Круговорот серы в биосфере

Сера также играет существенную роль в круговороте веществ в биосфере (Рис.19). Соединения серы уча­ствуют в биохимических процессах живой клетки, формировании химического состава почв, в больших количествах содержатся в подземных водах. Основную роль в обменном фонде серы игра­ют специализированные микроорганизмы. Каждый вид микроор­ганизмов выполняет определенную реакцию окисления или вос­становления этого элемента.

В земной коре в среднем содержится 0,047 % серы. В почвах, где сера присутствует преимущественно в виде сульфатов, ее ко­личество может колебаться от 0,01 до 2-3 %. В природе сера об­разует минералы, называемые сульфидами. Очень много серы в изверженных горных породах в виде сульфидных минералов. При окислении сульфидных минералов сера в виде иона SO^2-₄ попадает в Мировой океан, где поглощается морскими организ­мами. Отдельные виды морских обитателей известны как рекорд­смены по накоплению серы. Так, некоторые моллюски северных морей выделяют пищеварительными железами жидкость, в кото­рой содержится до 4 % серной кислоты. Круговорот серы в морской воде осуществляется с помощью сульфатредуцирующих бактерий, которые существуют в анаэробных (бескислородных) условиях. Они восстанавливают сульфаты морской воды до серо­водорода, который поднимается в верхние толщи воды, и окисля­ется под действием кислорода, а также при участии аэробных сернистых бактерий. Некоторые бактерии способны концентри­ровать элементарную серу в своих организмах. После гибели та­ких бактерий она может накапливаться в значительных количе­ствах на дне океана.

Рис. 19 Круговорот серы в биосфере.

На суше сера после отмирания растений переходит в почву, где одни микроорганизмы восстанавливают органическую серу до минеральной, а другие окисляют эту минеральную форму до сульфатов. Последние поглощаются корнями растений, и сера снова вовлекается в круговорот.

Аналогично нитратам и фосфатам сульфат серы является ос­новной доступной формой этого элемента, которая восстанавли­вается автотрофными организмами и включается в белки. Круго­ворот серы является ключевым в общем, процессе синтеза и раз­ложения биомассы. В настоящее время техногенные выбросы се­ры в атмосферу Земли достигают 75 - 100 млн. т в год. Естествен­ное ее поступление (в форме оксидов серы) оцениваются цифра­ми 80-280 млн. т в год. Если брать нижние границы, то можно считать, что глобальный объем естественных выбросов серы примерно соответствует ее техногенным эмиссиям.

6.1.2. Круговорот кислорода

является очень сложным циклом из-за большого числа его участников. Кислород постоянно циркулирует в океане, биосфере и осадочных породах. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхности и фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенными частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассеяние света и снижает активность фотосинтеза. Содержание кислорода в воде является одним из показателей ее здоровья. По данным замеров, в большинстве наших водоемов эта величина сейчас ниже нормы.

В процессе сгорания топлива образуется довольно большое количество воды, которая, в конечном счете, потребляется расте­нием и разлагается в процессе фотосинтеза на атомарный водо­род и атомарный кислород. Высвободившийся кислород снова поступает в атмосферу и используется для создания органическо­го вещества. Круг замыкается.

Итак, основным и единственным производителем животвор­ного кислорода является зеленое вещество растений. Растения - естественные накопители космической солнечной энергии. Потребители же его - живые организмы: человек, животные, поч­венные организмы и сами растения, которые используют кисло­род в процессе дыхания. Причем если на заре человечества ки­слород в основном тратился человеком на дыхание, то в наше время научно-технических революций огромная масса кислорода идет на обеспечение промышленного производства, хозяйствен­ной деятельности человека и средств коммуникации. В огромных количествах кислород тратится при сжигании топлива в двигате­лях автомобилей, самолетов, кораблей, сельскохозяйственных машин, топках электростанций и т. д.

