Круговорот веществ в биосфере

1. Круговорот веществ в биосфере

круговорот вода циркуляция биосфера Глобальный круговорот веществ: большой и малый. Круговороты газообразных веществ: углерода, азота. Осадочные циклы: круговорот фосфора и второстепенных элементов. Основные пути возвращения веществ в круговорот.

Большой круговорот — это циркуляция воздушных масс и воды в масштабах планеты.

Круговорот воды — суммарное испарение в этом круговороте компенсируется выпадением осадков, но из океана испаряется больше воды, чем возвращается с осадками, а на суше — наоборот. Избыток воды с суши по водотокам (рекам, ручьям, озерам) стекает обратно в океан. Часть воды испаряется, а часть поступает в грунтовые воды (при этом грунтовые воды сами частично пополняют поверхностный сток).

Живые организмы усложняют круговорот, т.к. существует процесс биологического испарения (транспирации).

Энергетические пути гидрологического цикла (около трети солнечной энергии):

• 1) верхний путь (испарение) — приводится в движение солнечной энергией;
• 2) нижний путь (выпадение осадков) — отдает энергию озерам, рекам, заболоченным земля, экосистемам и человеку (например, ГЭС).

Деятельность человека: дорожные покрытия, уничтожение лесов, строительство плотин и оросительных систем, интенсивный забор грунтовых вод.

Малый круговорот — синтез и разрушение органических соединений (1% от падающей энергии света).

Биогеохимические циклы — более или менее замкнутые пути движения химических элементов. В природе встречается около 100 элементов, из них 30−40 являются биогенными, т. е. нужны живым организмам. Макроэлементы: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, микроэлементы: медь, цинк и т. п.

Две части:

• 1) резервный фонд (недоступный) — большая масса медленно движущихся веществ. У газообразных веществ резервный фонд в атмосфере, у элементов осадочных циклов — в земной коре;
• 2) обменный фонд (доступный) — меньший и активный, быстро обменивается между организмами и окружающей средой.

Круговороты газообразных веществ имеют резервные фонды в атмосфере или океане — это мощные буферные системы, приспособленные к изменениям (регуляция не беспредельна).

Круговорот углерода — резервный фонд в океане и осадочных породах.

Поступление СО₂ в атмосферу:

• 1) дыхание всех организмов;
• 2) минерализация органических веществ;
• 3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (они сами биогенного происхождения);
• 4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (до 0,01%);
• 5) сжигание топлива.

Потребление СО₂:

• 1) в процессе фотосинтеза;
• 2) в реакциях с карбонатами в океане;
• 3) при выветривании горных пород.

Влияние человека: поступление СО₂ из антропогенных источников (сжигание горючих ископаемых, транспорт и уничтожение лесов).

Круговорот азота — резервный фонд в атмосфере.

Поступление азота:

• 1) денитрификация (биохимическое восстановление оксидов азота до молекулярного газа);
• 2) вулканические газы;
• 3) «индустриальные вулканы» (дым, выхлопные газы).

В водоемы азот поступает:

• 1) с поверхностным и дренажным стоком, с промышленными стоками из городов и сельских территорий;
• 2) с подземными водами.

Поглощение азота:

• 1) азотфиксация (азотфиксирующие бактерии и цианобактерии);
• 2) естественные физические процессы фиксации азота (молнии);
• 3) промышленный синтез NH₃.

Аммонификация — распад белков.

Нитрификация:

• 1) аммиак окисляется до азотистой кислоты (нитриты) — Nitrozomonas;
• 2) нитриты окисляются до нитратов — Nitrobacter.

Денитрификация — восстановление нитритов и нитратов до газоообразного азота — Pseudomonas и Micrococcus.

Осадочные циклы

Элементы движутся за счет эрозии, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и переноса живыми организмами.

Круговорот фосфора — резервный фонд в земной коре, один из наименее доступных биогенных элементов.

Поступление фосфора:

• 1) эрозия фосфатных пород (в т.ч. гуано);
• 2) минерализация продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных.

Образующиеся фосфаты (РО₄^3-) поступают в наземные и водные экосистемы, где вновь могут потребляться растениями.

Потребление фосфора: растения, животные для построения белков.

Влияние деятельности человека — промышленное производство удобрений и моющих средств: цикл размыкается, фосфор выносится с водой накапливается на дне водоемов, потери фосфора и его захоронение на дне океана. В воде, стекающей с городской территории, фосфора в 7 раз больше, чем в воде реки, протекающей через лес.

Круговороты второстепенных элементов.

Мигрируют между организмом и средой. Многие из них концентрируются в тканях благодаря сходству с важными биогенными элементами. Некоторые попадают в круговорот в результате деятельности человека. Токсичные вещества примешиваются к основным круговоротам.

Радиоактивные элементы:

Стронций-90 — по свойствам похож на кальций (может скапливаться в костях).

Цезий-137 — похож на калий, может накапливаться в тканях.

Биогеохимический цикл ртути.

Больше половины расходуемой ртути не возвращается в производство. Это значит, что она попадает в воды и оказывается в окружающей среде.

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

Основные пути возвращения веществ в круговорот:

• 1. Непосредственные выделения животных и человека без предварительного разложения бактериями. СО₂, растворимые органические и неорганические соединения фосфора и азота. Затрачивается энергия химических связей.
• 2. Микробное разложение органических остатков — детрита — редуцентами. Бактерии и грибы — основные редуценты. Затрачивается энергия химических связей.
• 3. Возвращение веществ в круговорот благодаря жизнедеятельности организмов, живущих в симбиозе с растениями (бактерии, грибы, водоросли и др.). Затрачивается энергия химических связей.
• 4. Поступление в круговорот элементов и веществ в результате физических процессов, движимых солнечной энергией (выветривания, эрозии, с потоками воды и т. д.) Затрачивается энергия Солнца.
• 5. Поступление элементов в биогеохимические циклы, связанные с деятельностью человека и затратами энергии ископаемого топлива. Опреснение морской воды, производство удобрений, металлов, других ценных веществ, извлекаемых из отходов. Энергия ископаемого топлива.

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

К_рец= ПВ_р/ПВ, где К_рец — коэффициент рециркуляции;

ПВ_р — рециркулируемая доля потока веществ (возврат);

ПВ — общий поток вещества через систему.

Рециркуляция (например, бумаги) возрастает в трех случаях:

• 1) при увеличении разнообразия и усложнении биотических компонентов;
• 2) при обеднении ресурсов среды на входе (мало деревьев в случае бумаги);
• 3) при накоплении отходов на выходе (мало места для свалок бумаги).

К_рец ниже для второстепенных элементов или для важных, но потребность в которых невелика (медь). Элементы, которые человек считает ценными (платина, золото, серебро), человек использует повторно на 90% и более. К_рец не характеризует скорость движения веществ по кругу (это зависит от температуры и климата экосистем). К_рец энергии равен нулю, т.к. энергия вторично не используется.

Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете должны быть направлены на то, чтобы превратить ациклические процессы в циклические. Основная цель — возвращение веществ в круговорот.