Биогехимические циклы в водных экосистемах

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Основные понятия о биогеохимических циклах

2. Химические элементы в природе — круговорот и миграция

3. Круговорот азота

4. Круговорот фосфора

5. Круговорот серы

6. Круговорот углерода

7. Круговорот кремния

8. Круговорот железа и марганца Заключение Список использованных источников ВВЕДЕНИЕ Между живым и косным компонентами экосистем происходит непрерывный обмен различными элементами, обуславливаемый взаимодействием биологических и геохимических процессов. Около 40 химических элементов, обнаруживаемых в живом веществе, в результате его деструкции попадают во внешнюю среду, в той или иной мере включаются в состав абиотического компонента экосистемы и вновь извлекаются в процессе биосинтеза. Из этих 40 элементов наибольшее значение в живом веществе имеют кислород, водород, углерод, азот, сера и фосфор, входящих в состав белков, жиров и углеводов. По сравнению с неживым компонентом живое вещество более карбоксилировано, гидрогенизировано и гидратировано.

Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана — приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость Химические элементы циркулируют в биосфере по определённым путям — биогеохимическим циклам (круговоротам). В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.

В каждом круговороте различают резервный фонд — большую массу медленно циркулирующих веществ, в основном не связанных с организмами, и обменный фонд — меньшую, но более активную часть всей массы, для которой характерен быстрый обмен между организмами и средой. В зависимости от локализации резервного фонда выделяют круговорот газов и осадочный цикл. В первом случае резервных фонд локализован в атмосфере и водной толще, во втором — в донных осадках.

Из многих веществ, участвующих в биогеохимическом круговороте, наибольшее экологическое значение имеют те, которые, с одной стороны являются важнейшими компонентами живого вещества, а с другой — присутствуют в среде в количествах, лимитирующих интенсивность биосинтеза. Это азот, фосфор, сера, углерод. Знание биогеохимических циклов — необходимое условие управления экосистемами, особенно ели учесть, что соли азота и фосфора специально вносят во многие водоёмы для повышения эффективности их хозяйственного освоения.

Морская вода участвует во множестве химических и биохимических преобразований веществ, которые находятся в ней в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, в свободном состоянии и в различных соединениях. Гидросфера в целом служит средой и могучим транспортным средством в сложных изменениях и перемещениях химических элементов, происходящих в биосфере и литосфере.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом.

Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями.

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах её развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний день.

В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных элементов и веществ она не одинакова), но, тем не менее, не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция.

2. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДЕ — КРУГОВОРОТ И МИГРАЦИЯ Между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние. Круговорот элементов имел место в течение всей истории Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет.

Огромные массы химических веществ переносятся водами Мирового океана. В первую очередь это относится к растворенным газам — диоксиду углерода, кислороду, азоту. Холодная вода высоких широт растворяет газы атмосферы. Поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она их выделяет, так как растворимость газов при нагревании уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при смене теплых и холодных сезонов года.

Огромное влияние на природные циклы некоторых элементов оказало появление жизни на планете. Это, в первую очередь, относится к круговороту главных элементов органического вещества — углерода, водорода и кислорода, а также таких жизненно важных элементов как азот, сера и фосфор. Живые организмы оказывают влияние и на круговорот многих металлических элементов. Несмотря на то, что суммарная масса живых организмов Земли меньше массы земной коры в миллионы раз, растения и животные играют важнейшую роль в перемещении химических элементов.

Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес).

Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана — приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость.

Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

Во всех природных водах в растворенном состоянии содержатся различные газы, главным образом азот, кислород и углекислый газ. Количество газов, которое способна растворить морская вода, зависит от ее солености, гидростатического давления, но главным образом от температуры. Чем больше соленость и чем выше температура, тем меньше газов может растворить морская вода, и наоборот.

Итак, мы видим, что морская вода участвует во множестве химических и биохимических преобразований веществ, которые находятся в ней в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, в свободном состоянии и в различных соединениях. Гидросфера в целом служит средой и могучим транспортным средством в сложных изменениях и перемещениях химических элементов, происходящих в биосфере и литосфере.

