Круговороты веществ в биосфере

Биосферный и биологический круговороты. Все вещества на на­шей планете находятся в состоянии постоянного круговорота. Сол­нечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: один, большой, охватывающий всю биосферу, называется биосферным, а другой — малый — протекает внутри экосистемы и называется биологическим.

Биосферному круговороту предшествует геологический, кото­рый обусловливает разрушение, миграцию и аккумуляцию хими­ческих соединений и веществ. В такой миграции ведущая роль при­надлежит солнечной энергии, от которой зависят скорость и мас­штабность развития экзогенных процессов. В них главенствующая роль принадлежит гравитационным и особенно термическим свой­ствам поверхности суши и водной оболочки, которые поглощают и отражают солнечные лучи, обладают теплопроводностью и теп­лоемкостью. Неустойчивый гидротермический режим Земли вмес­те с планетарной системой циркуляции атмосферы обусловил гео­логический круговорот веществ, который вместе с эндогенными процессами — спредингом, субдукцией, вулканизмом, тектони­ческими движениями — вызывает формирование и развитие океа­нов и континентов. Продукты выветривания транспортируются воз­душными массами и водными потоками. С появлением биосферы в большой круговорот веществ включились продукты жизнедеятель­ности организмов, и, таким образом, геологический круговорот приобрел совершенно новые черты. Он становится поставщиком живым организмам питательных веществ, во многом определяет условия их существования и при этом наряду с механической и химической дифференциацией и аккумуляцией вещества стала осу­ществляться биологическая дезинтеграция и биологическая акку­муляция вещества.

Большой круговорот веществ в биосфере характеризуется дву­мя важными особенностями. Во-первых, он осуществляется на протяжении всей истории существования биосферы, т.е. начиная по крайней мере с 3,8—4,0 млрд лет назад. Во-вторых, он представляет собой современный планетарный процесс, играющий важную роль в дальнейшем существовании и развитии биосферы. Перемещающееся в геологическом круговороте неорганическое вещество является своеобразным резервным фондом для биологической ветви биосферного круговорота. Этот резервный фонд сосредоточен в атмосфере в виде газов и термодинамически активных веществ, в воде — в виде растворенных химических элементов их соединений, в литосфере — в виде минеральных и органоминеральных веществ, часть из которых находится в верхних горизонтах и почвах. С атмосферой и гидросферой связан в основном транзитный цикл круговорота, а с литосферой и частично с гидросферой — аккумулятивный, или осадочный. Малый, или биологический, круговорот веществ развивается фоне геологического, охватывающего всю биосферу. Хотя он происходит внутри отдельных экосистем, он не замкнут, а это обусловлено тем, что в экосистему вещество и энергия поступают извне.

Растения, животные и почвенный покров на суше образуют сложную глобальную систему, которая формирует биомассу, связывает и перераспределяет солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, азот, фосфор, серу, кальций и другие элементы, участвующие в жизнедеятельности организмов, которые называются биогенными элементами. Растения, животные и микроорганизмы водной среды, которые выполняют ту же функцию связывания и перераспределения солнечной энергии и биологического круговорота веществ, образуют другую глобальную систему.

Особенность биологического круговорота заключается в течении трех противоположных, но взаимосвязанных процессов: фор­мирование органического вещества, его разрушение и перераспределение. Начальный этап возникновения органического вещества обусловлен жизнедеятельностью продуцентов и связан с фотосинтезом растений, т.е. с образованием органического вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных веществ с использованием солнечной энергии. Растения извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, кальций, калий, магний, марганец, кремний, алюминий, медь, цинк и другие жизненно необ­ходимые элементы и микроэлементы. Консументы первого порядка т.е. растительноядные животные, поглощают созданное орга­ническое вещество и вместе с пищей растительного происхожде­ния усваивают необходимые для жизнедеятельности биогенные эле­менты. Консументы второго порядка — хищники— питаются рас­тительноядными животными и таким образом употребляют в пищу органические вещества более сложного состава, включая белки, жиры, аминокислоты, а вместе с ними также необходимые для последующей жизнедеятельности микроэлементы.В процессе разрушения микроорганизмами органического ве­щества растительного или животного происхождения в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, дос­тупные для усвоения растениями. Таким образом, начинается но­вый цикл биологического круговорота.

