Видикругообігів, Кругообіг вуглецю - Кругообіг речовин в біосфері
У біосферному і біологічному кругообігах бере участь величезна кількість хімічних елементів і сполук, але найважливішими є ті, які визначають сучасний етап розвитку біосфери, пов'язаний з господарською діяльністю людини. До них відносяться кругообіги вуглецю, сірки, азоту та фосфору. Оксиди перших трьох є головними забруднювачами атмосфери, а фосфати - забруднювачами водяних басейнів. Велике значення має знання кругообігу ряду токсичних елементів і, зокрема, ртуті (забруднювач харчових продуктів) та свинцю (компонент бензину, який виступає як забруднювач ґрунту та атмосфери). У круговороти залучаються багато речовин антропогенного походження (ДДТ, пестициди, радіонукліди та ін), які завдають шкоди біоті та здоров'ю людини.
Кругообіг вуглецю
Вуглець бере участь у великому та малому кругообігах речовини. Його сполуки в біосфері постійно виникають, зазнають перетворень і розкладаються. Основний шлях міграції вуглецю - від вуглекислого газу в атмосфері до живої речовини та з живої речовини до атмосферної вуглекислоти. При цьому частина вуглецю виходить з круговороту, розчиняючись у гідросфері та беручи в облогу у формі карбонатних порід, а частина залишається в грунті.
У біологічному кругообігу вуглецю виділяють три стадії. На першій стадії зелені рослини поглинають вуглекислий газ із повітря, створюють органічну речовину, головною складовою якої є вуглець. Надалі тварини, харчуючись рослинами, з сполук, що містяться в органічній речовині, у тому числі сполук вуглецю, продукують інші сполуки. На кінцевій стадії після відмирання організмів рослинного чи тваринного походження їх мертві тканини руйнуються мікроорганізмами, які звільняютьвуглець. Він знову попадає в атмосферу у формі вуглекислого газу. Крім того, джерелом вуглецю є вуглекислий газ, що надходить в атмосферу при диханні рослин у темний час доби, що виділяється при диханні тварин і людини, а також вступає в атмосферу в результаті вулканічних вивержень і при вивітрюванні гірських порід, що містять вуглець у зв'язаному вигляді.
Частина вуглецю накопичується у вигляді омертвілих органічних речовин і там, де відсутні умови для їх розкладання, тобто у відновлювальних умовах. У цьому випадку органічний вуглець переходить у викопний стан і накопичується у вигляді торфу, нафти та газу і надалі переробляється в кам'яне вугілля та горючі сланці, а при метаморфізмі переходить у графіт.
Розглядаючи глобальне перетворення органічного вуглецю та інтенсивне його поховання в болотах, заплавно-старих умовах, лагунах, манграх, морських басейнах і прісноводних водоймах, слід визнати, що цей процес здійснювався на Землі в період усієї біологічної еволюції біосфери, причому цей процес протягом тривалого часу часу протікав із великою інтенсивністю, але з різною швидкістю. У геологічному минулому, коли існувала ландшафтно-кліматична обстановка, що сприяла розвитку рослинного покриву, а атмосфері концентрація вуглекислого газу майже перевищувала сучасну, надлишок органічного вуглецю захоронювався надрах Землі, утворивши родовища з корисними копалинами. Загальна маса вуглецю, яка похована у формі горючих з корисними копалинами, оцінюється більш ніж 100 000 трлн. т.
Сучасна рослинність, включаючи водорості, щорічно продукує близько 1,5 трлн. Т. вуглецю. Згідно з розрахунками М. І. Будика, весь запас вуглекислого газу в атмосфері,якби він не поновлювався, був би вичерпаний рослинами за вісім років.
Окрім біосфери, вуглекислий газ продукується відсталими системами, зокрема вулканічними виверженнями. Дуже істотним джерелом та споживачем вуглекислоти виступають водні маси гідросфери. Вуглекислий газ представлений у ній у вигляді розбавлених розчинів вугільної кислоти і головним чином формі гідрокарбонатів металів. Існує глобальний обмін між атмосферою та гідросферою не лише енергією, а й речовиною у формі газів. Підвищення концентрації та парціального тиску СO2 в атмосфері, регіональне або сезонне охолодження вод – все це супроводжується негайним збільшенням концентрації вуглекислого газу у воді та розчинів гідрокарбонату кальцію. Необхідні кількості вуглекислоти вилучаються з атмосфери.
Відомо, що багато гідробіонтів, поглинаючи вуглекислий кальцій, будують свої скелети, а після смерті формують донні вапняні відкладення, що надалі перетворюються в процесі літогенезу в товщі органогенних вапняків. Облягаючись, карбонат кальцію пов'язує частину вуглекислого газу у формі вапняних опадів на дні Світового океану та прісноводних водойм, але при цьому частина вуглекислоти знову повертається в атмосферу.
Між атмосферним вуглекислим газом та вуглекислим газом, розчиненим у Світовому океані, існує рівновага. Зменшення вуглекислого газу атмосфері неминуче викликає дегазацію вод океану і призводить до надходження вуглекислого газу атмосферу. Як порушник рівноважного процесу нерідко виступає температурний фактор.
Постійно чинним фактором поглинання вуглекислого газу з атмосфери, а також газів, розчинених у водному середовищі, є фотосинтез в гідросфері. Причому цей процес протікає з відповідним визволеннямкисню.
Таким чином,Світовий океаніатмосферає єдиною системою, яка регулює взаємний розподіл діоксиду вуглецю. Ряд дослідників вважають, що в сучасну епоху, незважаючи на підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері, Світовий океан продовжує ефективно виконувати функцію захоплення та зв'язування надмірної кількості вуглекислого газу, переводячи його в розчинні бікарбонати та осаджуючи у вигляді карбонату кальцію, а також шляхом утворення біомаси живого речовини із карбонатним скелетом.
