Биогеохимические циклы

Совместная деятельность различных живых организмов определяет круговорот отдельных элементов и химических соединений. Она включает в себя введение отдельных элементов в состав живых клеток, преобразование химических веществ в процессе метаболизма, выведение в окружающую среду и деструкцию органических веществ. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: большой (биосферный) и малый (биологический, который происходит внутри экосистем). Биосферному круговороту предшествовал геологический, связанный с образованием и разрушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения (обломочного материала и химических элементов). Значительную роль в этих процессах играли и продолжают играть термические свойства поверхности суши и воды: поглощение и отражение солнечных лучей, теплопроводность и теплоемкость. Вода больше поглощает солнечной энергии, а поверхность суши на тех же широтах больше нагревается. Гидротермический режим поверхности Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обусловливал геологический круговорот веществ. Со становлением биосферы в большой круговорот включились продукты жизнедеятельности организмов. Большой круговорот веществ в биосфере характеризуется двумя важными моментами: 1) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли; 2) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы. На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся загрязняющие вещества, такие как оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Перемещающееся в геологическом круговороте неорганическое вещество является резервным фондом для биологической ветви биосферного круговорота. Этот резервный фонд сосредоточен в атмосфере в виде газов и газообразных веществ, в воде – растворенных химических элементов и их соединений, в литосфере – минеральных и органо-минеральных веществ почвенного покрова. Малый круговорот веществ развертывается на фоне большого (геологического), охватывающего биосферу в целом. Он происходит внутри экосистем , но не замкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот. Растения, животные и почвенный покров на суше образуют сложную систему, которая формирует биомассу, связывает и перераспределяет солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, азот и другие элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов. Растения, животные и микроорганизмы водной среды образуют другую планетарную систему, выполняющую ту же функцию.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов – создания органического вещества и его разрушения. Начальный этап возникновения органического вещества обусловлен фотосинтезом зеленых растений, т. е. образованием этого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием лучистой энергии солнца. Растения извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, кальций, калий, магний, кремний и другие элементы. Растительноядные животные потребляют уже соединения этих элементов в виде пищи растительного происхождения. Хищники питаются травоядными животными, потребляют пищу более сложного состава (белки, жиры, аминокислоты и др.). В процессе разрушения микроорганизмами органического вещества отмерших растений и останков животных в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениями, и начинается следующий виток биологического круговорота.

В отличие от большого малый круговорот имеет разную длительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. При изучении биологического круговорота веществ основное внимание уделяется годовому ритму, определяемому годичной динамикой развития растительного покрова.

Обмен веществом и энергией, осуществляющийся между различными структурными частями биосферы и определяющийся жизнедеятельностью микроорганизмов, называется биогеохимическим циклом. Именно с введением Вернадским понятия биогеохимического цикла перестало существовать представление о круговороте веществ как о замкнутой системе. Все биогеохимические циклы составляют динамическую основу существования жизни, взаимосвязи друг с другом и играют определенную роль в эволюции биосферы.

Отдельные циклические процессы, слагающие общий круговорот веществ в биосфере, не являются полностью обратимыми. Одна часть веществ рассеивается или связывается в новых системах, другая возвращается в круговорот, но уже с новыми качественными и количественными признаками. Часть веществ может извлекаться из круговорота, перемещаясь в нижние горизонты литосферы или рассеиваясь в космическом пространстве. Продолжительность циклов круговорота веществ различна. Время, достаточное для полного оборота углекислого газа через фотосинтез, составляет 300 лет, кислорода – 2000-2500 лет, азота атмосферы через биологическую фиксацию и окисление – около 100 млн. лет, воды через испарение – около 1 млн. лет.

В большом и малом круговороте участвует множество химических элементов и их соединений. Важнейшими являются круговороты углерода, серы, азота (их оксиды – главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты – главный загрязнитель вод суши), ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина). Кроме того, из большого круговорота в биологический поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.

