Возврат веществ в круговорот

Особенность биогеохимического цикла фосфора заключается в том, что, в отличие от азота и углекислого газа, резервным фондом его является не атмосфере, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.

Поступление фосфора в круговорот происходит в основном:

1) в процессе эрозии фосфатных пород (в том числе, гуано) и

2) вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и орга­нических остатков растений и животных.

Образующиеся фосфаты (РO₄^3-) поступают в наземные и водные экосистемы, где вновь могут потребляться растениями.

Потребляется фосфор растениями и животными для построе­ния белков протоплазмы и в промышленном производстве удобре­ний и моющих средств (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Биотический круговорот фосфора

Механизмы возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективны и не возмещают его потерь. Сейчас не происходят сколько-нибудь значительные поднятия отложений на поверхность. Вынос фосфатов на сушу осуществляется в основном с рыбой. Но это не компенсирует их поток с суши в море. Морские птицы также участвуют в возвращении фосфора в круговорот (например, скопления гуано на побережье Перу). Однако перенос фосфора и других веществ из моря на сушу птицами сейчас происходит не столь интенсивно, как в прошлом.

Влияние деятельности человека на циркуляцию фосфора ведет к потерям фосфора и захоронению его на дне океана, что делает цикл менее замкнутым. Так, по некоторые оценкам, с морской рыбой, вылавливаемой человеком, на сушу возвращается лишь около 60 тыс. т в год элементарного фосфора. Добывается же ежегодно около 2 млн. т фосфорсодержащих город. Большая часть этого фосфора попадает в море с моющими средствами, в производстве которых он используется, и с удобрениями, т. е. выключается из круговорота. Так, например, потери фосфора с ненарушенных облесенных водосборных бассейнов невелики и компенсируются поступлениями с дождем и продуктами выветривания. Но ниже по течению рек, где деятельность человека активна, - иная картина. С увеличением степени освоения, т. е. с увеличением площадей, занятых сельскохозяйственными полями и городами, в водах рек резко возрастает содержание фосфора. В воде, стекаю­щей с городских территорий, в 7 раз больше этого элемента, чем в воде реки, протекающей по местности, занятой лесом (рис. 5.8).

Фосфор, мг*л^-1

Рис. 5.8. Зависимость концентрации фосфора в воде реки от доли освоенной площади водосборного бассейна (по Ю. Одуму, 1986)

Кроме того, в стоке с освоенных территорий до 80 % фос­фора содержится п минеральной форме, т. е. в виде фосфатов, а в стоке с территорий, занятых естественной растительностью, преобладают органические соединения фосфора. Однако смыв фосфорных удобрений с полей не столь велик, как азотных, так как в воде фосфаты малорастворимы, а в щелочной среде -практически нерастворимы, и поэтому задерживаются почвенными частичками. А усвоение их растениями сильно зависит от кислот­ности почвенного раствора и растворимости образующихся соеди­нений (рис. 5.9).

________________ Увеличение кислотности ______________>

______>ро₄³___________ > нро₄²_____ > н₂ро₄________> н₃ро₄

Са₃(РO₄)₂ CaHPО₄ Са(Н₂РO₄)₂ Хорошо

плохо растворима малорастворима раств. растворима

________________Увеличение растворимости______________ >

Рис 5.9. Образование растворимых соединений фосфора в зависимости от кислотности

Исследования показали, что в наземных экосистемах большая часть фосфора находится в связанной форме и недоступна для растений. Отсюда можно сделать очень важный для практики вывод: избыток удобрений может оказаться столь же невыгодным, как и их недостаток. Если в почву вносится больше вещества, чем могут использовать в данный момент организмы, избыток его быстро связывается почвой и отложениями, становясь недоступным именно в тот период, когда он наиболее необходим организмам. Многие полагают, что если на площадь их сада следует внести 1 кг удобрений, то 2 кг принесут в два раза больше пользы. Но субсидии превращаются в источник стресса, если применять их в избытке.

Основные потери фосфора из круговорота происходят при сбросе промышленных, городских и сельскохозяйсгвенных сточных вод в водоемы; при применении избыточныхколичеств фосфорных удобрений и фосфорсодержащих моющих средств. Правда, производство последних в некоторых странах уже запрещено. При этом серьезные опасения вызывает также «цветение» воды вследствие «удобрения» её избыточным количеством фосфатов. Следствием этих процессов, из-за массового развития и отмирания водорослей, является вторичное загрязне­ние воды и захоронение фосфора с остатками водорослей.

