Глава 4

      Круговорот  веществ на Земле

4.1  Виды веществ в  сообществах и  экосистемах 

      В экологии все виды веществ делят  на природные, живые, биогенные, косные, биокосные, органические, биологически активные, антропогенные и вредные.

      Природное вещество - это любое химическое соединение или элемент, возникающие в ходе естественных химических реакций и физических процессов, естественно входящие в природный круговорот веществ (озон и другие газы, соли и т.д.).

      Живое вещество - это совокупность тел живых организмов, населяющих Землю. Общий вес живого вещества оценивается в 2,4 - 3,6 ´ 10 ¹² т (в сухом весе).

      Биогенное вещество - это химическое соединение, возникшее в результате жизнедеятельности организмов или необходимое для поддержания их жизни (например, углекислый газ, кислород).

      Косное  вещество - это вещество, которое образуется без участия живого вещества (изверженные горные породы).

      Биокосное вещество - одновременно создаваемое живыми организмами и косными процессами. Примером биокосного вещества является почва.

      Органическое  вещество обычно представляет собой сложное соединение углерода с другими химическими соединениями.

      Биологически  активное вещество - любое вещество, которое стимулирует или подавляет процессы жизнедеятельности. Это натуральные растительные и животные гормоны, синтетические ингибиторы роста, пестициды и др.

      В связи с загрязнением окружающей среды продуктами отхода хозяйственной  деятельности различают антропогенное и вредное вещества. Антропогенным веществом называются химические соединения, которые включены в земные сферы вследствие деятельности человека. Различают вещества, входящие в естественный круговорот, и искусственные соединения, чуждые природе. Особую опасность для окружающей среды имеют искусственные соединения, так как антропогенные вещества, входящие в естественный круговорот, рано или поздно утилизируются (усваиваются) в экосистемах, а искусственные - очень медленно разрушаются живыми организмами и абиотическими агентами (например, пластмассы). Выброшенные в окружающую природу, они способствуют накопительному загрязнению. Так, период разложения пластмассы составляет 400 лет.

      Особое  место в экологии отводится  вредным веществам, то есть химическим соединениям, которые при контакте с организмом человека вызывают отклонения в состоянии здоровья, нарушения в росте, развитии, а также способны повлиять на эти показатели со временем, в том числе в цепи поколений. 

       4.2 Большой (геологический)  и малый (биотический)  круговороты веществ

       Все вещества на нашей планете находятся  в процессе круговорота два: большого (геологического) и малого (биотического). Геологический круговорот происходит между сушей, атмосферой и океаном: горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуются мощные морские напластования. При этом часть химических соединений растворяется в воде, переходит в воздух или потребляется биоценозами. В результате медленных геотектонических изменений материки опускаются, а морское дно поднимается, морские напластования возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь.

      Биотический круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и  заключается в том, что минеральные  питательные вещества почвы, воды под  воздействием солнечной энергии аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы, т.е. органических веществ, и жизненные процессы. По экологическим цепочкам они передаются другим организмам - гетеротрофам. Продукты распада органических веществ под воздействием бактерий, грибов, червей, насекомых и других организмов разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и снова вовлекаются ими в круговорот. Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой единый процесс.

      Огромной  геологической силой, влияющей на круговорот веществ, стала деятельность человека. Итоги воздействия человека на природу за последние 100 - 200 лет по своей интенсивности и многообразию, особенно на территории Европы и Северной Америки, превзошли результаты воздействия за тысячелетия прежней истории. Это связано с тем, что в связи с резкой интенсификацией человеческой деятельности стремительно возросли и темпы накопления продуктов отхода производства, в которых содержится немало вредных веществ, вовлекаемых в круговорот.

      Основными очагами антропогенных загрязнений  природной среды являются города и промышленные комплексы. Источниками загрязнения гидросферы, в частности, служат бытовые и промышленные стоки. Например, 1м³ неочищенных сточных вод делает непригодными 50-60 м³ речной воды. Выброс в атмосферу промышленными предприятиями, автотранспортом и другими источниками огромного количества пыли, сернистых и азотистых оксидов, оксидов углерода, соединений металлов, ядохимикатов, радиоактивных и других вредных веществ приводит к вовлечению их в круговорот и неизбежному влиянию на человека со всеми отрицательными последствиями. В настоящее время нет ни одного уголка на Земле, где бы отсутствовали следы деятельности человека, чему в решающей степени способствует круговорот веществ в природе. Классическим примером этому является нахождение в снегах Арктики и Антарктиды пестицидов, например, ДДТ.

