51. Понятие о биогеохимических циклах, ц.Углерода, азота, фосфора, серы.

Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом.

Существование подобных круговоротов создает возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость: удивительное постоянство процентного содержания различных элементов. Здесь действует принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

Круговорот углерода. Из всех биогеохимических циклов круговорот углерода, без сомнения, самый интенсивный. С высокой скоростью углерод циркулирует между различными неорганическими средствами и через посредство пищевых сетей внутри сообществ живых организмов.

В круговороте углерода определенную роль играют СО и СО₂. Часто в биосфере Земли углерод представлен наиболее подвижной формой СО₂. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

Миграция СО₂ в биосфере протекает двумя путями.

Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых существ экосистемы. Следует заметить, что вероятность отдельно взятого углерода «побывать» в течение одного цикла в составе многих организмов мала, потому что при каждом переходе с одного трофического уровня на другой велика возможность, что содержащая его органическая молекула будет расщеплена в процессе клеточного дыхания для получения энергии. Атомы углерода при этом вновь поступают в окружающую среду в составе углекислого газа, таким образом завершив один цикл и приготовившись начать следующий. В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы в процессе фотосинтеза поглощается в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием СО₂.

Атомы углерода возвращаются в атмосферу и при сжигании органического вещества. Важная и интересная особенность круговорота углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи, сотни миллионов лет назад, значительная часть органического вещества, созданного в процессах фотосинтеза, не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась в литосфере в виде ископаемого топлива; нефти, угля, горючих сланцев, торфа и др. Это ископаемое топливо добывается в огромных количествах для обеспечения энергетических потребностей нашего индустриального общества. Сжигая его, мы в определенном смысле завершаем круговорот углерода.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО₂ переходит в Н₂СО₃, НСО¹₃, СО²₃. С помощью растворенного в воде кальция (или магния) происходит осаждение карбонатов (СаСО₃) биогенным и абиогенным путями. Образуются мощные толщи известняков. По А. Б. Ронову, отношение захороненного углерода в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах составляет 1:4. Существует наряду с большим круговоротом углерода и ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

В целом же без антропогенного вмешательства содержание углерода в биогеохимических резервуарах: биосфере (биомасса+почва и детрит), осадочных породах, атмосфере и гидросфере, — сохраняется с высокой степенью постоянства. По Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994), постоянный обмен углеродом, с одной стороны, между биосферой, а с другой — между атмосферой и гидросферой, обусловлен газовой функцией живого вещества — процессами фотосинтеза, дыхания и деструкции, и составляет около 6×10¹⁰ т/год. Существует поступление углерода в атмосферу и гидросферу и при вулканической деятельности в среднем 4,5×10⁶ т/год. Общая масса углерода в ископаемом топливе (нефть, газ, уголь и др.) оценивается в 3,2×10¹⁵ т, что соответствует средней скорости накопления 7 млн т/год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадало из круговорота, терялось в нем. Отсюда степень разомкнутости (несовершенства) круговорота составляет 10^-4, или 0,01%, а соответственно степень замкнутости — 99,99%. Это означает, с одной стороны, что каждый атом углерода принимал участие в цикле десятки тысяч раз, прежде чем выпал из круговорота, оказался в недрах. А с другой стороны — потоки синтеза и распада органических веществ в биосфере с очень высокой точностью подогнаны друг к другу.

В. Г. Горшковым (1988) на основе расчетов делается важное заключение: «Потоки синтеза и разложение органических веществ совпадают с точностью 10"⁴ и скоррелированы с точностью 10^-4. Скоррелированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна».

В постоянном круговороте находится 0,2% мобильного запаса углерода. Углерод биомассы обновляется за 12, атмосферы — за восемь лет. Огромный контраст между краткостью данных периодов, постоянством и возрастом биосферы подтверждает высочайшую сбалансированность «мира углерода».

Круговорот азота. Азот — незаменимый биогенный элемент, так как он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Круговорот азота один из самых сложных, поскольку включает как газовую, так и минеральную фазу, и одновременно самых идеальных круговоротов.

Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Как правило, азот следует за углеродом, вместе с которым он участвует в образовании всех протеиновых веществ.

