5.7.3. Круговорот кислорода

Кислород, как отмечалось ранее, является главным элементом нашей планеты. Большая часть кислорода связана в соединения с другими элементами: в гидросфере – с водородом; в литосфере – с кремнием, алюминием, железом и другими элементами. Однако к этому огромному «фонду кислорода» экосистема не имеет непосредственного доступа, и кислород, входящий практически во все минеральные соединения литосферы, в химически связанном состоянии в биогеохимическом круговороте не участвует. А принимают участие лишь свободный кислород и его окислы – Н₂О и СО₂.

Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов: О¹⁶, О¹⁷ и О¹⁸. Процентное содержание молекулярного кислорода в атмосферном воздухе, как отмечалось ранее, близко к 21%. Основное производство свободного кислорода связано с процессом фотосинтеза и фотодиссоциации паров Н₂О, а потребление – с дыханием наземных живых организмов. Кроме этого, потребителем значительной массы кислорода является неживая природа: окисление закисного железа и вулканических газов, растворение в морской и речной воде. Механизм круговорота кислорода достаточно прост: молекула кислорода (О₂), образующаяся при фотосинтезе, получает один свой атом от диоксида углерода, а другой – от воды; молекула кислорода, потребляемая при дыхании, отдает один свой атом диоксиду углерода, а другой – воде.

5.7.4. Круговорот серы

Сера, как уже отмечалось, является важным биогенным элементом, присутствуя во всех живых организмах. Биологическая роль серы связана с тем, что она входит в состав аминокислот и, следовательно, белков. Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву.

Сера, находящаяся в почве, связана с процессами выветривания горных пород, содержащих пириты (серный колчедан FeS) и халькопириты (медный колчедан CaFeS₂), а также с разложением органических веществ растительного происхождения. Основным источником серы, доступным растениям и микроорганизмам, являются растворимые в воде сульфаты (SO₄^2-), которые поглощают корни растений. Сульфаты восстанавливаются растениями, и сера включается в аминокислоты (цистин, цистеин, метионин) и белки. Животные получают серу вместе с пищей в составе уже готовых органических соединений. Сера, таким образом, проходит по пищевой цепочке экосистемы и возвращается в почву вместе с экскрементами животных.

После отмирания растений сера вновь возвращается в почву при помощи многочисленных микроорганизмов. Некоторые из микроорганизмов в анаэробных условиях восстанавливают органическую серу в сероводород (H₂S) и в минеральную серу, а другие, наоборот, окисляют и переводят в сульфаты. Сульфаты вновь абсорбируются корнями растений, и таким образом обеспечивается продолжение круговорота. Кроме этого, существуют серобактерии, которые могут жить на огромных глубинах в океане около разломов земной коры с выходами сероводорода. Бактерии, в процессе хемосинтеза, поглощают сероводород и выделяют серу.

5.7.5. Круговорот фосфора

Фосфор – один из наиболее важных биогенных элементов, поскольку входит в состав нуклеиновых кислот и клеточных мембран. Основные запасы фосфора, накопившиеся за прошлые геологические эпохи, находятся в литосфере и в процессе выветривания поступают в наземные экосистемы.

Значительные количества фосфатов оказываются вовлеченными в круговорот воды, выщелачиваются и вовлекаются в море, где питают фитопланктон. Затем вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются в океанические глубины. Но некоторая их часть отлагается в прибрежной части, и тогда воз­можны варианты нового включения в круговорот. Частичный возврат фосфатов на землю возможен и по пищевым цепям. В этом случае от фитопланктона фосфор переходит к рыбам, а затем и к морским птицам. Так, на побережьях Перу и Патагонии находится большое количество остатков экскрементов морских птиц – гуано. Поскольку гуано содержит значительное количество питательных веществ (около 30% аммиачных солей и около 17% фосфорнокислых), часто в переработанном виде оно используется в качестве удобрений.

Также фосфор совершает биогеохимический круговорот в наземных экосистемах: микроорганизмы минерализуют органические соединения фосфора из отмерших организмов в фосфаты, растворенные соли которых вновь ассимилируются растениями.