подземных горизонтах.

Интересно, что объем первоначальных запасов воды на Земле практически не изменился. Сколько бы раз вода не употреблялась человеком для своих нужд, общее количество ее на Земле не уменьшается. Благодаря водяному колесу природы – круговороту воды водные молекулы постоянно циркулируют между океаном, атмосферой и земной поверхностью. В результате круговорота воды гидросфера стала планетарной транспортной системой, а также планетарным аккумулятором органического, неорганического вещества и различных химических элементов.

До появления биосферы круговорот воды в природе осуществлялся только за счет испарения поверхностных вод водоемов и суши. В этом процессе существуют два круговорота: малый, в котором испарившаяся вода проливается прямо над океаном, и большой, когда облака уносятся ветром в сторону суши и пролившиеся дожди возвращаются в океан в виде поверхностного и речного стоков. За счет притока солнечной энергии вода испаряется с поверхности морей и океанов, а также суши. Часть воды, испарившейся с поверхности океанов, выпадает в виде осадков в океан, совершив, так называемый, малый круговорот. Другая часть воды в виде водяного пара, переносимого воздушными течениями, достигает суши. Атмосферные осадки, выпавшие на суше, частью просачиваются в почву и образуют подземный сток, частью стекают по земной поверхности, образуя ручьи и реки, а в остальной части снова испаряются, в том числе и через процесс биологического испарения, связанного с жизнедеятельностью растений (транспирация) и животных. В конце концов, она снова достигает океана, завершая большой круговорот воды на земном шаре.

В среднем в год с поверхности всех водоемов испаряется порядка 519 тыс. км³ воды в год. Более 90% ее возвращается в океан с атмосферными осадками и лишь 10% выпадает в виде осадков на поверхности материков. В некоторых конкретных случаях количество испаренной воды и скорость испарения столь велики, что не восполняются поверхностными стоками. Например, сток воды в Средиземное море не восполняет количества испаренной с его поверхности воды, поэтому в Гибралтаре течение направлено всегда из Атлантики.

Современный круговорот воды происходит с участием биосферы и человека. Цикл его таков: вода, испаренная с поверхности водоемов, почвой, растениями, животными, конденсируется, образуя облака, и выпадает в виде осадков. Часть ее попадает в водоемы непосредственно, часть питает подземные воды, часть потребляется животными и растениями и снова возвращается в мировой океан уже как продукт жизнедеятельности, часть воды используются машинами, механизмами и промышленностью и возвращается в биосферу в виде пара и отработанной технической воды.

Сравнение схем двух круговоротов воды показывает, насколько усложнилась структура круговорота включением в него биоценозов и человека. Транспирация, т.е. дыхание растений, вносит очень заметный вклад в водный цикл. Так, с единицы поверхности леса испаряется значительно больше воды, чем с такой же поверхности моря. Подсчитано, что с гектара березового леса ежедневно испаряется 47 000 л воды, а с гектара елового леса - около 43 000 л. Исследования ученых показали, что сток небольших лесных районов на 50-95% больше, чем сток открытых безлесных районов. Именно поэтому запрещается вырубать леса в так называемой водоохранной зоне - вдоль малых и крупных рек.

Вода, будучи сильнейшим растворителем, играет огромную роль в геохимических процессах. Промывая толщи горных пород, она вовлекает в круговорот большую часть химических элементов периодической системы Менделеева. На Земле нет дистиллированной воды. Любая вода содержит растворенные соли, газы, органические и коллоидные вещества. Совместно с циркуляцией воды в биосфере, растворенные в ней элементы также участвуют в круговороте. Количество растворенных веществ варьирует в очень широких пределах. Минерализация может составлять от первых миллиграммов на дм³ до почти 600 г/дм³. Пресными называют воды с минерализацией до 1 г/дм³.

Глобальный биогеохимический круговорот в биосфере не является целиком замкнутым. В отдельных случаях степень повторяющегося воспроизводства некоторых циклов составляет 90-98%. Такая неполная замкнутость биогеохимических циклов в масштабах геологического времени приводит к дифференциации элементов и накоплению их в различных природных сферах Земли.