Круговорот углерода. Один из важнейших круговоротов веществ в биосфере. С углеродом непосредственно связаны содержание кислорода в биосфере. Углерод участвует в большом и малом круговоротах вещества. Его соединения в биосфере постоянно возникают, испытывают превращения и разлагаются. Основной путь миграции углерода – от углекислого газа атмосферы в живое вещество и из него в углекислый газ атмосферы. При этом часть его выходит из круговорота, оставаясь в почве или откладываясь в осадочных породах. В биологическом круговороте углерода выделяются три стадии: 1) зеленые растения, поглощая углекислый газ из воздуха, создают органическое вещество; 2) животные, питаясь растениями, продуцируют другие соединения, содержащие углекислый газ; 3) микроорганизмы разрушают вещество мертвых организмов и освобождают углерод. Источником углерода является также углекислый газ, поступающий в атмосферу при дыхании растений в темное время суток. Часть углерода накапливается в виде мертвых органических веществ там, где отсутствуют условия для их разложения, и переходит в ископаемое состояние (торф, нефть, каменный уголь и др.). Мощным естественным источником поступления углекислого газа в атмосферу являются вулканы. Общая масса углерода в залежах полезных ископаемых оценивается свыше 10000 трлн. т. Содержание углерода в нефти составляет 82,5-87,0 %, в бурых углях – до 76 %, в каменном угле – до 90 %, в тканях водных растений и животных (в пересчете на сухое вещество) – 34-40 %, у наземных организмов – 45,4-46,5 %, у бактерий – 54 %.

О масштабности биологического круговорота углерода можно судить по тому обстоятельству, что растительные организмы ежегодно продуцируют около 1,5 трлн. т углерода органической массы. По расчетам Будыко, весь запас углекислого газа в атмосфере, если бы он не возобновлялся, был бы исчерпан растениями за 8 лет.

Существенную роль в круговороте углерода играют водные массы гидросферы. Углекислый газ представлен в ней в виде как разбавленных растворов угольной кислоты, так и гидрокарбонатов металлов. Многие водные организмы, поглощая углекислый кальций, создают свои скелеты, из которых затем образуются донные известковые отложения вплоть до пластов известняков. Выпадая в осадок, карбонаты связывают часть углекислого газа в осадочных породах на дне океана, а другая его часть возвращается в атмосферу. Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Уменьшение концентрации углекислого газа в атмосфере неизбежно вызывает дегазацию вод океана и поступление его в атмосферу. Фотосинтез в гидросфере также является механизмом поглощения углекислого газа из атмосферы и газов, растворенных в воде, с освобождением кислорода.

Круговорот углерода контролирует содержание кислорода в атмосфере, при этом общая масса кислорода оценивается в 1200 трлн. т (Будыко и др., 1985). Ежегодное поступление в атмосферу кислорода, освобожденного при фотосинтезе, оценивается от 140 до 200 млрд. т. Он почти полностью используется при дыхании организмов и минерализации отмершей органики. Только незначительная его часть (0,04%) пополняет содержание кислорода в атмосфере. Расход кислорода на сжигание топлива в 100-200 раз превышает его поступление в атмосферу в результате фотосинтеза. Полное сжигание углеродного топлива уменьшит содержание кислорода в атмосфере только на 0,1%.

По данным Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Беларуси, стационарные источники и транспорт выбрасывают в воздух около 1,1 млн т угарного газа, что эквивалентно 1,7 млн т углекислого газа. Растительный покров Беларуси поглощает около 163 млн т углекислого газа. Диоксид углерода антропогенного происхождения на территории Беларуси составляет около 1% от массы этого газа, участвующего в фотосинтезе. Растительный покров Беларуси поставляет в атмосферу не менее 120 млн. т кислорода.

Круговорот азота. Его круговорот – один из наиболее сложных в природе. Источником азота в биологическом круговороте являются нитраты и нитриты, которые поглощаются растениями из почвы и воды. У растений нет способности извлекать азот из воздушной среды, хотя в атмосфере его содержится около 80 %. Животные, поедая растения, создают из аминокислот растительных белков протоплазму своих клеток. Гнилостные бактерии переводят соединения азота из отмерших остатков растений и животных в аммиак. Затем нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в нитриты и нитраты. Часть азота вновь поступает в атмосферу. Если бы не было дополнительного источника пополнения азота в почве, наступило бы азотное голодание растений и как следствие – разрушение биосферы.

