Лекции по экологии

2.6. КРУГООБОРОТЫ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

Основой динамического равновесия и стойкости биосферы является кругооборот веществ и превращения энергии который состоит из многообразных процессов. Хорошо известны глобальные процессы кругооборота воды кислорода углерода азота фосфора микроэлементов на Земле. В.Р. Вильямс писал что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой то есть вовлечь его в кругооборот. В этом высказывании есть доля философского и религиозного понимания сути кругооборотов веществ и превращения энергии. Выделяют два основных кругооборота: большой (геологический) и малый (биологический). Геологический кругооборот веществ имеет наибольшую скорость в горизонтальном направлении между сушей и морем. Смысл большого кругооборота в том что горные породы подвергаются разрушению выветриванию а продукты выветривания в том числе растворимые в воде питательные вещества сносятся потоками воды в Мировой океан с образованием морских напластований и возвращаются на сушу лишь частично например с осадками или с извлеченными человеком из воды организмами. Далее в течение длительного временного отрезка протекают медленные геотектонические изменения – движение материков поднятие и опускание морского дна вулканические извержения и т.д. в результате которых образовавшиеся напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. Малый кругооборот являясь частью большого происходит на уровне биогеоценоза. Он состоит в том что питательные вещества почвы вода CO2 и другие вещества из атмосферы за счет фотосинтеза аккумулируются в веществе продуцентов (растений и некоторых бактерий) расходуются на построение тел и жизненные (обменные) процессы продуцентов и консументов. Затем в основном за счет редуцентов органические вещества разлагаются и частью минерализуются вновь становятся доступными растениям и снова ими вовлекаются в поток вещества (кругооборот). Скорость перемещения веществ при биологическом кругообороте значительно выше чем при геологическом. Кругооборот (перемещение) химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии с протеканием биохимических превращений (реакций) носит название биогеохимического цикла. Годичные биогеохимические циклы приводят в движение примерно 480 млрд т веществ в основном биофильных элементов – углерода азота водорода кислорода и др.

2.6.1. Кругооборот углерода

Этот кругооборот как и большая часть других кругооборотов может быть представлен в виде упрощенной схемы (рис. 2.5.):

Рис. 2.5. Кругооборот углерода

Кругооборот углерода как и любого другого элемента совершается как по большому так и по малому циклам.

Большой (геологический) кругооборот углерода можно представить в виде схемы (рис. 2. 6.).

В атмосфере и водных источниках присутствует углекислый газ СО2. Под его действием а также при участии ветра и воды (Н2О) частью изменяется состав горных пород (например карбонатных: известняка СаСО3 магнезита МgCO3 доломита СаСО3МgCO3):

СаСО3 + СО2 + Н2О Са(НСО3)2

МgCO3 + СО2 + Н2О Мg(НСО3)2 .

Образующиеся растворимые соли (гидрокарбонаты) вымываются и выносятся в океан частью насыщает воду океана. Частью же под воздействием неорганических условий и фильтрации воды через живые организмы (например моллюски) эта соль преобразуется и отлагается на дне океана в виде осадочных пород (того же например СаСО3 частью представленного в виде ракушечника как остатки раковин умерших моллюсков) (пункты 6  7 рис. 2.5.). Осадочные породы претерпевают метаморфоз (различные превращения) а также под действием тектонических сил перемещаются в глубину земной коры откуда частью через длительный период поднимаются на поверхность а быстрее идут процессы под действием вулканических извержений которые являются вновь источниками углерода в атмосфере в виде СО2 а иногда и СО окисляющегося до СО2.

Биотический кругооборот углерода – составная часть большого кругооборота он связан с жизнедеятельностью организмов.



Рис. 2.6. Большой (геологический) кругооборот углерода

Запасы углерода содержащегося в виде СО2 в атмосфере составляют 23 51011 т. Органическое вещество синтезируется зелеными растениями из СО2 атмосферы (пункт 1 рис. 2.5.) содержание которого там лишь 0 03 – 0 04 % (табл.2.8) а затем вместе с веществом растений (продуцентов) потребляется консументами разных трофических уровней (пункт 2 рис. 2.5.).

Синтез органических веществ зеленые растения осуществляют с помощью энергии солнечного излучения из СО2 и Н2О в процессе фотосинтеза.