      Для примера большого круговорота приведем несколько данных по круговороту воды. Так, с континента в год испаряется 42 г/см² воды, выпадает из атмосферы на континент 67 г/см². На поверхность океана выпадает 79 г/см², испаряется 100 г/см². Так что именно испарение воды из соленого океана пополняет запас пресной воды на Земле. При естественном состоянии биосферы выпадающие на поверхность суши осадки распределяются следующим образом: 0,2 части составляют поверхностный сток, 0,8 - переходят в подпочвенные водоносные горизонты, увеличивая запасы грунтовой воды. В результате деятельности человека (покрытие земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, создание водохранилищ на реках, строительство оросительных систем, уплотнение пахотных земель, сведение лесов и т.д. ) поверхностный сток превалирует над фондом грунтовых вод. В то же время более половины питьевой воды, большая часть воды для орошения и промышленных нужд берется именно из грунтовых вод [8]. 

3. Влияние антропогенной деятельности на круговорот веществ

      Одним из самых важных для человечества биохимических круговоротов, наравне  с водой, является круговорот диоксида углерода. В круговороте СО₂ атмосферный фонд очень невелик в сравнении с запасами углерода в океанах,  ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океаном были сбалансированы. Но за последние  сто лет содержание СО₂ в атмосфере постоянно растет в результате новых антропогенных поступлений: сжигания горючих ископаемых, сведения лесов, сельскохозяйственного производства. Последнее вносит значительный вклад в поступление СО₂ в атмосферу из-за частой распашки почвы, внесения в нее химикатов, что приводит к разрушению органического вещества - гумуса. Количество высвобождающегося при этом диоксида углерода превышает фиксацию его сельскохозяйственными растениями. Важными накопителями углерода являются леса, так как в их биомассе содержится в 1,5 раза, а в лесном гумусе  в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере. Быстрое окисление гумуса в результате сведения лесов приводит к высвобождению газообразного СО₂ и поступлению его в атмосферу.

      Показано, что если концентрация СО₂ вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться к середине будущего века, то вероятно потепление климата Земли. Температура в среднем повысится на 1,5 - 4,5° С, в результате таяния полярных шапок поднимется уровень моря и изменится распределение осадков, что может погубить сельское хозяйство. Средний уровень моря уже начал подниматься. В этом веке он поднялся примерно на 12 см. В следующем веке ожидается, что установится новое, но ненадежное равновесие между увеличением содержания СО₂ (способствующего разогреванию Земли ) и усилением загрязнения атмосферы пылью и другими частицами, отражающими излучение и этим охлаждающими Землю [15].

      Кроме СО₂ в атмосфере присутствуют в небольших количествах еще два углеродных соединения: окись углерода (СО) и метан (CH₄), которые образуются при неполном или анаэробном разложении органического вещества, в атмосфере они окисляются до СО₂. Сколько оксида углерода поступает в атмосферу в результате естественного разложения, столько же вносится при неполном сгорании горючих ископаемых, особенно с выхлопными газами. СО - смертельный яд для человека, накопление его в атмосфере в концентрациях, опасных для человека, не происходит, но в городах, где воздух застаивается, его количество может принимать угрожающие размеры.

      Метан имеет полезную функцию: он поддерживает стабильность озонового слоя в верхней атмосфере. Образуется метан сообществом водно-болотистых угодий и мелководных морей мира. Исчезновение Аральского моря и многих болот во время мелиоративных работ - еще одно доказательство неумения человека прогнозировать результаты своих действий [11].

