Круговороты газообразных веществ

Глобальный круговорот веществ

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический), и малый, или биологический (биотический).

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота веществ лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабе планеты. Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т.п. Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ.

Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический круговорот. В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей. В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии.

Все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ. Более или менее замкнутые пути движения химических элементов называются биогеохимическими циклами («био» – относится к живым организмам, а «гео» – к твердым породам, воздуху и воде). Из почти ста химических элементов, встречающихся в природе, 30-40 являются биогенными, т.е. необходимыми организмам. Жизненно важные для организмов элементы всегда участвуют в биохимических циклах, которые называют круговоротом питательных или биогенных веществ. В круговороте отдельных элементов различают две части: резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ (в основном, небиологическая часть) и подвижный, или обменный фонд, – меньший, но более активный. Иногда резервный фонд называют «недоступным», а обменный – «доступным». Биогеохимические циклы делятся на два типа: круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме круговорота воды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.

Биогеохимические циклы углерода и азота – примеры круговоротов наиболее важных газообразных биогенных веществ.

Круговорот углерода. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО₂ относительно невелики в сравнении с его запасами в океанах и земной коре (в виде ископаемого топлива). Циркуляция углерода в биосфере основана на поступлении СО₂ в атмосферу и его потреблении.

Поступление углекислого газа в атмосферу в современных условиях происходит в результате: 1) дыхания всех организмов; 2) минерализации органических веществ; 3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеют также биогенное происхождение); 4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (незначительная часть – до 0,01%) и 5) сжигания топлива.

Потребление углекислого газа происходит главным образом: 1) в процессе фотосинтеза; 2) в реакциях его с карбонатами в океане; 3) при выветривании горных пород. Низкое содержание СО₂ и высокие концентрации О₂ в атмосфере сейчас служат лимитирующими факторами для фотосинтеза, а зеленые растения являются регуляторами этих газов. Таким образом, «зеленый пояс» Земли и карбонатная система океана поддерживают относительно постоянное содержание СО₂ в атмосфере. Влияние человека на круговорот углерода проявилось в том, что с развитием индустрии и сельского хозяйства поступление СО₂ в атмосферу стало расти за счет антропогенных источников. Разведанные запасы горючих ископаемых (угли, нефть, битумы, торф, сланцы, газы) содержат около 1•10¹³ т углерода. Главная причина увеличения содержания СО₂ в атмосфере – это сжигание горючих ископаемых, однако, свой вклад вносят и транспорт, и уничтожение лесов. При уничтожении лесов содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древесины, за счет снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы (если на месте лесов распахивают поля или строят города).

Круговорот азота. Воздух по объему почти на 80% состоит из молекулярного азота N₂ и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента.

Поступление азота в атмосферу происходит: 1) в процессе денитрификации, т.е. биохимического восстановления оксидов азота до молекулярного газа N₂; 2) с вулканическими газами и 3) с «индустриальными вулканами» (дымом, выхлопными газами). В водоемы соединения азота поступают: c поверхностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий; с подземными водами; с городскими и промышленными стоками; со сточными водами сельскохозяйственных производств.

Поглощение азота из воздуха происходит: 1) в процессе азотфиксации благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и многих водорослей (прежде всего синезеленых), 2) в результате естественных физических процессов фиксации азота в атмосфере (электрические разряды при грозе и др.) и 3) в процессе промышленного синтеза NH₃. Минеральные соединения азота (NH₄⁺ , NO₂^- , NO₃^-) потребляются растениями при фотосинтезе.

Поскольку продуктом разложения аминокислот независимо от путей расщепления является аммиак NH₃, то эта стадия называется аммонификацией. Выделившийся аммиак в природных условиях частично используется растениями как питательный материал, а частично окисляется, взаимодействуя с кислородом. Эта стадия превращений азота называется нитрификацией и протекает в две фазы в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий. Образовавшиеся при нитрификации нитриты и нитраты могут быть потенциальным источником кислорода в анаэробных условиях. Безазотистые органические вещества окисляются за счет нитритов и нитратов. При этом нитриты и нитраты восстанавливаются до газообразного азота, вновь поступающего в атмосферу. Этот процесс называется денитрификацией. В сточных водах часто образуются излишние количества нитритов и нитратов, которые могут вызвать нежелательное «цветение» воды в водоемах. Поэтому процессы денитрификации используются для глубокой доочистки сточных вод от минеральных форм азота. Азотфиксация (связывание молекулярного азота) – процесс, обратный денитрификации.