Таблица 2.8. Количество углекислого газа в атмосфере и его кругооборот в кг



По Ю.Саксу По Г.Гредеру По Е.Рейнау

Количество СО2

25001012

21001012

15301012

Усваивается растениями за год

6481012

601012

86,51012

За сколько лет растения вычерпали бы запасы СО2 в атмосфере

4 35 18

Значение света для зеленых растений подчеркивал еще Аристотель: «Те части растений в которых влажное не смешивается с солнечными лучами остаются белыми».

В 1777 г. Д. Пристли открыл что растения днем выделяют кислород очищая воздух «испорченный» горением или дыханием животных. Сам процесс фотосинтеза был досконально изучен К.А. Тимирязевым (1843-1920). По Тимирязеву процесс фотосинтеза протекает под воздействием содержащегося в зеленых частях растений сложного органического вещества – хлорофилла спектр поглощения которого показан на рис. 2.7. Коэффициент использования энергии солнечного света при фотосинтезе невелик ( порядка 2 %).


Поглощение


420 500 580 660 740 Длина волны мкм


Рис. 2.7. Спектр поглощения хлорофилла


Усвоение СО2 растениями при фотосинтезе эндотермический процесс который протекает с поглощением большого количества теплоты с Н=112 ккал/моль в случае синтеза глюкозы:

h

6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 – 674 ккал.

В 1961 г. за раскрытие механизма фотосинтеза американскому ученому М. Келвину присуждена Нобелевская премия. Механизм фотосинтеза такой: попадая в клетку зеленого листа СО2 присоединяется к акцептору (углеводрибулезодифосфат) с которым продолжается дальнейшее передвижение и превращение. Благодаря ферменту альдолазы образуется глюкоза С6Н12О6 а далее – сахароза С12Н22О11 крахмал (С6Н10О5)n и другие углеводы Сn2О)m. Суммарно фотосинтез можно выразить так:

h

nСО2 + mН2О = Сn2О)m + nО2 – Q.

Фотосинтез осуществляется за счет энергии солнечных лучей (26500 млрд ккал/с на всей земной поверхности).

Часть синтезированного в этом процессе вещества снова переходит к акцептору. Так и реализуется циклический процесс. Только циклические процессы могут быть саморегулирующимися (фотосинтез в их числе). Дальше с помощью других ферментов из углеводов синтезируются белки жиры и другие нужные для жизни растений органические вещества.

Следует заметить что содержание СО2 в атмосфере невелико и он бы полностью исчерпался за 4-35 лет (табл. 2.8.).

Откуда же он поступает в атмосферу? Ежегодно все растения и животные выдыхают СО2 1013-1014 кг а люди – 1 081012 кг (пункты 3 4; рис.2.5).

Экзотермическая реакция окисления углерода до СО2 протекает в тканях живого организма под действием вдыхаемого кислорода который переносится по кровеносной системе посредством гемоглобина – сложного органического вещества (с молярной массой М68000 г/моль) содержащего 4 атома железа каждый из которых способен связывать одну молекулу О2.

Процесс дыхания упрощенно можно изобразить схематически так (где Гем – гемоглобин):

1) Гем + О2 = ГемО2 (легкие: вдыхание);

2) Перенос с кровью в ткани;

3) ГемО2 + С (из пищи) = ГемСО2 (ткани);

4) Перенос в легкие;

5) ГемСО2 = Гем + СО2(легкие: выдыхание).

Таким образом можно сказать что гемоглобин ведет себя как катализатор. Другие источники поступления СО2 в атмосферу – извержения вулканов кислотные дожди действующие на известняки (пункт 8 рис. 2.5). Часть СО2 образуется при гниении разложении отмирании живых организмов под действием редуцентов а также при пожарах и наконец при антропогенном воздействии. Так ежегодно в промышленности и на транспорте при сжигании топлива выбрасывается в атмосферу 1 51012  кг СО2 и эта цифра ежегодно растет что создает глобальную проблему - парниковый эффект.

Если бы не происходило побочных процессов то количество СО2 выделяемого в атмосферу и усваиваемого растениями было бы одинаковым. Однако же часть углерода временно выводится из кругооборота за счет частичной минерализации останков растений (пункт 5 рис. 2.5) и животных (пункт 6 рис. 2.5) с образованием торфа нефти углей и других ископаемых в литосфере.