Непрерывному круговороту в биосфере Земли подвергаются только вещества. Когда речь идет об энергии, можно говорить только о ее направленном потоке. Передаваясь по трофическим цепям, энергия постепенно рассеивается. Частично она накапливается в земной коре в алюмосиликатах в результате разложения органических остатков.

Обновление живого вещества биосферы происходит за 8 лет. Фитомасса суши (биомасса наземных растений) обновляется за 14 лет. Масса живого вещества океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса - за один день. Полная смена вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет, смена кислорода в атмосфере - за несколько тысяч лет (до 3000), а углекислого газа - за 6,3 года. Общепланетные климатические и геохимические циклы, охватывающие атмосферу, океан, толщу донных осадков и кору выветривания, протекают крайне медленно и исчисляются сотнями тысяч и миллионами лет. (Здесь следует заметить, что вмешательства человека, происходящие в крайне короткие сроки, искусственно интенсифицируют эти процессы, что чревато тяжелыми процессами).

Развитие и функционирование живого вещества изменили океан, атмосферу, поверхность земной коры, привели к образованию почвенного покрова. Почва вместе с растениями и животными образует на суше сложную экологическую систему, которая связывает и перераспределяет солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы-биофилы. Те же функции выполняет и мировой океан с водными растениями и планктоном. Жизнедеятельностью растительных организмов и их взаимодействием с животными, микроорганизмами и неживой природой обеспечивается механизм фиксации, накопления и перераспределения космической энергии, поступающей на Землю. Эта энергия аккумулируется в органических соединениях, слагающих биомассу живого вещества.

За миллиарды лет эволюции Земли на нашей планете сложились великий биогеохимический круговорот и дифференциация химических элементов в природе. На первых этапах своей истории человек стал звеном этого круговорота веществ и потока энергии вместе с животным населением. Однако в настоящее время хозяйственная деятельность человека привносит значительные изменения в биогеохимические циклы элементов в биосфере. Например, в результате производства удобрений азот атмосферы возвращается в почвы в размерах, превышающих его биологическую фиксацию. Рассеянные в виде следов ртуть, свинец, кадмий добываются, концентрируются и включаются в больших количествах в биосферу.

Элементами круговорота веществ в природе являются:

▲ регулярно повторяющиеся или непрерывно текущие процессы переноса энергии, образование и синтез новых соединений;

▲ постоянные или периодические процессы переноса и перераспределения энергии и процесса выноса и перемещения синтезированных соединений;

▲ направленные процессы последовательного преобразования, разложения и деструкции синтезированных ранее соединений под влиянием биогенных или абиогенных воздействий среды;

▲ постоянное или периодическое образование простейших минеральных и органоминеральных компонентов в газообразном, жидком или твердом состоянии.

Важнейшую роль в биосфере играют биогеохимические круговороты таких элементов, как углерод, кислород, азот, фосфор, сера.

Круговорот углерода. Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место среди всех элементов. В наиболее общем виде круговорот углерода можно представить как процесс освобождения и связывания диоксида углерода (СО₂), включая его растворение в воде океанов.

В наиболее общем виде его можно представить как процесс освобождения и связывания диоксида углерода (СО₂), включая его растворение в воде океанов. В.И.Вернадский в своем труде о биосфере писал: "Преобладающее, особое значение атомов углерода свойственно не только живым организмам, это свойство биосферы, ее живой и косной материи, до известной степени всей земной коры". С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на Земле. По распространению углерод занимает на планете одиннадцатое место. В атмосфере его содержится 0,046% в форме углекислого газа и 0,00012% в форме метана; в земной коре - 0,35% и в живом веществе - около 18%. Он вовлекается в цепь непрерывных реакций и биогеохимических круговоротов, соединяясь с большинством элементов самыми разнообразными способами. В то же время связь атомов углерода между собой и с другими атомами (кислорода, водорода, серы, фосфора и др.) может быть разрушена под воздействием природных факторов.