3. КРУГОВОРОТ АЗОТА В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4*1015) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20*1012) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

Из огромного запаса азота в атмосфере и осадочной оболочке литосферы в круговороте его участвует только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана.

Часть газообразного азота растворена в природных водах, которые содержат и растворенные азотсодержащие органические вещества и неорганические ионы: катион аммония, нитрит-ион и нитрат-ион. Поскольку азот не образует нерастворимых солей, он только в редких случаях накапливается в литосфере. Так, в южноамериканской пустыне Атакама есть скопления нитрата натрия, который, несмотря на высокую растворимость в воде, сохраняется благодаря исключительно сухому климату.

Азот является обязательной составной частью белков. Поэтому азот в значительном количестве содержится в живых организмах и «мертвом» органическом веществе. Азот непрерывно перемещается между атмосферой, океаном, живыми организмами и почвой.

В атмосфере под действием электрических разрядов азот переходит сначала в монооксид азота, а затем в диоксид азота. Влага воздуха и кислород превращают диоксид азота в азотную кислоту. Соединения азота легко растворяются в атмосферных осадках и попадают на поверхность Земли.

Большое значение в связывании атмосферного азота имеет жизнедеятельность клубеньковых бактерий, обитающих на корнях бобовых растений. Ферменты этих бактерий превращают молекулярный азот в соединения, которые затем усваиваются растениями. Из растений связанный азот поступает в организмы животных, в основном, в виде аминокислот и белков. После гибели живых организмов органические вещества превращаются в неорганические соединения, снова усваиваемые растениями. Часть азота в почвах превращается в молекулярный азот и переходит в атмосферу. Молекулярный азот образуется также при полном окислении органических веществ.

Некоторая часть азота с речным стоком поступает с суши в океан. Количество азота, ежегодно выносимое реками в океан (24 млн. т), почти в 100 раз меньше того количества, которое захватывается живым веществом на суше. Относительно круговорота азота в океане данных очень мало. На содержание элементарного азота в океанической воде влияют биохимические процессы: с одной стороны, процессы минерализации азотсодержащих органических веществ — планктона и других организмов, детрита до освобождения свободного N2, с другой стороны, обратный процесс фиксации элементарного азота, растворенного в воде, сине-зелеными водорослями, азотобактериями (рисунок 1).

Соединения азота попадают в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, а в природные воды с бытовыми и промышленными отходами.

Слишком большое количество растворимых соединений азота в почве приводит к росту их содержания в продуктах питания и питьевой воде, это может стать причиной серьезных заболеваний. Соединения азота накапливаются в водоемах и вызывают зарастание озер и водохранилищ. Пока подобные явления наблюдаются лишь в отдельных районах, где в окружающую среду попадает много соединений азота. В целом же природа пока справляется с тем количеством связанного азота, которое производится человеком.

Рисунок 1 — Круговорот азота Антропогенное влияние на круговорот азота определяется следующими процессами:

1) сжигание топлива приводит к образованию оксида азота;

2) в результате воздействия некоторых бактерий на удобрения и отходы животноводства образуется закись азота — один из компонентов, создающих парниковый эффект;

3) добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат-ионы и ионы аммония, для производства минеральных удобрений;

4) при сборе урожая из почвы выносятся нитрат-ионы и ионы аммония;

5) стоки с полей, ферм и из канализаций увеличивают количество нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах, что ускоряет рост водорослей и других растений; при разложении последних расходуется кислород, что, в конечном счете, приводит к гибели рыб;

6) способствует выпадению кислотных дождей.

4. КРУГОВОРОТ ФОСФОРА Фосфор — важнейший биогенный элемент, чаще всего лимитирующий развитие продуктивности водоемов. Поэтому поступление избытка соединений фосфора с водосбора с поверхностным стоком с полей, со стоками с ферм, с неочищенными бытовыми сточными водами, а также с некоторыми производственными отходами приводит к резкому неконтролируемому приросту растительной биомассы водного объекта (это особенно характерно для непроточных и малопроточных водоемов). Происходит так называемое изменение трофического статуса водоема, сопровождающееся перестройкой всего водного сообщества и ведущее к преобладанию гнилостных процессов (и, соответственно, возрастанию мутности, солености, концентрации бактерии).