В отличие от большого малый круговорот имеет несомненно меньшую, но неодинаковую продолжительность. Различают сезон­ные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. При рассмотрении биологического круговорота веществ основное вни­мание уделяют годовому ритму, определяемому годичной дина­микой развития растительного покрова.

Обмен веществом и энергией, осуществляющийся между раз­личными структурными частями биосферы и определяющийся жизнедеятельностью микроорганизмов, называется биогеохимичес­ким циклом. Это понятие ввел в мировую науку В.И.Вернадский, и только после этого перестало существовать представление о кру­говороте веществ как о замкнутой системе. Все биогеохимические циклы составляют современную динамическую основу существо­вания жизни. Они взаимосвязаны между собой, и в то же время каждый из них играет свою неповторимую роль в эволюции био­сферы.

Отдельные циклические процессы вместе с тем не являются полностью обратимыми. Одна часть элементов и соединений в про­цессе миграции и превращения рассеивается или связывается в новых системах и, следовательно, выпадает из круговорота. Другая часть веществ способна возвратиться в круговорот, но довольно часто он приобретает новые качества, и при этом изменяется ко­личественный состав веществ, участвующих в круговороте. Часть веществ вследствие геологических процессов, в частности субдукции, может извлекаться из круговорота и, перемещаясь в нижние горизонты литосферы, видоизменяться, а часть, в основном в га­зообразном состоянии, — удаляться из атмосферы в космическое пространство.

Продолжительность круговоротов тех или иных веществ в раз­ных системах чрезвычайно различна. Установлено, что полный оборот углекислого газа в атмосфере через фотосинтез составляет около 300 лет, кислорода атмосферы и тоже через фотосинтез — 2000—2500 лет, азота атмосферы через биологическую фиксацию и фотохимическим путем — примерно 100 млн лет, а воды через испарение — около 1 млн лет.

В биосферном и биологическом круговоротах участвует огром­ное количество химических элементов и соединений, но важней­шими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы, азота и фосфора. Оксиды первых трех являются главными загрязнителями атмосферы, а фосфаты — загрязнителями водных бассейнов. Большое значение имеет знание круговоротов ряда токсичных элементов и, в частности, ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина, который выступает как загрязнитель почвы и атмосферы). В круговороты вовлекаются многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды др.), которые наносят вред биоте и здоровью человека.

Круговорот углерода. Этот круговорот — один из важнейших кру­говоротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба круговорота углерода, вызванные антропогенной дея­тельностью, приводят, к неблагоприятным для биосферы послед­ствиям. С процессом круговорота углерода напрямую связаны со­держание кислорода в атмосфере и его круговорот в биосфере, изменения климата и погодных условий на земной поверхности и т. д. Углерод участвует в большом и малом круговоротах вещества. Его соединения в биосфере постоянно возникают, испытывают превращения и разлагаются. Основной путь миграции углерода — от углекислого газа в атмосфере в живое вещество и из живого вещества в атмосферную углекислоту. При этом часть углерода вы­ходит из круговорота, растворяясь в гидросфере и осаждаясь в форме карбонатных пород, а часть остается в почве. В биологическом круговороте углерода выделяют три стадии. На первой стадии зеленые растения поглощают углекислый газ из воздуха, создают органическое вещество, главной составной час­тью которого является углерод.

Рис. 9.1. Биологический круговорот углерода

В дальнейшем животные, питаясь растениями, из содержащихся в органическом веществе соединений, в том числе соединений углерода, продуцируют другие со­единения. На конечной стадии после отмирания организмов рас­тительного или животного происхождения их мертвые ткани раз­рушаются микроорганизмами, которые освобождают углерод. Он снова попадает в атмосферу в форме углекислого газа. Кроме того, источником углерода является углекислый газ, поступающий в атмосферу при дыхании растений в темное время суток, выделяе­мый при дыхании животных и человека, а также поступающий в атмосферу в результате вулканических извержений и при выветри­вании горных пород, содержащих углерод в связанном виде.

Часть углерода накапливается в виде омертвевших органичес­ких веществ и там, где отсутствуют условия для их разложения, т. е. в восстановительных условиях. В этом случае органический углерод переходит в ископаемое состояние и накапливается в виде торфа, нефти и газа и в дальнейшем перерабатывается в каменный уголь и горючие сланцы, а при метаморфизме переходит в графит.