Предполагается, что углерод распределен в довольно тонком слое земной коры, в атмосфере (в которой на его долю приходится 0,046% массы) в виде диоксида и оксида углерода и в животной и растительной биомассе. Основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах в основном в форме карбонатов (СаСО₃) и гидрокарбонатов (Са(НСО₃)₂, представляющих собой растворимые и нерастворимые донные отложения в Мировом океане, накопившиеся за миллионы лет геологической истории Земли. Этот процесс продолжается и в настоящее время.

В несвязанном состоянии углерод встречается в виде алмазов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие месторождения в ФРГ, Шри-Ланка и России). Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например кальцит и доломит, а также в состав всех биологических веществ.

Углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, составляет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содержание СО₂ в атмосфере нестабильно (менее одного процента), и подвержено сезонным изменениям. В настоящее время наблюдается его увеличение, связанное с антропогенным воздействием. Если сто лет назад содержание углекислого газа составляло примерно 270 частей на миллион, то сегодня эта цифра выросла до 350 частей на миллион.

Также постепенно растет (на 1-2% ежегодно) содержание в атмосфере метана и оксида углерода, что тоже связано с сельским хозяйством и энергетикой. В тех районах, где в процессе выработки энергии потребляется большое количество ископаемого топлива, зарегистрирован небольшой, но неуклонный рост концентрации оксидов азота и серы.

Если сравнить содержание диоксида углерода в водах (реки, озера, моря), атмосфере и океане, то окажется, что Мировой океан содержит более 98% общего запаса СО₂ углерода атмосферы и гидросферы.

Следует подчеркнуть, что цикл биологического круговорота углерода не замкнут. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапропелей, гумуса и других органических осадков. В разных циклах биологического круговорота участвует около 98-99% ассимилированного углерода.

Если в круговороте кислорода зеленые растения являются его поставщиком в атмосферу, то в круговороте углерода они являются мощным механизмом, улавливающим его из атмосферы в виде углекислого газа и связывающим в органические соединения. В процессе фотосинтеза углерод ассимилируется растениями и переводится в углеводы. В процессе же дыхания происходит обратный процесс: углерод органических соединений превращается в диоксид углерода.

Ежегодно наземные растения связывают около 18 млрд т углерода, растения морей - 25 млрд т. Еще одним мощным утилизатором углерода являются морские организмы, которые используют его для образования своих скелетов. В дальнейшем остатки отмерших морских организмов опускаются на дно морей и океанов и образуют мощные отложения известняков. Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков.

Давайте проследим "путешествие" атома углерода, одного из мириад себе подобных, в биосфере. Представьте себе извержение вулкана. Наконец-то для нашего атома закончилось время заточения глубоко в недрах Земли и он вырывается на свободу в атмосферу. В виде молекулы углекислого газа, связанный с атомами кислорода, Он беззаботно "плавает" в атмосфере в течение нескольких лет. И вот однажды прекрасный растение или кудрявое дерево бесцеремонно захватывает его, вовлекает в процесс фотосинтеза и превращает в более восстановленную химическую форму. Если же наш атом будет проплывать над океаном, то, скорее всего, попав в толщу воды, он превратится в ион бикарбоната и будет блуждать тысячи лет между атмосферой, почвами и океаном. В конце концов свобода обернется для него захоронением в океанических отложениях, где наш углерод, лишенный движения, просуществует в течение ста миллионов лет или более.

Подсчитано, что среднестатистический атом углерода за всю историю Земли (4-4,5 млрд лет) мог совершить до 20 таких путешествий между осадочными породами и атмосферой.