Атмосферный воздух, содержащий 78% азота, является неисчерпаемым резервуаром. Однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот. Он должен быть предварительно связан в виде химических соединений. Например, для усвоения азота растениями необходимо, чтобы он входил в состав ионов аммония (NH₄⁺) или нитрата (NO₃^-).

Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы денитрофицирующих бактерий, а бактерии-фиксаторы вместе с сине-зелеными водорослями (цианофитами) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты.

Важную роль в превращении газообразного азота в аммонийную форму в ходе так называемой азотофиксации играют бактерии из рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. Растения обеспечивают бактерий местообитанием и пищей (сахара), получая взамен от них доступную форму азота. По пищевым цепям органический (входящий в состав органических молекул) азот передается от бобовых другим организмам экосистемы. В процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в среду большей частью в аммонийной форме (NH₄⁺). Некоторые бактерии способны переводить ее и в нитратную (NO₃^-) форму. Отметим, что обе эти формы азота усваиваются любыми растениями. Азот, таким образом, совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, так как почвенные бактерии постоянно превращают нитраты снова в газообразный азот.

В водной среде также существуют различные виды нитрофиоцирующих бактерий, но главная роль в фиксации атмосферного азота здесь принадлежит многочисленным видам способных к фотосинтезу сине-зеленых водорослей из родов Anabaena, Nostoc, Frichodesmium и др.

Круговорот азота четко прослеживается и на уровне деструкторов. Протеины и другие формы органического азота, содержащиеся в растениях и животных после их гибели, подвергаются воздействию гетеротрофных бактерий, актиномицетов, грибов (биоредуцирующих микроорганизмов), которые вырабатывают необходимую им энергию восстановлением этого органического азота, преобразуя его таким образом в аммиак.

В почвах происходит процесс нитрификации, состоящий из цепи реакций, где при участии микроорганизмов осуществляется окисление иона аммония (МН₄⁺) до нитрита (NO₂^-) или нитрита до нитрата (NО₃^-). Восстановление нитритов и нитратов до газообразных соединений молекулярного азота (N₂) или окиси азота (N₂O) составляет сущность процесса денитрификации.

Образование нитратов неорганическим путем в небольших количествах постоянно происходит и в атмосфере: путем связывания атмосферного азота с кислородом в процессе электрических разрядов во время гроз, а затем выпадением с дождями на поверхность почвы.

Еще одним источником атмосферного азота являются вулканы, компенсирующие потери азота, выключенного из круговорота при седиментации или осаждении его на дно океанов.

В целом же среднее поступление нитратного азота абиотического происхождения при осаждении из атмосферы в почву не превышает 10 кг (год/га), свободные бактерии дают 25 кг (год/га), в то время как симбиоз Rhizobium с бобовыми растениями в среднем продуцирует 200 кг (год/га). Преобладающая часть связанного азота перерабатывается денитрифицирующими бактериями в N и вновь возвращается в атмосферу. Лишь около 10% аммонифицированного и нитрифицированного азота поглощается из почвы высшими растениями и оказывается в распоряжении многоклеточных представителей биоценозов.

Круговорот фосфора. Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Этот важный и необходимый элемент протоплазмы, содержащийся в наземных растениях и водорослях 0,01—0,1%, животных от 0,1% до нескольких процентов, циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями.

Однако фосфор в отличие от других биофильных элементов в процессе миграции не образует газовой формы. Резервуаром фосфора является не атмосфера, как у азота, а минеральная часть литосферы. Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные породы (апатиты) или осадочные породы (фосфориты). Из пород неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Попадая в экосистемы суши, почву, фосфор поглощается растениями из водного раствора в виде неорганического фосфат-иона (РО₄^3-) и включается в состав различных органических соединений, где он выступает в форме органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений к другим организмам экосистемы. Химически связанный фосфор попадает с остатками растений и животных в почву, где вновь подвергается воздействию микроорганизмов и превращается в минеральные ортофосфаты, а в дальнейшем происходит повторение цикла.