Рассматривая глобальное преобразование органического угле­рода и интенсивное его захоронение в болотах, пойменно-старичных условиях, лагунах, манграх, морских бассейнах и пресновод­ных водоемах, надо признать, что данный процесс осуществлялся на Земле в период всей биологической эволюции биосферы, при­чем этот процесс в течение длительного геологического времени протекал с большой интенсивностью, но с различной скоростью. В геологическом прошлом, когда существовала ландшафтно-кли­матическая обстановка, благоприятствующая развитию раститель­ного покрова, а в атмосфере концентрация углекислого газа почти на порядок превышала современную, избыток органического уг­лерода захоронялся в недрах Земли, образовав месторождения по­лезных ископаемых. Общая масса углерода, которая захоронена в форме горючих полезных ископаемых, оценивается более чем в 100000 трлн т.

Современная растительность, включая водоросли, ежегодно продуцирует около 1,5 трлн т углерода. Согласно расчетам М. И. Будыко, весь запас углекислого газа в атмосфере, если бы он не возобновлялся, был бы исчерпан растениями за восемь лет.

Кроме биосферы углекислый газ продуцируется косными сис­темами, в частности вулканическими извержениями. Весьма суще­ственным источником и потребителем углекислоты выступают водные массы гидросферы. Углекислый газ представлен в ней в виде разбавленных растворов угольной кислоты и главным обра­зом в форме гидрокарбонатов металлов. Существует глобальный обмен между атмосферой и гидросферой не только энергией, но и веществом в форме газов. Повышение концентрации и парциаль­ного давления С0₂ в атмосфере, региональное или сезонное ох­лаждение вод — все это сопровождается немедленным увеличени­ем концентрации углекислого газа в воде и растворов гидрокарбо­ната кальция. Необходимые количества углекислоты изымаются из атмосферы.

Известно, что многие гидробионты, поглощая углекислый каль­ций, строят свои скелеты, а после смерти формируют донные из­вестковые отложения, в дальнейшем преобразуемые в процессе литогенеза в толщи органогенных известняков. Осаждаясь, карбо­нат кальция связывает часть углекислого газа в форме известковых осадков на дне Мирового океана и пресноводных водоемов, но при этом часть углекислоты вновь возращается в атмосферу:

Са(НС0₃)₂ СаС0₃ + Н₂С0₃ 1

Н₂0 С0₂

Между атмосферным углекислым газом и углекислым газом, растворенным в Мировом океане, существует равновесие. Умень­шение углекислого газа в атмосфере неизбежно вызывает дегаза­цию вод океана и приводит к поступлению углекислого газа в ат­мосферу. В качестве нарушителя равновесного процесса нередко ступает температурный фактор.

Постоянно действующим фактором поглощения углекислого газа из атмосферы, а также газов, растворенных в водной среде, вы­ступает фотосинтез в гидросфере. Причем этот процесс протекает с соответствующим освобождением кислорода.

Таким образом, Мировой океан и атмосфера представляют со­бой единую систему, которая регулирует взаимное распределение диоксида углерода. Ряд исследователей считают, что в современ­ную эпоху, несмотря на повышение концентрации углекислого газа в атмосфере, Мировой океан продолжает эффективно выпол­нять функцию захвата и связывания избыточного количества угле­кислого газа, переводя его в растворимые бикарбонаты и осаждая в виде карбоната кальция, а также путем образования биомассы живого вещества с карбонатным скелетом.

Круговорот углерода продолжает контролировать содержание кислорода в атмосфере. При этом общую массу кислорода М. И. Бу­дыко и А. Б. Ронов оценивают в 1,2 • 10⁶ млрд т. Общепланетарный расход кислорода на сжигание органического топлива составляет около 15 млрд т ежегодно. Это почти на порядок меньше, чем еже­годное поступление в атмосферу кислорода, освобожденного при фотосинтезе (140—200 млрд т). Выделяемый кислород почти пол­ностью используется при дыхании организмов и минерализации отмершей органической массы, а также частично консервируется в литосфере в виде оксидов металлов и соединений.

На сжигание минерального топлива используется кислород, уже накопленный атмосферой, и ежегодное его уменьшение составля­ет примерно одну десятитысячную часть его массы в атмосфере. Полное сжигание углеродного топлива уменьшает содержание кис­лорода в атмосфере только на доли процента. Значительные изме­нения массы кислорода могут проявиться за очень длительные промежутки времени, исчисляемые миллионами лет. Исходя из этого считают, что наибольшую опасность для биосферы представляет нарушение круговорота углерода.

