Биогеохимические круговороты элементов
Несоответствие между наличием и доступностью химических элементов в земной коре, с одной стороны, и потребностями живых организмов, с другой, породило в биосфере проблему дефицита некоторых элементов и привело к ограничению продукции живого вещества. Единственным выходом из этого положения оказалось использование элементов по типу круговоротов, когда элемент, пройдя целый ряд биологических и химических превращений, входит в состав того же самого соединения, в котором он находился в начальный момент. В настоящее время биогенные элементы земной коры охвачены глобальными и локальными круговоротами, причем движущей силой в функционировании круговоротов являются живые организмы.
В формировании и специфике функционирования современных круговоротов элементов важнейшую роль сыграло накопление в атмосфере сильного окислителя — кислорода, который, в свою очередь, явился побочным продуктом жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Так само живое вещество планеты стало мощной геологической силой, в значительной мере определившей своеобразие состояния земной коры, вод и атмосферы.
Углерод. Движущей силой глобального круговорота углерода является биологический круговорот, протекающий по схеме: биоассимиляция углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями> потребление органических соединений животными > окисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходов >-возврат углекислого газа (СО2)в атмосферу. Биологический круговорот углерода тесно связан с круговоротом кислорода, выделяемого и потребляемого организмами. Взаимодействие и противоположную направленность биологических составляющих этих круговоротов иллюстрирует Рис1.3.
Рис 1.3 Взаимодействие циклов углерода и кислорода в биосфере.
Азот. Азот в круговороте в целом следует за углеродом, вместе с которым участвует в образовании белковых структур, однако в силу химической специфики элементов круговороты углерода и азота имеют некоторые различия. Если углекислый газ из атмосферы могут потреблять все виды фотосинтетиков, то фиксацию атмосферного азота способны производить только некоторые виды бактерий, сине-зелёных водорослей и симбиотические бактерии бобовых. Второе отличие цикла азота от цикла углерода состоит в том, что при естественном разрушении органического вещества образуется не газообразный азот, а раствор нелетучих соединений азота. Вследствие этого, для замыкания круговорота азота до газообразного состояния необходимо участие нескольких специализированных групп микроорганизмов. Органические азотсодержащие вещества с помощью редуцентов микроорганизмов первоначально разлагаются с выделением аммиака. Далее нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов, после чего в анаэробных условиях может происходить денитрификация до газообразного азота, осуществляемая денитрифицирующими бактериями.
Фосфор. К круговоротам основных биогенных элементов, имеющих газовую фазу, примыкают так называемые осадочные круговороты, из которых важнейшим является круговорот фосфора. Минеральный фосфор — редкий элемент в биосфере, в земной коре его содержание не превышает 1 %. Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные или осадочные породы. Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. В экосистемах суши неорганический фосфор поглощается растениями и переводится в состав живого вещества. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в почву, подвергаются переработке микроорганизмами и снова включаются в круговорот. В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами в виде фосфатов. Если в наземных экосистемах круговорот фосфора происходит в оптимальных условиях с минимумом потерь на выщелачивание, то в водоемах дело обстоит далеко не так. Это связано с седиментацией отмерших организмов, фрагменты которых, не использованные детритофагами, накапливаются на дне водоемов. Вследствие пространственного разделения процесса образования кислорода в верхних слоях воды при фотосинтезе и его
Рис. 1.4 Схема круговорота фосфора в океане. потребления при деструкции органических веществ вблизи дна, аэробная деструкция вблизи дна несколько замедляется. Минерализованный фосфор в донных отложениях при аэробных условиях образует соединение с трехвалентным железом (FePO4), который еще менее растворим, чем гидроокись железа, и прочно удерживается в осадке. Во многих водоемах возврат фосфора из донных отложений осуществляется в основном только при сезонном перемешивании вод.