Одна из самых негативных сторон существования современ­ной цивилизации заключается в том, что темпы хозяйственной деятельности человека увеличиваются, а зеленые площади Земли сокращаются. Нещадно вырубаются тропические леса, которые являются основным поставщиком кислорода - «легкими» нашей планеты. В целом с лица Земли ежегодно исчезают лесные тер­ритории площадью в три Бельгии. И мы, жители планеты, полу­чаем все меньше кислорода. Леса тропиков вырубаются сейчас со скоростью 23 гектара в минуту, или более 1/3 гектара в секунду. А между тем каждый гектар тропического леса продуцирует 28 т кислорода.

Взрослое дерево за сутки производит180 л кислорода, а взрослый человек потребляет его в количестве 360 л, если ничего не делает, и до 700-900 л, когда работает. Но это выглядит сущим пустяком на фоне других цифр. Так, легковой автомобиль за тысячу километров пробега расходует столько кислорода, что его хватило бы человеку на год, а современный реактивный самолет за время перелета из Америки в Европу сжигает от 35 до 55 т кислорода!

Таким образом, деятельность человека во всех ее проявлениях значительным образом влияет на современный круговорот ки­слорода. Общее количество свободного кислорода в атмосфере оценивается цифрой 1,8x10¹⁵ т. Это именно то количество, кото­рое накопилось благодаря деятельности зеленых растений. В год на современном этапе эволюции Земли продуцируется 1,55-10⁹ т кислорода. Расходуется 2,16x10¹⁰ т. Из приведенных цифр видно, что расход кислорода превышает его образование больше чем на порядок. Есть над, чем задуматься.

Круговорот азота.

Особое место среди биогенных элементов занимает азот - важный строительный материал для белков, нуклеиновых кислот и других соединений. Азот распро­странен в биосфере крайне неравномерно. В почве его содержит­ся всего от 0,02 до 0,5 % и то лишь благодаря деятельности мик­роорганизмов некоторых растений и разложению органических веществ. В то же самое время миллионы тонн азота в атмосфере давят на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образ­но говоря, «висит» до 80 тыс. т этого элемента. Недаром азот на­зывают инертным газом (в переводе с греческого — «безжизнен­ным»). Почему же так получается? Дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном состоянии, то есть в бездействии. Элементом жизни он становится только в химических соедине­ниях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Од­нако связанного (хотя бы в простые оксиды) азота в воздухе нет.

Несмотря на то, что азота в атмосфере присутствует довольно большое количество, большинство организмов не может ассими­лировать его. Буквально купаясь в азоте, растения не в состоянии извлечь его из атмосферы. Азот практически не участвует в гео­химических процессах и лишь накапливается в атмосфере.

Основными стадиями круговорота азота (Рис.20) являются фиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация.

Рис. 20 Круговорот азота в биосфере

Пути фиксации азота в биосфере могут быть разными. Преж­де всего это поступление его вместе с дождевыми водами из ат­мосферы, главным образом во время гроз. Небольшая часть азота попадает в биосферу при вулканических извержениях и значи­тельное количество - в результате выбросов промышленных предприятий. Но основным источником азота является био­логическая фиксация - связывание атмосферного азота свободно Схема круговорота азота в биосфере живущими азотфиксирующими бактериями - азотобактером, цианобактериями и другими, а также азотфиксаторами, живущи­ми в симбиозе (совместное сожительство) с высшими растениями, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений.

В таких симбиотических системах азот становится доступен растениям в виде аммиака (МНз) или иона аммония (NН4+). Об­разование аммиака происходит в результате аммонификации - разложения микроорганизмами азотсодержащих органических соединений - белков, нуклеиновых кислот, мочевины и др.

