Биогеохимические циклы в биосфере

Также постепенно растет (на 1-2 % ежегодно) содержание в атмосфере метана и оксида углерода, что тоже связано с сельским хозяйством и энергетикой. В тех районах, где в про­цессе выработки энергии потребляется большое количество ископаемого топлива, зарегистрирован небольшой, но неук­лонный рост концентрации оксидов азота и серы.

                   Рис. 2.3. Круговорот углерода в биосфере

Если сравнить содержание диоксида углерода в водах (ре­ки, озера, моря), атмосфере и океане, то окажется, что Миро­вой океан содержит более 98 % общего запаса углерода атмо­сферы и гидросферы.

Следует подчеркнуть, что цикл биологического круговоро­та углерода не замкнут. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапро- пелей, гумуса и других органических осадков. В разных цик­лах биологического круговорота участвует около 98-99 % ас­симилированного углерода.

Если в круговороте кислорода зеленые растения являются его поставщиком в атмосферу, то в круговороте углерода они являются мощным механизмом, улавливающим его из атмо­сферы в виде углекислого газа и связывающим в органические соединения. В процессе фотосинтеза углерод ассимилируется растениями и переводится в углеводы. В процессе же дыхания происходит обратный процесс: углерод органических соеди­нений превращается в диоксид углерода.

Ежегодно наземные растения связывают около 18 млрд т уг­лерода, растения морей - 25 млрд т. Еще одним мощным ути­лизатором углерода являются морские организмы, которые используют его для образования своих скелетов. В дальней­шем остатки отмерших морских организмов опускаются на дно морей и океанов и образуют мощные отложения известня­ков. Между углекислым газом атмосферы и водой океана су­ществует подвижное равновесие. Организмы поглощают угле­кислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образу­ются пласты известняков.

Проследим «путешествие» атома углерода, одного из мириад себе подоб­ных, в биосфере. Произошло извержение вулкана. Наконец-то для нашего ато­ма закончилось время заточения глубоко в недрах Земли, и он вырывается на свободу в атмосферу. В виде молекулы углекислого газа, связанный с атомами киелорода, он беззаботно «плавает» в атмосфере в течение нескольких лет. И вот однажды растение или дерево бесцеремонно захватывают его, вовлека­ют в процесс фотосинтеза и превращают в более восстановленную химичес­кую форму. Если же наш атом будет проплывать над океаном, то, скорее всего, попав в толщу воды, он превратится в ион бикарбоната и будет блуждать ты­сячи лет между атмосферой, почвами и океаном. В конце концов свобода обер­нется для него захоронением в океанических отложениях, где наш углерод, ли­шенный движения, просуществует в течение 100 млн лет или более.

Подсчитано, что среднестатистический атом углерода за всю историю Земли (4-4,5 млрд лет) мог совершить до 20 таких путешествий между оса­дочными породами и атмосферой.

Наличие углерода непосредственно связано с наличием кислорода, поскольку на каждую молекулу кислорода должна где-то существовать и молекула восстановленного углерода. Это позволяет оценивать запасы углерода в биосфере величи­ной порядка 2Ю15-2Ю16 т. Казалось бы, такого количества углерода должно хватить на многие миллионы лет. Так оно и есть. Сложность, однако, в том, что большая часть этого эле­мента распылена. А то, что мы извлекаем на поверхность Зем­ли в виде угля, нефти и других полезных ископаемых, это лишь малая доля общего количества восстановленного угле­рода в осадочных породах.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше кисло­рода. От его содержания зависит количество растворенных гидрокарбонатов, т.е. жесткость воды. Если содержание С02 в воде уменьшается, то выпадает осадок нерастворенного карбо­ната, который будет растворен при восстановлении равнове­сия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ и других сис­темах, использующих воду. В природных условиях результа­том этой реакции является образование полостей в земной ко­ре, сталактитов и сталагмитов.