      Круговорот  свободного кислорода. Трудно назвать другой элемент на нашей планете, который играл бы такую важную роль, как кислород. Хотя в экологическом плане нельзя противопоставить значимость O₂ для жизни на Земле другим элементам, ибо жизнь на Земле возможна лишь в гармонии и здесь абсолютно все важно, что сложилось в результате длительной эволюции. Кислород является самым распространенным химическим элементом на Земле. По массе в гидросфере его содержится 85,82%, в литосфере - 47-50%. В этих сферах он находится в связанном состоянии и входит в состав минералов, воды, органических соединений. В атмосфере кислород находится в свободном состоянии и составляет 21-23%. Вся масса свободного кислорода Земли возникла и сохраняется благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и Мирового океана, выделяющих О₂ в процессе фотосинтеза. Накоплению кислорода в доисторической атмосфере способствовали, вероятно, также геологические и чисто химические процессы, например, высвобождение O₂ из окислов железа или образование восстановительных соединений азота и расщепление воды ультрафиолетовым излучением с выделением кислорода [15].

      Круговоротом  свободного О₂ в природе называется процесс его образования в результате фотосинтеза растений и потребления в ходе дыхания, реакций окисления, в том числе при сжигании топлива и других химических преобразований. Ежегодное потребление О₂ на сжигание топлива в мире оценивается около 9´10⁹т. Общее количество свободного кислорода в атмосфере 1,18´10¹⁵т - накопилось за время существования зеленой растительности. Сейчас свободный О₂ образуется со скоростью 1,55´10⁹ т/год., а расходуется 2,16´10¹⁰ т/год , то есть на порядок больше по сравнению с  приходом. Это обстоятельство свидетельствует о нарушении экологического равновесия в биосфере, вероятно, в результате антропогенного воздействия, т.к. во многих промышленных странах при сгорании топлива расходуется О₂ больше, чем его выделяют растения при фотосинтезе. Изменение содержания свободного О₂ в атмосфере может вызвать отрицательные экологические, экономические и социальные последствия. Поэтому данная ситуация рассматривается как проблемная, которая может перерасти в ситуацию, опасную для жизни человека.

      Круговорот  азота в природе. Азот относится к одному из самых распространенных элементов на Земле. Основная его масса - около 4´10 ¹⁵т сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. Среднее содержание азота в литосфере составляет 1,9´10^-3 % по массе, в каменном угле - 1-2,5 %, нефти-  0,02-1,5 % и в живых организмах - 0,3 %. Азот, несмотря на свое название (не поддерживающий жизнь), является необходимейшим элементом для жизнедеятельности организмов. Для окружающей среды наибольшую опасность представляет диоксид азота – NO₂ -  токсичное вещество бурого цвета с удушливым запахом. NO₂ взаимодействует с водой, образуя азотную кислоту: 3NO₂ + Н₂О =2HNO₃ + NO, что является причиной образования кислотных дождей. Соли азотной кислоты называются нитратами. Главными минералами природных нитратов являются селитры: натриевая -  NaNOз, калиевая – KNO₃, аммонийная - NH₄NО₃ и др. На современном этапе природные селитры добываются в ограниченном количестве. Главную массу азотных соединений получают химическим путем из азота воздуха.

      Азот  атмосферы вовлекается в биогенный  круговорот двумя путями:  путем  растворения разных оксидов ( NOx) в дождевой воде и внесения их таким образом в почву, воду и океан; путем биологической фиксации азота клубеньковыми бактериями и другими азотфиксаторами.

      Азот  в организме занимает одно из основных мест и входит в состав важнейших  веществ живых клеток - белков и нуклеиновых кислот, при разложении которых снова образуются газообразные формы азота, которые частично переходят в атмосферу, частично растворяются в воде и поглощаются организмами. Кроме этого в результате процессов денитрификации при участии бактерий образуется элементарный азот, возвращающийся непосредственно в атмосферу.

       Круговорот  серы. Сера встречается в природе как в свободном состоянии -  сера самородная, так и в виде соединений сульфидов - солей сероводородной кислоты (Н₂S), полисульфидов (М_е S_х) и сульфатов - солей серной кислоты (Н₂SО₄). Вода морей и океанов содержит сульфаты натрия, магния, кальция. В биосфере образуется свыше 150 соединений серы, среди которых доминируют сульфаты. В виде органических и неорганических соединений сера присутствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом.