Круговорот веществ

Круговорот веществ - это естественные циклические процессы перемещения химических элементов в биосфере. Около.5 млрд. лет назад произошла дифференциация вещества Земли, с образованием геосфер - атмосферы, гидросферы, литосферы (земной коры) и сформировавшейся около 3,5 млрд. лет - биосферой. Между всеми геосферами и внутри каждой из них идет обмен веществ. С появлением биосферы к физико-химическим превращениям прибавились биогенные процессы и, наконец, огромной геологической силой ныне стала деятельность человека.

Биогенная миграция атомов и круговорот веществ - это два противоположных процесса. В первом случае идет акку­муляция элементов в живых организмах с поглощением энергии, во втором - минерализация в результате разложения отмерших видов с выделением энергии в почве и донных отложениях гидросферы.

Круговорот воды. Это циркуляция её, проходящая по схеме: выпадение осадков, поверхностный и подземный сток, инфильтрация, испарение, перенос водяного пара в атмо­сфере, конденсация водяного пара, повторное выпадение атмосферных осадков. Причем вода при этих процессах пере­ходит из одного агрегатного состояния в другое. Антропоген­ные загрязнения, поступающие в воду и атмосферу, заметно влияют на круговорот её, нарушая естественные процесс; создавая локальные загрязнения гидросферы регионов.

Под действием энергии Солнца вода, испаряясь с поверхности водоемов, воздушными течениями переносится на большие расстояния и, выпадая в виде остатков, способствуем разрушению горных пород, делая составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов, животных. Размывая верхний почвенный слой с содержащимися в нем органическими и неорганическими соединениями, она уносит их в водоемы. Гидрологический цикл воды в системе океан-суша - важнейшее звено в поддержании жизни на Земле, на этот процесс расходуется примерно 20% общего поступления энергии от Солнца. Среднее время переноса воды в жидкой фазе по поверхности планеты равно 3650лет,т.е.в 100000раз дольше, чем ее круговорот через атмосферу - 7-12 дней. Водя­ные пары в атмосфере совершают ежегодно круговорот 35 раз.

Растения участвуют двояко: извлекая воду из почвы и испаряя в атмосферу (транспирация), а часть воды расщеп­ляется в клетках при фотосинтезе, при этом водород фикси­руется в органических соединениях, а кислород поступает в атмосферу. Ежегодная транспирация - 55*10-т, чтопочти соответствует общему испарению с поверхности суши. Живот­ные потребляют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяет ее в окружающую среду вместе с продуктами обмена веществ.

Круговорот кислорода. Ватмосфере содержится его 1,18•10¹⁵ т. Сейчас свободный кислород образуется со ско­ростью 1,55 • 10⁹т/год. Гораздо большее количество его находится в связанном состоянии в молекулах воды, солей, окси­дов и других минералов земной коры, но экосистемы к нему не имеют непосредственного доступа. Живые организмы опреде­ляют кислородный биогеохимический цикл в биосфере.

Кислород проходит 3 стадии преобразований:

а) приход его из тропосферы в составе СО₂ и свободных молекул, из гидросферы - в составе воды. Расход кислорода в процессе транспирации воды и выделения в свободной форме
при процессах фотосинтеза;

б) приход кислорода в соединениях органических веществ и расход его в составе воды и углекислого газа при дыхании (на каждый атом связанного углерода высвобождаются два
атома О₂), т. е. ежегодно зеленые растения выделяют в атмосферу 2,7 • 10¹¹ т. Биогенный круговорот его - 2500лет;

в) расход кислорода на окисление мертвого органического вещества с выделением этого элемента в составе воды и углекислого газа....

Абиогенные источники свободного кислорода - это фотодиссоциация паров воды на высоте 70-80км и угле­кислого газа на высоте 115км. В целом более 66,7% его имеет биогенное происхождение.

Ныне расходуется 2,16 • 10¹⁰ т кислорода, в том числе только на сжигание органического топлива 9 • 10⁹ т, т. е. боль­ше на порядок по сравнению с его приходом. Это свидетель­ствует о нарушении баланса важнейшего компонента атмосферы прежде всего из-за антропогенного воздействия, что может перерасти в глобальную катастрофу.

Круговорот углерода. Он является основным биогенным элементом, играющем важнейшую роль в образовании живого вещества. Процесс идет по двум циклам - океаническому и континентальному, объединение между которыми идет через атмосферную углекислоту.

а) углекислый газ атмосферы потребляется растениями и автотрофными микроорганизмами при синтезе органичес­ких соединений в процессе фотосинтеза-хемосинтеза - 1,15 • 10¹¹ т/год. Часть (3,2 • 10¹⁰ т) освобождается в процессе дыхания в виде СО₂ и вновь поступает в атмосферу. Остальной углерод 8,3 • IO¹⁰t входит в биопродукцию живых организмов.