Общий круговорот фосфора можно разделить на две части: водную и наземную. В экосистеме океана фосфор приносится текучими водами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка — морских птиц. Их экскременты снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море.

Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.

Фосфор содержится в земной коре и живых организмах в небольших количествах; тем не менее, он имеет очень большое значение для растений и животных. Без этого элемента невозможен синтез белков. Кроме того, фосфор входит в состав костей и зубов. Именно недостаточное количество фосфора чаще всего ограничивает рост массы живого вещества. Значительная часть фосфора содержится в почвах.

Фосфор образует многочисленные минералы (например, фосфориты), однако они не часто встречаются в горных породах в больших количествах. В атмосфере фосфор практически отсутствует. В природных водах фосфор присутствует в составе органических соединений и взвешенных твердых частиц. Лишь небольшая его часть находится в растворе в виде ортофосфат-иона и гидроортофосфат-иона.

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием органических веществ. Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности.

Таким образом, фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно.

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор — основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы.

Полагают даже, что фосфор — главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это — наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.

В океане «органический» фосфор многократно переходит от одного живого организма к другому и медленно накапливается в донных отложениях в виде малорастворимых фосфатов. Эти потери фосфора компенсируются только из одного источника — выветривающихся горных пород суши, куда они попадают со дна океанов в результате длительных геологических процессов (рисунок 2).

Деятельность человека нарушила природный круговорот фосфора. Соединения фосфора используются для производства удобрений и моющих средств. Это приводит к загрязнению водоемов соединениями фосфора. В таких условиях фосфор перестает быть элементом, ограничивающим рост массы живых существ, особенно водорослей и других водных растений.

Рисунок 2 — Круговорот фосфора

5 КРУГОВОРОТ СЕРЫ Сера содержится в атмосфере в небольших количествах, в основном, в виде сероводорода и диоксида серы. Довольно много этого элемента (в виде сульфат-ионов) находится в гидросфере. В литосфере сера встречается в виде простого вещества (самородная сера) и в составе многочисленных минералов — сульфидов и сульфатов металлов. Кроме того, соединения серы есть в углях, сланцах, нефти, природном газе. Сера входит в состав многих белков, поэтому она всегда содержится в организмах животных и растений.

Выделяясь из глубин Земли, газообразные соединения серы (преимущественно диоксид серы и сероводород) растворяются в подземных водах. Здесь они образуют малорастворимые сульфиды (главным образом пирит — дисульфид железа) и сульфаты (в частности, сульфат кальция). Образуется также самородная сера.

Газообразные соединения серы попадают в почву, атмосферу и Мировой океан, где их поглощают серные бактерии. Поглощение соединений серы бактериями происходит и в почве.

Малорастворимые сульфиды, содержащиеся в горных породах, в результате жизнедеятельности некоторых бактерий частично окисляются, превращаясь в легко растворимые сульфаты.

Водорастворимые сульфаты выносятся с поверхности суши с речным стоком, поставляя сульфат-ионы в Мировой океан (рисунок 3).

В результате активного связывания серы в земной коре, гидросфере и живых организмах, содержание сероводорода и диоксида серы в атмосфере мало и непостоянно. Под действием кислорода и озона эти вещества постепенно превращаются в серную кислоту.

Серная кислота возвращается на землю с атмосферными осадками.

Хозяйственная деятельность людей приводит к увеличению содержания соединений серы в атмосфере и гидросфере. В результате изменений в методах животноводства и земледелия (выпас, вспашка, мелиорация) увеличились выбросы серосодержащих соединений в виде пыли. Еще больше серы попадает в атмосферу в форме диоксида серы при обжиге сульфидных руд. Это, в свою очередь, вызывает увеличение потока серы, попадающей из атмосферы в океаны и на поверхность суши. Природные воды загрязняются также удобрениями с полей и стоками промышленных предприятий.

