Н.Н. Роева
Экология
Учебно-практическое пособие. – М.: МГУТУ, 2005
Глава 4. Биогеохимические циклы
В экосистемах очень важна роль биогеохимических
циклов. Биогенные элементы – C, O2, N2, P, S, CO2, H2O и
другие – в отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают
непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду.
Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. В каждом
круговороте различают два фонда: резервный, включающий большую массу движущихся
веществ, в основном небиологических компонентов, и подвижный, или обменный,
фонд – по характеру более активный, но менее продолжительный, отличительной
особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их
непосредственным окружением.
Биогеохимические циклы можно подразделять на два типа:
1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере
(океан); 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Из 90 с лишним элементом, встречающихся в природе,
30-40 необходимы для живых организмов. Человек уникален не только тем, что его
организм нуждается в 40 элементах, но и тем, что в своей деятельности использует
почти все другие имеющиеся в природе элементы.
Круговорот азота. Азот составляет около 80%
атмосферного воздуха и является крупнейшим резервуаром и предохранительным
клапаном атмосферы. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из
воздуха. Между тем азот участвует в построении всех белков и нуклеиновых
кислот. Усваивать азот из воздуха способны только некоторые организмы –
бактерии, которые существуют в симбиозе с бобовыми растениями (горох, фасоль,
соя). Они поселяются на корнях бобовых растений, образуя клубеньки, в которых и
происходит химическая фиксация азота. Азот могут усваивать также сине-зеленые водоросли,
называемые цианобактериями. Они образуют симбиоз с плавающим папоротником, который
растет на заливаемых водой рисовых полях и до высадки рассады риса удобряет эти
поля азотом. Первый этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию
аммиака и называется аммонификацией. Аммиак используется растениями для синтеза
аминокислот, из которых состоят белки. Второй этап фиксации азота
микроорганизмами – нитрификация, при этом образовавшийся аммиак преобразуется в
соли азотной кислоты – нитраты. Нитраты усваиваются корнями растений и транспортируются
в листья, где происходит синтез белков. Процесс разложения белков, осуществляемый
особой группой бактерий, называется денитрификацией. Распад идет сначала с
образованием нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. Содержание
азота в живых тканях составляет около 3% его содержания в обменных фондах
экосистем. Общее время круговорота азота – примерно 100 лет.
Круговорот углерода.
Круговороты углекислоты и воды в глобальном масштабе – самые важные для человечества
биогеохимические круговороты.
В круговороте СО2 атмосферный фонд невелик
по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других
резервуарах земной коры. До наступления индустриальной эры потоки углерода
между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Но в ХХ в. содержание
СО2 постоянно растет в результате новых техногенных поступлений
(сжигание горючих ископаемых, деградация почвенного слоя, сведение лесов и
т.д.). В 1800 г. в атмосфере Земли содержалось 0,29% СО2; в 1958 –
0,315%, а к 1980 г. его содержание выросло до 0,335%. Если концентрация СО2
вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться в середине ХХI в.,
то температура поверхности Земли и нижних слоев атмосферы в среднем повысится
на 30. В результате подъем уровня моря и перераспределение осадков
могут погубить сельское хозяйство.
Рис.1.
Основные биохимические этапы круговорота азота
Биологический круговорот углерода достаточно прост; в
нем участвуют только органические соединения и СО2. Весь
потребленный в процессе фотосинтеза углерода включается в углеводы, а в
процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях,
превращается в СО2. Растения потребляют ежегодно около 100 млрд.т
углерода, 30 млрд.т возвращаются в атмосферу в результате дыхания растений.
Остальные 70 млрд.т обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и
грибов в различных трофических цепях. Растения и животные ежегодно пропускают
через себя 0,25-0,30% углерода, содержащегося в атмосфере и океанах. Весь
обменный фонд углерода совершает круговорот каждые 300-400 лет.
Кроме СО2 в атмосфере присутствует в
небольших количествах окись углерода – СО (примерно 0,1 части на миллион).
Однако в городах с сильным автомобильным движением содержание СО может
достигать 100 частей на миллион, что представляет уже угрозу для здоровья человека.
Для сравнения можно привести другой пример: курильщик, потребляющий в день
пачку сигарет, получает до 400 частей на миллион, что часто является причиной
анемии и других сердечно – сосудистых заболеваний.