б) образовавшееся органическое вещество используется для питания гетеротрофов с выделением углекислого газа в атмосферу.

в) живое вещество после отмирания разрушается гетеро­трофными микроорганизмами, в процессе дыхания и брожения образуется углекислый газ, поступающий вновь в тропосферу - около 41 млрд. т/год.

Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности, но основная часть посту­пающего СО₂ поглощается океаном и откладывается в виде карбонатных соединений. Растения и животные ежегодно пропускают через себя 0,25-0,8%углерода, содержащегося в атмосфере и океане, т. е. активный круговорот его составляет 300-400 лет, но участвует очень небольшая часть всей его массы. Огромное количество углерода в связанном виде закон­сервировано в литосфере: нефть, каменный уголь, торф, карбонаты, горючие сланцы и пр.

Круговорот азота. Азота содержится в атмосфере 78,1,% от общей ее массы или 4 • 10¹⁵ т, однако в молекулярной форме он не доступен высшим растениям и животным. Абиотический путь образования оксидов азота — фотоэлектрохимическая реакция грозовых разрядов дает примерно 10%, а 90% связанного азота продуцируют живые организмы.

1. Биологическая фиксация - образование азотистых соединений путем связывания атмосферного азота свободно-живущими почвенными бактериями (азотобактер) или бакте­риями, живущими в. симбиозе с корнями бобовых растений (ризобиум). В результате образуются аммиак в форме иона аммония и аминокислоты - 86,7-10⁶ т. Например, цианобактерии на рисовых полях фиксируют до 200 кг/га азота в год, клубеньковые бактерии - до 100-250 кг/га в сезон.

2. Аммонификация — разложение органического вещества отмерших организмов с помощью редуцентов с образованием аммиака.

3. Нитрификация - решающий этап в круговороте азота. Это процесс окисления солей аммония в соли азотной кислоты. Причем он идет в две стадии:

а) превращение иона аммония в нитриты, почвенными нитрифицирующими бактериями (нитрозомонас);

б) завершают превращение, окисляя нитриты до нитратов, также бактерии — нитрозобактер.

4. Денитрификация - нитраты частично усваиваются растениями, а остальное восстанавливается до закиси азота и свободного молекулярного азота, поступающего в атмосферу с помощью почвенных денитрифицирующих бактерии. На кислых почвах этот процесс может идти химическим путем без участия микроорганизмов за счет реакции азотной кислоты и мочевины с выделением углекислого газа, воды и азота. Продуцируется 83,0 • 10⁶т/год N₂, некоторое количество (9 млн. т) оседает в глубоководных отложениях и надолго исключается из круговорота. Эти потери компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами (5,6-10⁶ т/год).

Круговорот серы. В виде органических и неорганических соединении сера постоянно присутствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом. Био­логическая её роль в том, что она входит в состав амино­кислот, коферментов, витаминов и др. Неорганические соеди­нения серы в организмах высших животных обнаружены небольшими количествами в виде сульфатов (в крови, моче) и роданидов (в слюне, желудочном соке, моче, молоке).

В виде сульфидов она залегает рудой на суше и входит в состав глубоководных отложений. Диоксид и самородная сера образуются при извержении вулканов (10%).

Биогеохимический цикл ее состоит из следующих этапов:

1.Усвоение минеральных соединений анаэробными хемосинтезирующими бактериями и перевод ее в окисленную сульфатную форму, доступную для растений; включение серы
в состав белков и серосодержащих аминокислот. Животные потребляют ее, включенную в состав органических веществ.

После отмирания видов сера возвращается в почву. В аэробных условиях микроорганизмы окисляют органическую серу до сульфатов, которые опять включаются в биологи­ческий круговорот. В анаэробных условиях при разложении органических соединений серы сульфатредуцирующими бактериями образуется сероводород, который в воздухе окисляется до диоксида серы. Последний, соединяясь с водой, образует слабые растворы серной кислоты, подкисляя дожде­вые воды и возвращаясь с осадками в почву, образуя вновь сульфаты.

В биосфере круговорот серы осуществляется с атмосфер­ными осадками, в возвращается она в океан со стоком, в литосфере образуется более 150 минералов серы, среди кото­рых доминируют сульфаты. Хозяйственная деятельность человека ускорила миграцию серы и интенсифицировала окисление сульфидов.

Таким образом, из приведенных выше биогеохимических круговоротов веществ видно, что деятельность живых орга­низмов представляет важнейший фактор преобразования минеральной оболочки планеты.