Таким образом, человеческая деятельность существенно изменила круговорот серы между атмосферой, океанами и поверхностью суши. Эти изменения сильнее, чем воздействие человека на цикл углерода. Как и в случае глобального цикла углерода, техногенные выбросы серы в окружающую среду мало влияют на распределение масс этого элемента на поверхности Земли. Однако повышенное содержание серы в промышленных и бытовых отходах создают опасность для жизни на обширных территориях. Массированный выброс диоксида серы в атмосферу порождает кислотные дожди, которые могут выпадать далеко за пределами индустриальных районов. Загрязнение природных вод растворимыми соединениями серы несет угрозу живым организмам внутренних водоемов и прибрежных областей морей.

Рисунок 3 — Круговорот серы

6. КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА Самый интенсивный биогеохимический цикл — круговорот углерода.

Углерод — основной элемент жизни. Он содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных водах Земли углерод находится в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат — иона, карбонат иона и растворенного диоксида углерода. Основная масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом цикле круговорота. Большое количество углерода сосредоточено в виде органических соединений в животных и растениях. Много «неживого» органического вещества имеется в почве. Углерод литосферы содержится также в карбонатных минералах (известняк, доломит, мел, мрамор). Часть углерода входит в состав нефти, каменного угля и природного газа.

Самыми крупными резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше. Однако большая часть этого вещества не взаимодействует с атмосферой, а подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах. Поэтому эти резервуары играют лишь второстепенную роль в сравнительно быстром цикле углерода, протекающем с участием атмосферы. Следующим по величине резервуаром является морская вода. Но и здесь глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода, не взаимодействует с атмосферой так быстро, как их поверхность. Самыми маленькими резервуарами являются биосфера суши и атмосфера. Именно небольшой размер последнего резервуара делает его чувствительным даже к незначительным изменениям процентного содержания углерода в других (больших) резервуарах, например, при сжигании ископаемых топлив.

Современный глобальный цикл углерода состоит из двух меньших циклов. Первый из них заключается в связывании диоксида углерода в ходе фотосинтеза и новом образовании его в процессе жизнедеятельности растений и животных, а также при разложении органических остатков. Второй цикл обусловлен взаимодействием диоксида углерода атмосферы и природных вод.

Между сушей и Мировым океаном постоянно идут процессы миграции углерода, в которых преобладает вынос его в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Из Мирового океана на сушу углерод поступает в незначительных количествах в форме, выделяемого в атмосферу. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет (рисунок 4).

В последнее столетие в углеродный цикл существенные изменения внесла хозяйственная деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива — угля, нефти и газа — привело к увеличению поступления диоксида углерода в атмосферу. Это не очень сильно влияет на распределение масс углерода между оболочками Земли, но может иметь серьезные последствия из-за усиления парникового эффекта.

Рисунок 4 — Круговорот углерода

7. КРУГОВОРОТ КРЕМНИЯ Кремний является вторым по распространенности (после кислорода) химическим элементом в земной коре. Его кларки в земной коре — 29,5, в почве — 33, в океане — 5*. Однако, несмотря на огромную распространенность кремния и его соединений в природе (кварц и силикаты составляют 87% литосферы), биогеохимические циклы кремния (особенно на суше) изучены еще недостаточно.

Содержание кремнезема в водах современных озер и рек составляет 10−30 мг/л, а в морской воде еще меньше — 0,5−3 мг/л, то есть он присутствует в виде резко ненасыщенного раствора. Это связано с тем, что кремний непрерывно поглощается из воды живыми организмами.

В.И. Вернадский считал, что никакой организм в биосфере не может существовать без кремния, необходимого для образования клеток и тканей растений и животных, их скелетов. Живое вещество извлекает кремний из природных вод и почв для питания и функционирования биохимических процессов, высвобождая его затем с экскрементами и при отмирании. В результате отмирания миллиардов организмов огромные массы кремнезема откладываются на дне водоемов. Так формируется биогеохимический цикл кремния. В. И. Вернадский подчеркивал, что историю кремнезема нельзя понять без изучения результатов жизнедеятельности организмов.