В современную эпоху, в отличие от прошлых геологических пе­риодов, поток углерода в атмосферу увеличился за счет антропогенных выбросов, а растительность полностью его усвоить оказалась не в состоянии. Вследствие этого снизилось самоочищение атмосферы от оксида углерода, т.е. от угарного газа. Самоочищение воздуха от оксида углерода происходит в ре­зультате миграции СО в верхние слои атмосферы, где в присут­ствии диоксида азота и озона он окисляется до С0₂. Установлено, что если бы прекратилось постоянное поступление в атмосферу техногенного оксида углерода, то она бы очистилась от него в те­чение нескольких лет.

Круговорот азота. Азот, как и углерод, участвует в большом и малом круговоротах. Источником азота в биологическом круговороте являются нитраты и нитриты, которые поглощаются растениями из почвы и воды. У растений отсутствует возможность извлекать азот непосредственно из атмосферы. Растительноядные животные создают из аминокислот растительных белков прото­плазму своих клеток. Гнилостные бактерии переводят соединения азота в отмерших остатках растений и животных в аммиак. Затем нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в нитриты и нитраты. Часть азота благодаря денитрифицирующимся бактериям вновь поступает в атмосферу. Если бы отсутствовал дополнитель­ный источник пополнения запасов азота в почве, то произошло бы азотное голодание растений и как следствие — разрушение био­сферы, так как в процессе денитрификации свободный азот выво­дится из биологического цикла.

Существуют два пути вовлечения азота атмосферы в биологи­ческий круговорот. Один из них связан с атмосферными осадка­ми, а второй — с биологической фиксацией азота прокариотными организмами.

В результате вулканических извержений, а также происходящих фотохимических реакций и возникающего при грозовых разрядах и ионизации электрического окисления азота в атмосфере всегда присутствуют оксиды азота, которые вместе с атмосферными осад­ками попадают в почвенные слои. Кроме того, в атмосферном воз­духе всегда содержится аммиак. В нормальном состоянии он со­ставляет 0,02—0,04 мг/м3, но его количество возрастает при гро­зовых разрядах. Подсчитано, что суммарное поступление азота в почву таким путем составляет 10—15 кг/га.

Биологическая фиксация азота связана с деятельностью прока­риот. Они способны превращать газообразный азот в соединения, необходимые для корневого питания растений. Фиксации азота требует больших затрат энергии, кото­рая расходуется в основном на разрыв тройной связи в молекуле азота, чтобы затем с добавлением водорода из воды превратить ее в две молекулы аммиака.

Азот фиксируется свободно живущими аэробными (Asotobacler) и анаэробными (Clostridium) бактериями, некоторыми синезелеными водорослями (Anabaena, Nostos), симбиотическими клубень­ковыми бактериями бобовых растений (Rhizobium) и другими мик­роорганизмами. Особенно активны клубеньковые бактерии бобо­вых культур. Общее количество азота, фиксированного ими, мо­жет достигать 350 кг/га, а это в 100 раз выше показателя у свобод­но живущих азотфиксирующих организмов.

Рис. 9(2. Круговорот азота в биосфере

Основная часть фиксированного азота почвы поглощается рас­тениями, но часть его соединений выносится в реки и поступает в водоемы, в том числе в моря. Больше всего солей аммония, нитра­тов и нитритов находится в водах устьев рек и у берегов морей, в глубинных частях водоемов суши, куда они поступают в процессе гниения органического вещества. Находящийся в поверхностных водах азот потребляется растительными микроорганизмами. Поте­ря азота непрерывно восполняется поступлением его с суши, в результате постоянного перемешивания вод, выпадения аммиака из атмосферы и разложения остатков растений и животных в по­верхностных частях водоемов.

Антропогенные нарушения круговорота азота в биосфере связаны со сжиганием минерального топлива в наземном и воздушном транспорте, на тепловых электростанциях и с производством азотных удобрений. Поступление в атмосферу азота антропогенного происхождения в 70-е годы XX в. было в 15 раз, а в 80-е годы - в 12 раз меньше, чем от естественных источников. Однако в связи с развитием промышленности и транспорта количество техногенного азота в атмосфере имеет тенденцию к увеличению. При сжигании топлива в атмосферу поступает дополнительное количество оксидов азота, которые участвуют в фотохимических реакциях. Одна из таких реакций приводит к возникновению фо­тохимического смога, содержащего формальдегид и другие ток­сичные компоненты.