В водные экосистемы фосфор переносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают фосфатами океаны. В соленых морских водах фосфор переходит в состав фитопланктона, служащего пищей другим организмам моря, в последующем накапливаясь в тканях морских животных, например рыб. Часть соединений фосфора мигрирует в пределах небольших глубин, потребляясь организмами, другая часть теряется на больших глубинах. Отмершие остатки организмов приводят к накоплению фосфора на разных глубинах. Отсюда следует, что фосфор, попадая в водоемы тем или иным путем, насыщает, а нередко и перенасыщает их экосистемы. Частичный возврат фосфатов на сушу связан с поднятием земной коры выше уровня моря. Определенное количество фосфора переносится на сушу морскими птицами, а также благодаря рыболовству. Птицы отлагают фосфор на отдельных островах в виде гуано.

При рассмотрении круговорота фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период можно отметить, что он полностью не замкнут. Механизм возвращения фосфора из океанов на сушу в естественных условиях совершенно не способен компенсировать потери этого элемента на седиментацию.

Круговорот серы. Существуют многочисленные газообразные соединения серы, такие, как сероводород H-S и сернистый ангидрид SO₂. Однако преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде.

Основной источник серы, доступный живым организмам, — сульфаты (SO₄,). Доступ неорганической серы в экосистеме облегчает хорошая растворимость многих сульфатов в воде. Растения, поглощая сульфаты, восстанавливают их и вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин), играющие важную роль в выработке третичной структуры протеинов при формировании дисульфидных мостиков между различными зонами полипептидной цепи.

Здесь хорошо просматриваются многие основные черты биогеохимического круговорота.

1. Обширный резервный фонд в почве и отложениях, меньший в атмосфере.

2. Ключевую роль в быстро обменивающемся фонде играют специализированные микроорганизмы, выполняющие определенные реакции окисления или восстановления. Благодаря процессам окисления и восстановления происходит обмен серы между доступными сульфатами (SO₄) и сульфидами железа, находящимися глубоко в почве и осадках. Специализированные микроорганизмы выполняют реакции: H₂S ® S ® SO₄ — бесцветные, зеленые и пурпурные серобактерии; SO₄ ® H₂S (анаэробное восстановление сульфата) — Desulfovibrio; H₂S ® SO₄ (аэробное окисление сульфида) — тиобациллы; органическая S в SO₄ и H₂S — аэробные и анаэробные гетеротрофные микроорганизмы соответственно. Первичная продукция обеспечивает включение сульфата в органическое вещество, а экскреция животными служит путем возвращения сульфата в круговорот.

3. Микробная регенерация из глубоководных отложений, приводящая к движению вверх газовой фазы H₂S.

4. Взаимодействие геохимических и метеорологических процессов — эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, абсорбация-десорбция и др. — с такими биологическими процессами, как продукция и разложение.

5. Взаимодействие воздуха, воды и почвы в регуляции кругом ворота в глобальном масштабе.

В целом экосистеме по сравнению с азотом и фосфором требуется меньше серы. Отсюда сера реже является лимитирующим фактором для растений и животных. Вместе с тем круговорот серы относится к ключевым в общем процессе продукции и разложения биомассы. К примеру, при образовании в осадках сульфидов железа фосфор из нерастворимой формы переводится в растворимую и становится доступным для организмов. Это подтверждение того, как один круговорот регулируется другим.

52-55 Рацион.использование и охрана зем, водн, мин, биол.ресурсов

Особенности охраны чистоты, водных ресурсов, почвы, растительного и животного мира

Для предотвращения загрязнения атмосферного воздуха и водных объектов отходами промышленных предприятий активно разрабатываются и внедряются разнообразные очистные сооружения.

Для очистки воздуха используются фильтры, абсорберы, скрубберы и другие аппараты и установки.

Фильтры бывают:

1) механические;

2) электрические;

3) магнитные;

4) звуковые.

Очистка промышленных и хозяйственно-бытовых Сточных вод осуществляется различными методами:

1) механическими;

2) биологическими;

3) физико-химическими.

Экологические принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы

Постоянный рост населения планеты сопровождается бурным ростом использования всех видов природных ресурсов.

Под влиянием хозяйственной деятельности человека природные ресурсы истощаются. Охрана природы и рациональное использование природных ресурсов призваны решать эту проблему.

Охрана ресурсов в процессе их использования - это основной Принцип охраны природы.

