11. Биогеохимические и ресурсные циклы веществ

Целостность прир.систем проявляется при рассмотрении циркулирующих в них потоков вещества и энергии. Вещество передается по замкнутым циклам многократно циркулируя между организмами и ОС. Энергия не может передаваться по замкнутому циклу: для живых организмов энергия доступна в форме солнечной радиации, связанной в процессе фотосинтеза, расходуясь затем в виде хим.энергии, она теряется в форме низкокачественной тепловой энергии.

Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в гидросфере, литосфере, атмосфере, в том числе в тех их слоях, которые входят в биосферу планеты.

Биогеохимический цикл – круговые движения хим.элементов.

Биогенные элементы – необходимые для жизни элементы и растворимые соли, включают две группы: макротрофные вещества (составляют хим.основу тканей всех живых организмов: С, Н₂, О₂, Р, К, N, Ca, Mg, S, Cl, Na); микротрофные вещества (элементы и их соединения, необходимые для существования живых организмов, но в малых кол-вах ( ≤ 10^-3 мг): Fe, Mn, Cu, Zn, Br, Co, Md. Их недостаток может привести к снижению продуктивности и летальному исходу). Необходимые для существования живых организмов хим.элементы в кол-вах 10^-6 мг относятся к ультромикроэлементам.

Циркуляция биогенных элементов сопровождается их хим.превращениями.

Биогеохимический круговорот – часть биологического круговорота, составленная обменными циклами биогенных хим.веществ, связанных с существованием живых организмов. К таким веществам относятся: С, Н₂О, S, P, N и биогенные катионы (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺ и др.)

Биологический круговорот веществ – поступление хим.элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, превращения их в новые сложные соединения, возвращение их в почву, атмосферу и воду в процессе жизнедеятельности с опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав биогеоценоза.

Биологический (биотический) круговорот – непрерывное циклическое явление, но не равномерное во времени и пространстве, сопровождающееся более или менее значительными потерями естественного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации от биоценоза до биосферы.

В биосфере в целом потери вещества минимальные, энергетические циклы очень слабы, преобладает однонаправленный поток энергии от растений продуцентов через консументы к редуцентам с последующим выносов ее в околоземное и космическое пространство. Информация теряется с гибелью видов и необратимыми генетическими перераспределениями.

Биогенные элементы могут быть использованы многократно, круговорот – их характерная черта. Запасы биогенных элементов не постоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой массы снижает кол-во их в абиотической среде экосистем. Если бы растения и др.организмы не разлагались, то запас биогенных элементов быстро бы исчерпался и жизнь на Земле прекратилась. Поэтому активность гетеротрофов (организмов, функционирующих в детритных цепях – в первую очередь) являются решающим фактором сохранения круговорота биогенных элементов и образования продукции.

Биогеохимический круговорот и связанные с ними превращения энергии, являются основой динамического равновесия и устойчивости биосферы. Ненарушенные биогеохимические циклы имеют практически замкнутый характер, это определяет постоянство и равновесность состава, кол-ва и концентрации компонентов в биосфере. Это постоянство в свою очередь обуславливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов к существованию на Земле.

Неполная замкнутость циклов в биологическом масштабе времени приводит к концентрированию или рассеиванию отдельных элементов (концентрирование азота, кислорода в атмосфере; воды в океанах, морях; образование залежей железных руд, ископаемых и т.д.).

Все биогеохимические циклы существуют в биосфере, складываясь в геологическом масштабе времени (длительно и медленно).

Выделяют три основных типа биогеохимических круговорота: воды; элементов, преимущественно в газовой фазе; элементов, преимущественно в твердой, жидкой фазах.

Особое значение в системе жизнеобеспечения имеют круговорот воды и биогенных элементов (С, S, N, P).

Круговорот воды в биосфере

Вода присутствует во всей биосфере, выполняет важную роль в формировании и организации всех биогеохимических циклов. Вода – жизненно важный ресурс, запасы которой на Земле находятся в подвижном равновесии, обусловленном круговоротом воды, происходящим под влиянием солнечной радиации.

