Кругообіг кисню, вуглецю, азоту, фосфору та сірки в біосфері - Екологія
«Кругообіг кисню, вуглецю,
та сірки в біосфері»
Кисень є найпоширенішим елементом Землі. У морській воді міститься 85,82% кисню, в атмосферному повітрі 23,15% за вагою або 20,93% за обсягом, а земній корі 47,2% за вагою. Така концентрація кисню в атмосфері підтримується постійною завдяки фотосинтезу. У цьому процесі зелені рослини під дією сонячного світла перетворюють діоксид вуглецю та воду на вуглеводи та кисень. Головна маса кисню перебуває у зв'язаному стані; кількість молекулярного кисню в атмосфері оцінюється в 1,5 * 10 15 m, що становить лише 0,01% від загального вмісту кисню в земній корі. У житті природи кисень має виняткове значення. Кисень та його сполуки незамінні підтримки життя. Вони відіграють найважливішу роль у процесах обміну речовин та диханні. Кисень входить до складу білків, жирів, вуглеводів, у тому числі «побудовані» організми; в організмі людини, наприклад, міститься близько 65% кисню. Більшість організмів отримують енергію, необхідну виконання їх життєвих функцій, з допомогою окислення тих чи інших речовин з допомогою кисню. Зменшення кисню в атмосфері в результаті дихання, гниття і горіння відшкодовується киснем, що виділяється при фотосинтезі. Вирубування лісів, ерозія грунтів, різні гірські виробітки на поверхні зменшують загальну масу фотосинтезу і знижують кругообіг на значних територіях. Поряд з цим потужним джерелом кисню є, мабуть, фотохімічне розкладання водяної пари у верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетових променів сонця. Таким чином, у природі безперервно відбувається кругообіг кисню,що підтримує сталість складу атмосферного повітря.
Крім описаного вище круговороту кисню в незв'язаному вигляді, цей елемент робить ще й найважливіший кругообіг, входячи до складу води. Кругообіг води (H2O) полягає у випаровуванні води з поверхні суші та моря, перенесенні її повітряними масами та вітрами, конденсації парів та подальше випадання опадів у вигляді дощу, снігу, граду, туману.
Вуглець за поширеністю Землі займає шістнадцяте місце серед всіх елементів і становить приблизно 0,027% маси земної кори. У незв'язаному стані він зустрічається у вигляді алмазів (найбільші родовища у Південній Африці та Бразилії) та графіту (найбільші родовища у ФРН, Шрі-Ланка та СРСР). Кам'яне вугілля містить до 90% вуглецю. У зв'язаному стані вуглець входить також у різні горючі копалини, карбонатні мінерали, наприклад кальцит і доломіт, а також до складу всіх біологічних речовин. У формі доксиду вуглецю він входить до складу земної атмосфери, у якій його частку припадає 0,046% маси.
Вуглець має виняткове значення для живої речовини (живою речовиною в геології називають сукупність всіх організмів, що населяють Землю). З вуглецю у біосфері створюються мільйони органічних сполук. Вуглекислота з атмосфери в процесі фотосинтезу, що здійснюється зеленими рослинами, асимілюється та перетворюється на різноманітні органічні сполуки рослин. Рослинні організми, особливо нижчі мікроорганізми, морський фітопланктон завдяки винятковій швидкості розмноження продукують на рік близько 1,5*10 11 m вуглецю у вигляді органічної маси. Рослини частково поїдають тваринами (при цьому утворюються харчові ланцюги). Зрештою, органічна маса внаслідок дихання, гниття та горіння перетворюється навуглекислий газ або відкладається у вигляді сапропелю, гумусу, торфу, які, у свою чергу, дають початок багатьом іншим сполукам - кам'яним вугіллям, нафті. У процесах розпаду органічних речовин, їх мінералізації, величезну роль відіграють бактерії (наприклад, гнильні), а також багато грибів (наприклад, плісняві). В активному кругообігу вуглекислий газ жива речовина бере участь дуже невелика частина всієї маси вуглецю. Величезна кількість вуглекислоти законсервована як викопних вапняків та інших порід.
Між вуглекислим газом атмосфери та водою океану існує рухлива рівновага. Організми поглинають вуглекислий кальцій, створюють свої скелети, та був їх утворюються пласти вапняків. Атмосфера поповнюється вуглекислим газом завдяки процесам розкладання органічних речовин, карбонатів тощо. Особливо потужним джерелом є вулкани, гази яких складаються головним чином із пари води та вуглекислого газу.
Азот входить до складу земної атмосфери у незв'язаному вигляді у формі двоатомних молекул. Приблизно 78% всього обсягу атмосфери посідає частку азоту. Крім того, азот входить до складу рослин та тварин організмів у формі білків. Рослини синтезують білки, використовуючи нітрати із ґрунту. Нітрати утворюються там із атмосферного азоту та амонійних сполук, наявних у грунті. Процес перетворення атмосферного азоту на форму, що засвоюється рослинами і тваринами, називається зв'язуванням (або фіксацією) азоту.
