Биогеохимический цикл углерода
Из всех известных биогеохимических циклов наиболее интенсивным является круговорот углерода. Продолжительность одного цикла в этом случае − всего 300 лет.
Цепь из атомов углерода составляет основу всех органических веществ: белков, жиров, углеводов и других соединений, необходимых для жизнедеятельности всех живых организмов.
Циркуляция углерода между живой и неживой природой происходит с высокой скоростью. Основными неорганическими соединениями углерода являются его оксиды (СО2 и СО), а также карбонаты, составляющие карбонатные горные породы.
Наиболее подвижным соединением углерода в атмосфере, играющим большую роль в круговороте, является углекислый газ (СО2).
На рис.5 приведен биогеохимический цикл углерода.
Рис.5 Биогеохимический цикл углерода
Основным резервом углерода являются запасы углеродсодержащих горных пород (карбонатов, доломитов и др.) на дне океана и в земной коре, а также ископаемые виды топлива. Резерв углерода в атмосфере значительно меньше, но он играет большую роль в круговороте из-за своей подвижности.
Углекислый газ атмосферы потребляется продуцентами в процессе фотосинтеза, с образованием органического вещества. Ежегодно растениями связывается около 46 млрд. тонн углерода. Часть его в процессе питания передается животным. При дыхании растений и животных углерод выделяется в виде углекислого газа, который опять поступает в атмосферу. Продукты жизнедеятельности растений и животных, а также мертвое органическое вещество, разлагается редуцентами с окислением углеродсодержащих соединений до углекислого газа. Эти процессы составляют биологический круговорот углерода.
Значительное количество углерода подвергается минерализации и связывается в виде ископаемых видов топлива (нефти, угля, природного газа, горючих сланцев). Кроме того, большое количество углерода входит с состава карбонатных отложений на дне океана − это углерод, поглощенный ранее морскими организмами в виде углекислого газа. Небольшое количество углерода возвращается в атмосферу при извержении вулканов.
Из-за сравнительно небольшого резервного фонда в атмосфере круговорот углерода более уязвим, чем круговороты кислорода и азота.
В последнее время содержание углекислого газа в атмосфере неуклонно растет, что указывает на нарушение равновесных процессов в биосфере. Причиной этого является хозяйственная деятельность человека: большие выбросы углекислого газа при сжигании ископаемых видов топлива, сокращение площади лесов, загрязнение Мирового океана, а, следовательно, снижение интенсивности фотосинтеза − связывания углекислого газа. Повышение содержания в атмосфере углекислого газа является основной причиной «парникового эффекта» − увеличения средней температуры на планете.
Биогеохимический цикл фосфора
Фосфор входит в состав клеточных мембран, ферментов костных тканей, то есть является необходимым элементом протоплазмы всех живых организмов. Цикл фосфора менее совершенен, чем цикл азота. Большие массы соединений фосфора могут переходить в глубинные отложения, выходя из круговорота на долгое время.
Особенностью круговорота фосфора является то, что в процессе циркуляции элемент не образует газообразных соединений. Резерв фосфора сосредоточен не в атмосфере, а в литосфере в виде фосфоросодержащих пород. Поэтому биогеохимический круговорот фосфора (рис.6) относится к осадочным циклам.
Рис.6 Биогеохимический цикл фосфора
Основная масса фосфора на Земле сосредоточена в виде изверженных (апатиты) и осадочных (фосфориты) пород. В процессе эрозии и выветривания горных пород образуются растворимые соединения фосфора, которые могут поглощаться растениями. В тканях растений синтезируются органические фосфоросодержащие соединения, которые в процессе питания могут переходить к животным. Из продуктов жизнедеятельности и останков растений и животных фосфор выделяется в виде неорганических соединений, которые могут быть опять вовлечены в биологический круговорот, а могут перейти в глубинные отложения в процессе минерализации.
Растворимые соединения фосфора непрерывно поступают в Мировой океан с речными водами. Большое количество фосфора содержится в тканях морских организмов. Отмершие останки организмов опускаются на дно и образуют массивные отложения фосфоросодержащих пород на дне океана.
Часть фосфора возвращается на сушу морскими птицами, а также в процессе рыболовства. Гораздо медленнее идет процесс возвращения фосфора при поднятии морского дна.
Механизм возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективен. Круговорот фосфора незамкнут и в большой степени подвержен воздействию человека. В настоящее время в мире ежегодно добывается 1−2 млн. тонн фосфоросодержащих пород, которые применяются в основном для производства удобрений и моющих средств. При этом в морские воды вместе с бытовыми и промышленными стоками попадает большое количество фосфоросодержащих соединений. Этот фосфор в большом количестве переходит в глубоководные отложения, на долгое время выходя из биологического круговорота. Все эти процессы, а также малое содержание фосфора в земной коре (менее 1 %), обуславливают то, что круговорот фосфора на сегодня является слабым звеном в функционировании всей биосферы.