Вопрос 3. Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных био­генных веществ

Углерод, азот и кислород относятся к наиболее жизненно важным биогенным элементам, из которых в основном состо­ят белковые молекулы. Фосфор и сера не менее важны, чем углерод, азот и кислород, для ряда белковых молекул и тоже относятся к важнейшим биогенным элементам.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наи­более совершенны и способны к быстрой саморегуляции бла­годаря большим запасам этих газов в атмосфере.

В круговороте углерода (СО₂) (скорость оборота порядка 300 лет) четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы - поглощающие углерод вместе с телами жертв, редуценты - возвращающие углерод вновь в круговорот. В Миро­ном океане часть углерода мертвого организма «уходит» в осадочные породы и участвует уже в геологическом круговороте. Главным резервуаром биологически связанного углерода явля­ются леса: 500 млрд. т - 2/3 от его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот этого элемента приводит к воз­растанию содержания СО₂ в атмосфере.

Скорость круговорота кислорода - две тысячи лет, имен­но за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле - зеленые растения. С круговоротом кислорода тесно связано об­разование в высоких слоях атмосферы озона. Главный потре­битель кислорода - животные и растения, расходующие его на дыхание. Но и на промышленные и бытовые нужды еже­годно расходуется 23% кислорода, образовавшегося в процессе фотосинтеза. Предполагается, что к 2010 г. весь продуцирован­ный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необхо­димы усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен. Рас­тениями он усваивается только в форме соединения его с водо­родом и кислородом. Редуценты, а конкретно, почвенные бак­терии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших ор­ганизмов и превращают их в аммонийные соединения, нитра­ты и нитриты. Азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по трофическим цепям, от­равляя консументов. Часть нитратов в процессе круговорота загрязняет подземные воды. Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только двена­дцать их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.

Биогеохимические циклы фосфора и серы значительно ме­нее совершенны, чем циклы указанных выше веществ, так как это типичный осадочный биогеохимический цикл. Возвратить­ся опять в круговорот эти биогены могут лишь в результате геологических процессов или путем извлечения их из окружа­ющей среды живым веществом.

Фосфор содержится в горных породах и может попасть в круговорот в случае выветривания этих пород. В его круговороте выделяют две части - водную и наземную.

В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по тро­фической цепи вплоть до консументов третьего порядка - мор­ских птиц. С их экскрементами (гуано) фосфор снова попадает в море и вступает в круговорот, туда же он возвращается и из отмирающих морских животных, но часть их скелетов дости­гает дна и он снова попадает в осадочные породы. В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почв, возвращает­ся он в почву после отмирания организмов и с их экскремента­ми, а теряется из нее в результате водной эрозии.

Сера не является лимитирующим биогеном, так как ее при­родные ресурсы достаточно велики. Она, как и фосфор, имеет основной резервный фонд в породах и почве, но, кроме того, имеет резервный фонд и в атмосфере. В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в растворах - в форме иона (SО₄^2-), в газообразной фазе - в виде сероводорода (H₂S) или сернистого газа (SО₂). В морской среде сульфат-ион явля­ется основной доступной формой серы для автотрофов. В на­земных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, окисляется, и возникшие сульфаты поглощаются рас­тениями из почвенных растворов - так продолжается кругово­рот. Круговорот серы является ключевым при продуцировании и разложении. Например, при образовании сульфидов железа растворим фосфор и доступен организмам.

Однако круговорот серы может быть нарушен вмешатель­ством человека: сернистый газ (SО₂), являющийся продуктом сжигания топлива, нарушает процессы фотосинтеза и приво­дит к гибели растительности. Из сказанного

11

ясно, что биогео­химические циклы легко нарушаются человеком и становятся ациклическими. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы циклические биогеохими­ческие процессы не превратить в ациклические.