Общее количество углерода земной коры (трех оболочек) по Вернадскому составляет примерно 11017 т причем большая часть его рассеяна повсюду в природе поэтому такой разброс в данных по распределению его по отдельным формам нахождения (табл. 2.9).

Таким образом основная масса углерода принимает участие в медленном геологическом кругообороте. Естественно предположить что в настоящее время атмосфера содержит лишь ничтожную часть СО2 от того запаса который первоначально имелся и углерод постепенно выводился из биологического кругооборота из-за отложений в литосфере. Но из-за антропогенных факторов (использование горючего его сгорания) в последнее время доля СО2 а значит и углерода в атмосфере неуклонно растет из года в год.


Таблица 2.9. Количество углерода в т



Скопление углерода

Количество углерода, т
По Вернадскому По Г.В. Стадницкому и А.И. Родионову

Атмосфера

31012

2,351012

Океан

11014

-
Карбонатные отложения -

1,31016

Кристаллические породы -

11016

Известняки

31016

-
Живое вещество

11012

 51011

В растительных тканях -

51011

В животных тканях -

5109

Каменные угли

21013

-
В каменных углях + нефти -

3,41015


Большим регулятором содержания СО2 в атмосфере является Мировой океан. Много углерода исключается из биологического кругооборота веществ на суше и попадает в океан в основном в виде карбонатных солей. Если в атмосфере повышается содержание СО2 то часть его растворяется в воде вступает в реакцию с СаСО3 с образованием растворимых в воде гидрокарбонатов например Са(НСО3)2. Наоборот при уменьшении содержания СО2 в атмосфере гидрокарбонаты которые всегда содержатся в морской воде превращаются в карбонаты которые выпадают из раствора частью используются организмами для построения скелетов или панцирей (раковин) животных при отмирании а частью и без отмирания в виде СаСО3 оседают на морское дно. Таким образом существует обратимый процесс:

 уменьшение концентрации СО2

Са(НСО3)2 СаСО3 + Н2О + СО2 .

 увеличение концентрации СО2


2.6.2. Кругооборот кислорода


Один из наиболее сложных кругооборотов так как с кислородом О2 вступает в реакцию большое количество органических и неорганических веществ а также водород (последний дает с О2 воду Н2О). Упрощенная схема кругооборота кислорода представлена на рис. 2.8).

Кругооборот кислорода непосредственно связан с кругооборотом углерода (процессы фотосинтеза дыхания и питания животных). Особенностью кругооборота кислорода является широкое многообразие кислородсодержащих веществ в биосфере. Кислород в



Рис. 2.8. Кругооборот кислорода


целом самый распространенный в биосфере химический элемент. В свободном виде (О2) он присутствует в наземных водных источниках в почве и составляет основу воздуха присутствуя в атмосфере также и в виде озона (главным образом в стратосфере). Роль озона в биосфере его образование подробно рассматривается в других разделах пособия. В связанном виде кислород составляет основу горных пород и минералов (например солевых и оксидных) а также газообразных продуктов (например оксидов углерода серы азота и др.) и наконец воды (самого распространенного на планете вещества) образование которых рассматривается в других кругооборотах элементов и веществ.

Нарушение стабильного кругооборота кислорода происходит в основном из-за больших объемов сжигания органического топлива (свободный кислород тратиться на окисление) а с другой стороны из-за массовой вырубки лесов (главного источника поступления свободного кислорода в биосферу). Одновременно с этим возникает целый блок глобальных проблем (парниковый эффект кислотные дожди явления "смога" и др.).


2.6.3. Кругооборот серы


Существуют гипотезы что в ранние геологические эпохи Земли недостаток О2 предполагал существование серы в основном в виде Н2S и солей (главным образом сульфидов например FeS2). С формированием О2 начинаются окислительные процессы. В наше время сера на планете присутствует в виде Н24 и Н2S (и их солей) и части свободной серы SО2 а также в виде органических веществ в живых организмах.

Величайшую роль в кругообороте выполняют бактерии. Мы уже знакомы с фотосинтезом но кроме этого некоторые бактерии используя энергию химических экзотермических реакций окисления (хемосинтез) синтезируют органические вещества. Так под действием особого вида бактерий (серобактерии) идет окисление Н2S до S:

2S + О2 2О + 2S + 127 ккал (+ Q).