В конечном счете, если мы хотим предотвратить угрозу голода, придется серьезно заниматься возвращением фосфора в круговорот. Уповать на геологические подъемы отложений в некоторых районах Земли, которые вернут на сушу «потерянные фосфаты», вряд ли возможно. Разумнее искать другие пути предотвращения потерь фосфора и прежде всего сократить его серое в водные объекты. Следует активнее использовать сточные воды для орошения наземной растительности, которая аккумулирует фосфор на по­верхности, или пропускать их через естественные водно-болотистые угодья, вместо того чтобы сбрасывать в реки.

Сохранение цикличности круговорота фосфора очень важно,
потому что из всех биогенных веществ, необходимых организмам
в больших количествах, фосфор - один из наименее доступных
элементов на поверхности Земли. Фосфор и теперь часто лимитирует первичную продукцию экосистем, а в будущем е о лимитирующее значение может резко возрасти, что грозит снижением пищевых ресурсов планеты.

Круговороты второстепенных элементов. Второстепенные элементы, как и жизненно важные, мигрируют между организмами и средой. Многие из^- них концентрируются в тканях благодаря химическому сходству с какими-либо важными биогенными элементами, что может оказаться опасным для организме. Некоторые второстепенные элементы попадают в круговорот в результате деятельности человека. Угрозу представляют токсинные отходы, все в больших объемах сбрасываемые в окружающую среду и примешивающиеся к основным круговоротам жизненно важных элементов. Большинство второстепенных элементов в концентрациях и формах, обычных для природных систем, не оказывают отрицательного влияния на организмы, гак как последние к ним адапти­рованы. Но и очень редкий элемент, если он вносится в среду в форме высокотоксичного соединения металла или искусственного радиоактивного изотопа, может приобрести важное значение, так, как даже небольшое количество такого вещества способно оказывать значительный биологический эффект.

В качестве примеров рассмотрим стронций, цезий и ртуть. При циркуляции стронция и цезия может происходить их концентрация и тканях.

Стронций Sr - хороший пример ранее малоизученного элемента, который теперь служит объектом особого внимания в связи с большой опасностью его радиоактивного изотопа для человека и животных. По свойствам стронций похож на кальций. На 1000 атомов кальция, участвующих в биогеохимическом цикле в природе, приходится 2,4 атома стронция. При производстве ядерного оружия и при работе атомных станций среди отходов обнаруживается радиоактивный стронций-90, который был неизвестен до расщеп­ления атома человеком. Даже ничтожно малые количества радиоактивного Sr, поступающие в окружающую среду с утечками из ядерных реакторов и после испытаний атомного оружия, опасны, поскольку мигрируют вместе с кальцием. Стронций, попадая через растения и животных в пищу человека, может накапливаться в костных тканях людей, как и кальций. По мнению некоторых ученых, в костях человека уже содержится такое количество стронция, которое может оказывать канцерогенное действие.

Цезий-137 (Cs-137) - другой опасный продукт деления атома. Он схож по свойствам с калием, и потому тоже очень активно циркулирует по пищевым цепям и может накапливаться в тканях человека. Как отмечалось выше, именно неумение избавляться от опасных радиоактивных отходов пока мешает более широкому применению атомной энергии в мирных целях.

Биогеохимический цикл ртути Нg - пример круговорота природного элемента, который почти не влиял на организмы до наступления индустриальной эры. Ртуть химически малоподвижна, а концентрации ее в природе невелики. Разработка месторождений и промышленное, использование увеличили поток ртути в атмосферу. Соответственно увеличился и ее сток с поверхностными водами. Увеличение содержания ртути, как, впрочем, и других тяжелых металлов (кадмия, меди, цинка, хрома), в окружающее среде стало серьезной проблемой. Ртуть используется в различном электротехническом оборудовании, термометрах, зубных пломбах, лекарствах, красках, фунгицидах и др. Больше половины расходуемой ртути не возвращается в производство. Это означает, что она попадает в природные воды и оказывается в окружающей среде (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Загрязнение озера ртутью

На рис. 11 показаны оценки потоков ртути в сравнении с ее потоками в доиндустриальный период. Запасы ртути связаны в прямоугольниках в сотнях тонн, а потоки (стрелки) - в сотняx тонн в год. Цифры в скобках показывают потоки до появления человека. Штрихами обозначены два новых потока, порожденных деятельностью человека.

Рис. 5.11. Схема круговорота ртути

В результате разработки отложений и увеличения выбросов ртути возрастает ее количество в почвах, воде, живых организмах. При этом микроорганизмы, участвующие в круговороте, превращают ее нерастворимые формы в растворимую, очень подвижную и очень ядовитую - метилртуть. Рыбы и моллюски накапливают метилртуть до концентраций, опасных для человека, использующего их в пищу.

