4.Круговороты веществ в биосфере

На Земле происходит постоянная циркуляция всех веществ, основой которой является энергия Солнца. Возникает круговорот веществ – непрерывный циклический процесс перераспределения химических веществ в биосфере. Различают два круговорота веществ – геологический или большой и биологический или малый.

Геологический круговорот проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы и твердых веществ, на что уходит около половины энергии Солнца, падающей на Землю. Круговорот воды в биосфере основан на том, что вода испаряется с поверхности океана в большей степени, чем выпадает с осадками. На суше выпадение осадков преобладает над испарением. Выпавшие осадки подпитывают водоемы и реки, стекающие в океаны. При этом формируется климат и происходит процесс выветривания горных пород. Полный круговорот воды в океане проходит за 11лет, в реке за 11 суток, в леднике за 5 тыс. лет.

Геологический круговорот проявляется на протяжении всего геологического развития Земли.

Круговорот твердых веществ начинается с волнений твердой оболочки и выхода на поверхность магмы. Она выветривается под действием температуры, осадков и других физических факторов. Продукты выветривания перемещаются в пониженные места рельефа, образуя осадочные породы. Под действием температуры и давления эти породы перемещаются в магму, которая при очередном волнении в литосфере, выходит на поверхность. Полный круговорот твердых веществ на планете проходит за 80 – 100 млн. лет.

Биологический круговорот – явление непрерывного циклического перераспределение вещества, энергии и информации в пределах экологических систем в биосфере. При этом в биосфере поток веществ, информации и энергии направляется от растений-продуцентов через консументы к редуцентам с последующим выносом в околоземное пространство.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов – синтезе органического вещества и его разрушении.

Частью биологического круговорота является биогеохимический круговорот (цикл) – круговорот химических веществ из неорганической природы через живые организмы обратно в неорганическую природу. Особое значение имеют биогеохимические циклы основных биогенных элементов, связанных с жизнью – кислорода, углерода, азота, серы, фосфора. В результате геологических изменений часть вещества биосферы может надолго исключаться из этого круговорота. Такие биогенные осадки, как известняки, каменный уголь, нефть на многие тысячелетия консервируются в толще земной коры.

Круговорот углерода протекает главным образом путем освобождения и связывания двуокиси углерода СО₂ и идет по двум взаимосвязанным циклам – океаническому и континентальному. Углекислый газ при участии воды фиксируется растениями в процессе фотосинтеза, при этом образуются углеводы и кислород. Далее углерод участвует в образовании органического вещества растений, животных и микроорганизмов и выделяется в атмосферу при дыхании организмов и их разложении после гибели. Баланс углерода в биосфере положителен в результате антропогенных выбросов:

• При сжигании топлива ежегодно в окружающую среду выделяется 6 – 7*10⁹ т. СО₂

• При сжигании леса ежегодно в окружающую среду выделяется 6*10⁸ т. СО₂

• При заготовке древесины изымают только деловую древесину, а щепа, труха, ветки и сучья, пни разлагаются. Т.о. ежегодно в окружающую среду выделяется 5*10⁸ т. СО₂

• При вспашке наблюдается минерализация органического вещества (дегумификация) и ежегодно в окружающую среду выделяется 3 – 10*10⁸ т. СО₂

Антропогенное составляющее огромно. Т.о. растет концентрация углекислого газа в атмосфере. Начало 19 века – 0,019%, конец 19 века – 0,024%, середина 20 века 0,030%, конец 20 века – 0,035%. Ежегодный прирост в настоящее время составляет 0,0007%. Повышение содержания углекислого газа вызывает глобальную проблему потепления климата.

Круговорот кислорода происходит в результате образования свободного кислорода в процессе фотосинтеза растений и потребления его в ходе дыхания организмов, реакций окисления (в том числе сжигания топлива) и других химических реакций. Главным потребителем кислорода является человек, расходующий его на дыхание и все виды промышленной деятельности. В результате наблюдается отрицательный баланс (расход более чем на порядок превышает приход).

Круговорот азота начинается с фиксации его из воздуха почвенными микроорганизмами. Возможна и небиологическая фиксация в атмосфере под действием космических лучей и в результате промышленной деятельности человека. Растения потребляют азот в нитратной (NO₃^-) и аммиачной (NН₄⁺) и преобразуют эти формы в аминокислоты, входящие в состав белка и другие соединения. После разложения органического вещества образуется аммиак. Часть соединений азота не подвергается разложению и сохраняется в виде гумуса и осадочных пород. Нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в почве в нитраты и нитриты. Часть азота благодаря денитрифицирующим бактериям вновь поступает в атмосферу. В круговорот азота вмешивается человек, внося азотные удобрения в почву. Избыточный азот создает проблему эвтрофирования (зарастания) водоемов, проблему нитратов в продукции и др.

В настоящее время ежегодно в среднем при сжигании топлива в окружающую среду поступает от 200 до 440 млн.т. N, при работе промышленных предприятий в окружающую среду поступает от 30 до 50 млн.т. N.