Его расхода на окислительные процессы за неогей (1,6 млрд лет)
3.4. Биогеохимический цикл азота
Азот составляет почти 78% массы атмосферы. Основная его часть образует молекулы N2 из двух атомов Большинство организмов не способно использовать этот азот из-за прочной связи атомов. Для них необходим азот в таких химических формах, как аммиак, ионы аммония, нитрат- и нитрит-ионы, которые участвуют в химических реакциях с кислородом. Поэтому для данного биогеохимического цикла важен связанный азот.
Природный биогеохимический цикл азота показан на рис.16. Суммарный поток азота в биосферу составляет порядка 14·1010 т/г. Главный поставщик связанного азота – азотфиксирующие бактерии. Наиболее известные из них находятся в клубеньках бобовых растений. На их деятельности основан традиционный метод повышения плодородия. На поле выращивают бобовые культуры, потом их запахивают, накопленный в клубеньках азот переходит почву. На следующий год поле засевают другими культурами, которые используют этот азот. Некоторое количество азота связываться во время грозы. Электрический разряд нагревает воздух до температуры, при которой образуются различные оксиды азота. Как и в случае с углеродом, определенное количество соединений азота поступает из недр Земли.
Обратный процесс – восстановление нитрат-ионов выполняет цепочка бактерий:
аммонифицирующие бактерии разлагают азотистые органические соединения, образуя аммиак (NH3) или ионы аммония (NH4+);
бактерии нитрификаторы окисляют аммиак в азотистую кислоту – NO2–. (нитриты);
нитратные бактерии переводят азотистую кислоту в азотную кислоту – NO3– (нитраты) и цикл начинается снова.
Рис. 15. Биогеохимический круговорот азота [16]
Антропогенный поток азота в биосферу примерно равен природному. Наибольший вклад дает применение азотных удобрений (8·1010 т/г). Последствием может быть увеличению содержания в продуктах нитритов, нитратов и нитрозаминов с широким спектром токсического действия.
Источником оксидов азота (2·1010 т/г) являются многие металлургические процессы, транспорт и сжигание топлива при производстве тепла и электроэнергии. Оксиды азота участвуют в образовании кислотных дождей и фотохимического смога.
Экосистемы усваивают определенное количество азота. Его избыток вымывается и накапливается в водоемах. Процесс увеличения в воде биогенных элементов (не только соединений азота) называется эвтрофикацией. Ее основные причины – сброс в водоемы промышленных и коммунальных сточных вод, химизация сельского хозяйства и концентрация животноводства. В настоящее время это явление охватило 90% всех озер мира. Процесс вызывает подчас необратимые нарушения водных экосистем и ухудшает качество вод (см. раздел 6.2.3.). Основные меры снижения эвтрофикации: очистка стоков и контроль за использование удобрений.
3.5. Биогеохимический цикл фосфора
Геологический круговорот фосфора проявляется в разрушении горных пород, последующем растворении фосфатов в кислых растворах и постепенном накоплении фосфора в донных отложениях.
Значение фосфора в биосфере проявляется в повышенном содержании его в организмах по сравнению с литосферой. Так, в морских водорослях его – 0,2–2,7%, в рыбах – 0,9–1,8%, а в раковинах фосфатных брахиопод даже до 15,7%; в литосфере от 0,060% до 0,1-0,25% в глинах [17]. При этом высокие значения в тонкозернистых породах часто объясняется присутствием органического вещества. Особенность этого элемента – отсутствие естественных токсичных соединений.
В годичной продукции океана и суши содержится, соответственно, ~0,4 и ~0,2 млрд т фосфора. Более мощный поток фосфора в океанах обусловлен его высоким содержанием в гидробиоте. Резервуар иона ортофосфорной кислоты в океане весьма значителен – около 96 млрд т, но распределение неравномерно. В глубинах фосфора в 8–20 раз больше, чем в поверхностных водах. Поэтому в зоне фотосинтеза он часто дефицитен.
Цикл фосфора – пример простого осадочного цикла с несовершенной регуляцией, так как газообразных соединений он не образует. В биогеохимический круговорот фосфор включается при выветривании пород. Как указывалось выше, при растворении фосфатов в кислых растворах образуются фосфат-ионы (ионы ортофосфорной кислоты - РО4-3), которые растения могут усваивать, В органических соединениях фосфор выступает в форме органического фосфата, для которого характерна связь P‑O‑P. В клетках эти соединения являются источниками энергии, так как при гидролизе выделяют 29 кДж/моль, что значительно больше, чем при гидролизе любой другой молекулы.
По пищевым цепям поступает от растений к другим организмам. При каждом переходе возможно окисление или гидролиз соединений фосфора для получения организмом энергии. Продукты окисления и гидролиза (фосфаты) поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями (рис. 17). Растения успевают перехватить только часть фосфатов. Оставшаяся часть вымывается и постепенно накапливается во внутренних водоемах, перенасыщая их. Рано или поздно фосфор поступает в воды Мирового океана, используется фитопланктоном и другими организмами. В конце концов, его следы теряются в глубинных отложениях. Таким образом, основной поток фосфора направлен из литосферы в гидросферу и далее в донные отложения, а потому в биосфере он часто дефицитен.
В океане большая часть фосфата, вошедшего в состав биоты, освобождается в верхней 300 метровой зоне при распаде организмов и включается в повторный цикл на месте. Регенерация продолжается в всей водной толще, на границе вода – осадок и ниже ее, а затем. возвращается восходящими потоками в 300 метровую зону и повторно участвовал в биогеохимическом цикле. Оставшаяся часть органического материала теряется с осадками или посредством других механизмов. Интенсивность фосфатного цикла связана с содержанием кислорода в морской воде, а следовательно, т в атмосфере. Поскольку фосфаты поступают в моря и океаны с поверхностными водами, в открытых акваториях Мирового океана этот биоген дефицитен и ограничивает развитие жизни.
Рис. 16. Природные потоки фосфора в биосфере [18]
Цифры в прямоугольниках – содержание фосфора в 1012 г. Цифры около стрелок – потоки фосфора в 1012 г/год. Резервуар «поверхность океана» принят глубиной 300 м, «глубины океанов» принят глубиной 3000 м
Деятельность человека. Поступление фосфора в окружающую среду связано с использованием удобрений, добычей и переработкой фосфатов, применением фосфорсодержащих веществ (лаки, краски, моющие средства), городскими и животноводческими стоками, а также сжиганием топлива.
С удобрениями в биосферу поступает около 20 млн т/г фосфора, что соизмеримо с естественным выносом его в океан. Фактически, техногенный поток больше. При сжигании топлива эквивалентного 6 млрд т/год углерода выбрасывается около 15 млн т/год фосфора. Значительная часть антропогенного потока транзитом поступает во внутренние водоемы и является основной причиной их эвтрофирования. Суммарный антропогенный поток в 4 раза превысил природный поток фосфора в биосфере.
Рис. 17. Схема современного круговорота фосфора.
Основной экологической проблемой, которую вызывает антропогенный поток фосфора в биосферу, является эвтрофикация водоемов. Уже к середине 1960-х годов проблема приобрела опасный характер на Великих Американских озерах. К началу 80-х годов она проблема имела уже глобальный характер. Более подробно последствия и меры борьбы с эвтрофикацией будет рассмотрен позднее.