Круговорот воды на Земле называют гидрологическим циклом, который включает поступление водяного пара в атмосферу при испарении воды и возвращение ее назад вследствие конденсации и выпадения осадков. При этом наибольшая часть воды испаряется с поверхности морей и выпадает в виде осадков преимущественно над поверхностью суши. Баланс между морем и сушей уравновешивается через поверхностный и подземный сток в море. Значительное кол-во воды поступает в атмосферу при транспирации растений. Сочетание испарения и транспирации называется эвапотранспирацией. Испарение и конденсация воды лежат в основе процесса ее очистки, называемого дистилляцией или перегонкой.

При испарении в атмосферу поступают только молекулы воды, а соли и др.растворенные вещества остаются в растворе или в водной массе. При конденсации водяного пара происходит также очистка воды.

Водяной пар в атмосферном воздухе обычно определяют как влажность. Максимальная влажность воздуха изменяется в зависимости от температуры, поэтому измеряют относительную влажность, под которой понимают кол-во пара по сравнению с максимальным его кол-вом, которое может содержаться в атмосферном воздухе при данной температуре. Относительную влажность выражают в %. При неизменном кол-ве воды в атмосферном воздухе, относительная влажность увеличивается с понижением температуры. При охлаждении воздуха до температуры, ниже точки водонасыщения, происходит конденсация и выпадают осадки.

Круговорот воды состоит из трех основных петель:

– поверхностного стока – вода становится частью поверхностных вод;

– испарения–транспирации – вода впитывается почвой, удерживается в форме капиллярной воды, затем возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности Земли или поглощаясь растениями и выделяется в виде паров при транспирации.

– грунтовых вод – вода поступает в поверхностный слой литосферы и движется сквозь нее, питая родники и колодцы, и вновь поступает в систему поверхностных вод.

Круговорот воды в природе постоянно очищается и пополняет пресноводные системы. Человек может оказывать влияние на круговорот воды след.способами:

– забором большого кол-ва пресной воды из водных объектов и водоносных горизонтов, что приводит к истощению запасов грунтовых вод, или поступлению в водоносные горизонты океанической соленой воды;

– попадание в гидрологический цикл загрязненных стоков;

– сокращение растительного покрова суши в интересах с/х, при добыче полезных ископаемых, при строительстве различных объектов, что приводит к снижению фильтрации поверхностного стока в подземные горизонты и сокращению пополнения запасов грунтовых вод, увеличению риска наводнения, эрозии почв.

Биогеохимический цикл углерода (С)

Углерод – хим.элемент, свойствами и особенностями которого в основном определяется все разнообразие органических веществ, биохимических процессов и жизненных форм на Земле.

Содержание углерода в составе живых организмов составляет примерно 45 мас.% от сухой их биомассы. В процессе жизнедеятельности живых организмов в биосфере органические соединения непрерывно синтезируются, претерпевают изменения и разлагаются.

Круговорот углерода является процессом освобождения и связывания диоксида углерода, включая его растворение в воде океанов, идущий практически по двум циклам: океаническому и континентальному, взаимосвязь которых происходит через атмосферный диоксид углерода.

Ж ивое вещ-во СО₂ Н₂СО₃(водн.) Са(НСО₃)₂ (водн.) СаСО₃(осад.)

Круговорот углерода континентальный поддерживается в процессе фотосинтетической деятельности наземных растений и фитопланктона. Данный круговорот непосредственно связан с круговоротом кислорода.

hv

СО₂ + Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + О₂

↓метаболизм

Белки, сложные углеводороды, жиры, липиды, ДНК, РНК → Размножение, рост

На фоне общего потока фиксации диоксида углерода и преобразования его в органические соединения, фототрофные организмы создают локальный кол-но замкнутый цикл обращения углерода. Для первичной продукции, образованной растениями, характерно постепенное снижение массы и энергии, заключенной в ней. Растительная продукция потребляется фитофагами и является единственным источником энергии для них и последующих звеньев трофических уровней.

Почвенное дыхание, в котором участвует корневая система растений, играет значительную роль в повышении интенсивности фотосинтеза растительного покрова. Часто не происходит полного разложения и минерализации опада и отмерших организмов. В почвах накапливается гумус, играющий важную роль в плодородии почв. Под влиянием бактерий и грибов, гумус может разлагаться до диоксида углерода и минеральных соединений.