М. Страхов доказал возможность исключительно биогенного извлечения Si из поверхностных вод. Однако, поступление растворенного кремнезема в океан с суши недостаточно для нормального развития фитопланктона. Именно поэтому в умеренных и тропических широтах в океане слабо развиты организмы с кремнистым скелетом. При существующей насыщенности воды кремнезёмом для нормального развития фитопланктона диатомовых водорослей каждый атом кремния должен в течение года использоваться многократно (десятки и даже сотни раз). Из всей массы кремнезема, продуцированного в поверхностном фотосинтезирующем слое, донных отложений достигает не более 0,1 части, а нередко это только 0,05 — 0,01 часть. Остальной кремнезём снова переходит в водорастворимое состояние. В дальнейшем, он захватывается из воды новыми поколениями диатомовых водорослей, кремнистых губок и радиолярий. Тем не менее, доходящая до дна 0,1 — 0,01 часть остатков скелетов диатомового планктона приводит к значительным по масштабам накоплениям осадочных кремнистых пород. Эта ветвь кругооборота кремния относительно статична и необратима и часть кремнезема именно таким путем выводится из биогеохимического круговорота.

Более динамичной ветвью кремния является его цикличность. Это тот кремний, который много раз за год переходит из организмов фитопланктона в окружающую среду и обратно. В этих переходах проявляется наиболее важная функция водного биогеохимического цикла кремния — функция массои энергопереноса вещества из поверхностных более глубоких зон Мирового океана.

Вторая особенность биогеохимического цикла кремния в Мировом океане — его неразрывная связь с углеродом.

Континентальная ветвь круговорота кремния сложна. Водная миграция кремнезема тесно связана с ландшафтно-геохимическими условиями: составом растительности, и литологией подстилающих отложений. Подвижность кремнезема резко возрастает с увеличением рН среды, особенно, в щелочном интервале. При рН=10−11 концентрация кремнезема может достигать 200 мг/л. Сильно увеличивает растворимость аморфного кремнезема и повышение температуры. Сульфаты, бикарбонаты и карбонаты магния и кальция резко снижают растворимость кремнезема и вызывают его осаждение. В условиях сильнокислой среды рН=1−2 растворимость кремнезема также сильно повышается. Некоторые растения являются концентраторами кремния.

Мощным механизмом, приводящим в движение этот круговорот, является растительный покров суши, в котором происходят разнообразные процессы образования содержащих кремний органогенных минералов (биолитов). Под биолитами в данном случае понимаются минералы, образующиеся внутри организма в процессе его жизнедеятельности. Их роль в круговороте кремния чрезвычайно велика, но изучена недостаточно. В основном, кремнезем инкрустирует клеточные оболочки. Больше всего биолитов кремнезема содержат злаки, осоки, хвощи, папоротники, мхи, пальмы, хвоя сосен, елей, листья и кора вяза, осины, дуба. В золе ковылей содержание кремнезема может достигать 80%. В стволах бамбука иногда обнаруживаются образования, сложенные опалом, достигавшие в длину 4 см и имевшие массу до 16 г.

Генезис почвенной кремнекислоты в некоторых условиях напрямую связан с накоплением этого элемента живыми организмами. Наиболее яркий пример — образование солодей, кремнекислота которых накапливалась благодаря деятельности диатомовых водорослей. В процессе жизнедеятельности сине-зеленых водорослей происходит «захват» железа, марганца и кремнезема с образованием биолитов. Соотношение процессов накопления и выноса кремнезема в условиях умеренной зоны сдвинуто в сторону накопления. Растительный покров суши, особенно хвойные леса, выступает как мощный механизм, перекачивающий массы кремнезема из горных пород, почв и природных вод, и возвращающий их снова в ландшафт в форме биолитов. В дальнейшем опал биолитов переходит в халцедон и даже во вторичный кварц. Значительная же часть кремнекислоты биолитов включается в активную миграцию в почвенно-грунтовых водах в форме коллоидных и истинных растворов.

В результате воздействия аэрозолей кремнезема на живые организмы (животные и человек) развивается серьезное заболевание — силикоз.