Аммиак легко растворяется в воде. Часть его может погло­щаться непосредственно растениями, часть вымывается из поч­вы, а оставшийся аммиак подвергается действию специализиро­ванных бактерий при нитрификации. В результате этого процес­са распада органических азотсодержащих соединений корни рас­тений получают нитриты и нитраты, образующиеся в ходе реакции

NH⁺₄ N0₂ ^- N0₃ ^-

Процесс восстановления нитритов и нитратов до газообразных азотистых продуктов называется денитрификацией. В результате этого процесса денитрифицирующие бактерии восстанавливают ион N0з^- до N₂. Денитрификация происходит в несколько этапов:

NO₃ ^- N0₂ ^- N₂O N₂

На каждом из этапов выделяется кислород, который необходим денитрифицирующим бактериям для дыхания при отсутствии в почве свободного кислорода.

Таким образом, в ходе денитрификации связанный азот удаляет­ся из почвы и воды и в виде газообразного азота возвращается в ат­мосферу. Денитрификация замыкает цикл азота и препятствует на­коплению его оксидов, которые в высоких концентрациях токсичны.

Круговорот углерода.

В наиболее общем виде его можно представить как процесс освобождения и связывания диок­сида углерода (СО₂), включая его растворение в воде океанов. Предполагается, что углерод распределен в довольно тонком слое земной коры, в атмосфере в виде диоксида и оксида углерода и в животной и растительной биомассе. Основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах в основном в форме карбонатов (СаСОз) и гидрокарбонатов (Са(НСОз)₂), пред­ставляющих собой растворимые и нерастворимые донные отложе­ния в Мировом океане, накопившиеся за миллионы лет геологиче­ской истории Земли. Этот процесс продолжается и в настоящее вре­мя. Углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, составляет за­пас углерода, участвующего в создании биомассы. Содержание СО₂ в атмосфере нестабильно (менее одного процента) и подвержено се­зонным изменениям. В настоящее время наблюдается его увеличе­ние, связанное с антропогенным воздействием. Если сто лет назад содержание углекислого газа составляло примерно 270 частей на миллион, то сегодня эта цифра выросла до 350 частей на миллион.

Постепенно растет (на 1-2 % ежегодно) содержание в атмо­сфере метана и оксида углерода, что также связано с сельским хозяйством и энергетикой

Если в круговороте кислорода зеленые растения являются его поставщиком в атмосферу, то в круговороте углерода (Рис.21) они явля­ются мощным механизмом, улавливающим его из атмосферы в виде углекислого газа и связывающим в органические соедине­ния. В процессе фотосинтеза углерод ассимилируется растения­ми и переводится в углеводы. В процессе же дыхания происходит обратный процесс: углерод органических соединений превраща­ется в диоксид углерода.

Ежегодно наземные растения связывают около 18 млрд. т уг­лерода, растения морей - 25 млрд. т. Еще одним мощным утили­затором углерода являются морские организмы, которые исполь­зуют его для формирования своих скелетов. В дальнейшем ос­татки отмерших морских организмов опускаются на дно морей и океанов и образуют мощные отложения известняков.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше кислоро­да. От его содержания в воде зависит количество растворенных гидрокарбонатов, т. е. жесткость воды. Если содержание СО₂ в воде уменьшается, то выпадает осадок нерастворенного карбо­ната, который будет растворен при восстановлении равновесия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия при­водит к образованию накипи в котлах ТЭЦ, котельных и других системах, использующих воду. В природных условиях результа­том этой реакции является образование полостей в земной коре, сталактитов и сталагмитов.

Рис. 21 Круговорот углерода в биосфере.

.

Круговорот фосфора.

Фосфор содержится в горных породах и попадает в экосистемы при разрушении горных пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений. Растения поглощают соединения фосфора из почвы, от растений по пищевым путям фосфор поступает в животные ткани и накапливается в их тканях. Перерабатывая мертвые ткани растений и животных в детритных цепях, микроорганизмы возвращают фосфор в почвенный раствор. Однако часть фосфора вымывается из почвы и по ручьям и рекам поступает на дно морей и океанов.