Резюме: С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на земле. Встречается в связном и несвязном состоянии. Цикл биологического круговорота углерода не замкнут, он может выходить на время из него на продолжительное время в виде органических осадков.

Часть 3:

Круговорот кислорода является очень сложным циклом. В него вовлечено большое количество представителей органи­ческого и неорганического мира, а также водород и вода, рас­творяющая кислород (рис. 2.4). Кислород постоянно цирку­лирует в океане, биосфере и осадочных породах. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхнос­ти и фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенны­ми частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассе­яние света и снижает активность фотосинтеза. Содержание кислорода в воде является одним из показателей ее здоровья. По данным замеров, в большинстве наших водоемов эта вели­чина сейчас ниже нормы.

Кислород является самым распространенным элементом на Земле. В гидросфере его содержится 85,82 % по массе, в литос­фере - 47 %, в атмосфере - 23,15 %. Кислород стоит на первом месте по числу образуемых им минералов (1364). Среди них преобладают силикаты, кварц, оксиды железа, карбонаты и

Рис. 2.4. Круговорот кислорода в биосфере

сульфаты. В живых организмах содержится в среднем около 70 % кислорода. Он входит в состав большинства органических сое­динений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав скелета.

В процессе сгорания ископаемого топлива образуется до­вольно большое количество воды, которая в конечном счете потребляется растением и разлагается в процессе фотосинте­за на атомарный водород и атомарный кислород. Высвободив­шийся кислород снова поступает в атмосферу и используется для создания органического вещества. Круг замыкается.

Итак, единственным производителем животворного кис­лорода является зеленое вещество растений. Растения - естес­твенные накопители космической солнечной энергии. Потре­бители же его - человек, животные, почвенные организмы и сами растения, которые используют кислород в процессе ды­хания. Причем если на заре человечества кислород в основном употреблялся при дыхании, то в наше время научно-техниче- ских революций огромная масса кислорода идет на обеспече­ние промышленного производства, хозяйственной деятель­ности человека и средств коммуникаций. В огромных коли­чествах кислород расходуется при сжигании топлива в двига­телях автомобилей, самолетов, кораблей, сельскохозяйствен­ных машин, топках электростанций и т.д.

Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним в реакцию вступает большое количество органических и неорганических веществ. В результате возникает множество эпициклов, происходящих между литосферой и атмосферой или между гидросферой и двумя этими средами. Круговорот кислорода в некотором отношении напоминает обратный круговорот углекислого газа.

Одной из самых негативных сторон существования совре­менной цивилизации является то, что темпы хозяйственной деятельности человека увеличиваются, а зеленые площади Земли сокращаются. Нещадно вырубаются тропические леса, которые являются основным поставщиком кислорода - «лег­кими» нашей планеты. В целом с лица Земли ежегодно исчеза­ют лесные территории плошадыо в три Бельгии. И мы получа­ем все меньше кислорода. Леса тропиков вырубаются сейчас со скоростью 23 га/мин, или более 1/3 га/с! А между тем каждый гектар тропического леса продуцирует 28 т кислорода.

Взрослое дерево за сутки производит 180 л кислорода, а взрос­лый человек потребляет его в количестве 360 л, если ничего не де­лает, и до 700-900 л, когда работает. Но это выглядит сущим пус­тяком на фоне других цифр. Так, легковой автомобиль, за 1 тыс. км пробега расходует столько кислорода, что его хватило бы челове­ку на год, а современный реактивный самолет за время перелета из Америки в Европу сжигает от 35 до 55 т кислорода!

Таким образом, деятельность человека во всех ее проявле­ниях значительным образом влияет на современный кругово­рот кислорода. Общее количество свободного кислорода в ат­мосфере оценивается цифрой 1,8*1015 т. Это именно то коли­чество, которое накопилось благодаря деятельности зеленых растений. В год на современном этапе эволюции Земли проду­цируется 1,55*109 т кислорода. Расходуется 2,16*1010 т. Из при­веденных цифр видно, что расход кислорода превышает его об­разование больше чем на порядок. Есть над чем задуматься.