При гниття органічних речовин значна частина азоту, що міститься в них, перетворюється на аміак, який під впливом живуть у грунті нітрифікуючих бактерій окислюється потім на азотну кислоту. Остання, вступаючи в реакцію з карбонатами, що знаходяться в грунті, наприклад з карбонатом кальцію СаСОз, утворює нітрати:
2HN0з + СаСОз= Са(NОз)2 + СОС + Н0Н
Деяка частина азоту завжди виділяється при гнитті у вільному вигляді в атмосферу. Вільний азот виділяється також під час горіння органічних речовин, при спалюванні дров, кам'яного вугілля, торфу. Крім того, існують бактерії, які при недостатньому доступі повітря можуть забирати кисень від нітратів, руйнуючи їх із виділенням вільного азоту. Діяльність цих денітрифікуючих бактерій призводить до того, що частина азоту з доступної для зелених рослин форми (нітрати) перетворюється на недоступну (вільний азот). Таким чином, далеко не весь азот, що входив до складу загиблих рослин, повертається назад у ґрунт; частина його поступово виділяється у вільному вигляді.
Безперервне зменшення мінеральних азотних сполук давно мало б призвести до повного припинення життя Землі, якби природі немає процеси, відшкодовують втрати азоту. До таких процесів відносяться, перш за все, електричні розряди, що відбуваються в атмосфері, при яких завжди утворюється деяка кількість оксидів азоту; останні з водою дають азотну кислоту, що перетворюється у ґрунті на нітрати. Іншим джерелом поповнення азотних сполук грунту є життєдіяльність про азотобактерій, здатних засвоювати атмосферний азот. Деякі з цих бактерій поселяються на коренях рослин із сімейства бобових, викликаючи утворення характерних здуття — «клубеньків», чому вони й отримали назву бульбочкових бактерій. Засвоюючи атмосферний азот, бульбочкові бактерії переробляють їх у азотні сполуки, а рослини, своєю чергою, перетворюють останні на білки та інші складні речовини.
Таким чином, у природі відбувається безперервний кругообіг азоту. Однак щорічно з урожаєм з полів забираються найбагатші на білки частинирослин, наприклад, зерно. Тому в ґрунт необхідно вносити добрива, що відшкодовують спад у ній найважливіших елементів живлення рослин. В основному використовуються нітрат кальцію Ca(NO3)2, нітрат амонію NH4NO3, нітрат натрію NANO3 і нітрат калію KNO3. Наприклад, у Таїланді використовується листя лейкаєни як органічне добриво. Лейкаєна належить до бобових рослин і, як і всі вони, містить дуже багато азоту. Тому її можна використати замість хімічного добрива.
Останнім часом спостерігається підвищення вмісту нітратів у питній воді, головним чином за рахунок використання штучних азотних добрив, що посилилося, в сільському господарстві. Хоча самі нітрати не такі вже й небезпечні для дорослих людей, в організмі людини вони можуть перетворюватися на нітрити. Крім того, нітрати та нітрити використовуються для обробки та консервування багатьох харчових продуктів, у тому числі шинки, бекону, солонини, а також деяких сортів сиру та риби. Окремі вчені вважають, що в організмі людини нітрати можуть перетворюватися на нітрозаміни.
Джерелом фосфору біосфери є переважно апатит, що у всіх магматичних породах. У перетвореннях фосфору велику роль відіграє жива речовина. Організми витягують фосфор із ґрунтів, водних розчинів. Засвоєння фосфору рослинами багато в чому залежить від кислотності ґрунту. Фосфор входить до численнихсполуки в організмах: білки, нуклеїнові кислоти, кісткова тканина, лецитини, фітин та інші сполуки; особливо багато фосфору входить до складу кісток. Фосфор життєво необхідний тваринам у процесах обміну речовин накопичення енергії. З загибеллю організмів фосфор повертається у ґрунт і в мули морів. Він концентрується у вигляді морських фосфатних конкрецій, відкладень кісток риб, що створює умови для створення багатих на фосфор порід, які в свою чергу є джерелом фосфору в біогенному циклі.
Зміст фосфору у земній корі становить 8*10 -20 % (за вагою). У вільному стані фосфор у природі не зустрічається внаслідок його легкої окислюваності. У земній корі він у вигляді мінералів (фторапатит, хлорапатит, вівіаніт та інших.), які входять до складу природних фосфатів – апатитів і фосфоритів. Фосфор має виняткове значення для життя тварин та рослин.
Оскільки рослини виносять із ґрунту значну кількість фосфору, а природне поповнення фосфорними сполуками ґрунту вкрай незначне, то внесення у ґрунт фосфорних добрив є одним із найважливіших заходів щодо підвищення врожайності. Щорічно у світі видобувають приблизно 125 млн. т фосфатної руди. Більшість її витрачається виробництво фосфатних добрив.
Кругообіг сірки також тісно пов'язаний із живою речовиною. Сірка у вигляді SO2, SO3, H2S та елементарної сірки викидається вулканами в атмосферу. З іншого боку, в природі у великій кількості відомі різні сульфіди металів: заліза, свинцю, цинку та ін. Сульфати поглинаються рослинами. В організмах сірка входить до складу амінокислот та білків, а у рослин, крім того, – до складуефірних олій і т.д. Процеси руйнування залишків організмів у ґрунтах та в мулах морів супроводжуються дуже складними перетвореннями сірки. При руйнуванні білків за участю мікроорганізмів утворюється сірководень. Далі сірководень окислюється або до елементарної сірки, або сульфатів. У цьому процесі беруть участь різноманітні мікроорганізми, що створюють численні проміжні сполуки сірки. Відомі родовища сірки біогенного походження. Сірководень може знову утворити «вторинні» сульфіди, а сульфатна сірка створює гіпс. У свою чергу сульфіди та гіпс знову зазнають руйнування, і сірка відновлює свою міграцію.