Судьба углерода непосредственно связана с судьбой кислорода, поскольку на каждую молекулу кислорода должна где-то существовать и молекула восстановленного углерода. Это позволяет оценивать запасы углерода в биосфере величиной порядка 2^.10¹⁵-2^.10¹⁶ т. Казалось бы, такого количества углерода должно хватить на многие миллионы лет. Так оно и есть. Сложность, однако, в том, что большая часть этого элемента распылена. А то, что мы извлекаем на поверхность Земли в виде угля, нефти и других полезных ископаемых, это лишь малая доля общего количества восстановленного углерода в осадочных породах.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше кислорода. От его содержания в воде зависит количество растворенных гидрокарбонатов, т.е. жесткость воды. Если содержание СО₂ в воде уменьшается, то выпадает осадок нерастворенного карбоната, который будет растворен при восстановлении равновесия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ, котельных и других системах, использующих воду. В природных условиях результатом этой реакции является образование полостей в земной коре, сталактитов и сталагмитов.

Круговорот кислородаявляется очень сложным циклом из-за большого числа его участников. В него вовлечено большое количество представителей органического и неорганического мира, а также водород и вода, растворяющая кислород. Кислород постоянно циркулирует в океане, биосфере и осадочных породах. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхности и фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенными частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассеяние света и снижает активность фотосинтеза. Содержание кислорода в воде является одним из показателей ее здоровья. По данным замеров, в большинстве наших водоемов эта величина сейчас ниже нормы.

Кислород является самым распространенным элементом на Земле. В гидросфере его содержится 85,82% по массе, в литосфере 47%, в атмосфере 23,15%. Кислород стоит на первом месте по числу образуемых им минералов (1364). Среди них преобладают силикаты, кварц, окислы железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах содержится в среднем около 70% кислорода. Он входит в состав большинства органических соединений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав органических соединений скелета.

В процессе сгорания топлива образуется довольно большое количество воды, которая в конечном счете потребляется растением и разлагается в процессе фотосинтеза на атомарный водород и атомарный кислород. Высвободившийся кислород снова поступает в атмосферу и используется для создания органического вещества. Круг замыкается.

Итак, единственным производителем животворного кислорода является зеленое вещество растений. Растения - естественные накопители космической солнечной энергии. Потребители же его - живые организмы: человек, животные, почвенные организмы и сами растения, которые используют кислород в процессе дыхания. Причем, если на заре человечества кислород в основном тратился человеком на дыхание, то в наше время научно-технических революций огромная масса кислорода идет на обеспечение промышленного производства, хозяйственной деятельности человека и средств коммуникации. В огромных количествах кислород тратится при сжигании топлива в двигателях автомобилей, самолетов, кораблей, сельскохозяйственных машин, топках электростанций и т.д.

Одной из самых негативных сторон существования современной цивилизации является то, что темпы хозяйственной деятельности человека увеличиваются, а зеленые площади Земли сокращаются. Нещадно вырубаются тропические леса, которые являются основным поставщиком кислорода - "легкими" нашей планеты. В целом с лица Земли ежегодно исчезают лесные территории плошадью в три Бельгии. И мы, жители планеты, получаем все меньше кислорода. Леса тропиков вырубаются сейчас со скоростью 23 гектара в минуту, или более 1/3 гектара в секунду! А между тем каждый гектар тропического леса продуцирует 28 т кислорода.

Взрослое дерево за сутки производит 180 л кислорода, а взрослый человек потребляет его в количестве 360 л, если ничего не делает, и до 700-900 литров, когда работает. Но это выглядит сущим пустяком на фоне других цифр. Так, легковой автомобиль, за тысячу километров пробега расходует столько кислорода, что его хватило бы человеку на год, а современный реактивный самолет за время перелета из Америки в Европу сжигает от 35 до 55 т кислорода!

Таким образом, деятельность человека во всех ее проявлениях значительным образом влияет на современный круговорот кислорода. Общее количество свободного кислорода в атмосфере оценивается цифрой 1,8.10¹⁵ т. Это именно то количество, которое накопилось благодаря деятельности зеленых растений. В год на современном этапе эволюции Земли продуцируется 1,55^.10⁹ т кислорода. Расходуется 2,16^.10¹⁰ т. Из приведенных цифр видно, что расход кислорода превышает его образование больше чем на порядок. Есть над чем задуматься.