8. КРУГОВОРОТ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА Железо — элемент, который в небольших количествах необходим всем организмам. На суше его обычно хватает, но в океане, особенно в центральных, удаленных от континентов областях, железа крайне мало. Дефицит этого элемента нередко ограничивает развитие фитопланктона — микроскопических планктонных водорослей, связывающих в процессе фотосинтеза углекислый газ. Считалось, что в те немногие места в центральных районах океана, где продуктивность фитопланктона достаточно высокая, железо попадает с пылью, приносимой ветрами с континентов. Однако недавно французские ученые совместно с коллегами из других стран показали, что пятна «цветения» (участки массового развития фитопланктона) в отдаленных областях океана могут полностью обеспечиваться железом, поступающим не сверху (с пылью из атмосферы), а снизу — из более глубоких слоев водной толщи. В частности, такой весьма обширный участок повышенной продуктивности находится над Кергеленским плато — в Южном океане, между Австралией и Африкой. Благодаря сравнительно небольшой глубине (600 м) железо здесь долго не выходит из биологического круговорота и многократно используется фитопланктоном, поддерживая высокую его продуктивность. Соответственно, здесь связывается и большое количество — по крайней мере, в 10, а может, и в 100 раз больше того, что предполагалось ранее. Не исключено, что в ледниковые периоды, когда уровень океана существенно понижался, увеличение продукции фитопланктона и соответствующее усиление связывания атмосферы происходило в значительной мере за счет интенсивного поступления железа снизу — из придонных областей, а не только сверху — за счет приносимой с суши пыли.

В поверхностных водах биогеохимический круговорот марганца и железа (металлов) представляет собой широкомасштабный процесс.

Марганец и железо являются постоянными компонентами природных пресных вод, и их содержание зачастую превышает уровни основных макроэлементов. Растворимые формы марганца и комплексорганические соединения железа, имеющиеся в поверхностных водах, устойчивы к химическому окислению растворённым кислородом. Круговорот железа и марганца в водоемах состоит в том, что их соединения поступают с водосборной площади в водоем, где они окисляются и осаждаются на дно, затем переходят в восстановленную растворимую форму и могут снова диффундировать в водную массу, что приводит к вторичному загрязнению.

Миграция железа и марганца в поверхностных водах в значительной степени зависит от активности микроорганизмов. Биологическая трансформация как марганца, так и железа может осуществляться в результате физико-химических процессов, а также при участии групп железои марганецвосстанавливающих и окисляющих микроорганизмов. Причём скорость биогенных процессов окисления железа и, особенно, марганца во много раз превышает химическое окисление.

В результате окислительной деятельности железобактерий, марганец и железо поступают в водоём со стоком или из восстановительного горизонта донных отложений, сравнительно быстро окисляются и концентрируются в донных отложениях, характеризующихся восстановительным режимом и высокой численностью марганец-, железои сульфатредукторов. Восстановленные за счет деятельности этих организмов соединения Mn и Fe фильтруются вместе с водой водохранилища в водозаборные скважины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Химические элементы циркулируют в биосфере по определённым путям — биогеохимическим циклам (круговоротам).

В Мировой океан реками ежегодно выносится около 10 миллионов тонн азота в ионной форме и примерно 20 миллионов тонн в виде органических соединений. Поскольку в осадочные породы азота уходит мало, можно считать, что в ходе естественных процессов денитрификация в Мировом океане уравновешивает фиксацию азота и его вынос в сушу. В связи с применением удобрений резко возросло его количество, поступающее в водоёмы, ухудшая качество воды.

Фосфор — важнейший биогенный элемент, чаще всего лимитирующий развитие продуктивности водоемов. Поэтому поступление избытка соединений фосфора с водосбора с поверхностным стоком с полей, со стоками с ферм, с неочищенными бытовыми сточными водами, а также с некоторыми производственными отходами приводит к резкому неконтролируемому приросту растительной биомассы водного объекта (это особенно характерно для непроточных и малопроточных водоемов). Деятельность человека нарушила природный круговорот фосфора. Соединения фосфора используются для производства удобрений и моющих средств. Это приводит к загрязнению водоемов соединениями фосфора. В таких условиях фосфор перестает быть элементом, ограничивающим рост массы живых существ, особенно водорослей и других водных растений.

