Лекция 5 биохимические круговороты веществ в природе

КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА. КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА.

Кроме пищевой цепи и потока энергии для функционирования экосистем необходимо выполнения еще одного принципа – принципа круговорота биогенных элементов. В настоящее время биогенные элементы земной коры охвачены глобальными и локальными круговоротами, причем движущей силой являются сами живые организмы.

Круговорот кислорода.

В добиологический период существования Земли атмосфера состояла в основном из водяного пара, углекислого газа, азота и некоторых других газов. Кислород в более или менее значительных количествах начал накапливаться в атмосфере после распространения фотосинтезирующих организмов - около 2 млрд лет тому назад.

По мере возрастания количества кислорода в атмосфере он частично трансформируется под действием ультрафиолетового излучения в озон. Все возрастающий слой озона усиливал свои защитные функции. Соответственно росло количество хлорофилловых организмов, главным образом фитопланктона, которые высвобождали новые порции кислорода.

В последние 20 миллионов лет содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось. Современная атмосфера содержит около 1/20 части кислорода, имеющегося в биосфере. В биохимическом круговороте участвует в основном атмосферный кислород. Образование свободного кислорода происходит главным образом в результате фотосинтеза растений (рис. 9), а потребление - в ходе дыхания, реакции окисления (в том числе сжигания топлива) и других химических преобразований.

Расход кислорода больше его поступления в атмосферу. Пока усиление техногенного потребления кислорода, а также вырубка лесов не привели к заметному снижению содержания свободного кислорода в атмосфере, но наметившаяся тенденция этого процесса в перспективе опасна.

Круговорот углерода.

Биологический круговорот углерода (рис.10) проще круговорота кислорода, так как в нем участвуют только органические соединения и диоксид углерода.

Фонды углерода в биосфере обширны. Основная его масса аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3 10¹⁶ т), в кристаллических породах (1 10¹⁶ т), каменном угле и нефти (0,34 10¹⁶ т). В атмосфере углекислого газа сравнительно немного (1,3 10¹² т), менее 1/10000 общего запаса углерода. Аккумулированный углерод принимает участие в геологическом круговороте Земли. Влияние этого круговорота на краткосрочное функционирование экосистемы незначительно. Поэтому жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшим количеством углерода, участвующего в малом круговороте.

Биологический круговорот углерода протекает по схеме: биоассимиляции углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями  потребление органических соединений животнымиокисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходоввозврат углекислого газа в атмосферу. Если принять за 100 % углерод, ассимилированный растениями в ходе фотосинтеза, то примерно 30 % возвращается в фонд атмосферного углекислого газа в результате

дыхания растений, а остальные 70 % обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в растительноядных и детритных пищевых цепях. В наземных экосистемах в круговорот вовлекается ежегодно 12 % содержащегося в атмосфере углекислого газа. Поэтому углерод сравнительно быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами.

С середины ХХ в. ускорился процесс вмешательства человека в круговорот углерода:

• сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать СО₂. Кроме того, дополнительные количества углекислого газа поступают в атмосферу при разложении порубочных остатков на лесосеках и при взаимодействии атмосферного кислорода с корнями и органикой из нарушенного почвенного покрова;

• сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу. Ученые предсказывают, что этот углекислый газ вместе с другими летучими техногенными выбросами может в ближайшее десятилетия вызвать потепление земной атмосферы и тем самым нарушить процесс производства продуктов питания.

Содержание углерода в атмосфере увеличилось на 22 % и продолжает расти. Такое положение вызывает серьезную озабоченность, так как нарушается сложившееся в природе энергетическое равновесие.

Круговорот азота.

Азот - один из главных биогенных элементов. Организмы нуждаются в различных химических формах азота для образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот типа ДНК. Основным резервуаром газообразного азота служит атмосфера (78 % объема воздуха). Однако в отличие от углекислого газа круговорот азота связан с рядом особенностей. Во-первых, усваивать азот из воздуха могут только отдельные виды так называемых азотфиксирующих организмов - некоторые сине-зеленые водоросли и симбиотические бактерии бобовых растений. Во-вторых, разложение азотсодержащих веществ с выделением газообразного азота осуществляется, как правило, в несколько стадий с помощью целого ряда специализированных микроорганизмов. В окружающую среду органический азот попадает в виде аминогруппы NH₂ или мочевины (карбамида) CO(NH₂)₂. Стадии трансформации азотсодержащих веществ в приемлемую для растений форму представлены на рис. 8. Процессы аммонификации и нитрификации происходят при участии специализированных бактерий-редуцентов.

В процессе денитрификации азот переводится в газообразное состояние и частично фиксируется клубеньковыми растениями, а остальная часть удаляется из активных фондов почвы и попадает в виде свободного азота в атмосферу.

