Циклы функционируют под действием биологических и геологических факторов. Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает ей устойчивость - постоянный количественный состав по различным химическим элементам в ней.
В связи с хозяйственной деятельностью человечества и вовлечением в окружающую среду техногенных продуктов этой деятельности, возникают проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. Эти нарушения связаны как с изменением баланса в циклах, так и с появлением новых химических соединений, ранее отсутствующих в естественных процессах. Циклы некоторых элементов (например, азота, серы, фосфора, калия, тяжелых металлов) превратились в настоящее время в природно-антропогенные, характеризующиеся значительной незамкнутостью, что приводит к их накоплению и, соответственно, к воздействию на экосистемы.
Биосферный цикл углерода
Круговорот углерода связан с использованием СО при фотосинтезе; в процессе дыхания растение возвращает СО в атмосферу. Животные, поедая растения, возвращают в воздух добавочные количества СО. После своей смерти они, так же как и растения, служат субстратом для роста бактерий и грибов, которые в конечном счёте расщепляют органическое вещество до СО. Эрозия и растворение известняка приводят к освобождению карбонатов, а затем и СО. Некоторые организмы, погребённые в осадках, выводят из круговорота большие количества углерода, накопленные в виде нефти, газа, каменного угля и торфа. Но при сжигании этих горючих материалов углерод снова освобождается в виде СО. Организмы, обладающие известковыми раковинами, при своей гибели также временно связывают углерод, участвуя в образовании известняков или коралловых рифов.
|
|
Биосферный цикл азота
Цикл азота - пример сложного круговорота газообразных веществ, способных к быстрой саморегуляции. Схема цикла может быть представлена следующим образом:
Атмосферный азот связывается при разрядах молний и в результате жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, которые превращают его в растворимые нитраты. Нитраты попадают в почву или в воду, где они могут быть использованы растениями. Некоторое количество азотистых соединений выделяют в почву растения и животные, остальной азот, в конце концов, высвобождается при расщеплении растительного и животного материала бактериями, которые превращают его азотистые вещества в аммиак. Аммиак образуется также при вулканических процессах. Нитрифицирующие бактерии 1 фазы превращают аммиак в нитриты, из которых нитрифицирующие бактерии 2 фазы образуют нитраты. Денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу, такой же кругооборот совершается и в морских местообитаниях.
Азот наиболее распространен на Земле в форме газообразного N2. И хотя азот важнейший компонент белков и нуклеиновых кислот, растения не могут непосредственно брать его из атмосферы. Они способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот, т.е. переведенный в другие химические формы - аммиак, ионы аммония, нитрат - и нитрит-ионы. Важнейшая часть цикла - связывание азота совершается азотфиксирующими бактериями, связыванием в атмосферных процессах и промышленной фиксацией.
|
|
Другой важный процесс цикла азота - восстановление нитрат-ионов до атмосферного азота. Осуществляется почвенными анаэробными бактериями - денитрификаторами.
Денитрификация - главная причина потерь азота в земледелии (до половины связанного в удобрениях азота уходит в атмосферу). Велика роль антропогенного фактора в цикле азота. Прежде всего - промышленная фиксация азота (объемы сравнимы с природными). Основной метод фиксации - производство аммиака. Это токсичный газ с резким запахом. Взаимодействует с кислотными осадками, образуя плотные туманы.
Биосферный цикл фосфора
В то время как резервуаром азота является воздух, резервуар фосфора - это горные породы, из которых он высвобождается при эрозии. Большая часть фосфора при этом снова теряется, так как вода смывает его в море, где он связан в морских осадках и может стать доступным только тогда, когда здесь произойдёт поднятие земной коры. В мелководных морских осадках фосфор доступен для рыб, которых в свою очередь поедают птицы. Они возвращают фосфор в круговорот со своими экскрементами (гуано), снова смываемыми в море, где их используют планктонные организмы и рыбы. Есть основания полагать, что фосфор возвращается в круговорот не полностью и что доступные ресурсы его, в конце концов, иссякнут. Истощению этих ресурсов способствует человек, который добывает и, в конечном счете, безвозвратно теряет больше фосфора, чем возвращает в оборот.
Фосфор является одним из важнейших биогенов. Он входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутри клеток. Цикл фосфора - пример простого осадочного цикла с весьма несовершенной регуляцией. Особенностью цикла фосфора является отсутствие естественных токсичных его соединений. Главным резервуаром фосфора служат горные породы. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона. Фосфаты растворимы в кислых растворах и в бескислородных средах, нелетучи. Растения поглощают фосфат-ионы из водного раствора и включают в состав различных органических соединений. В них фосфор выступает в форме органического фосфата. Особенностью этих соединений является наличие связи Р-О-Р. При их гидролизе освобождается большое количество энергии.
|
|
Например, при гидролизе подобной молекулы - пирофосфата выделяется 29 кДж/моль, что значительно больше, чем, если бы гидролизу подверглась любая другая молекула, не содержащая Р-О-Р - связей. По пищевым цепям фосфор поступает от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе возможно окисление или гидролиз соединений фосфора для получения организмом энергии. Продукты окисления и гидролиза (фосфаты) поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями.
Особенность круговорота фосфора можно рассмотреть при сравнении с круговоротом углерода. Значительная часть фонда углерода находится в газообразной фазе, и он способен свободно распространяться в атмосфере. В случае фосфора газовой фазы и свободного перераспределения в экосистеме нет. Попадая в закрытые водоемы, фосфор насыщает и пересыщает систему. Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в системе в том случае, если содержащие их отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах подобное равновесие соблюдается. Это касается и чисто минеральной формы фосфора.
Деятельность человека приводит к нарушению естественного цикла фосфора. Она характеризуется разделением мест потребления и утилизации биогена, в частности, фосфора. Урожай, вместе с извлеченными из почвы биогенами, различные продукты питания, перевозятся на большие расстояния к потребителям. Продукты жизнедеятельности человека, содержащие фосфор, сбрасываются в водоемы и, пересыщая их этим биогеном, вызывают эвтрофикацию. Важнейшим источником накопления фосфора в окружающей среде являются фосфатсодержащие детергенты. Подсчитано, что человеческие экскременты дают только 30% фосфата сточных вод, а 60% поступают в них с детергентами.