Круговорот веществ в биосфере

Рис. 3.5.3. Схема биогеохимического  цикла 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.

Круговорот  серы.

 Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде сероводорода, диоксида серы и частиц сульфатных солей (рис. 6).

Около одной трети соединений серы и 99% диоксида серы – антропогенного происхождения. В атмосфере протекают  реакции, приводящие к кислотным  осадкам:

2SO₂ + O₂ ® 2SO₃ ,                    

      SO₃ + H₂O ® H₂SO₄ .                                         

 

 

 Рис 6. Круговорот серы        

 

 

 

 

 

 

                                   Круговорот фосфора

 

 

Сера также является одним из элементов, играющих чрезвычайно  важную роль в круговороте веществ  биосферы. Она относится к числу  химических элементов, наиболее необходимых  для живых организмов. В частности, она является компонентом аминокислот. Она предопределяет важные биохимические  процессы живой клетки, является незаменимым  компонентом питания растений и  микрофлоры. Соединения серы участвуют  в формировании химического состава  почв, в значительных количествах  присутствуют в подземных водах, что играет решающую роль в процессах  засоления почв.

Содержание серы в земной коре составляет 4,7х10-2%, в  почве – 8,5х10-2%, в океане – 8,8х10-2% (Виноградов, 1962).

В составе земной коры соединения серы существуют, в основном, в двух минеральных формах: сульфидной (соли сероводородной кислоты) и сульфатной (соли серной кислоты). Редко встречается самородная сера, которая неустойчива и склонна, в зависимости, от значений окислительно-восстановительного потенциала среды, формировать или кислородные, или водородные соединения.

форму.

Биогеохимический  цикл серы состоит из 4 стадий (рис. 3.5.4 ):

1. Усвоение соединений серы живыми организмами (растениями и бактериями) и включение серы в состав белков и аминокислот.
2. Превращение органической серы живыми организмами (животными и бактериями) в конечный продукт – сероводород.
3. Окисление минеральной серы живыми организмами (серобактериями, тионовыми бактериями) в процессе сульфатредукции. На этой стадии происходит окисление сероводорода, элементарной серы, ее тио- и тетрасоединений.
4. Восстановление минеральной серы живыми организмами (бактериями) в процессе десульфофикации до сероводорода. Таким образом, важнейшим звеном всего биогеохимического цикла серы в биосфере является биогенное образование сероводорода.

Рис. 3.5.4. Схема биогеохимического цикла  серы

Таким образом, к  характерным особенностям круговорота  серы можно отнести второстепенную роль процессов атмосферной миграции, а также многообразие форм нахождения, обусловленное переходом её из сульфидных форм в сульфатные и обратно, в  зависимости от изменения окислительно-восстановительных  условий.

Промышленные процессы выносят в атмосферу большое  количество серы. В отдельных случаях  значительная концентрация соединений серы в воздухе служит причиной нарушений  в окружающей среде, в том числе, кислотных дождей. Присутствие в  воздухе двуокиси серы негативно  влияет как на высшие растения, так  и на лишайники, причем эпифитные  лишайники могут служить индикаторами повышенных содержаний серы в воздухе. Лишайники поглощают влагу из атмосферы всем слоевищем, поэтому  концентрация серы в них быстро достигает  предельно допустимого уровня, что  ведет к гибели организмов.

Поступление серы в  общий круговорот по данным Дж. П. Френда (1976) следующее:

При дегазации земной коры – 12х10¹² г/год; при выветривании осадочных пород – 42х10¹² г/год,; антропогенные поступления в виде сернистого газа – 65х1012 г/год, что в сумме составляет 119х10¹² г/год. Значительные количества серы ежегодно консервируются в виде сульфидов и сульфатов – 100х10¹² г/год и , таким образом., временно выводятся из общего биогеохимического круговорота.

Таким образом, антропогенное  поступление серы в биосферу существенно  изменяет круговорот этого элемента, а приход серы в биосферу превышает  ее расход, в результате чего, должно происходить постепенное ее накопление.

 

Круговорот  кислорода.

   Кислород – самый распространенный элемент не только земной коры (его кларк 47), но и гидросферы (85,7%), а также живого вещества (70%). Существенную роль этот элемент играет и в составе атмосферы (более 20%). Благодаря исключительно высокой химической активности, кислород играет особо важную роль в биосфере. Он определяет окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия растворов и расплавов. Для него характерна как ионная, так и неионная форма миграции в растворах. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой.

Главная «фабрика»  по производству кислорода на нашей  планете – зеленые растения, хотя в земной коре также протекают разнообразные химические реакциив результате которых выделяется свободный кислород.

Еще один миграционный цикл свободного кислорода связан с  массобменом в системе природные воды – тропосфера. В воде океана находится от 3х10⁹ до 10х10⁹ м³ растворенного кислорода. Холодная вода высоких широт поглощает кислород, а, поступая с океаническими течениями в тропики – выделяет его в атмосферу. Поглощение и выделение кислорода происходит и при смене сезонов года, сопровождающихся изменением температуры воды.

Кислород расходуется  в громадном количестве окислительных  реакций, большинство из которых  имеет биохимическую природу. В  этих реакциях высвобождается энергия, поглощенная в ходе фотосинтеза. В почвах, илах, водоносных горизонтах развиваются микроорганизмы, использующие кислород для окисления органических соединений. Запасы кислорода на нашей  планете огромны. Он входит в состав кристаллических решеток минералов  и высвобождается из них живым  веществом.

Таким образом, общая  схема круговорота кислорода  в биосфере складывается из двух ветвей:

• образование свободного кислорода при фотосинтезе;
• поглощение кислорода в окислительных реакциях

Согласно расчетам Дж. Уолкера (1980) выделение кислорода растительностью мировой суши составляет 150х10¹⁵ тонн в год; выделение фотосинтезирующими организмами океана – 120х10¹⁵ тонн в год; поглощение в процессах аэробного дыхания – 2¹⁰х10¹⁵ тонн в год; биологическая нитрификация и другие процессы разложения органического вещества – 70х10¹⁵ тонн в год.

В биогеохимическом круговороте можно выделить потоки кислорода между отдельными компонентами биосферы (рис. 3.5.2).

Рис. 3.5.2. Схема биогеохимического  цикла кислорода.

 Потребление атмосферного кислорода и его возмещение растениями в процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа, и её масса составляет 5,9*10¹⁶ т. Масса кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворённых в океанических и континентальных водах, в несколько раз меньше (0,4*10¹⁶ т).

Отметим, что, начиная с  определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой  анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом  веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.

Эволюция геохимических  процессов на Земле сопровождается неуклонным увеличением содержания кислорода. В настоящее время  количество кислорода в атмосфере  составляет 1,2х10¹⁵ тонн. Масштабы продуцирования кислорода зелеными растениями таковы, что это количество могло быть удвоено за 4000 лет. Но этого не происходит, так как в течение года разлагается примерно такое же количество органического вещества, которое образуется в результате фотосинтеза. При этом поглощается почти весь выделившийся кислород. Но благодаря незамкнутости биогеохимического круговорота в связи с тем, что часть органического вещества сохраняется и свободный кислород постепенно накапливается в атмосфере.

 

Итак, за последние 600 млн лет скорости и характер круговоротов приблизились к современным. Биосфера функционирует как гигантская слаженная экосистема, где организмы не только приспосабливаются к среде, но и сами создают и поддерживают на Земле условия, благоприятные для жизни.