Загрязнение стратосферы оксидами азотами в результате поле­тов самолетов, космических и простых ракет нарушает естествен­ный круговорот азота и приводит к нарастающему разрушению озонового экрана. В тропосфере оксиды азота, контактируя с пара­ми воды, образуют аэрозоли азотной кислоты, которая вместе с аэрозолями серной кислоты выпадает в форме кислотных дождей.

Существенные изменения в круговорот азота вносят производ­ство и применение азотных удобрений. В XX в. химический синтез азотных удобрений на основе связывания азота атмосферы стал главным источником питания культурных растений. В мире еже­годно вносится свыше 40 млн т азота в виде минеральных удобре­ний. Кроме того, в почвенный покров и водные системы поступа­ет трудно учитываемое количество азота с животноводческих ком­плексов и фермерских хозяйств.

Круговорот фосфора. Биологическое значение фосфора в жизне­деятельности организмов исключительно велико. Его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, в состав мозга и костной ткани. Содержание фосфора в тканях растений составляет 250 — 350, морских живот­ных — 400—1800, наземных животных — 170— 4400, бактерий — около 3000 мг на 100 г сухого вещества. Как и углерод, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте вещества. Резервуаром фосфора в биологическом круговороте служит ли­тосфера, в частности фосфорсодержащие горные породы, какими являются фосфориты, апатиты, нефелиновые сиениты. В процессе выветривания соединения фосфора попадают в почвенный покров, выносятся поверхностными водами в конечные бассейны стока, где они или медленно оседают на дно и литифицируются, или рассеиваются глубинными водами. Из почвы фосфор извлекается растениями в виде растворимых фосфатов, которые поглощаются с почвенными растворами и пре­вращаются в ионы Р0₄^~2. Скорость усвоения растениями фосфора зависит от кислотности почвенного раствора. В щелочной среде фосфаты кальция и натрия практически нерастворимы, а в нейтральной — малорастворимы. По мере повышения кислотности они превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. Нахо­дящийся в растительности фосфор переходит к животным, по­требляющим растительную пищу. Органический фосфор, находящийся в растительном опаде, отмерших растительных и животных остатках в результате бактериальных преобразований в почве, трансформируется в фосфаты. Воздействующие на них фосфаторазрушающие бактерии продолжают биологический круговорот фосфора, переводя его в растворимую форму, которая, попадая в водную среду, принимает уча­стие в геологическом круговороте.

Круговорот фосфора в биосфере не замкнут, так как часть его поступает в литосферу. Лишь небольшое количество фосфора без­возвратно теряется при геологических процессах, а часть — акку­мулируется вместе с осадками. С речными стоками, согласно сделанным подсчетам, в Мировой океан поступает ежегодно около 3—4 млн т фосфора, который исключается из круговорота. В морях и океанах фосфор концентрируется в виде фосфатных конкреций, которые в процессе седиментогенеза с течением времени превращаются в фосфориты. В зоне апвеллинга, когда происходит подъем глубинных вод, фосфор вместе с другими биогенными элементами и питательными веществами выносится на поверхность и поэтому зоны апвеллинга необычайно богаты организмами.

В почве и природных водах фосфор всегда находится в дефиците Соотношение фосфора и азота в природных водах составляет и среднем 1:23 (в реках и ручьях 1: 28), в биомассе 1:16. Это определенным образом тормозит биологическую продуктивность Земли. Хотя часть фосфора из Мирового океана естественным путем возвращается на сушу птицами и с выловленной рыбой, общий объем возврата фосфора явно меньше количества выноса его в гидросферу.

