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.
