5. Глобальный круговорот фосфора

По структуре он несколько проще круговорота азота, поскольку фосфор встречается лишь в немногих химических формах. Как показано на рис. 5, этот важный и необходимый элемент протоплазмы циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями. Резервуаром фосфора служат горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Породы эти постепенно подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы, но большое количество фосфатов попадает в море, отлагаясь частично в мелководных осадках, а частично теряясь в глубоководных. Механизмы возвращения фосфора в круговорот, недостаточно эффективны и не возмещают потерь. В прошлом морские птицы играли важную роль в возвращении фосфора в круговорот. Этот перенос птицами фосфора и других веществ из моря на сушу продолжается и сейчас, но не столь интенсивно.

Деятельность человека ведет к усиленной потере фосфора из наземных экосистем. Ежегодно на удобрения добывается 1—2 млн. т фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора смывается и выключается из наземного круговорота. Хотя человек вылавливает много морской рыбы, Хатчинсон считает, что в год этим способом на сушу возвращается всего около 60 тыс. т элементарного фосфора.

В настоящее время больше всего опасений вызывает увеличение концентрации растворенных фосфатов в водных системах. Сейчас ведутся эксперименты по «подъему» фосфора в круговорот путем опрыскивания наземной растительности сточными водами или пропускания их через естественные водно-болотистые угодья (травяные болота и болота), вместо того чтобы прямо сбрасывать эти воды в реки.

6. Глобальный круговорот серы

Основные черты биогеохимического круговорота (рис. 6) следующие:

1. Обширный резервный фонд находится в почве и отложениях; меньший — в атмосфере.

2. Ключевую роль в быстром обмене между резервным и обменным фондами играют специализированные почвенные микроорганизмы, между которыми существует разделение труда.

3. Микробная регенерация протекает с образованием газовой фазы (H₂S).

4. Цикл основывается на взаимодействии геохимических (эрозия, осадкообразование, выщелачивание, абсорбция—десорбция и т.д.), метеорологических и биологических процессов (продукция и разложение).

Сульфат (SO₄), аналогично нитрату и фосфату, — основная доступная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки (сера входит в состав ряда аминокислот). Экосистеме требуется не так много серы, как азота и фосфора. По этой причне сера реже бывает фактором, лимитирующим рост растений и животных. Тем не менее круговорот серы является ключевым в общем процессе продукции и разложения биомассы.

Например, когда в осадках образуются сульфиды железа, фосфор из нерастворимой переводится в растворимую форму и становится доступным для организмов. Это прекрасный пример того, как один круговорот регулируется другим.

7. Влияние загрязнения воздуха

Круговороты азота и серы все больше подвергаются влиянию промышленного загрязнения воздуха. Оксиды азота (N₂O и N0₂) и серы (SO₂) в отличие от нитратов и сульфатов токсичны в различной степени. Обычно эти соединения возникают только как промежуточные продукты в ходе круговоротов соответствующих элементов и в большинстве местообитаний присутствуют лишь в очень малых концентрациях. Но сжигание ископаемого топлива увеличило содержание этих летучих окислов в воздухе, особенно в городах, до такой степени, что они уже становятся опасными для важных биотических компонентов экосистем. Эти окислы составляют около одной трети всех промышленных загрязнений воздуха.

Основной источник SO₂ — сжигание угля, а NO₂ — выхлопные газы и другие промышленные выбросы. Можно сказать, что в таких выбросах азот «фиксирован», но в более ядовитой форме, чем при естественной биологической фиксации.

Двуокись серы вредна для фотосинтеза. Гибель растительности вокруг медеплавильных предприятий вызывается в основном двуокисью серы. Кроме того, SO₂ реагирует с водяным паром и образует капельки слабой серной кислоты (Н₂SO₄), которые падают на землю с кислым дождем. Строительство высоких дымовых труб на угольных ТЭЦ уменьшило местное загрязнение воздуха, но во многом ухудшило общее положение, так как, чем дольше окислы остаются в слое облаков, тем больше образуется кислоты. Это хороший пример краткосрочного «быстрого решения» проблемы, которое создало более серьезную долгосрочную проблему. Настоящим средством было бы удаление серы из топлива или из выбросов. Сильнее всего кислый дождь влияет на озера с мягкой водой и на кислые почвы, где нет буферов рН (например, карбонатов, солей кальция и других щелочных соединений).

Окислы азота также угрожают качеству жизни. Они раздражают дыхательные мембраны высших животных и человека. Кроме того, химические реакции с другими загрязнителями обусловливают синергический эффект (общее воздействие продуктов реакции больше суммарного воздействия каждого из реагирующих веществ), увеличивающий опасность. Например, под действием ультрафиолетового излучения Солнца NO₂ вступает в реакцию с продуктами неполного сгорания углеводородов (NO₂ и углеводороды содержатся в большом количестве в выхлопных газах), в результате возникает фотохимический смог, не только раздражающий глаза, но и не менее курения сигарет опасный для здоровья.

Большинство второстепенных элементов в концентрациях, обычных для многих природных экосистем, почти не оказывают влияния на организмы, потому, что организмы к ним адаптировались.

Стронций. Когда при производстве и испытаниях ядерного оружия, а также при работе атомных электростанций расщепляется уран, среди отходов оказывается радиоактивный стронций-90, характеризующийся очень длительным периодом полураспада. Стронций-90 — новое для биосферы вещество. Радиоактивный стронций крайне опасен для человека и других позвоночных. По химическим свойствам стронций похож на кальций и поэтому, попав в организм, накапливается в костях и оказывается в тесном контакте с кроветворными тканями. На каждые 1000 атомов кальция, движущихся к морю, приходится 2,4 атома стронция.

Ртуть — другой пример природного элемента, который мало влиял на организмы до наступления индустриальной эры, так как его концентрации и подвижность в природе малы. Разработка месторождений и промышленное использование ртути изменили положение, и сейчас наличие ртути и других тяжелых металлов (например, кадмия, меди, цинка) стали серьезной проблемой. На современном этапе антропогенный круговорот ртути по объему сравним с тем, который, существовал в природе до появления человека. Важную роль играют микроорганизмы. Они превращают нерастворимые ее формы в растворимую, очень подвижную и очень ядовитую метилртуть.