Существуют два пути вовлечения азота атмосферы в биологический круговорот: 1) атмосферные осадки; 2) фиксация азота прокариотами. В результате извержения вулканов, электрического и фотохимического окисления азота в атмосфере всегда присутствуют его оксиды, растворенные в дождевой воде и вместе с ней попадающие в почву. В 1 м3 воздуха содержится 0,02-0,04 мг аммиака. Суммарное ежегодное поступление азота в почву составляет 10-15 кг/га. Азот фиксируется аэробными и анаэробными бактериями, некоторыми синезелеными водорослями, клубеньковыми бактериями бобовых растений и др. Растение предоставляет бактериям место обитания (корневые клубеньки), защищает их от излишка кислорода и поставляет им необходимую энергию. В ответ получает легкоусвояемый фиксированный азот. Общее годовое количество полученного таким образом азота может достигать 350 кг/га. Часть фиксированного азота почвы выносится в реки, а из них – в моря. Больше всего азота в форме солей аммония, нитратов и нитритов содержится близ устьев рек и у берегов. В поверхностных слоях воды азот потребляется микроорганизмами.

Антропогенные нарушения круговорота азота связаны со сжиганием топлива в двигателях транспорта, на ТЭС, в котельных и печах, а также производством азотных удобрений. При сжигании топлива в атмосферу поступает дополнительное количество угарного газа, который приводит к образованию фотохимического смога, содержащего формальдегид и другие токсичные компоненты. Этот газ разрушает озоновый экран атмосферы.

В почве содержится около 150 млрд. т азота (органические соединения), в растениях – 1,1 млрд. т, в животных – 610 млн. т. Нитратный азот не накапливается в почве, легко вымывается и в больших количествах (20-40 %) расходуется на питание растений. Поскольку часть почвенного азота изымается при очередном сборе урожая, потребность в нем растений возрастает. Органические удобрения только частично удовлетворяют ее. В мире ежегодно вносится 35-40 млн. т азота в виде минеральных удобрений. Кроме того, неучтенное количество азота поступает от ферм и частных хозяйств (Киселев, 2000).

По рекомендации Всемирной Организации Здравоохранения, суточное поступление нитратов в организм человека не должно превышать 5 мг на 1 кг массы, т.е. для человека весом 70 кг – 350 мг нитратов. Токсическое действие нитратов проявляется в том, что внутри организма они восстанавливаются до нитритов, которые преобразуются в нитрозоамины как промежуточное звено в образовании аминокислот и витаминов. Нитрозоамины являются сильными ядами, которые могут привести к изменениям функций внутренних органов и отравлению. Не выведенные из организма, они оказываются в грудном молоке и молоке домашнего скота. В результате потребления растительной пищи и воды увеличивается нитритная нагрузка на организм человека.

Круговорот фосфора. Биологическое значение фосфора в жизни организмов исключительно велико: его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, мозга и костной ткани. Содержание фосфора в тканях растений составляет 250-350, морских животных – 400-1800, наземных животных – 1700-4400, бактерий – около 3000 мг на 100 г сухого вещества, т.е. до 4,5 % общей массы. В организме человека много фосфора в костной ткани – свыше 5 г и в тканях мозга – около 4 г на 100 г сухого вещества (4-5 % общего веса).

Источником фосфора в биологическом круговороте служит литосфера (месторождения апатитов). Апатиты попадают в почву, выносятся в моря. Из почвы фосфор извлекается в виде растворимых фосфатов. Растения поглощают ионы фосфата, причем усвоение зависит от кислотности почвы. В щелочной среде фосфаты практически нерастворимы, в нейтральной – малорастворимы. По мере повышения кислотности они превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. С растительной пищей фосфор потребляют животные. Органический фосфор растительного опада, отмерших животных и их выделений трансформируется в фосфаты.