Сера содержится в атмосфере в небольших количествах, в основном, в виде сероводорода и диоксида серы. Довольно много этого элемента (в виде сульфат-ионов) находится в гидросфере. В литосфере сера встречается в виде простого вещества (самородная сера) и в составе многочисленных минералов — сульфидов и сульфатов металлов. Кроме того, соединения серы есть в углях, сланцах, нефти, природном газе. Сера входит в состав многих белков, поэтому она всегда содержится в организмах животных и растений. Человеческая деятельность существенно изменила круговорот серы между атмосферой, океанами и поверхностью суши. Эти изменения сильнее, чем воздействие человека на цикл углерода. Как и в случае глобального цикла углерода, техногенные выбросы серы в окружающую среду мало влияют на распределение масс этого элемента на поверхности Земли. Однако повышенное содержание серы в промышленных и бытовых отходах создают опасность для жизни на обширных территориях. Массированный выброс диоксида серы в атмосферу порождает кислотные дожди, которые могут выпадать далеко за пределами индустриальных районов. Загрязнение природных вод растворимыми соединениями серы несет угрозу живым организмам внутренних водоемов и прибрежных областей морей.

Углерод — основной элемент жизни. Он содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных водах Земли углерод находится в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат — иона, карбонат иона и растворенного диоксида углерода. Основная масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом цикле круговорота. В последнее столетие в углеродный цикл существенные изменения внесла хозяйственная деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива — угля, нефти и газа — привело к увеличению поступления диоксида углерода в атмосферу. Это не очень сильно влияет на распределение масс углерода между оболочками Земли, но может иметь серьезные последствия из-за усиления парникового эффекта.

Кремний является вторым по распространенности (после кислорода) химическим элементом в земной коре. Его кларки в земной коре — 29,5, в почве — 33, в океане — 5х. Однако, несмотря на огромную распространенность кремния и его соединений в природе (кварц и силикаты составляют 87% литосферы), биогеохимические циклы кремния (особенно на суше) изучены еще недостаточно.

Марганец и железо являются постоянными компонентами природных пресных вод, и их содержание зачастую превышает уровни основных макроэлементов.

Морская вода участвует во множестве химических и биохимических преобразований веществ, которые находятся в ней в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, в свободном состоянии и в различных соединениях. Гидросфера в целом служит средой и могучим транспортным средством в сложных изменениях и перемещениях химических элементов, происходящих в биосфере и литосфере.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

биогеохимический цикл круговорот элемент природа

1 Майлз, Л. География. Энциклопедия / Л. Майлз, К. Варли. — М.: РОСМЕН, 1995. — 50 с.

2 Винокуров, Н. Ф. Методическое пособие по курсу природопользование / Н. Ф. Винокуров, Г. С. Камерилова. — М.: Просвещение, 1996. — 205 с.

3 Варламов, В. С. Общий обзор / В. С. Валамов, М. Ф. Грин. — М.: Мысль, 1992. — 178с.

4 Шилов, Ю. М. Общая химия / Ю. М. Шилов, Ю. И. Смушкевич. — М.: РОСМЕН, 1983. — 87 с.

5 Алексеенко, В. А. Экологическая геохимия / В. А. Алексеенко. — М.: Логос, 2000. — 326 с.

6 Анруз, Дж.

Введение

в химию окружающей среды / Дж. Андруз, П. Лисс. — М.: Мир, 1999. — 56 с.

7 Болбас, М. М. Основы промышленной экологии / М. М. Болбас. — М.: высшая школа, 1993. — 67 с.

8 Владимиров, А. М. Охрана окружающей среды / А. М. Владимиров. — Санкт-Петербург: Гидрометеоизательство, 1991. — 289 с.

9 Ливчак, И. Ф. Охрана окружающей среды / И. Ф. Ливчак. — М.: Наука, 2000. — 177 с.

10 Алекин, О. А. Химия океана / О. А. Алекин. — Л.: 1966. — 349 с.

11 Зенкевич, Л. А. Биология морей СССР / Л. А. Зенкевич. — М.: 1963. 56 с.

12 Одум, Ю. Основы экологии / Ю. Одум. — М.: 1975. — 311 с.

13 Пианка, Э. Эволюционная экология / Э. Пианка. — М.: 1981. — 67 с.

14 Зенкевич, Л. А. Фауну и биологическая продуктивность моря / Л. А. Зенкевич. — М.: 1951. — 134 с.

15 Зенкевич, Л. А. Моря СССР, их фауна и флора / Л. А. Зенкевич. — М.: 1956. — 343 с.