«Все связано со всем» - гласит закон Б. Коммонера. Поэтому охрана одного природного объекта

означает охрану объектов, связанных с ним.Организация охраны природы должна осуществляться одновременно с рациональным природопользованием в двух направлениях:

1) минимизация вредных последствий производственной деятельности;

2) стимулирование нормального функционирования биосферы планеты.

Важными Принципами рационального использования природных ресурсов являются:

1) изучение ресурсов. Грамотное и бережное использование ресурсов невозможно без наличия сведений об их объеме, качестве, без прогноза последствий их изъятия из природных объектов и возможности замены их на другие;

2) организация мониторинга состояния природных ресурсов;

3) совершенствование технологий добычи, транспортировки и переработки ресурсов, предусматривающее их максимальное использование. Проектирование, строительство новых, а также модернизация уже имеющихся производств с целью сокращения использования природных ресурсов. Использование альтернативных источников энергии;

4) повышение урожайности в сельском хозяйстве на освоенных территориях, строгое соблюдение норм и назначения при использовании минеральных удобрений и пестицидов;

5) постоянный поиск новейших природоохранных технологий с обязательным проведением экологической экспертизы;

6) сокращение образования отходов производства - сточных вод, выбросов в атмосферу и твердых отходов.

Использование отходов в качестве сырья для получения энергии и продукции;

7) восстановление природных объектов после техногенного воздействия - рекультивация земель,

защита от эрозии почв, воспроизводство лесов и организация борьбы с лесными пожарами т. п.;

8) сохранение биологического разнообразия планеты.

Организация заповедных зон, заказников, национальных парков. Сокращение отлова промысловых и морских беспозвоночных. Охрана и разведение редких видов растений и животных;

9) открытая демонстрация результатов природоохранной деятельности. Экологическое просвещение населения;

10) совершенствование природоохранного законодательства стран и создание эффективных механизмов его реализации.

Изыскательские работы, добыча полезных ископаемых, их переработка, строительство предприятий и прокладка магистралей всех видов наземного транспорта вызывают изменения почвенного покрова и нарушение гидрологического режима, а также образование техногенного ландшафта.

Рекультивация - искусственное восстановление плодородия почв и растительного покрова.

Различают техническую и биологическую рекультивации.

При технической рекультивации производятся планировка поверхности отвалов, террас, приведение в устойчивое состояние откосов и отвалов, при необходимости применяется химическая мелиорация - известкование почв, гипсование. Рекультивируемые площади покрываются слоем плодородной почвы, которая была снята в начале эксплуатации участка земли и хранилась до окончания работ.

При загрязнении почв в результате техногенных аварий и природных катастроф, разрывов трубопроводов и разливов сырья либо химических веществ выполняют комплекс мероприятий. Локализуют загрязнение, по возможности удаляя, нейтрализуя и снижая объемы его вредного воздействия. Эта работа сопровождается применением механических и физико-химических методов.

После технической рекультивации осуществляют биологическую рекультивацию. Она заключается в восстановлении и повышении плодородия почв посредством проведения специальных агротехнических и фитомелиоративных мероприятий. Биологическая рекультивация направлена на возобновление обитания в почве животных, растений, грибов и микроорганизмов.

Очень важным условием проведения любого вида рекультивации является научный подход к проведению восстановительных работ. Анализ исходного состояния почвы служит основой для точного выбора:

1) механических способов обработки - вспашки, рыхления, дискования;

2) количества и видов удобрений;

3) объема и режима полива;

4) внесения структуратора для улучшения состояния газо-воздушной среды.

Заключительным этапом рекультивации является высев трав, который должен выполняться с учетом научных исследований и выбором видов растений, способных расти в данных условиях и обеспечиватьразвитие микрофлоры почвы. Окончательное восстановление почв занимает несколько лет

Рекультивация может иметь значение:

1) сельскохозяйственное - с последующим использованием для получения сельскохозяйственной продукции;

2) водохозяйственное - восстановление береговых зон, предотвращение осушения болот;

3) лесохозяйственное - посадка лесных насаждений;

4) рекреационное - использование крупных выемок для создания искусственных водоемов, рекреационных зон.