Круговорот азота. Особое место среди биогенных элементов занимает азот - важный строительный материал для белков, нуклеиновых кислот и других соединений. Азот распространен в биосфере крайне неравномерно. В больших количествах он содержится в биогенных ископаемых (уголь, нефть, битум, торф). Вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония содержащегося в почвах азота, как правило, недостаточно для нормального питания растений. В почве его содержится всего от 0,02 до 0,5%, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов некоторых растений и разложению органических веществ. В то же самое время миллионы тонн азота в атмосфере давят на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образно говоря, "висит" до 80 тыс. т этого элемента. Недаром азот называют инертным газом (в переводе с греческого - "безжизненным"). Почему же так получается? Дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном состоянии, то есть в бездействии. Элементом жизни он становится только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного (хотя бы в простые оксиды) азота в воздухе нет.

Исключением является техногенное поступление азота в атмосферу. Это происходит в результате выбросов автомобильного транспорта, тепловых электростанций, котельных, промышленных предприятий. При сжигании ископаемого топлива (нефть, уголь, газ) в атмосферу земли происходит выброс оксидов азота (N₂O, NO₂), которые являются загрязнителями окружающей среды.

Несмотря на то что азота в атмосфере присутствует довольно большое количество, большинство организмов не может ассимилировать его. Буквально купаясь в азоте, растения не в состоянии извлечь его из атмосферы. Азот практически не участвует в геохимических процессах и лишь накапливается в атмосфере.

Основными стадиями круговорота азота являются фиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация.

Пути фиксации азота в биосфере могут быть разными. Прежде всего это поступление его вместе с дождевыми водами из атмосферы, главным образом во время гроз. Небольшая часть азота попадает в биосферу при вулканических извержениях и значительное количество - в результате выбросов промышленных предприятий. Но основным источником азота является биологическая фиксация - связывание атмосферного азота свободноживущими азотфиксирующими бактериями - азотобактером, цианобактериями и другими, а также азотфиксаторами, живущими в симбиозе (совместное сожительство) с высшими растениями, например, клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, таких, как арахис, соя, чечевица, фасоль, люцерна, клевер, люпин и др. Фиксируя атмосферный азот, они снабжают растение-хозяина доступными для него соединениями азота в виде нитратов и нитритов.

Корни бобовых растений вступают в симбиоз с живущими в почве клубеньковыми бактериями рода Rhizobium. Эти бактерии обладают удивительной способностью улавливать азот из воздуха и перерабатывать в нитрат аммония. В обмен на сахар и безопасный приют в корневых клубеньках бобовых бактерии обильно снабжают их готовыми растворимыми соединениями азота.

В таких симбиотических системах азот становится доступен растениям в виде иона аммония (NH⁴⁺). После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота. Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемая животными и грибами, расщепляются гнилостными бактериями до аммиака.Такой процесс получил название аммонификации.

Нитрификация заключается в том, что часть аммиака может поглощаться в виде иона аммония NH₄^- непосредственно растениями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак окисляется специализированными нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, которые вновь используются растениями. Процесс нитрификации можно отразить следующей схемой:

NH₄^- → NO₂^-→ NO₃^-

Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми бактериями до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Денитрификация происходит в несколько этапов:

NO₃^- → NO₂^- → N₂O → N₂.

На каждом из этапов выделяется кислород, который необходим денитрифицирующим бактериям (например, из рода Pseudomonas), для дыхания при отсутствии в почве свободного кислорода.

Почвенные азотофиксирующие организмы оставались малоизученными вплоть до конца XIX века. Ученые даже опасались, денитрифицирующие бактерии, как раз в то время открытые, постепенно исчерпают запас фиксированного азота в почве и снизят плодородие. В своей речи перед Королевским обществом в Лондоне сэр У. Крукс набросал мрачную картину голода, который ожидает человечество в недалеком будущем, если не появится искусственные способы фиксации азота. В то время главным источником селитры и для производства удобрений, и для выработки взрывчатых веществ были залежи в Чили. Именно потребность во взрывчатых веществах стала главным стимулом для химиков. В 1914 году немецкие химики Ф. Габер и К. Бош предложили каталитический метод промышленной фиксации азота.