В течение XX в. в результате хозяйственной деятельности чело­века цепочка круговорота фосфора в биосфере оказалась нарушен­ной. Этому способствовали производство фосфорных удобрений и широкое их применение в сельском хозяйстве, получение в про­мышленных масштабах различных фосфорсодержащих препаратов, производство продовольствия и кормов, развитие рыбного про­мысла, добыча морских моллюсков и водорослей. Эти действия прямым образом отразились на круговороте фосфора и привели к перераспределению содержания фосфатов на суше и в гидросфере Наблюдается также крайне неравномерная концентрация фосфо­ра на земной поверхности. Его больше в местах развития сельского хозяйства, где происходит малообратимая аккумуляция органи­ческих соединений фосфора. Эрозия почв, смыв удобрений, орга­нических отходов и экскрементов поверхностными водами, сбро­сы канализационных стоков приводят к сильнейшему фосфорно­му загрязнению рек, озер и прибрежных областей Мирового оке­ана. Происходит фосфатизация почв, рек, водоемов суши, при­брежных участков морей, особенно в области дельт, заливов и эстуариев.

Круговорот серы. Сера имеет важное биологическое значение, так как она входит в состав аминокислот, белков и других слож­ных органических соединений. В пересчете на сухое вещество в на­земных растениях содержание серы составляет 0,3 %, у наземных животных - 0,5, в морских растениях - 1,2, у морских живот­ных - до 2 %.

В большом, геологическом, круговороте сера переносится с океана на материки атмосферными осадками и возвращается с речным стоком обратно в Мировой океан. Одновременно ее запасы пополняются за счет вулканической деятельности и при процессах выветривания. Вулканы выбрасывают серу в виде триоксида (серного ангидрида S0₃), диоксида (сернистого газа S0₂), сероводорода H₂S и элементарной серы. В литосфере имеются в большом количестве сульфиды различных металлов: железа, цинка, свинца, меди и др. В биосфере сульфидная сера с участием многочисленных микроорганизмов окисляется до сульфатной серы SO₄~, которая находится в почве и водоемах. В малом круговороте cульфаты поглощаются растениями. Растительноядные животные получают необходимую для жизнедеятельности серу. В результате сложных превращений и видоизменений при разрушении остат­ков организмов, растительного опада сера попадает в почвенные воды и в илы водоемов суши, морей и океанов. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, ко­торый в дальнейшем окисляется или до элементарной серы, или до сульфатов. В первом случае формируются залежи чистой серы, а во втором — залежи гипса. При разрушении последних во время добычи или выветривания сера вновь вовлекается в круговорот.

Сероводородное заражение вод Черного моря — это результат жизнедеятельности сероразлагающих бактерий в анаэробных усло­виях. Сероводород нередко возникает в пресноводных водоемах, загрязненных промышленными стоками. На заключительном эта­пе геологического круговорота сера выпадает в осадок в анаэроб­ных условиях в присутствии железа и других металлов и медленно накапливается в виде конкреций или тонкораспыленного веще­ства в земных недрах.

Промышленное загрязнение приводит к нарушению кругово­рота серы, так же как и других вышеперечисленных элементов, участвующих в других круговоротах. Дополнительным поставщиком серы в большой круговорот являются теплоэнергетические установки, которые при сжигании минерального топлива выбрасывают сернистый газ.

Рис. 9.4. Круговорот серы

Атмосфера Земли способна самоочищаться от сернистого ангидрида при выпадении атмосферных осадков: он преобразуется газовыми выделениями растительности или осаждается в форме сульфатных аэрозолей.

Экологическая опасность сернистого ангидрида заключается в том, что при фотохимическом окислении в присутствии диоксида азота и углеводородов сначала образуется серный ангидрид S0₃, который соединяясь с водяными парами, превращается в аэрозоли серной кислоты H₂SO₄*. Продолжительность всего цикла от мо­мента естественных или техногенных выбросов S0₂ до удаления из атмосферы паров серной кислоты составляет до 14 суток. С воздуш­ными потоками аэрозоли серной кислоты разносятся на значи­тельные расстояния от источника выброса и выпадают в виде кис­лотных дождей, вызывая асидификацию атмосферы и гидросферы.

Круговорот ртути. Этот редко встречаемый химический эле­мент очень токсичен. Сильной токсичностью обладают и соеди­нения ртути. В природе ртуть рассеяна в земной коре и очень редко встречается в таких минералах, как киноварь, где она содержится в концентрированном виде. Ртуть участвует в круго­вороте веществ, мигрируя в газообразном состоянии и в водных растворах. В атмосферу ртуть поступает из гидросферы при испарении, вместе с вулканическими газами и газами из термальных источни­ков. Часть газообразной ртути переходит в твердую фазу и удаляет­ся из воздушной среды. Выпавшая вместе с атмосферными осадка­ми ртуть поглощается почвенными растворами и глинистыми по­родами. Ртуть в небольших количествах содержится в нефти и каменном угле (до 1 мг/кг). В водной массе океанов ее количество составляет около 1,6 млрд т, в донных осадках заключено около 500 млрд т, а в планктонных организмах находится до 2 млн т ртути и ее соединений. Речными водами ежегодно с суши выно­сится около 40 тыс. т ртути, что на порядок меньше, чем поступает в атмосферу при испарении.