Комплекс мероприятий по охране рационального использования земельных ресурсов разрабатывается в территориальных комплексных схемах (программах) развития сельского хозяйства и охраны земельных ресурсов органами сельхозуправления и охраны окружающей среды на перспективу 10-15 лет и внедряется по годовым программам Программы учитывают социально-экономические особенности регионов, содержащие обоснованные предложения относительно использования земельных, водных и других природных ресурсов в связи с комплексом природоохранных средств. В первую очередь в комплексных схемах находит отражение систем а правовых, организационных, экономических и других мероприятий, направленных на предотвращение необоснованного изъятия земель из сельскохозяйственного оборота, защиту от вредных антропогенных воздействий, е дтворення плодородия фунтов, продуктивности земель лесного фонда, защита почв от водной и ветровой эрозии тощщо.

Охрана и рациональное использование земельных ресурсов включает следующие мероприятия:

- организация территории землепользования;

- сохранение и повышение плодородия почв, а также улучшение других полезных свойств земли;

- рекультивация нарушенных земель, мероприятия по повышению их плодородия и улучшения других полезных свойств земли;

- снятие, использование и хранение плодородного слоя почвы при выполнении работ, связанных с нарушением земель;

- защиту от зарастания сельскохозяйственных угодий кустарниками и мелколесьем, предубеждения процессов ухудшения культурно-технического состояния земель;

- защита земель от водной и ветровой эрозии, селей, подтопления, заболачивания, вторичного засоления, иссушения, уплотнения, загрязнения отходами производства, химическими и радиоактивными веществами от других процессов разрушения

- временная консервация деградированных сельскохозяйственных угодий (если иначе невозможно восстановить плодородие почв)

Ежегодно из недр земли извлекается 100 млрд тонн минеральных ресурсов, включая топливные, из которых 90 млрд тонн превращается в отходы. Поэтому ресурсосбережение и снижение уровня загрязнения окружающей среды – две стороны одной медали. Например, при производстве 1 тонны меди остается 110 тонн отходов, изготовление одного золотого обручального кольца – 1,5 - 3 тонны отходов и т.д. Если в начале XX века в хозяйстве человека использовалось 20 химических элементов таблицы Менделеева, то сейчас – более 90. За последние 40 лет глобальное потребление минеральных ресурсов возросло в 25 раз, а отходов производства в 10-100 раз больше.

Металл №1 для промышленности – железо. Запасы руд с высоким содержанием железа постепенно исчерпываются, а потребность человечества в железе за вторую половину XX века увеличилась в десятки раз. Появились новые технологии, позволяющие извлекать этот металл из бедных руд.

Другой важный металл – медь. Если в начале столетия для переработки использовались руда, в которых содержание меди было не менее 3%, то сегодня – даже 0,5% этого металла. Медь нужна электропромышленности и автомобилестроению, поэтому в течение столетия производство меди возросло в 22 раза, а количество отходов не меньше чем в 50 раз.

США экологи называют материальным чудовищем. В течение жизни на одного американца расходуется 15 тонн железа и чугуна, 1,5 тонн алюминия, 700 кг меди, 12 тонн глины, 13 тонн поверенной соли, 500 тонн стройматериалов, в том числе 100 м3 древесины. В Японии на одного жителя приходится 50 тонн минерального сырья. Если все страны начнут потреблять столько же ресурсов, сколько США, то человечеству потребовалась бы площадь, равная 3 площадям Земли. Запасы минерального сырья на планете ограничены и быстро истощаются. Разные виды ресурсов могут быть исчерпаны в ближайшие 30-50 лет.

Возможно, в ближайшие 20-30 лет будут исчерпаны запасы свинцовых и цинковых руд, олова, золота, серебра, платины, асбеста, а затем прекратится добыча никеля, кобальта, алюминия и других. Запасы фосфорного сырья истощаются на глазах.

Достаточно скоро цены на фосфорные удобрения, производимые из наземного сырья, резко повысятся. А затем фосфор придется поднимать с морских глубин, который попадает туда из горных пород, через поля, на которые они выносятся как удобрение, затем с бытовыми стоками в море. И этот "золотой" фосфор будет использоваться в сельском хозяйстве.