Круговорот фосфора не замкнут в биосфере, часть его теряется при геологических процессах. С речным стоком в океан поступает около 3-4 млн. т фосфата, который выключается из круговорота на суше (Ковда, 1976). Часть фосфатов изымается из биосферы в виде морских фосфатных конкреций (останки животных и гуано). В почве и воде фосфор всегда находится в дефиците. Соотношение фосфора и азота в природных водах 1:23 (а в реках и ручьях – 1:28), в биомассе – 1:16. По этой причине постоянно ограничивается биологическая продуктивность Земли. Фосфор – наиболее слабое звено в жизненной цепи, обеспечивающей существование человека. В XX в. круговорот фосфора в биосфере оказался нарушенным. Причины этого – производство фосфорных удобрений, фосфорсодержащие препараты, производство продовольствия и кормов, добыча морских моллюсков и водорослей. В результате произошло перераспределение фосфора. В зонах концентрации населения и сельскохозяйственного производства наблюдается аномально высокая аккумуляция органического фосфора. Эрозия почв и смыв удобрений приводят к сильному фосфорному загрязнению рек и озер.

Круговорот серы. Сера содержится в составе аминокислот, белков и других сложных органических соединений. Ее доля в наземных растениях равна 0,3 %, в животных – 0,5 %, в морских растениях – 1,2 %, в морских животных – до 2 %. В большом круговороте сера переносится с океана на материки с атмосферными осадками и возвращается в океан со стоком. Запасы серы пополняются за счет вулканической деятельности. Вулканы выбрасывают серу в виде серного ангидрида, сернистого газа, сероводорода и элементарной серы. В литосфере имеются различные сульфиды металлов: цинка, железа, свинца и др. В биосфере сульфидная сера (SO₃) окисляется до сульфатной (SO₄) почв и водоемов. В малом круговороте сульфаты поглощаются растениями и входят в состав аминокислот, белков и эфирных масел. Поедая растения, серу получают животные. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, который в дальнейшем окисляется либо до серы, либо до сульфатов. В первом случае формируются месторождения серы биогенного происхождения, во втором – залежи гипса. Гипс может подвергаться разрушению, и сера возобновляет свой круговорот. На дне Черного моря, а также некоторых пресноводных водоемов, загрязненных промышленными отходами, в анаэробных условиях образуется сероводород.

Круговорот серы подвергается нарушению в результате промышленного загрязнения атмосферы. Дополнительный поставщик серы в большой круговорот – ТЭЦ и котельные, которые при сжигании топлива выбрасывают сернистый газ. Этим путем поступает 100-150 млн. т серы. Объем серосодержащих выбросов в Западной Европе в начале 80-х годов XX в. достиг 20 млн. т (или 10 % от суммарного техногенного поступления).

Атмосфера Земли способна самоочищаться от сернистого ангидрида в результате выпадения осадков, поглощения серы из сернистого газа другими газами и растительностью. Вне промышленных областей концентрация сернистого газа в воздухе падает до фоновых значений (5-10 мкг/м³ на суше и 1-3 мкг/м³ над океаном). Среднегодовая фоновая концентрация сернистого газа в Беларуси составляет 2-3 мкг/м³. Экологическая опасность сернистого ангидрида заключается в том, что при фотохимическом окислении (даже если его концентрация мала) вначале образуется серный серный ангидрид, который затем соединяется с парами воды в атмосфере и превращается в аэрозоли серной кислоты. С воздушными потоками аэрозоли серной кислоты мигрируют на значительные расстояния и выпадают в виде кислотных дождей с рН=4,0-5,0. В водоемах Швеции вследствие таких дождей стали исчезать рыба и прибрежная водная растительность. Аналогичная ситуация отмечена также на северо-востоке США и юго-востоке Канады. За последние 30 лет в Западной Европе от кислотных дождей погибло около 1 млн. га лесов, а естественный уровень превысил допустимый по кислоте в 100 раз.

