Биогеохимический цикл серы

Сера является одним из элементов, играющих важную роль в круговороте веществ биосферы. Сера определяет важные биохимические процессы живой клетки, является компонентов питания растений и микрофлоры. Соединения серы участвуют в формировании химического состава почвы, в значительных количествах находится в подземных водах. Сера циркулирует в экосфере в виде различных соединений.

Рис. 7.7. Схема круговорота серы

Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде сероводорода – ядовитого газа – при извержении вулканов, при разложении органики в болотах, а также в виде диоксида серы (удушливый газ) при извержении вулканов. Подавляющая часть соединений серы попадает в атмосферу в результате технологических процессов (переработка нефти, выплавка металлов).

Промышленные процессы и перевозка уносят в атмосферу большое количество серы. Присутствие в воздухе диоксида серы поражает как высшие растения, так и лишайники. Биогеохимический цикл серы состоит из четырех стадий (рис. 7.7).

1.Усвоение минеральных соединений серы живыми организмами и включение серы в состав белков и аминокислот.

2.Превращение органической серы живыми организмами – животными и бактериями в конечный продукт Н₂S.

3.Окисление минеральной серы серобактериями и тионовыми бактериями. На этой стадии происходит окисление сероводорода, элементарной серы и её соединений.

4. Восстановление минеральной серы бактериями до Н₂S.

 

Под тонким деликатным слоем почвынаходится

такая же безжизненная планета, как и Луна.

Дж. Джексон

 

ГЛАВА 8. Биокосные системы

Почва и её структура

В 1944 г. В.И. Вернадский впервые вводит в учение о биосфере определение биокосной системы. Биокосные системы состоят из живого и косного вещества, но их отличительные особенности определяются, в первую очередь, именно жизнью.

В конце ХIХ столетия Вас. Вас. Докучаев в труде «Русский чернозем» определил почвы как новый класс природных систем, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно между собой связаны и образуют единое целое – почвы. Он впервые сформулировал представление о почвенном покрове Земли как особой ее поверхностной оболочке, состоящей из разных почвенных зон. Он сформулировал Закон мировой зональности почв: распространение почв на земле подчиняется в общих чертах закону широтной зональности и каждой природной зоне соответствует свой тип почвы.

 

Почва – это органоминеральное образование верхнего горизонта литосферы, являющееся результатом воздействия живых организмов на минеральный субстрат и разложения мертвых организмов при одновременном влиянии климата и рельефа.Открытие В. Докучаева привело к развитию новой науки – почвоведения. В дальнейшем Докучаев открыл еще один класс подобных систем – ландшафт.

Почвоведение – это наука о почве, её строении, составе, свойствах и географическом распространении, закономерностях происхождения, развития, функционировании и роли в природе, путях и методах мелиорации, охраны и рационального использования.

Развивая идеи Докучаева, В.И. Вернадский (1863–1945) сформулировал понятие о биокосных системах. «Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно (например, почвы)».

По степени сложности, размерам и уровням организации биокосные системы образуют определенную иерархию. К более низкому уровню относятся почвы, илы, кора выветривания и водоносные горизонты, к более высокому – ландшафты, к еще более высокому – биосфера в целом. Все биокосные системы богаты свободной энергией, неравновесны и в них осуществляются круговороты химических элементов.В.И. Вернадский также ввел в обиход термин педосфера как понятие о тонком слое почв среди других геосфер.

 

В отличие от других геосфер, обладающих большой мощностью, измеряемой десятками и сотнями километров, педосфера представляет собой тончайшую оболочку, буквально пленку на поверхности земной суши толщиной всего один–два метра.Несмотря на ничтожную толщину, эта сфера играет незаменимую экологическую роль в функционировании биосферы, а следовательно, и в жизни человека.С древнейших времен земля является основой существования человеческого общества. Верхняя часть земной коры сложена в основном осадочными породами, корой выветривания, почвой и илом.

Почва представляет собой сложную смесь из неорганических (минеральных) и органических материалов. В сельскохозяйственных почвах органическая часть веществ составляет от 1 до 5%, в лесных – более 10%. Минеральные частицы почвы состоят из песка, алеврита и глин.В конечном счете, все, что содержится в любой пище, получается из растений. Для роста растений кроме солнечного света нужна почва. Почва обеспечивает создание биомассы растений.

