Основные понятия о биогеохимических круговоротах

Лекция 25-28

Тема: Основы планетарных круговоротов элементов.

План

1. Основные понятия о биогеохимических круговоротах.

2. Важнейшие биогеохимические круговороты.

Круговорот углерода.

Круговорот азота.

Круговорот фосфора.

Круговорот серы.

Круговорот кислорода.

Круговорот воды.

Круговороты других биогенных элементов.

3. Воздействие человека на биогеохимические круговороты и его последствия.

Живое вещество планеты трансформирует солнечную энергию и вовлекает материю в непрерывный круговорот. Именно живое вещество определило современный химический состав атмосферы, гидросферы, почв и, в значительной степени, осадочных пород Земли. В.И.Вернадский писал: «Прекращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений если не всей земной коры, то во всяком случае ее поверхности – лика Земли, биосферы».

Химический состав живых организмов во многом отличается от состава атмосферы и литосферы. Он ближе к химическому составу гидросферы по абсолютному преобладанию атомов водорода и кислорода. Но в отличие от гидросферы в организмах велика доля углерода, кальция и азота.

Живое вещество, в основном, состоит из элементов, являющихся водными и воздушными мигрантами, т.е. образующих газообразные и растворимые соединения. Следует отметить тот факт, что 99,9% массы живых организмов приходится на те элементы, которые преобладают в земной коре, хотя и в других соотношениях. Таким образом, жизнь есть химическое производное земной коры. В организмах обнаружены почти все элементы таблицы Д.И.Менделеева, т.е. живые организмы характеризуются теми же химическими особенностями, что и неживая природа.

Чтобы биосфера продолжала существовать и на Земле не прекращалось развитие жизни, постоянно должны происходить непрерывные химические превращения ее живого вещества. Иными словами, вещества после использования одними организмами должны переходить в усвояемую для других орга­низмов форму. Такая циклическая миграция веществ и химических элемен­тов может осуществляться только при определенных затратах энергии, ис­точником которой является Солнце. Академик В.Р. Вильямс указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного - это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.

Из-за геологических изменений лика Земли часть вещества биосферы мо­жет исключаться из этого круговорота. Например, такие биогенные осадки, как каменный уголь, нефть на многие тысячелетия консервируются в толще земной коры, но в принципе не исключено их повторное включение в био­сферный круговорот.

Круговорот веществ -это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере, в том числе и тех их сло­ях, которые входят в биосферу планеты. При этом выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биогенный и биохимичес­кий).

Рис.1. Большой круговорот веществ в пределах верхних оболочек Земли

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабах планеты.

Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов и т.п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии, переносу, перераспределению. Осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу – и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре.

Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояние и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ.

На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический круговорот.

В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. Общее количество солнечной энергии, ежегодно поступающей на Землю, составляет примерно 2∙10²⁴ Дж, аккумулируется – 1,9∙10²¹ Дж. Таким образом, на создание органического вещества затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Под действием этой энергии разлагается фотохимическим путем около 130 млрд т воды и выделяется в среду 115 млрд т кислорода. В круговороте участвует азот, кремний, кальций, сера, фосфор, углерод и многие другие вещества (всего в биологический круговорот вовлечено белее 60 элементов). Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму.

Рис.2 Малый биотический круговорот

Все химические элементы, встречающиеся в природе, участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ. В круговороте отдельных элементов различают две части:

1. резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ (в основном небиологическая часть) и

2. подвижный, или обменный фонд – меньший, но более активный, который быстро обменивается между организмами и окружающей их средой. Иногда резервный фонд называют «недоступным», а обменный – «доступным».

Более или менее замкнутые пути движения химических элементов называются биогеохимическими циклами.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через раститель­ные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использова­нием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом. Его часто называют большим биосферным кругом, имея в виду безо­становочный планетарный процесс перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся эколо­гические системы биосферы. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме круговорота воды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.

Биогеохимические круговороты в биосфере подразделяют на:

1) кругово­роты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров) и

2) круговороты оса­дочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (фосфора, каль­ция, железа).

Круговороты газообразных веществ, в которых участвуют, например, углекислый газ, азот, кислород благодаря наличию крупных атмосферных или океанических фондов достаточно быстро компенсируют возникающие нарушения. Например, избыток СО₂, обусловленный интенсивным окислением, горением или промышленными выбросами в каком-либо районе, обычно быстро рассеивается с воздушными потоками. Кроме того, излишки СО₂ компенсируются усиленным фотосинтезом и превращением их гидрокарбонаты в морях. Круговороты газообразных веществ с большими резервными фондами можно считать в глобальном масштабе хорошо сбалансированными; однако способность к саморегуляции даже при таком резервном фонду, как атмосфера или океан, конечно, не беспредельна. Осадочные же циклы, в которых участвуют такие элементы, как фосфор или железо, легче нарушаются в результате местных изменений, потому что в этих случаях основная масса вещества сосредоточена в относительно малоактивном и малоподвижном резервном фонде в земной коре. Циклы с малым объемом резервного фонда более подвержены воздействию человека.