Выбросы сернистого газа объектами теплоэнергетики, промышленности и транспорта в Беларуси не превышает 320 тыс. т в год (около 160 тыс. т серы). Доля трансграничного переноса в выпадении серы для Беларуси составляет до 60%, или около 110 тыс. т. Местные источники поставляют около 70-80 тыс. т в год.

Круговорот ртути. Ртуть рассеяна в земной коре и только в немногих минералах (киноварь) содержится в концентрированном виде. Она мигрирует в газообразном состоянии и в водных растворах. Ртуть и ее соединения токсичны. В атмосферу поступает из гидросферы при испарении, при выделении из киновари, с вулканическими газами и газами термальных источников. Часть газообразной ртути в атмосфере переходит в твердую фазу и удаляется в почву (особенно глинистую), воду и горные породы. В нефти и каменном угле ртути содержится до 1 мг/кг. Ртуть концентрируется в воде океана – 1,6 млрд. т, в донных отложениях – 500 млрд. т, в планктоне – 2 млн т. Речными водами ежегодно с суши выносится около 40 тыс. т, что в 10 раз меньше, чем поступает в атмосферу при испарении (400 тыс. т). На поверхность суши ежегодно выпадает около 100 тыс. т (Сауков и др., 1972).

Ртуть превратилась в один из опаснейших для здоровья человека техногенных выбросов. Она применяется в металлургии, фармацевтической, химической, электротехнической, целлюлозно-бумажной и электронной промышленностях и используется для производства взрывчатых веществ, лаков и красок, входит в состав ртутьорганических пестицидов (для защиты культур от вредителей и протравливания семян). В организм человека попадает с продуктами питания. Как и нитраты, ртуть опасна для здоровья детей (допустимая концентрация в моче – 0,035 мг/л).

Круговорот свинца. Свинец присутствует во всех компонентах природной среды. В земной коре его 0,0016 %. Важнейшим звеном круговорота свинца является его атмосферно-гидросферный перенос. Большая часть его осаждается с пылью, меньшая – с атмосферными осадками (менее 40 %). Растения получают свинец из почвы и воды, а животные – потребляя растения и воду. В организм человека попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основной источник загрязнения – бензиновые двигатели, выхлопные газы которых содержат тетраэтилсвинец, а также ТЭЦ (работающие на каменном угле), горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленности. Для тушения реактора Чернобыльской АЭС использовали свинец, который затем поступил в воздушный бассейн и рассеялся. В воздухе промышленных районов содержание свинца в 10000 раз выше, чем естественный уровень. Только в поверхностные воды поступает до 300 тыс. т свинца в год. У жителей промышленно развитых стран содержание свинца в организме в несколько раз выше, чем у жителей аграрных стран. Возрастает его отложение в костях, волосах и печени. Выводится свинец из организма через кишечник и почки. Выделение его с мочой до 0,05 мг/л считается не угрожающим здоровью.

Круговорот воды. Вода является необходимым веществом в составе любых живых организмов. Основная масса воды распределена в гидросфере. Испарение с поверхности водоемов представляет источник атмосферной влаги; ее концентрация вызывает осадки, с которыми в конце концов вода возвращается в океан. Этот процесс составляет большой круговорот воды.

В процессе перехвата растительность способствует испарению части осадков в атмосферу раньше, чем они достигнут поверхности земли. Достигнув почвы, вода просачивается в нее, образуя либо почвенную влагу, либо стекает в водоемы. Частично почвенная влага может по капиллярам подняться на поверхность и испариться. Из нижних слоев почвы влага всасывается корнями растений, затем транспирируется. Так происходит эвапотранспирация – суммарная отдача воды из экосистемы в атмосферу (испарения с почвы и транспирация растениями). Если количество воды превышает ее влагоемкость, она достигает уровня грунтовых вод. Подземный сток связывает почвенную влагу с гидросферой.

В целом, круговорот воды характеризуется тем, что в отличие от углерода, азота и других элементов вода не накапливается и не связывается в живых организмах. На формирование биомассы экосистемы используется лишь около 1 % воды, выпавшей с осадками.