Круговорот углерода в Мировом океане отличается от континентального особенностями среды и обитающих в ней организмов. В Мировом океане слабо развиты организмы высших трофических уровней, а следовательно и все звенья круговорота.

Не смотря на высокую скорость размножения и высокую продукцию единицы биомассы, фитопланктон из-за малых размеров, короткого жизненного цикла, быстроты включения его в качестве первого звена трофического уровня, не создает значительных запасов фитомассы. Поэтому время прохождения углерода через фотосинтетическое звено пищевой цепи, образованное фитопланктоном, очень мало и измеряется днями или часами, при этом выделяется большое кол-во диоксида углерода.

Важное значение в круговороте углерода имеет буферная емкость океанических вод:

СО₂(атм.) СО₂(водн.) НСО₃^-(водн.) Са(НСО₃)₂(водн.) СаСО₃(осад.)

Эта система имеет большое значение для океанических живых организмов.

В условиях Мирового океана, как и в условиях суши, некоторое кол-во органического вещества не подвергается минерализации. Это связано с недостатком кислорода, большой кислотностью среды, специфическими условиями захоронения и др.

Биогеохимический цикл азота (N₂)

Живые организмы нуждаются в разл.хим.формах азота, для образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот. Большинство растений усваивает азот в форме NO₃^-, NH₄⁺.

Общая направленность биогеохимического круговорота азота выражена в его аккумулировании в молекулярной форме в атмосфере, в которой сосредоточено около 75 мас.% всего азота биосферы.

Цикл азота самый сложный, но хорошо организованный в природе. Важную роль в круговороте азота играют микроорганизмы.

Газообразный азот непосредственно не усваивается никакими организмами, но преобразуется в соединения, усваиваемые растениями в процессе круговорота азота, такой процесс называется фиксацией азота. Фиксация азота осуществляется сине-зелеными водорослями, определенными видами бактерий в почве и воде, а также бактериями, обитаемыми в клубеньках на корнях клевера, гороха и т.д. Особую роль в фиксации играют газовые разряды молний, при которых молекулярный азот окисляется до NO, NO₂.

Неорганические NO₃^-, NH₄⁺, усваиваемые растениями из почвенного раствора, преобразуются в белки ДНК и др.необходимые организмам азотсодержащие соединения. Животные, поедая растения, получают необходимую дозу азота.

Часть азота поверхности Земли уходит в глубоководные океанические отложения, т.е. выключаются из круговорота на долгое время (млн.лет). Однако данные потери компенсируются поступлением азота с вулканическими газами и по трофическим цепям (с гуано птиц).

Из-за высокой растворимости солей HNO₃ и NH₄⁺, в почвах азота всегда недостаточно для питания растений, что может компенсироваться внесением минеральных удобрений. Это в свою очередь может приводить к нарушениям биогеохимического цикла азота, следствием чего является эвтрофикация объектов прир.среды и тяжелым заболеваниям людей и животных. Другими причинами нарушения биогеохимического круговорота азота является: сжигание древесины и ископаемого топлива, что приводит к образованию выбросов в атмосферу NO, NO₂; стоки; добыча полезных ископаемых для производства удобрений; воздействие некоторых бактерий на удобрения и отходы животноводства, в результате в атмосферу могут выделяться N₂O.

Биогеохимический цикл серы (S)

Сера – жизненноважный элемент, который содержится в связанной форме во всех живых организмах. Круговорот серы подобен круговороту углерода и азота.

Газообразный SO₂, содержащийся в атмосферном воздухе, растворяется в воде, образуется сульфат ионы (SO₄^2-), поступающие с атмосферными осадками на поверхность Земли, связывается зелеными растениями в процессах синтеза белка и образования растительной и животной протоплазмы, откуда сера переходит из неорганической в органическую формы, в результате деятельности гнилостных бактерий, превращения серы белков в Н₂S. Некоторые формы Н₂S снова переходят в органическую форму. Большая часть образующегося Н₂S поступает в атмосферу, где окисляется до SO₂. Таким образом цикл замыкается.