Трансформация веществ в окружающей среде и накопление их в живых организмах в процессе круговорота должны учитываться при использовании опасных химических элементов.

Рециркуляция веществ в природных экосистемах должна служить моделью для решения одной из главных природоохранных задач - возвращения различных использованных веществ в естественные циклы.

Основные пути возвращения веществ в круговорот показаны на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Пять основных путей возврата веществ в круговорот

1. Непосредственные выделения животных и человека без предварительного разложения бактериями. В состав выделений входят СO₂, растворимые органические и неорганичес­кие соединения фосфора и азота, которые могут непосредственно усваиваться растениями. Например, в толще морской воды мелкий фитопланктон активно и быстро поедается животными, особенно микрозоопланктоном. Поэтому азот и фосфор в этих условиях регенерируются в основном из экскрементов животных. Исследования доказывают, что зоопланктон (дафнии, коловратки, простейшие и др.) выделяет в воду в несколько раз больше минеральных элементов питания, чем освобождается после микробного разложения отмерших растительных организмов.

2. Микробное разложение органических остатков - детрита (лат. detritus - истертый) - редуцентами. Бактерии и грибы - основные агенты регенерации элементов этим путем, который преобладает в наземных экосистемах, особенно умеренной зоны. Гетеротрофный процесс разложения, происходящий благодаря жизнедеятель­ности микроорганизмов, приводит не только к освобождению потенциальной энергии органических веществ, но и к регенерации химических элементов, вступающих в новый цикл обращения.

3. Возвращение веществ в круговорот благодаря жизнедеятельности организмов, живущих в симбиозе с растениями. Это могут быть бактерии, микроскопические грибы, водоросли, лишайники, другие растения. Они передают элементы питания непосредственно растениям, как, например, клубеньковые бактерии. Этот путь особен­но важен в экосистемах с низким содержанием питательных веществ.

4. Поступление в круговорот элементов и веществ в результате физических процессов, движимых солнечной энергией, т. е. в результате выветривания, эрозии, с потоками воды и т. д. Вода также возвращается в круговорот благодаря энергии Солнца. Таким путем элементы из осадочных пород выносятся из абиотического резервуара и попадают в биотические циклы.

5. Поступление элементов в биогеохимические циклы, связанные с деятельностью человека и затратами энергии ископаемого топлива. Таким путем возвращаются в круговорот опресненная морская вода, биогенные элементы в виде удобрений, металлы, другие ценные вещества, извлекаемые из отходов, и т. д.

На возврат веществ в круговорот всегда затрачивается энергия. Для первых трех путей энергия поступает из органических веществ, для четвертого - от Солнца, для пятого - от топлива. В четырех случаях из пяти людям не приходится затрачивать дорогостоящее топливо. Если не нарушать природные механизмы рециркуляции, то они способны возвращать в круговорот и воду, и питательные вещества. Повторное же использование промышленных материалов, например металлов (когда их запасы ограничены), требует затрат топлива и денежных средств.

Иногда элементы питания могут высвобождаться из остатков и выделений организмов и без участия микроорганизмов. Этот процесс называется автолизом (саморастворением). Автолиз, имеет большое значение тогда, когда степень дисперсности отмерших частичек велика (размеры очень малы), т. е. они имеют большую (относительно с объема) поверхность соприкосновения с водой. В водных системах еще до бактериального | изложения детрита может освобождаться от 25 до 75 % биогенных элементов. При проектировании систем очистки сточных вод часто выгодно затратить механическую энергию для распыления органического вещества, чтобы ускорить его разложение. Такую же работу выполняют и животные организмы, измельчая и перерабатывая органические остатки (например, дождевые или водные черви). Так, водные черви олигохеты, из семейства трубчатых, пропускают за сутки через кишечник количество ила, во много раз превосходящее массу их тела. Грубый ил и детрит в кишечнике перетираются и выбрасываются на поверхность отложений уже сильно измененными по механическому и химическому составу, а увеличение степени дисперсности и минерализация переработанных частиц в 3 4 раза ускоряют освобождение питательных веществ (Л. И. Цветкова, 1968).

Рециркуляцию веществ в антропогенной системе промышленного города удобно рассмотреть на примере повторного использования бумаги (рис. 5.13). Ее движение напоминает циркуляцию важных элементов в естественных экосистемах. Пока имеются большие запасы деревьев в лесу, бумажные фабрики и свободные участки земли для свалки ненужной бумаги, нет стимулов тратить средства и энергию на ее повторное использование. Но по мере того как растет плотность населения в пригородах, дорожает земля, становится все труднее находить места для свалок - отходы на выходе накапливаются. Запасы пригодной древесины мог)т постепенно иссякать (беднеют ресурсы среды на входе). Возможно также, что существующие фабрики перестанут обеспечивать спрос на бумагу. Во всех этих случаях следует подумать о повторном использовании бумаги. Для этого должен быть рынок сбыта старой бумаги, т. е. фабрика по переработке макулатуры. Такая фабрика реализует механизмы экономии энергии путем рециркуляции и соответствует диссипативной структуре в природной системе.