После того как круговорот азота был в общих чертах изучен, стала понятна роль бактерий-денитрификаторов. Без таких бактерий, возвращающих азот в атмосферу, большая часть атмосферного азота находилась бы сейчас в связанной форме в океане и в осадочных породах. В настоящее время в атмосфере, разумеется, недостаточно кислорода для перевода всего свободного азота в нитраты. Но вполне вероятно, что односторонний процесс в отсутствие денитрификаторов привел к подкислению воды в океане нитратами. Началось бы выделение двуокиси углерода из карбонатных горных парод. Растения постоянно извлекали бы двуокись углерода из воздуха, углерод с течением времени откладывался бы в форме каменного угля или других углеводородов, а свободный кислород насыщал бы атмосферу и соединялся с азотом. Из-за многообразия и сложности всех этих процессов трудно сказать, как выглядел бы мир реакции денитрификации, но наверняка это был бы непривычный для нас мир.

Таким образом, в ходе денитрификации связанный азот удаляется из почвы и воды, и в виде газообразного азота возвращается в атмосферу. Денитрификация замыкает цикл азота и препятствует накоплению его оксидов, которые в высоких концентрациях токсичны.

В прежние времена, когда не существовало массового производства искусственных удобрений, и не выращивались на больших площадях азотфиксирующие бобовые культуры, количество азота, удаляемого из атмосферы в процессе естественной фиксации, видимо, вполне уравновешивалось его возвратом в атмосферу в результате деятельности организмов, превращающих органические нитраты в газообразный азот. Сейчас мы не уверены в том, что процессы денитрификации поспевают за процессами фиксации. Неизвестно, какие последствия повлечет за собой длительный перевес фиксации над денитрификации. Мы знаем, что чрезмерный вынос азотистых соединений в реки может вызвать «цветение» водорослей и в результате усиления их биологической активности вода может лишиться кислорода, что вызовет гибель рыбы и других нуждающихся в кислороде организмов. Самый известный пример этого – быстрая эвтрофизация озера Эри, входящем в систему Великих озер США.

Круговорот фосфора. Биологическое и биохимическое значение фосфора в жизни живой клетки, организмов, экосистем и биосферы в целом исключительно велико. Фосфор входит в состав тканей мозга, скелета, панцирей животных. Без фосфора невозможен синтез белка. Так же как кислород, углерод и азот, фосфор является биофилом и его биогеохимический круговорот протекает совместно с этими элементами. В биосфере преобладают соединения пятивалентного фосфора, поэтому обычно во всех источниках приводится содержание его оксида Р₂О₅.

Среднее содержание фосфора в земной коре составляет 0,09%. Основные запасы его находятся в горных породах земной коры, в донных отложениях морей и океанов, в гумусовом горизонте наземных и подводных почв. Главное геохимическое направление мирового круговорота соединений фосфора направлено в сторону озер, устьев рек, морей и шельфа океана. Не образующий летучих соединений фосфор имеет тенденцию накапливаться в море. Вынос фосфора из моря на сушу осуществляется в основном с рыбой и с пометом морских птиц.

Общие запасы фосфора в почве очень малы - 0,1-0,2% Р₂О₅. Из этого общего количества фосфора растениям относительно доступно только 10-20%, малодоступно - 50-60%, и практически недоступно - 20-40%. При высоких урожаях из гектара почвы извлекается до 60 кг Р₂О₅, а притока его из атмосферных осадков или биогенной фиксации из воздуха не существует. Поэтому даже на лучших почвах после 40-50 лет эксплуатации без внесения фосфорных удобрений урожайность сильно падает.

Так как растения выносят из почвы значительное количество фосфора, а естественное пополнение фосфорными соединениями почвы крайне незначительно, то внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают приблизительно 125 млн. т. фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений.