В настоящее время 1/3 всех соединений серы и 99 мас.% SO₂, поступающего в атмосферу, имеет антропогенное происхождение. Биогеохимический цикл серы может быть нарушен: в процессе сжигания серосодержащего топлива; в технологических процессах, при переработке нефти, производстве удобрений и др.

Биогеохимический цикл фосфора (Р)

Фосфор в виде РО₄^3-, НРО₄^2- является питательным элементом для растений и животных. Фосфор входит в состав ДНК, АТФ, АДФ, в которых накапливается необходимая для организма хим.энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; в состав веществ, определяющих строение костей и зубов животных.

Фосфор имеет большое экологическое значение, т.к. отношение его кол-ва к кол-ву др.элементов в организмах гораздо выше, чем такое же отношение в тех источниках, откуда организмы берут необходимые им элементы.

Фосфор – основной фактор, лимитирующий рост автотрофных организмов, как в водной, так и в наземной среде. Фосфор лимитирует процесс продуцирования основной части первичной продукции биосферы, регулирует все др.биохимические циклы, однако круговорот фосфора отличается от круговорота др.веществ и элементов.

В отличии от круговорот С, N, S в которых газообразные формы соединений обязательны и являются важнейшими звеньями круговорота, газовые формы соединений фосфора (фосфин) не представлены. Таким образом, запасы фосфора находятся не в атмосфере, а в горных породах, которые постоянно подвергаются эрозии и высвобождают фосфаты, используемые растениями для синтеза протоплазмы. Круговорот фосфора представляет собой однонаправленный поток с континентальной поверхности в океан (путем смывания с континентальной поверхности поверхностным стоком в океан, где отлагается в осадках). Из моря фосфор возвращается на сушу с морскими рыбами и птицами.

В почвах фосфор всегда в дефиците, что объясняется его фиксацией в малорастворимые соединения. Дефицит восполняется в основном внесением в почву удобрений (30–50 мас.%), где фосфор находится в малодоступной форме, при этом происходит процесс, называемый фосфотизацией почвы.

Эрозия почв сопровождается механическим выносом фосфора и др.питательных веществ, при этом выносимые фракции в 3–5 раз богаче органическим веществом, чем оставшаяся почва.

Биогеохимический круговорот фосфора может быть нарушен в результате добычи больших количеств фосфорных руд, или в результате повышения фосфор ионов в водных экосистемах, следствием чего является эвтрофикация водных объектов.

Ресурсные циклы

Ресурсы – любые источники и предпосылки получения необходимых для людей материалов и духовных благ, которые можно реализовать при существующих технологиях и социально-экономических отношениях.

Ресурсы подразделяют на три группы: материальные, трудовые (и интеллектуальные), природные (естественные).

Природные ресурсы (ПР) – те средства существования людей, не созданные их трудом и находящиеся в природе. К ним относятся вода, почва, растения, животные и минералы. ПР по использованию подразделяются на: производственные, научные, эстетические и др.; по принадлежности к компонентам прир.среды: земельные, водные, минеральные и др.; по исчерпаемости: исчерпаемые, неисчерпаемые(космические, климатические, водные ресурсы).

Исчерпаемые ресурсы подразделяются на: возобновимые (растительный, животный мир и некоторые минеральные ресурсы, темпы расхода которых соответствуют темпам их возобновления); относительно возобновимые (темпы расхода которых значительно меньше скорости их восстановления), невозобновимые (совершенно не восстанавливаются в обозримый период времени).

Ресурсный цикл – совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ на всех этапах использования его человеком, включая его выявление, подготовку к эксплуатации, извлечения из прир.среды, переработку, превращение и возврат в прир.среду.

Ресурсный цикл (антропогенный круговорот) в отличии от биогеохимического круговорота веществ практически не замкнут, поскольку на каждом этапе ресурсного цикла неизбежны потери из-за особенностей технологии или по субъективным причинам.

В природных биогеохимических циклах также часть вещества постоянно исключается из круговорота. Однако, между биогеохимическими круговоротами и ресурсными циклами существует значительная разница: в природе, выходящие из круговорота вещества, не загрязняют ОС и уходят не в отходы, а в запас.