В результате усилившихся техногенных выбросов в атмосферу и гидросферу ртуть из естественного компонента природной среды, участвующего во всех круговоротах, превратилась в весьма опас­ный компонент для здоровья человека и живого вещества. Ртуть применяют в металлургической, химической, электротехнической, электронной, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промыш­ленности, используют для производства взрывчатых веществ, люминесцентных ламп, лаков и красок. Промышленные стоки и атмосферные выбросы, горно-обогатительные фабрики при ртутных рудниках, теплоэнергетические установки, использующие минеральное топливо, являются главными источниками загрязнения биосферы этим токсичным компонентом. Кроме того, ртуть входит в состав некоторых пестицидов, которые используют в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты их от вредител­ей. В организм человека ртуть и ее соединения поступают вместе пищей.

Круговорот свинца. Несмотря на то, что свинца в земной коре содержится всего 0,0016 %, он присутствует во всех компонентах природной среды. Важнейшим в круговороте свинца является его атмосферно-гидросферный перенос. Находящийся в атмосфере свинец вместе с пылью осаждается атмосферными осадками и начинает концентрироваться в почвах. Растения получают свинец из почв, природных вод и атмосферных выпадений, а животные — при потреблении растений и воды. В организм человека свинец опадает вместе с пищей, водой и пылью. Основными источниками загрязнения биосферы свинцом яв­ится разнообразные двигатели, выхлопные газы которых содержат тетраэтилсвинец, теплоэнергетические установки, сжигающие каменный уголь, горно-добывающая, металлургическая и химическая промышленность. Значительное количество свинца вносит­ся в почву сточными водами.

У жителей промышленно развитых стран содержание свинца в организме в несколько раз больше, чем у жителей аграрных стран, а у горожан выше, чем у сельских жителей. Увеличение концент­рации свинца в природных средах приводит к необратимым про­весам в костях и печени людей.

Биосфера — это область распространения живого вещества. В ее истории имеются важнейшие рубежи, свидетельствующие о влиянии на ее развитие и эволюцию различных геосферных факторов. Живое вещество обладает весьма своеобразными экологическими функция­ми. Важное геоэкологическое значение имеют энергетическая, газо­вая, почвенно-элювиальная, водоочистная, водорегулирующая, концен­трационная, транспортная и деструктивная функции. Биосфера мно­голика в результате исключительно огромного таксономического раз­нообразия. Каждый организм или группа организмов в силу своих фи­зиологических особенностей и условий существования способны слу­жить инструментом индикации загрязненности природной среды. В биосфере существует круговорот веществ, которому предшеству­ет геологический круговорот, подготовляющий вещества для жизне­деятельности организмов. Более низкий уровень биосферного кругово­рота составляет биологический круговорот. В природе существуют круговороты углерода, азота, фосфора, серы, ртути, свинца и других химических элементов и соединений.

Где проходят границы биосферы?

В чем заключается особенность биосферы?

В чем заключается цефализация?

Какова история биосферы? Назовите основные вехи развития био­сферы.

Каковы экологические функции живого вещества?

В чем заключается энергетическая функция живого вещества?

В чем заключается газовая функция живого вещества?

В чем заключаются почвенно-элювиальная, водоочистная и водоре­гулирующая функции живого вещества?

В чем заключается концентрационная, транспортная и деструктив­ная роль живого вещества?

Каково биологическое разнообразие?

На чем основана биоиндикация?

Как происходит и чем обусловлен круговорот веществ в биосфере?

Каков круговорот углерода?

Каков круговорот азота в биосфере?

Каков круговорот фосфора в биосфере?

Каков круговорот серы в биосфере?

Каков круговорот ртути в биосфере?

Каков круговорот свинца в биосфере?

Существует ли в биосфере круговорот других химических элементов и соединений?

Дата добавления: 2014-11-26