В верхних слоях атмосферы при действии ультрафиолетовой радиации на кислород образуется озон — О3:

hv  О2  2О; О + О  О3;                             Н = +141,9 кДж/моль.

Здесь hv — квант света с длиной волны не более 225 нм.

На образование озона тратится около 5% поступающей к Земле солнечной энергии — около 8,61015 Вт. Реакции легко обратимы. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Средняя концентрация озона в атмосфере составляет около 10-6 об. %; максимальная концентрация О3 —до 410-6 об. % достигается на высотах 20—25 км (ТА. Акимова, В.В. Хаскин (1998).

Озон служит своеобразным УФ-фильтром: задерживает значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей. Вероятно, образование озонового слоя было одним из условий выхода жизни из океана и заселения суши.

Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, окислов железа и т. п. Эта масса составляет 5901014 т пpoтив391014 т киcлopoдa, который циркулирует в биосфере в виде газа или сульфатов, растворенных в континентальных и океанических водах.

Резюме: Кислород самый распространенный элемент на Земле. Единственными кто образует животворный кислород – это растения, которые продуцируют его  фотосинтезом. Кислород используется в огромных количествах. Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как возникает большое количество эпициклов.

Часть 4:

Круговорот азота. Особое место среди биогенных элемен­тов занимает азот - важный строительный материал для бел­ков, нуклеиновых кислот и других соединений. Азот распрос­транен в биосфере крайне неравномерно. В больших количес­твах он содержится в биогенных ископаемых (уголь, нефть, битум, торф). Вследствие высокой растворимости солей азот­ной кислоты и солей аммония содержащегося в почвах азота, как правило, недостаточно для нормального питания расте­ний. В почве его содержится всего от 0,02 до 0,5%, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов некоторых расте­ний и разложению органических веществ. В то же самое вре­мя миллионы тонн азота в атмосфере давят на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образно говоря, «висит» до 80 тыс. т этого элемента. Недаром азот называют инертным газом (от греч. - «безжизненный»). Почему же так получает­ся? Дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном состоянии, т.е. в бездействии. Элементом жизни он становит­ся только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного (хотя бы в простые оксиды) азота в воздухе нет.

Исключением является техногенное поступление азота в ат­мосферу. Это происходит в результате выбросов автомобильного транспорта, тепловых электростанций, котельных, промышлен­ных предприятий. При сжигании ископаемого топлива (нефть, уголь, газ) происходит выброс в атмосферу оксидов азота (N20, N02), которые являются загрязнителями окружающей среды.

Несмотря на то что в атмосфере присутствует довольно боль­шое количество азота, большинство организмов не может асси­милировать его. Буквально купаясь в азоте, растения не в состо­янии извлечь его из воздуха. Азот практически не участвует в гео­химических процессах и лишь накапливается в атмосфере.

Основными стадиями круговорота азота являются фиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация (рис. 2.5).

                                                      рис. 2.5

Пути фиксации азота в биосфере могут быть разными. Прежде всего, это поступление его вместе с дождевыми вода­ми из атмосферы, главным образом во время гроз. Небольшая часть азота попадает в биосферу при вулканических изверже­ниях и значительное количество - в результате выбросов про­мышленных предприятий. Но основным источником азота яв­ляется биологическая фиксация - связывание атмосферного азота свободноживущими азотфиксирующими бактериями - азотобактером, цианобактериями и другими, а также азотфик- саторами, живущими в симбиозе (совместное сожительство) с высшими растениями, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, таких, как арахис, соя, чечевица, фасоль, люцерна, клевер, люпин и др. Фиксируя атмосферный азот, они снабжают растение-хозяина доступными для него соединениями азота в виде нитратов и нитритов.