Cера откладывается в «телах» серобактерий составляя до 95 % их общей массы тем самым устраняя вредное действие Н2S на растения и животных. Это неполный процесс окисления серы он идет и дальше до Н24 под действием О2 воздуха а также пурпурных бактерий для которых дыхание заменяется процессом:

бактерии

Н2S + 2О2 Н24 + 189 ккал.

Сера окисляется на воздухе а также в организмах серобактерий если они будут лишены сероводородной среды:

2S + 3О2 + 2Н2О = 2Н24 + 251 ккал

2 или Н23 – практически не образуются а образуется Н24 так как протекают достаточно сложные процессы:

2S + 2О2 + 2Н2О = 2Н23 + 157 ккал (1)

23 + Н2О + O2 = 2Н24 + 94 ккал. (2)

Вторая реакция протекает быстрее поэтому Н23 (или же SО2 + Н2О) не накапливается. Свободная Н24 в природе встречается редко (разве что при кислотных дождях) она очень активна поэтому реагирует с содержащимися в почве и воде веществами или горными породами например:

СаСО3 + Н24 = СаSО4 + СО2 + 2Н2О.

Большая часть сульфатов уносится водами рек а также под действием осадков и выветривания минералов в моря частью растворяясь в океанических водах а частью откладываясь на дне в виде напластований и образуя минералы особенно природного гипса СаSО42О перемещаясь в глубины литосферы а затем через годы – на поверхность и т.д.

Попадая в глубокие слои литосферы тот же СаSО4 претерпевает восстановительный процесс например с участием органических веществ:

СаSО4 + СН4 СаS + СО2 + 2Н2О СаСО3 + Н2S + Н2О.

Таким образом возникают сероводородные («серные») источники (например Мацеста Пятигорск). Но существуют и другие бактерии – сульфатовосстанавливающие которые питаются за счет сульфатов. Так на глубине ниже 150 м например в Черном море сульфаты под действием этих бактерий восстанавливаются до сероводорода который поднимаясь наверх вновь подвергается действию серобактерий окисляется до SО42- а часть Н2S уходит в атмосферу. Источники Н2S – болота вулканическая деятельность природные процессы гниения отмерших живых организмов.

При извержении вулканов выделяется Н2S и SО2 концентрации которых могут быть различными тогда возможно протекание реакции: 2Н2S + SО2 3S + 2Н2О.

При избытке Н2S выделяющаяся сера защищается от окисления и потому может образовывать на некоторой глубине в толще литосферы – пласты S или вкрапления.

Кроме того на больших глубинах формируются горючие природные ископаемые (тот же уголь и углеводороды содержащие серу) откладываются сланцы и другие осадочные породы содержащие серу.

При добыче этих ископаемых их сжигании или химической переработке а также их естественном разложении в атмосферу выбрасываются SО2 и Н2S которые окисляются до Н24 и наряду с природными источниками затем выпадают на землю в виде осадков – кислотных дождей. И так круг замыкается. Особенно из-за деятельности человека а также из-за окислительной способности воздуха в наше время кругооборот осуществляется с увеличением содержания сульфатов а в прошлом – преобладали сульфиды.

Остался неучтенным процесс потребления серы растениями с учетом которого кругооборот серы можно выразить упрощенной схемой (рис. 2.9).

Переработка сульфатов растениями в том числе и с использованием бактерий очень сложный процесс приводящий к синтезу растениями серосодержащих белковых веществ.

Животные питающиеся растениями также путем биохимических процессов синтезируют серосодержащие вещества характерные для своих организмов. При отмирании животных и растений их белковые вещества разлагаются до Н2S и некоторых других серосодержащих продуктов и кругооборот серы продолжается.



Рис. 2.9. Кругооборот серы (упрощенно)


Кругооборот серы можно представить схемой (рис. 2.10).


H2SO4


Рис. 2.10. Кругооборот серы

2.6.4. Кругооборот азота


Азот составляет примерно 78 % воздуха атмосферы. Часть его содержится в почве и в воде в виде неорганических соединений (в виде аммонийных солей а также нитритов и нитратов) а часть – в форме органических соединений входящих в состав растительных и животных белков аминокислот. Существует большой кругооборот азота включающий сушу и атмосферу частью которого является малый кругооборот (биотический). Общая упрощенная схема кругооборота азота представлена на рис. 2.11.


Бактерии


Рис. 2.11. Кругооборот азота (упрощенно)


Биогеохимический цикл азота с учетом антропогенных факторов рассмотрим подробнее.

Страницы: 1 2 3 4