Важную роль в наземных экосистемах играют бобовые растения. В клубеньках бобовых растений живут эффективно фиксирующие азот бактерии образующие с ними симбиотические связи. Растения обеспечивают бактериям местообитание и пищу, а взамен получают доступную форму азота. Таким путем за год они способны накапливать азота 150-400 кг/га. Это семейство включает в себя огромное число представителей клевера, от обычного для лугов и степей до тропических деревьев и кустарников пустынь.

В естественных условиях процессы связывания и освобождения азота уравновешивают друг друга. Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:

• сжигание древесины или ископаемого топлива, при котором в атмосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NО). Оксид азота соединяется в атмосфере с кислородом воздуха и образуется диоксид азота, который при взаимодействии с водяным паром может образовывать азотную кислоту. Эта кислота становится компонентом кислотных осадков, наносящих вред лесам и убивающих рыбу в озерах многих районов мира;

• воздействие некоторых бактерий на удобрения и отходы животноводства приводит к выделению в атмосферу парникового газа – закиси азота (N₂O);

• добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат-ионы и ионы аммония, для производства минеральных удобрений;

• вынос из почвы нитрат-ионов и ионов аммония при сборе сельскохозяйственных культур с высоким содержанием азота;

• увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков. Создаваемый таким образом избыток питательных веществ способствует быстрому росту водорослей и других водных растений.

Искусственное внесение азота с удобрениями достигло 30 млн. т. в год и сравнялось с естественным потоком азота в биосфере, что привело к избытку азота в некоторых почвах и водоемах. Однако глобального нарушения круговорота азота пока не произошло.

Круговорот фосфора.

Фосфор в виде фосфат-ионов является важным питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ и АДФ, в которых запасается необходимая для организации химическая энергия, необходимая для клеточного дыхания; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительном и животных клетках; а также веществ, входящих в состав костей и зубов животных. В отличии от предыдущих круговоротов химических элементов, имеющих газовую фазу, круговорот фосфора относится к так называемым осадочным круговоротам. Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, его содержание в земной коре не превышает 1 %. Основным источником фосфора служат изверженные или осадочные породы.

Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию при их выщелачевании и растворении в континентальных водах. На суше неорганический фосфор в виде фосфат-иона (РО₄ ^3-) поглощается растениями и переводится в состав живого вещества растений и потребляющих растения животных. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и экскрементами животных возвращаются в землю, подвергаются переработке микроорганизмами и снова включаются в круговорот (рис. 12).

Фосфор доступен растениям только в узком диапазоне кислотности - в слабокислой среде, при другой кислотности он переходит в нерастворимые соединения и становится недоступным для них.

С текучими водами фосфор поступает в водоемы в виде фосфатов. Если на суше круговорот его происходит в сравнительно благоприятных условиях, то в водоемах дело обстоит сложнее. Отмершие организмы накапливаются в донных отложениях. Разложение органики вблизи дна замедленно вследствие недостаточного притока кислорода. Минерализованный фосфор образует нерастворимые соединения с трехвалентным железом, кальцием и прочно удерживается в осадке. При этом необходимо учитывать, что количество фосфора смывающегося с суши в океан, несравнимо больше количества фосфора находящегося в круговороте на суше.

Таким образом, механизмы естественного возврата фосфора на сушу не способны сегодня компенсировать потери этого элемента. Поскольку на Земле запасы фосфора малы и круговорот его недостаточно совершенен, любые воздействия человека на его биогеохимический круговорот могут привести к серьезным последствиям. Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:

• добыча больших количеств фосфатных руд для производства минеральных удобрений и моющих средств;

• увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также неочищенных и очищенных коммунально-бытовых стоков. Избыток этих питательных элементов способствует «взрывному» росту синезеленых водорослей и других водных растений, что нарушает жизненное равновесие в водных экосистемах.

Круговорот воды.

Роль воды в происходящих в биосфере процессах огромна. Без воды невозможен обмен веществ в живых организмах. Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещает воду между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшие процессы этого круговорота:

• испарение - под воздействием солнечной энергии с поверхности океанов, рек и т.д. и транспирация (испарение с поверхности зеленых растений);

• конденсация (превращение водяного пара в капли жидкой воды) – при понижении температуры в отдельных частях атмосферы, с образованием мельчайших капелек воды;

• осадки (дождь, изморось, град, снег). В среднем молекула воды находится в воздухе около 10 дней, прежде чем она попадает с осадками на землю. Примерно половина всех осадков на планете выпадает в зоне тропических лесов;

• сток воды назад в моря и океаны для возобновления цикла. При этом сток пресных вод с поверхности суши может вызвать эрозию почв, которая приводит к перемещению различных химических веществ в рамках других биогеохимических циклов. Значительная часть возвращающейся воды просачивается в грунт. Там происходит накопление грунтовых вод в водоносных горизонтах. Циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод.

Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:

• забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густонаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению океанической соленой воды в подземные водоносные горизонты;

• сведение растительного покрова суши в интересах развития с/х , при добычи полезных ископаемых, строительства дорог, автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым усиливая эрозию почв.