Участие человека в изменении природных биогеохимических циклов, при всем их многообразии, сводится к двум категориям:

1) изменения в природных круговоротах в результате добавления или удаления присутствующих в них химических веществ из-за вызванных человеком воздействий;

2) поступление в окружающую среду необычных для природы химических соединений в результате промышленного синтеза и производства новых веществ, причем влияние этих химических соединений на окружающую среду сложно предсказать, поскольку обычно не существует в природе подобных им соединений, чье поведение уже изучено. Новое вещество может оказаться безвредным, но недостаток знаний может привести к непредвиденным, а порою и пагубным последствиям. Например, ХФУ (хлорфторуглеводороды). Из-за их химической инертности считалось, что они будут абсолютно безвредны для окружающей среды. Это оказалось верным для всех природных резервуаров, за исключением верхних слоев атмосферы, где они подвергаются распаду под влиянием солнечного излучения. Продукты распада ХФУ приводят к разрушению озонового слоя, который образует природный барьер, защищая все живое от пагубного воздействия УФ-излучения, приходящего от Солнца.

Геохимические барьеры.

Участки биосферы, на которых в миграционном потоке на коротком расстоянии резко уменьшается интенсивность миграции химических элементов, и следствие этого процесса, повышается их концентрация, получили название геохимических барьеров. Геохимические барьеры биосферы разделяются на два типа – природные и техногенные.

Оба типа геохимических барьеров подразделяются на три класса:

1) физико-химические; изменение концентрации веществ связано с их отложением из растворов при изменении физико-химической обстановки (испарительные, сероводородные – в устьях рек, кислородные – при осушении болот, сорбционные – выброс в атмосферу коллоидных частиц);

2) биогеохимические; накопление химических элементов растительными и животными организмами (например, накопление веществ в высоких концентрациях сельскохозяйственными культурами, зеленые насаждения около промзоны могут задерживать поступление токсичных веществ из атмосферы);

3) механические – представляют собой участки с резким уменьшением интенсивности механического перемещения веществ в соответствии с их отложениями. В биосфере механические барьеры связаны в основном с миграцией элементов в минеральной или коллоидной формах. Миграция чаще всего происходит в воздушной и водной средах, а также на границе сред (горные системы – задерживают облака и на них выпадают осадки, лесополосы задерживают пыль). Примером техногенных химических барьеров служат речные и противоселевые плотины.

Живое вещество биосферы.

Самой активной частью биосферы, обеспечивающей миграцию и круговорот химических элементов, является живое вещество биосферы, масса которого оценивается цифрой около 2,4 ∙ 10^|12 т (в сухом виде).

Различают пять функций живого вещества, имеющих общепланетарное значение и имеющих в той или иной степени химическую основу:

- энергети­ческую,

- газовую,

- концентрационную,

-окислительно-восстановительную,

- деструкционную.

Благодаря энергетической функции осуществляется связь биосферно-пла­нетарных явлений с излучением Космоса, прежде всего с солнечной радиаци­ей. Основой указанной функции является фотосинтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солнца и ее последующее перераспределе­ние между компонентами биосферы (растениями, животными, микроорганиз­мами). Накопленная солнечная энергия способствует протеканию всех жиз­ненных процессов. За время существования жизни на Земле живое вещество превратило в химическую энергию огромное количество солнечной энергии. Значительное количество ее в ходе геологической истории накопилась в свя­занном виде (залежи угля, нефти и других органических веществ).

Проявлением газовой функции является миграция газов и их превраще­ние, формируется газовый состав биосферы. Отметим, что преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород ат­мосферы накоплен за счет фотосинтеза. При этом количество молекул кисло­рода, выделяемых земными растениями, пропорционально количеству свя­зываемых водой молекул диоксида углерода. Последний поступает в атмо­сферу за счет дыхания всех организмов. Другой, не менее мощный его источник - выделение по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химических процессов под действием высоких температур.

Концентрационная функция определяется способностью живых организмов аккумулировать различные химические элементы из окружающей среды — почвы, воды, атмосферы. В результате некоторые виды растений и животных концентрируют химические элементы в количествах, в сотни и тысячи раз превышающих их содержание в среде обитания. Так, морские водоросли по­глощают йод, злаки - кремний, фиалки - цинк, моллюски и ракообраз­ные - медь и т. п. Следствием аккумулирующей функции живых организмов являются геохимические аномалии многих участков земной поверхности, т.е. локальные скопления некоторых химических элементов, меняющие геохими­ческую ситуацию экосистем.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом пре­вращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисле­ния (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате проис­ходят превращения большинства химических соединений, при этом преобла­дают биогенные процессы окисления и восстановления.

Благодаря деструктивной функции протекают процессы, связанные с разложением остатков мертвых организмов. При этом происходит минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в косное.

Дата добавления: 2014-01-04