Вторичное использование бумаги выгодно всему населению. Это уменьшает вред, наносимый окружающей среде, и расходы, идущие на очистку города. Для вторичного использования бумаги необходимы: участие горожан; система сбора в склады для хранения; заводы по переработке макулатуры; транспорт; рынок для использованной бумаги (перерабатывающая: фабрика); экономически эффективная технология переработки. К сожалению,из-за инерции и административного разделения города и области часто слишком поздно начинают утилизировагь использованные материалы, что ведет к моральным и материальным убыткам.

Рис.5. 13. Схема движения использованной бумаги в городской системе: А - достаточные запасы сырья (деревья в лесу) и достаточные площади для свалок; Б - ресурсы сырья иссякают, отходы накапливаются

Оценка степени рециркуляции веществ внутри экосистемы осуществляется с помощью коэффициента рециркуляции:

К рец = ПВр / ПВ,

где К рец - коэффициент рециркуляции; ПВр - рециркулируемая доля потока веществ, проходящего через систему (возврат); ПВ - общий поток вещества через систему.

На рис.5.14 приведена схема, поясняющая возврат веществ в круговорот.

Рис. 5.14. Схема возврата веществ в круговорот (по Ю. Одуму, 1986).

Для экспериментального водосборного бассейна был рас­считан коэффициент рециркуляции кальция. Он оказался равным 0,76 - 0,80. Это означает, что около.80 % общего потока кальция, проходящего через систему, используется в ней многократно. Для калия, натрия и азота коэффициенты рециркуляции оказались выше. В этом водосборном бассейне циркулирующие элементы по значению К _рец располагались от большего к меньшему следующим образом;

K>Na>N>Ca>P>Mg>S

Значение коэффициента рециркуляции для каждого элемента зависит от его поступления извне, подвижности и потребности в нем организмов. Возврат веществ в природных экосистемах возрастает в трех случаях: 1) при увеличении разнообразия и усложнении биотических компонентов, 2) при обеднении ресурсов среды на входе, 3) при накоплении отходов на выходе. Или при наличии всех трех условий. Как правило, Крец ниже для второстепенных элементов или для важных, но потребность, в которых невелика (например, для меди). Элементы, которые человек считает ценными для себя (платина, золото, серебро), он использует повторно на 90 % и более. Коэффициент рециркуляции не характеризует скорость движения веществ по кругу, которая в значительной степени определяется температурными и климатическими особенностями экосистем. Коэффициент рециркуляции энергии равен нулю, поскольку энергия вторично не используете.

Усилия по охране природных ресурсов, в конечном счете; должны быть направлены на то, чтобы превратить ациклические процессы в циклические. Основной целью должно стать возвращение веществ в круговорот. Начинать следует с воды, так как, если удастся восстановить и поддерживать круговорот воды, станет возможным взять под контроль и элементы питания, которые движутся вместе с ней.

Контрольные вопросы

1. Чем различаются большой и малый круговороты веществ?

2. Какой процесс лежит в основе большого круговорота веществ?

3. Какова основная особенность круговорота воды?

4. Какие процессы лежат в основе малого круговорота веществ?

5. В чем различие газообразных и осадочных биогеохимических циклов?

6. Как влияет человек на содержание СО₂ в атмосфере?

7. Какие ядовитые соединения углерода могут накапливаться в воздухе, как они влияют на человека?

8. Какие процессы лежат в основе круговорота азота?

9.. Какой процесс называется денитрификацией?
10. Какой процесс называется нитрификацией?

11. Какие организмы могут усваивать газообразный азот из атмо­сферы?

12. Почему азотные удобрения более дорогие, чем другие виды удобрений?

13. Как влияет человек на круговорот азота?

14. В чем особенности круговорота фосфора?

15. Как влияет человек на биогеохимический цикл фосфора?

16. К каким последствиям приводит избыточный сток фосфора в реки, озера, моря?

17. Как оценить степень рециркуляции элементов в экосистемах?

18. Для каких веществ, используемых человеком, коэффициент рециркуляции наибольший?

19. Какие условия приводят к увеличению коэффициента рецирку­ляции?

20. При каких условиях выгодно повторное использование бумаги или других материалов? Приведите примеры.

Дата добавления: 2014-01-04