2. Круговорот элементов в экосистеме

Совместная деятельность различных категорий организмов, особенно продуцентов и редуцентов, обеспечивает круговорот отдельных элементов и химических соединений в природе. Этот круговорот называется биогеохимическим циклом.

Биогеохимический цикл состоит из двух незамкнутых циклов: биологического и геологического. В биологическом цикле вращается 95-98% всей массы химических элементов, 2-5% элементов ежегодно переходит в геологический цикл. Примерно столько же возвращается в биологический цикл, главным образом за счет сжигания ископаемого топлива.

Круговорот отдельных элементов можно рассмотреть на примере углерода, азота и фосфора.

Круговорот углерода

Углерод – строительный материал для углеводов, белков, нуклеиновых кислот.

Большинство наземных растений получают углерод путем поглощения углекислого газа из атмосферы. Водные растения поглощают углекислый газ, растворенный в воде.

Растения-продуценты осуществляют фотосинтез (или хемосинтез) по следующей схеме:

nСО₂ + nН₂О + cолнечная энергия C_nH_2nO_n + nО₂

(энергия хим. связей) ^{углевод}

Углерод органических соединений растений используется животными.

В клетках растений и животных происходит процесс окисления органических веществ (дыхание), биологический смысл которого состоит в высвобождении энергии:

C_nH_2nO_n + n О₂ n СО₂ + n Н₂О + энергия

^{углевод}

При этом атомы углерода в составе углекислого газа поступают в атмосферу.

Отмирающие части растений и ткани трупов животных служат источником углерода для синтеза органических веществ детритофагами.

Другая часть их под действием редуцентов превращается в неорганические вещества в виде углекислого газа и солей угольной кислоты (карбонатов). Углекислый газ возвращается в атмосферу. Карбонаты усваиваются растениями из почвы через корневую систему.

В некоторых случаях (при недостатке кислорода, повышенной кислотности почвы) деятельность редуцентов может подавляться. В таких случаях процесс разложения органического вещества оказывается неполным, и органические остатки накапливаются в виде торфа, каменного угля, нефти. При этом углерод не высвобождается, и круговорот его приостанавливается; он переходит в геологический цикл.

При сжигании ископаемого топлива (торфа, угля, нефти) углерод соединяется с кислородом. Образуется углекислый газ и выделяется энергия (в виде тепла):

С+О₂ СО₂ + энергия.

Углекислый газ поступает в атмосферу и, таким образом, возвращается в биологический цикл (рис 1).

Рис.1. Круговорот углерода (по Б.Болину)

Круговорот азота

Азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот, его круговорот в биосфере носит весьма своеобразный и замедленный характер. Главный источник азота органических соединений – молекулярный азот в составе атмосферного воздуха.

Переход его в доступные живым организмам соединения и усвоение растениями может осуществляться тремя основными путями.

1. Фотохимическая фиксация азота атмосферы зелеными растениями, в общих чертах напоминающая фотосинтез углеводов из углекислого газа.

2. При электрических грозовых разрядах из азота и кислорода воздуха образуются оксиды азота (NO, NO₂), которые с дождевыми водами в виде азотистой, азотной кислот и их солей поступают в почву и усваиваются растениями через корневую систему.

3. Усвоение азота воздуха за счет деятельности азотфиксирующих микроорганизмов – клубеньковых бактерий, обычно живущих в симбиозе с бобовыми растениями. Синтезированные ими на основе азота воздуха белки проникают в корневую систему, а затем в наземные части растения-хозяина.

В водной среде фиксацию атмосферного азота осуществляют цианобактерии.

Синтезированные белки растений (а в водной среде - бактерий) служат основой азотного питания животных.

Экскреты животных и мертвые организмы (детрит) составляют базу азотного питания детритофагов и редуцентов.

Детритофаги из органических азотсодержащих веществ синтезируют органические азотсодержащие вещества своего тела.

Редуценты разлагают органические азотсодержащие соединения с постепенным превращением в неорганические вещества. Конечным звеном этой редукционной цепи являются аммонифицирующие организмы, образующие аммиак (NH₃). Этот аммиак затем может войти в цикл нитрификации, в котором нитрифицирующие бактерии окисляют его в нитриты и затем в нитраты.

Часть этих нитратов и нитритов усваивается растениями через корневую систему.

Вторая часть под действием бактерий – денитрификаторов разлагается с образованием азота (N₂), который возвращается в атмосферу (рис.2).

Рис.2. Круговорот азота в биосфере (по П.Дювиньо и М.Тангу)

Важнейшим антропогенным потоком в цикле азота является использование азотных удобрений. Современное земледелие изменило общее направление потока азота: не от почвы в атмосферу, а наоборот. Рост численности населения и опережающей его потребности в белковом питании заставил человека ускорить азотный цикл, чтобы производить больше белка (Голубев Г.Н., 1999). Однако, это привело к загрязнению окружающей среды, накоплению соединений азота в атмосфере и гидросфере.

Следует отметить, что также при сжигании нефти и ее продуктов, угля, торфа увеличивается поступление в компоненты окружающей среды соединений азота.

Круговорот фосфора

Фосфор также один из важнейших химических элементов, по­скольку он играет огромную роль в биологических и биогеохимиче­ских процессах. Фосфор - необходимый компонент нуклеиновых кислот, молекул клеточных мембран, ферментов, костной ткани, дентина. Наряду с азотом фосфор контролирует биологическую продуктивность наземных и морских экосистем вследствие невысокого содержания этих элементов в эко­системах.

Основные резервуары фосфора - экосистемы суши, океана и от­ложения наносов в водоемах.

Газообразные формы фосфора практи­чески не существуют и поэтому в атмосфере его нет. В литосфере подавляющая часть фосфора кристаллических пород содержится в апатитах (95%). Первоначально почти весь фосфор на суше образо­вался вследствие выветривания апатитов. Осадочные отложения вто­ричного характера - фосфориты, дающие около 80% всей мировой добычи фосфора.

Биогеохимический цикл фосфора отличается от биогеохимических циклов других элементов (углерода, кислорода, азота, серы). Это связано с тем что, в отличие от других элементов, фосфор практически не встречается в газообразной форме, что создает однонаправленный поток фосфора вниз по уклону под действием силы тяжести. Таким образом, происходит транспорт этого элемента реками в системы с замедленным водообменом (озера, во­дохранилища, моря и пр.). Здесь отлагаются наносы, относительно богатые фосфором.

Механизмы возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективны, что создает опасность значительного обеднения фосфором экосистем суши (в том числе и сельскохозяйственных). Этот процесс неминуемо будет сопровождаться снижением биологической продуктивности экосистем (рис.3).

Вынос фосфора на сушу осуществляется в основном рыбой и морскими птицами.

Деятельность человека, влияющая на круговорот фосфора, ведет к его потерям и захоронению на дне океана, что делает цикл менее замкнутым.

Большая часть фосфора попадает в море:

• с бытовыми сточными водами, обогащенными фосфорсодержащими моющими средствами;

• с промышленными сточными водами от предприятий, производящих удобрения;

• с поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий.

Круговорот органического фосфора

Рис. 3. Круговорот фосфора в биосфере

Таким образом, хозяйственная деятельность человека приводит к потерям фосфора из круговорота, которые происходят из-за его избыточного поступления в водоемы от антропогенных источников и последующего захоронения в глубоководных океанических осадках.