Биогеохимические круговороты элементов

БИОСФЕРА

На Земле живые организмы существуют в верхних слоях земной коры, гидросфере и атмосфере. Уже в XVIII в. в трудах Ламарка было сформировано понятие о тонкой оболочке жизни, покрывающей Землю, а 1920-х советский биогеохимик В. И. Вернадский разработал учение о биосфере [1].

И. Вернадский считал, что биосфера есть особая наружная оболочка земной коры, занятая и преобразованная жизнью. Живые организмы являются «...трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию - электрическую, химическую, тепловую...» [1]. Наш основной источник энергии - Солнце. Значит, биосфера является сложной термодинамически открытой системой, получающей энергию извне, часть которой идёт на работу, а часть рассеивается в виде тепла. От Солнца до поверхности Земли доходит только 52% энергии, из которой лишь 1% преобразуется растениями в живое вещество, А остальная энергия уходит на нагревание, испарение и другие физические процессы.

Рис. 1.1 Баланс солнечной энергии на земной поверхности.

Живое вещество содержит энергию, благодаря ей оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучения энергию и превращает её в работу. Эта работа состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере, создании из них новых тел, из-за чего значительная часть атомов земной поверхности находится в непрерывном круговороте. Все почвы, минералы верхних слоёв земной коры и месторождения руд, углей и нефти образовались и продолжают образовываться под действием жизни; Химический состав природных вод в значительной мере сформирован живыми организмами.

Живое вещество биосферы распределяется по земной поверхности и оказывает влияние на окружающую среду, изменяя ее. С течением времени жизнь неизбежно покрывает весь земной шар и только временно может отсутствовать на определённых его участках. Это движение, приводящее к «вездесущности жизни», достигается путем размножения и перемещения организмов.

Пределы биосферы обусловлены границами физических условий существования живых организмов. Согласно современным представлениям, существование жизни ограничивается диапазоном значений температуры —250 - 160 °С и давления 0,001 - 3000 атм. Нижняя граница жизни в гидросфере условно проходит на глубине 10 км, в земной коре — до 2 км; верхняя граница распространения жизни в атмосфере обусловлена слоем озона, который предохраняет живую материю от ультрафиолетового излучения Солнца, и расположена на высоте около 45 км над уровнем моря.

Рис 1.2 Схема строения биосферы.

Биогеохимические круговороты элементов

Несоответствие между наличием и доступностью химических элементов в земной коре, с одной стороны, и потребностями живых организмов, с другой, породило в биосфере проблему дефицита некоторых элементов и привело к ограничению продукции живого вещества. Единственным выходом из этого положения оказалось использование элементов по типу круговоротов, когда элемент, пройдя целый ряд биологических и химических превращений, входит в состав того же самого соединения, в котором он находился в начальный момент. В настоящее время биогенные элементы земной коры охвачены глобальными и локальными круговоротами, причем движущей силой в функционировании круговоротов являются живые организмы.

В формировании и специфике функционирования современных круговоротов элементов важнейшую роль сыграло накопление в атмосфере сильного окислителя — кислорода, который, в свою очередь, явился побочным продуктом жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Так само живое вещество планеты стало мощной геологической силой, в значительной мере определившей своеобразие состояния земной коры, вод и атмосферы.

1. Углерод. Движущей силой глобального круговорота углерода является биологический круговорот, протекающий по схеме: биоассимиляция углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями> потребление органических соединений животными > окисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходов >-возврат углекислого газа (СО2)в атмосферу. Биологический круговорот углерода тесно связан с круговоротом кислорода, выделяемого и потребляемого организмами. Взаимодействие и противоположную направленность биологических составляющих этих круговоротов иллюстрирует Рис1.3.

Рис 1.3 Взаимодействие циклов углерода и кислорода в биосфере.

2. Азот. Азот в круговороте в целом следует за углеродом, вместе с которым участвует в образовании белковых структур, однако в силу химической специфики элементов круговороты углерода и азота имеют некоторые различия. Если углекислый газ из атмосферы могут потреблять все виды фотосинтетиков, то фиксацию атмосферного азота способны производить только некоторые виды бактерий, сине-зелёных водорослей и симбиотические бактерии бобовых. Второе отличие цикла азота от цикла углерода состоит в том, что при естественном разрушении органического вещества образуется не газообразный азот, а раствор нелетучих соединений азота. Вследствие этого, для замыкания круговорота азота до газообразного состояния необходимо участие нескольких специализированных групп микроорганизмов. Органические азотсодержащие вещества с помощью редуцентов микроорганизмов первоначально разлагаются с выделением аммиака. Далее нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов, после чего в анаэробных условиях может происходить денитрификация до газообразного азота, осуществляемая денитрифицирующими бактериями.

3. Фосфор. К круговоротам основных биогенных элементов, имеющих газовую фазу, примыкают так называемые осадочные круговороты, из которых важнейшим является круговорот фосфора. Минеральный фосфор — редкий элемент в биосфере, в земной коре его содержание не превышает 1 %. Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные или осадочные породы. Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. В экосистемах суши неорганический фосфор поглощается растениями и переводится в состав живого вещества. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в почву, подвергаются переработке микроорганизмами и снова включаются в круговорот. В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами в виде фосфатов. Если в наземных экосистемах круговорот фосфора происходит в оптимальных условиях с минимумом потерь на выщелачивание, то в водоемах дело обстоит далеко не так. Это связано с седиментацией отмерших организмов, фрагменты которых, не использованные детритофагами, накапливаются на дне водоемов. Вследствие пространственного разделения процесса образования кислорода в верхних слоях воды при фотосинтезе и его

Рис. 1.4 Схема круговорота фосфора в океане.
потребления при деструкции органических веществ вблизи дна, аэробная деструкция вблизи дна несколько замедляется. Минерализованный фосфор в донных отложениях при аэробных условиях образует соединение с трехвалентным железом (FePO4), который еще менее растворим, чем гидроокись железа, и прочно удерживается в осадке. Во многих водоемах возврат фосфора из донных отложений осуществляется в основном только при сезонном перемешивании вод.