Хранилищем фосфора служат залежи его соединений в горных породах. Вследствие вымывания он попадает в речные системы и частью используется растениями, а частью уносится в море, где оседает в глубоководных отложениях. Кроме того, в мире ежегодно добывается от 1 до 2 млн.т. фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора также вымывается и исключается из круговорота. Благодаря лову рыбы часть фосфора возвращается на сушу в небольших размерах (около 60 тыс.т. элементарного фосфора в год).

Исследования многих ученых показывают, что в почвах и водах суши и океана почти всегда ощущается дефицит фосфора. Поэтому соединения фосфора, как и азота, являются важнейшими минеральными удобрениями почв в современном земледелии. Дефицит фосфора для растений объясняется низкой физиологической доступностью его нерастворимых соединений и особенно необратимой фиксацией в почве самого фосфора. Более всего доступен растениям фосфор органических соединений и гумуса.

Живое вещество ненарушенной биосферы и экосистемы суши удерживают огромное количество фосфора. Есть данные, свидетельствующие о том, что в лесных подстилках содержание фосфора может достигать 100 кг/га. Гумусовая оболочка почвы является естественным аккумулятором соединений этого элемента. Содержание фосфора в почве значительно превышает таковое в земной коре. В связи с этим сведение лесов, уничтожение лесной подстилки и замена естественных лесных экосистем агроэкосистемами приводит к изменениям запасов фосфора и его круговорота в биосфере.

Круговорот серы.Сера также играет существенную роль в круговороте веществ в биосфере.. В виде органических и неорганических соединений сера постоянно присутствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом, она входит в состав широко распространенных соединений: белков, аминокислот, коферментов, витаминов.

Соединения серы участвуют в биохимических процессах живой клетки, формировании химического состава почв. В больших количествах содержатся в подземных водах. Основную роль в обменном фонде серы играют специализированные микроорганизмы. Каждый вид микроорганизмов выполняет определенную реакцию окисления или восстановления этого элемента.

В земной коре в среднем содержится 0,047% серы. В почвах, где сера присутствует преимущественно в виде сульфатов, ее количество может колебаться от 0,01 до 2-3%. Сера в виде SO₂, SO₃, H₂S и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу. В природе сера образует минералы, называемые сульфидами. Очень много серы в изверженных горных породах в виде сульфидных минералов. При окислении сульфидных минералов сера в виде иона SO₄² попадает в Мировой океан, где поглощается морскими организмами. Отдельные виды морских обитателей известны как рекордсмены по накоплению серы (так, некоторые моллюски северных морей выделяют пищеварительными железами жидкость, в которой содержится до 4% серной кислоты). Круговорот серы в морской воде осуществляется с помощью сульфатредуцирующих бактерий, которые существуют в анаэробных (бескислородных) условиях. Они восстанавливают сульфаты морской воды до сероводорода, который поднимается в верхние толщи воды, и окисляется под действием кислорода, а также при участии аэробных сернистых бактерий. Некоторые бактерии способны концентрировать элементарную серу в своих организмах. После гибели таких бактерий она может накапливаться в значительных количествах на дне океана.

На суше сера после отмирания растений переходит в почву, где одни микроорганизмы восстанавливают органическую серу до минеральной, а другие окисляют эту минеральную форму до сульфатов. Последние поглощаются корнями растений, и сера снова вовлекается в круговорот.

Аналогично нитратам и фосфатам, сульфат серы является основной доступной формой этого элемента, которая восстанавливается автотрофными организмами и включается в белки. Круговорот серы является ключевым в общем процессе синтеза и разложения биомассы. В настоящее время техногенные выбросы серы в атмосферу земли достигают 75-100 млн т в год. Естественное ее поступление (в форме оксидов серы) оцениваются цифрами 80-280 млн т в год. Если брать нижние границы, то можно считать, что глобальный объем естественных выбросов серы примерно соответствует ее техногенным эмиссиям.