Рис. 8.1. Структура почвы

Типичная почва включает несколько слоев или горизонтов (рис. 8.1). Самый верхний слой состоит из свежего опада. Средний слой из полуразложившихся листьев. Он пронизан нитями (гифами) грибов, которые разлагают отмершую растительность, переводят питательные вещества в форму, доступную растениям. В этом слое наблюдается максимальное скопление организмов. В процессе накопления масса листьев, погибших растений и животных подвергается действию бактерий и частично разлагается. Верхний гумусовый горизонт А образован разложившимися остатками растений и тканей животных, содержит много микроорганизмов и других живых существ, включая насекомых, червей, землероек, способствующих аэрации почвы. Этот слой имеет темный цвет и содержит до 15% по массе разложившегося органического вещества – гумуса. Ниже залегает более плотный слой, образованный минеральными частицами и содержащий органические вещества, переработанные редуцентами, а также вещества, вымытые из слоя А.

На поверхность почвы опадают отмершие части растений, а в почве остаются погибшие их корни.Считается, что масса корней травянистых растений равна зеленой массе. Общая длина корней ржи вместе с корневыми волосками составляет 11 тыс. км, а их поверхность 630 кв. м.

В лиственном лесу ежегодный опад (листья, ветки, кора, хвоя) составляет до 9 т/га. Если бы отмершая растительность не перерабатывалась, то через 100 лет поверхность Земли покрылась продуктами опада, а жизнь прекратилась из-за истощения минеральных ресурсов.Отмершие части растений содержат питательные вещества, усвоенные ими при жизни. Этими веществами могут воспользоваться другие растения, но только в том случае, если остатки сгниют, а микроорганизмы их сделают снова доступными для нового поколения растений. Таким образом, благодаря участию всех почвенных организмов запасенные в растениях минеральные вещества включаются в биотический круговорот. Академик В.Р.Вильямс сказал: «Единственный способ придать ограниченному количеству вещества свойство бесконечности – это заставить его вращаться по замкнутой кривой».

Почвообразование подразделяется на ряд стадий. Вначале на горной породе поселяется примитивная растительность – лишайники и мхи. По мере накопления мелкозема и перегноя появляется все более развитая растительность, которая способствует дальнейшему разрушению горной породы. На следующей стадии формируется полный профиль почвы с характерным набором слоев (горизонтов).

Обитатели почвы. Среди живых организмов в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития. Микроорганизмы практически управляют всей биосферой, используя поток солнечной и химической энергии. Все многоклеточные организмы – это лишь небольшая надстройка над миром микроорганизмов. Человек – это один из огромного множества организмов в этой надстройке.

Почва – это большой густонаселенный мир. В ней живут разнообразные организмы – бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, простейшие, черви и насекомые. Количество их огромно. На 1 кв. м верхнего слоя почвы обитает до 1,5 биллионов простейших и до 20 млн нематод. В 1 г почвы содержится десятки миллиардов бактерий (рис. 8.2).Сотнями тысяч исчисляются коловратки, клещи, тысячами насекомые и дождевые черви.Ч.Дарвин сравнивал червей с плугом. Черви буквально перепахивают почву. Под 1 кв. м почвы длина ходов червей превышает 1 км. За 10 лет весь гумусовый слой луга проходит через кишечник червей.

Рис. 8.2. Распределение по профилю подзолистой почвы (а) и чернозема (б) микроорганизмов (1) и органики (2)

Почва пронизана гифами грибов. В 1 г лесной почвы длина гифов достигает 2 км. Грибы снабжают корни растений водой, витаминами, минеральными солями, гормональными веществами. Грибы выделяют антибиотики и защищают растения от поражения корневыми болезнями. Некоторые растения не могут жить без грибов: дуб и сосна. Грибы и актиномицеты эффективно разлагают древесину. Грибной запах почвы придают именно актиномицеты, а не грибы. На долю бактерий, грибов и актиномицетов приходится до 90% всех разрушительных и минерализующих процессов в почве.