Из этих хранилищ фосфор почв и никуда не тратится, лишь небольшую его часть выносят на сушу птицы, питающиеся рыбами. В океаны ежедневно вымывается 14 млн.т. фосфора, а с рыбой через птиц возвращается 0,1 млн. т., т.е., в отличие от замкнутых циклов воды, углерода и кислорода, цикл фосфора – открытый. С суши фосфор постоянно выносится в океан. Запасы фосфора в горных породах истощаются, возникает проблема его дефицита. Решение этой проблемы лежит в экономичном внесении удобрений.

7. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ.

Глобальные процессы образования и движения живого вещества в биосфере связаны и сопровождаются круговоротом огромных масс вещества и энергии. В отличие от чисто геологических процессов биогеохимические круговороты (циклы) с участием живого вещества имеют значительно более высокие интенсивность, скорость и количество вовлеченного в оборот вещества.

Человек и биосфера.

С появлением и развитием человечества процесс эволюции заметно видоизменился. На ранних стадиях цивилизации вырубка и выжигание лесов для земледелия, выпас скота, промысел и охота на диких животных, войны опустошали целые регионы, приводили к разрушению растительных сообществ, истреблению многих животных. По мере развития цивилизации, особенно бурного после промышленной революции конца средних веков, человечество стало использовать для удовлетворения своих растущих потребностей огромные массы природных ресурсов.

Рост населения и интенсивное развитие сельского хозяйства, промышленности, строительства, транспорта вызвали массовое уничтожение лесов в Европе, Северной Америке. Выпас скота в больших масштабах привел к гибели лесов и травяного покрова, к эрозии (разрушению) почвенного слоя (Средняя Азия, Северная Африка, юг Европы и США). Истреблены десятки видов животных в Европе, Америке, Африке.

Ученые предполагают, что истощение почв на террито­рии древнего центрально-американского государства майя в результате подсечно-огневого земледелия явилось одной из причин гибели этой высокоразвитой цивилизации. Аналогично в Древней Греции исчезли обширные леса в результате вырубки и неумеренного выпаса скота. Это усилило эрозию почвы и привело к уничтожению почвенного покрова на многих горных склонах, повысило засушливость климата и ухудшило условия ведения сельского хозяйства.

Строительство и эксплуатация промышленных предприятий, добыча полезных ископаемых привели к серьезным нарушениям природных ландшафтов, загрязнению почвы, воды, воздуха различными отходами.

Настоящие сдвиги в биосферных процессах начались в XX в. в результате очередной промышленной революции. Бурное развитие энергетики, машиностроения, химии, транспорта привело к тому, что человеческая деятельность стала сравнима по масштабам с естественными энергетическими и материальными процессами, происходящими в биосфере. Интенсивность потребления человечеством энергии и материальных ресурсов растет пропорционально численности населения и даже опережает его прирост.

Последствия антропогенной деятельности проявляются в истощении природных ресурсов, загрязнении биосферы отходами производства, разрушении природных экосистем, изменении структуры поверхности Земли, изменении климата. Антропогенные воздействия приводят к нарушению практически всех природных биогеохимических циклов.

В результате сжигания различного топлива в атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд. т углекислого газа и поглощается соответствующее количество кислорода. Природный запас СО₂ в атмосфере составляет величину порядка 50 000 млрд. т. Эта величина колеблется и зависит, в частности, от вулканической активности. Однако антропогенные выбросы углекислого газа превышают естественные и составляют в настоящее время большую долю его общего количества. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, сопровождающееся ростом количества аэрозоля (мелких частиц пыли, сажи, взвесей растворов некоторых химические соединений), может привести к заметным изменениям климата и соответственно к нарушению складывавшихся миллионы лет равновесных связей в биосфере.

Выброс в атмосферу промышленных газов, включающий такие соединения, как окись углерода СО (угарный газ), окислы азота, серы, аммиака и других загрязнителей, приводит к угнетению жизнедеятельности растений и животных, нарушениям обменных процессов, к отравлению и гибели живых организмов.