Круговорот фосфора

Фосфор содержится в горных породах, откуда попадает в экосистемы либо при естественном разрушении пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений. Растения поглощают фосфорные соединения, а животные, питающиеся этими растениями, накапливают фосфор в своих тканях. Соединения фосфора представляют собой хранилище химической энергии, необходимой для жизнедеятельности. С точки зрения биологической потребности фосфор является весьма дефицитным элементом. Организмы выработали много приспособлений для «улавливания» этого элемента (особенно водные), поэтому концентрация фосфора в биомассе обычно во много раз превышает его концентрацию в окружающей среде (в том числе в воде). После смерти растений и животных микроорганизмы «возвращают» фосфор в почвенный раствор (рис. 12.17). Однако, не весь возвращённый фосфор растения усваивают вновь. Часть его вымывается из почвы и по ручьям и рекам поступает в моря и океаны. Из этих «хранилищ» фосфор почти не возвращается, лишь некоторую его часть «выносят» на сушу птицы, питающиеся рыбами. На птичьих базарах накапливается ценное фосфорное удобрение – гуано (птичий помёт) (рис. 12.17). Некоторое количество фосфора «возвращается» на сушу при рыбном промысле.

Отток фосфора с суши в океан особо усилился под влиянием на экосистемы человека – в первую очередь при распашке земель и сведении лесов.

В отличии от циклов воды, углерода, кислорода цикл фосфора открытый. Запасы фосфора в горных породах, откуда он сам переходит в почву (а теперь чаще добывается как сырьё для фосфорных удобрений), а далее выносится в океан, истощаются. Таким образом, если ресурсы азота неисчерпаемы, то запасы фосфора постоянно сокращаются. Возникает проблема дефицита фосфора и в результате – снижения урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности естественных экосистем. Решение проблемы – в устранении условий, ускоряющих вымывание фосфора. Главное – это экономное расходование фосфорных удобрений и внесение их такими способами, которые уменьшают их вымывание из почвы.

Круговорот Серы

В атмосфере всегда присутствуют газообразные соединения серы, такие, как сероводород H₂S и сернистый газ (сернистый ангидрид) SO₂. Однако преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу (т.е. образование осадочных пород) и происходит в почве и в воде.

Основной источник серы, доступный живым организмам, а именно растениям, – это сульфат-ионы SO₄^2- в растворе, в частности почвенном. Эта доступность неорганической серы в экосистеме облегчается тем, что многие сульфаты хорошо растворимы в воде. Растения, поглощая сульфаты из почвенного раствора, восстанавливают серу в своих биохимических реакциях до S^-2. Затем вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин), которые входят в состав ДНК. Для этого живым организмам и нужна сера.

Из приведённых ниже рисунков хорошо просматриваются многие основные черты биогеохимического круговорота серы в биосфере:

1. Основной резервный фонд серы находится в почве и в отложениях, меньший в атмосфере.

2. Ключевую роль в быстро обменивающемся фонде серы играют специализированные микроорганизмы, выполняющие определённые реакции окисления или восстановления. Соответственно первые из них являются окислителями, а вторые – восстановителями. Благодаря этому происходит обмен серы между доступными растениям сульфатами (SO₄^2-) и сульфидами (серный колчедан FeS₂, медный колчедан CuFeS₂), находящимися глубоко в почве и в осадочных породах. Первичная продукция, выработанная растениями, обеспечивает далее включение сульфата в органическое вещество животных организмов, а отмирание растений и экскреция животных служат путём возвращения сульфата в круговорот.

3. Микробная регенерация серосодержащих соединений из глубоководных отложений приводит к движению вверх газовой фазы серы H₂S. В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S₂) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы. В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

4. В данном круговороте взаимодействуют геохимические и метеорологические процессы – эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, абсорбция-десорбция и др. – с такими биологическими процессами, как продуцирование органики и разложение органики.

5. В регуляции круговорота в глобальном масштабе взаимодействуют воздух, вода и почва.

В целом экосистеме требуется меньше серы, чем фосфора и азота Отсюда следует то, что сера реже является лимитирующим фактором для растений и животных. Вместе с тем круговорот серы относится к ключевым в общем процессе продукции и разложения биомассы. К примеру, при образовании в осадках сульфидов железа, меди происходят такие химические реакции, где фосфор из нерастворимой формы переводится в растворимую и становится доступным для организмов. Это подтверждение того, как один круговорот регулируется другим.

Однако круговорот серы, так же как и азота, фосфора, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому, прежде всего, сжигание ископаемого топлива, а особенно угля, где содержания серы может быть значительным (топливные дымы). Сернистый газ SO₂ нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности. В круговорот вовлекается и сера промышленного происхождения (производственные дымы), переносимая с дождевой водой.

Автор разработки:

доцент каф. Естественные науки,

к.б.н. Н. М. Самойлова

9