2.4.Биогеохимические циклы

Живые организмы используют для своего построения практически все элементы периодической системы. Их них выделяются так называемые биогенные элементы, как составляющие основную массу живых организмов. К ним относятся кислород (70% массы организмов), углерод (18%), водород (10%), а также Ca, N, K, P, Mg, S, Cl, Na, Fe. Прочие элементы содержатся в организмах в исчезающе малых количествах и роль их не всегда известна. Тем не менее предшествующий опыт говорит, что практически каждый элемент имеет физиологическое значение. При нарушении оптимальной концентрации того или иного элемента в организме обычно возникают заболевания.

Биогенные элементы в отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней (косной) среды в организмы и обратно. Эти круговороты носят название биогеохимических циклов. В биохимических циклах различают резервный фонд, включающий большую массу веществ, в основном косные, небиологические компоненты, и обменный фонд, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и непосредственным окружением.

Биогеохимические циклы подразделяют на два типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере, 2) осадочные циклы с резервным фондом в земной коре.

Некоторые из биогеохимических циклов изучены очень детально.

К

23

руговорот азота. Основная масса азота Земли содержится в виде N₂ в атмосфере, которая состоит на 78,09% по объему или 75,6% по массе из азота. Живые организмы содержат ~0,3% азота. Азот из воздуха способны усваивать только сине-зеленые водоросли, некоторые виды грибов, дрожжей, спирохет и некоторые виды бактерий (азотобактер, клостридиум). При этом азот переводится в аммиачную форму (аммонификация). Образовавшийся аммиак частично преобразуется в соли азотной и азотистой кислоты (нитраты и нитриты) также легкодоступные растениям. Другим источником связанного азота являются процессы электрического и фотохимического окисления азота в атмосфере до оксидов азота (II) и (IV). Первый источник дает ~100 мг нитрат-ионов /м² поверхности Земли в год, второй - ~30. В аммиачной, нитратной и нитритной формах азот доступен растениям и используется для синтеза аминокислот и белков. Белки отмерших организмов под действием особой группы бактерий подвергаются денитрификации с последовательным образованием вначале нитратов, затем аммиака и, наконец, азота, который возвращается в воздух. В отдельных случаях остатки организмов образуют месторождения нитрата калия – калийной селитры. Период круговорота азота в природе составляет ~100 лет. Схема круговорота азота в природе представлена на рис.2.2. Штриховой линией выделен биогенный цикл азота.

Атмосфера, N₂

Органические соединения азота в организмах

Рис.2.2. Схема круговорота азота.

В биогенном цикле окислительно-восстановительные превращения между аммиачной, нитритной, нитратной и органическими формами осуществляются бактериальным путем или растениями. Восстановление нитритной и нитратной форм в органические соединения осуществляется растениями.

К

24

руговорот углерода. Основная масса углерода на Земле находится в виде неорганических (карбонаты, граниты, базальты) и органических (угли, нефти, сланцы, природный горючий газ) соединений, а также в виде углекислого газа, растворенного в природных водах. Углерод усваивается зелеными растениями из атмосферы только в виде углекислого газа в процессе фотосинтеза с образованием ~1,5^.10¹¹т органического вещества. Частично (30%) углекислый газ возвращается в атмосферу в результате дыхания организмов или разложения их остатков. Огромное количество углекислого газа поступает в атмосферу в результате сжигания гигантских количеств топлива. Остальные 70% органических соединений включаются в сложные цепи различных биохимических синтезов, происходящих в живых организмах. Цикл круговорота органического углерода составляет ~300-400 лет.

СО₂ в атмосфере и гидросфере

фотосинтез

дыхание

дыхание и

разложение

остатков

организмов

биоассимиляция

соединений углерода

организмами

Рис.2.3. Круговорот углерода

Круговорот фосфора. Источником фосфора является апатит 3Ca₃(PO₄)₂^.Ca(F,Cl)₂, встречающийся во всех магматических породах. Организмы извлекают фосфор из почв и водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, клеточных мембран, аденозинтрифосфорной кислоты, костной ткани. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в донные отложения. Это создает условия для образования богатых фосфором пород, которые служат источником фосфора в биогенном цикле (рис.2.4). Круговорот фосфора – пример осадочного цикла.

К

25

руговорот воды. Круговорот воды обеспечивает поддержание температурного режима планеты и процессы самоочищения атмосферы, гидросферы и почвы. На круговорот воды расходуется около трети поступающей на Землю энергии Солнца. С поверхности водоемов испаряется огромное количество воды. Пары воды в атмосфере конденсируются, захватывая газы атмосферы,

Животные

(зоопланктон)

Растения

(фитопланктон)

Фосфатные

осадочные

породы,

скопления

костей рыб,

гуано

гидросфера

почвы

Апатиты

магматических пород

Переплавление,

гранитизация

Рис.2.4.Схема круговорота фосфора

техногенные и природные загрязнения и выпадает в виде осадков на поверхность Земли. Часть воды при этом входит в химические соединения или связывается в различных формах, покидая на длительное время цикл. Основная часть воды разрушает породы литосферы, вымывает из них различные вещества и возвращается или в водоемы, или в атмосферу. В результате этого меняется химический состав океанских вод, и на дне океана накапливаются трудно растворимые соединения химических элементов. В пределах экосистем важны следующие процессы. Перехват – поглощение растительностью части осадков до того как они достигнут почвы. Величина перехвата может достигать 25% суммы осадков. Транспирация - испарение воды растениями в процессе дыхания. Растения потребляют около 40% общего количества воды, выпадающей в виде осадков. Большая часть этой воды идет на транспирацию. Инфильтрация – просачивание воды в почву. Сток – избыток воды стекает в водоемы. Цикл полного оборота воды составляет ~10⁶ лет.