Биогеохимические круговороты

                                  Биогеохимические круговороты.

В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом, превращается в тепло  и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и  называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним элементов, встречающихся  в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями.

Круговороты элементов  и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих процессов, в которых  участвуют все составные части  экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических  извержений есть польза, так как  с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например, азот.

Существует закон  глобального замыкания биогеохимического  круговорота в биосфере, действующий  на всех этапах её развития, как и  правило увеличения замкнутости  биогеохимического круговорота  в ходе сукцессии. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического  круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический круговорот оказывает  человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты  веществ, и в этом проявляется  его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний  день.

Когда 2 млрд. лет  тому назад на Земле появилась  жизнь, атмосфера состояла из вулканических  газов. В ней было много углекислого  газа и мало кислорода (если вообще был), и первые организмы были анаэробными. Так как продукция в среднем  превосходила дыхание, за геологическое  время в атмосфере накапливался кислород и уменьшалось содержание углекислого газа. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается в результате сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения поглотительной способности «зелёного пояса». Последнее является результатом уменьшения количества самих зелёных растений, а также связано с тем, что пыль и загрязняющие частицы в атмосфере отражают поступающие в атмосферу лучи.

В результате антропогенной  деятельности степень замкнутости  биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных  элементов и веществ она не одинакова), но тем не менее не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах – наиболее древних и консервативных).

Таким образом, следует говорить не об изменении  человеком того, что не должно меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление изменений  и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования природы. Последнее формулируется следующим  образом: в ходе эксплуатации природных  систем нельзя превышать некоторые  пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например, избыток вносимых удобрений столь же вреден, сколь и недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему всё позволено.

Надежды на преодоление  экологических трудностей связывают, в частности, с разработкой и  введением в эксплуатацию замкнутых  технологических циклов. Создаваемые  человеком циклы превращения  материалов считается желательным  устраивать так, чтобы они были подобны  естественным циклам круговорота веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы обеспечения человечества невосполнимыми ресурсами и проблема охраны природной  среды от загрязнения, поскольку  ныне только 1 – 2% веса природных ресурсов утилизируется в конечном продукте.

Теоретически  замкнутые циклы превращения  вещества возможны. Однако полная и  окончательная перестройка индустрии  по принципу круговорота вещества в  природе не реальна. Хотя бы временное  нарушение замкнутости технологического цикла практически неизбежно, например, при создании синтетического материала  с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое вещество вначале всесторонне  апробируется на практике, и только потом могут быть разработаны  способы его разложения с целью  внедрения составных частей в  природные круговороты. 

Круговорот  азота.                          

Газообразный азот возникает в результате реакции  окисления аммиака,

образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

4NH₃ + 3O₂ ® 2N₂ + 6H₂O.

Круговорот азота  – один из самых сложных, но одновременно самых идеальных

круговоротов. Несмотря на то что азот составляет около 80% атмосферного

воздуха, в большинстве  случаев он не может быть непосредственно  использован

растениями, т.к. они  не усваивают газообразный азот. Вмешательство  живых

существ в круговорот азота подчинено строгой иерархии: только определённые

категории организмов могут оказывать влияние на отдельные  фазы этого цикла.

Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу  в результате работы

некоторых бактерий, тогда как другие бактерии – фиксаторы (вместе с сине-

зелёными водорослями) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты.

Неорганическим  путём нитраты образуются и в  атмосфере в результате

электрических разрядов во время гроз.

Самые активные потребители  азота – бактерии на корневой системе  растений

семейства бобовых. Каждому виду этих растений присущи свои особые бактерии,

которые превращают азот в нитраты. В процессе биологического цикла нитрат-ионы

(NO₃^-) и ионы аммония (NH₄⁺),

поглощаемы растениями из почвенной влаги, преобразуются  в белки, нуклеиновые

кислоты и т.д. Далее  образуются отходы в виде погибших организмов, являющихся

объектами жизнедеятельности  других бактерий и грибов, преобразующих  их в

аммиак. Так возникает  новый цикл круговорота. Существуют организмы, способные

превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот. Основные звенья

круговорота азота  в биосфере представлены схемой на рис. 3.

Биологическая активность организмов дополняется промышленными  способами

получения азотосодержащих  органических и неорганических веществ, многие из

которых применяются  в качестве удобрений для повышения  продуктивности и роста

растений.

Антропогенное влияние  на круговорот азота определяется следующими процессами:

1.     сжигание  топлива приводит к образованию  оксида азота, а затем реакциям:

2.     2NO + O2 ® 2NO2 ,

3.     4NO2 + 2H2O.+ O2 ® 4HNO3 ,

4.     способствуя  выпадению кислотных дождей;

    

 

    

Молнии

 

                                                                                                

Денитрифицирующие 

                                            

Азотфиксирую-                                         бактерии

щие бактерии

                                                          

Сине-зелёные 

Бактерии      Осадки                               водоросли

      

    

 

      

    

 
 

                                                              

Бактерии 

                                                                        Бактерии

                                                                        Бактерии

                            Рис. 3. Круговорот азота.                           

5.     в  результате воздействия некоторых  бактерий на удобрения и отходы

животноводства  образуется закись азота – один из компонентов, создающих

парниковый эффект;

6.     добыча  полезных ископаемых, содержащих  нитрат-ионы и ионы аммония, для

производства минеральных  удобрений;

7.     при  сборе урожая из почвы выносятся  нитрат-ионы и ионы аммония;

8.     стоки  с полей, ферм и из канализаций  увеличивают количество нитрат-

ионов и ионов  аммония в водных экосистемах, что  ускоряет рост водорослей и

других растений; при разложении последних расходуется  кислород, что в

конечном счёте приводит к гибели рыб. 
 

Круговорот  фосфора.                         

Фосфор – один из основных компонентов (главным образом  в виде

и ) живого вещества

и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран,

аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), жиров, костей и зубов.

Круговорот фосфора, как и других биогенных элементов, совершается по большому и

малому циклам.

Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью  сосредоточены в

литосфере. Основные источники неорганического фосфора  – изверженные или

осадочные породы. В земной коре содержание фосфора  не превышает 1%, что

лимитирует продуктивность экосистем. Из пород земной коры неорганический

фосфор вовлекается  в циркуляцию континентальными водами. Он поглощается

растениями, которые  при его участии синтезируют  различные органические

соединения и  таким образом включаются в трофические  цепи. Затем органические

фосфаты вместе с  трупами, отходами и выделениями  живых существ возвращаются в

землю, где снова  подвергаются воздействию микроорганизмов  и превращаются в

минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.

В экосистеме океана фосфор приносится текучими водами, что  способствует

развитию фитопланктона  и живых организмов.

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных  естественных

условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с

постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на

небольшой глубине  органический фосфор возвращается в  круговорот. Фосфаты,