Другое соединение углерода в атмосфере – метан (СН4).
Его содержание составляет 1,6 частей на миллион. Считается, что метан поддерживает
стабильность озонового слоя в атмосфере.
Круговорот воды. Вода составляет
значительную часть живых существ:
в теле человека - по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю
солнечной энергии. Испарение с водных
пространств создает атмосферную
влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега;
осадки поглощаются почвой или стекают
в моря и океаны.
Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят
четыре процесса:
• перехват.
Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она
достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах
может достигать 25% общей суммы осадков, это - физическое испарение;
• транспирация -
биологическое испарение воды растениями.
Это не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т.е. экосистемная. Растения,
потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте
воды;
• инфильтрация -
просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в
почве тем сильнее,
чем значительнее в ней коллоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;
• сток. В этой фазе круговорота
избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.
Отличие
циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах
два названных элемента накапливаются и
связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на
формирование биомассы 1% воды, выпавшей в виде осадков.
Круговорот фосфора. Фосфор - один из
наиболее важных биогенных компонентов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран,
систем аккумуляции и переноса энергии,
костной ткани и дентина. Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью
организмов.
В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора служат не атмосфера, а горные породы и отложения,
образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.
Круговорот фосфора - типичный пример
осадочного цикла.
Круговорот
второстепенных элементов.
Второстепенные элементы подобно жизненно важным мигрируют между
организмами и средой, хотя и не
представляют ценности для организмов. Но
в окружающую среду часто попадают побочные продукты промышленности, содержащие высокие концентрации
тяжелых металлов, радиоактивные элементы и ядовитые органические соединения.
Радиоактивный Sr-90 крайне опасен для человека и животных. По химическим свойствам он похож на кальций
и поэтому, попав в организм, накапливается в костях и оказывается в опасном контакте с костным мозгом - кровеносной
тканью.
Радиоактивный Cs-137 - по свойствам схож с калием и поэтому быстро циркулирует
по пищевым цепям.
Sr-90 и Cs-137 - новые вещества, которые не
существовали в природе до того, как человек расщепил атом. Они характеризуются длительными
периодами полураспада. Аккумуляция этих радиоактивных изотопов в организме человека
создает постоянный источник облучения, приводящего к канцерогенезу.
Для того, чтобы количественно определить повторно используемую часть
вещества в обороте, предложен коэффициент рециркуляции - отношение суммарных
количеств вещества, циркулирующих между разными отделами системы, к общему потоку
вещества
через всю систему: CI = TSTс/TST, где СI - коэффициент рециркуляции, TSTC - рециркулируемая доля
потока через
систему и TST - общий поток вещества через систему. .
Элементы, которые человек считает ценными (платина, золото), повторно
используются на 90% и более. Однако коэффициент рециркуляции энергии равен нулю.
Вопросы
1. Что такое биогеохимические циклы?
2. Как происходит круговорот биогенных
элементов?
3. Что такое коэффициент рециркуляции?
4. Какие существуют фазы круговорота в
пределах экосистем?
5. Круговороты каких соединений
особенно важны для человечества?
Тесты
1. Что такое биогеохимические циклы?
а) круговорот веществ из внешней среды
в организмы;
б) замкнутый круговорот биогенных
элементов;
в) непрерывный круговорот биогенных
элементов из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду.
2. Дайте определение природной среды.
а) совокупность объектов природы;
б) совокупность условий природы;
в) совокупность объектов и условий
природы, где происходит деятельность какого-либо субъекта.
3. Охарактеризуйте резервный фонд
круговорота веществ.
а) фонд, включающий большую массу
движущихся веществ;
б) фонд, включающий массу движущихся
биологических компонентов;
в) фонд, включающий большую массу
движущихся небиохимических компонентов.
4. Охарактеризуйте подвижный (обменный)
фонд круговорота веществ.
а) фонд, отличительной особенностью
которого является быстрый обмен между организмами;
б) фонд, включающий большое количество
биогенных элементов;
в) фонд, отличительной особенностью
которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным
окружением.
5. Что показывает коэффициент
рециркуляции?
а) рециркулируемую долю потока через
систему;
б) общий поток вещества через систему;
в) отношение суммарных количеств
вещества, циркулирующих между разными отделами системы, к общему потоку вещества
через всю систему.
|