У сучасну епоху, на відміну від минулих геологічних періодів, потік вуглецю в атмосферу збільшився за рахунок антропогенних викидів, а рослинність повністю засвоїти його виявилася не в змозі. У результаті знизилося самоочищення атмосфери від оксиду вуглецю, тобто. від чадного газу.
Самоочищення повітря від оксиду вуглецю відбувається в результаті міграції у верхні шари атмосфери, де в присутності діоксиду азоту і озону він окислюється до СO2. Встановлено, що якби припинилося постійне надходження в атмосферу техногенного оксиду вуглецю, вона б очистилася від нього протягом декількох років.
Кругообіг азоту в біосфері
В атмосфері та живій речовині міститься менше 2% всього азоту на Землі, але саме він підтримує життя на планеті. Азот входить до складу найважливіших органічних молекул - ДНК, білків, ліпопротеїдів, АТФ, хлорофілу та ін. із вуглецевим.
Молекулярний азот атмосфери недоступний рослинам, які можуть засвоювати цей елемент тільки у вигляді іонів амонію, нітратів або з ґрунтових чи воднихрозчинів. Тому недолік азоту часто є фактором, що лімітує первинну продукцію - роботу організмів, пов'язану зі створенням органічних речовин із неорганічних. Проте атмосферний азот широко залучається до біологічного кругообігу завдяки діяльності особливих бактерій (азотфіксаторів).
У кругообігу азоту велику участь також беруть мікроорганізми, що амоніфікують. Вони розкладають білки та інші органічні речовини, що містять азот, до аміаку. В амонійній формі азот частиною знову поглинається корінням рослин, а частиною перехоплюється нітрифікуючими мікроорганізмами, що протилежно функцій групи мікроорганізмів - денітрифікаторів.
В анаеробних умовах у ґрунтах або водах вони використовують кисень нітратів для окислення органічних речовин, одержуючи енергію для своєї життєдіяльності. Азот у своїй відновлюється до молекулярного. Азотфіксація та денітрифікація в природі приблизно врівноважені. Цикл азоту таким чином залежить переважно від діяльності бактерій, тоді як рослини вбудовуються в нього, використовуючи проміжні продукти цього циклу і набагато збільшуючи масштаби циркуляції азоту в біосфері за рахунок продукування біомаси.
Роль бактерій у кругообігу азоту настільки велика, що якщо знищити лише 20 їх видів, життя на нашій планеті припиниться.
Небіологічна фіксація азоту та надходження у ґрунти його оксидів та аміаку відбувається також з дощовими опадами при іонізації атмосфери та грозових розрядах. Сучасна промисловість добрив фіксує азот атмосфери у розмірі, що перевищують природну фіксацію азоту, з метою збільшення продукції сільськогосподарських рослин.
В даний час діяльність людини все сильніше впливає на кругообіг азоту,переважно у бік перевищення перекладу їх у пов'язані форми над процесами повернення молекулярний стан.
Кругообіг фосфору в біосфері
Цей елемент, необхідний синтезу багатьох органічних речовин, включаючи АТФ, ДНК, РНК, засвоюється рослинами лише як іонів ортофосфорної кислоти (Р03 4 + ). Він відноситься до елементів, що лімітують первинну продукцію і на суші, і особливо в океані, оскільки обмінний фонд фосфору в ґрунтах та водах невеликий. Кругообіг цього елемента в масштабах біосфери незамкнуто.
На суші рослини черпають з ґрунту фосфати, звільнені редуцентами з органічних залишків, що розкладаються. Однак у лужному чи кислому грунті розчинність фосфорних сполук різко падає. Основний резервний фонд фосфатів міститься у гірських породах, створених на дні океану в геологічному минулому. У ході вилуговування порід частина цих запасів переходить у ґрунт і у вигляді суспензій та розчинів вимивається у водойми. У гідросфері фосфати використовуються фітопланктоном, переходячи по ланцюгах живлення до інших гідробіонтів. Однак у океані більшість фосфорних сполук захоранивается з залишками тварин і рослин дні з наступним переходом з осадовими породами у великий геологічний кругообіг. На глибині розчинені фосфати зв'язуються з кальцієм, утворюючи фосфорити та апатити. У біосфері, власне, відбувається односпрямований потік фосфору з гірських порід суші в глибини океану, отже, обмінний фонд їх у гідросфері дуже обмежений.
Наземні поклади фосфоритів та апатитів використовуються під час виробництва добрив. Попадання фосфору в прісні водоймища є однією з головних причин їхнього "цвітіння".
Кругообіг сірки в біосфері
Кругообіг сірки, необхідної для побудови ряду амінокислот, відповідаєза тривимірну структуру білків, що підтримується в біосфері широким спектром бактерій. В окремих ланках цього циклу беруть участь аеробні мікроорганізми, що окислюють сірку органічних залишків до сульфатів, а також анаеробні редуктори сульфату, що відновлюють сульфати до сірководню. Крім перерахованих групи сіркобактерій окислюють сірководень до елементарної сірки і далі до сульфатів. Рослини засвоюють із ґрунту та води тільки іони SO2- 4.
Кільце в центрі ілюструє процес окислення (О) та відновлення (R), завдяки яким відбувається обмін сірки між фондом доступного сульфату та фондом сульфідів заліза, що знаходиться глибоко в ґрунті та опадах.
У великому, геологічному кругообігу сірка переноситься з океану на материки атмосферними опадами і повертається з річковим стоком назад до Світового океану. Одночасно її запаси поповнюються за рахунок вулканічної діяльності та при процесах вивітрювання. Вулкани викидають сірку у вигляді триоксиду (сірчаного ангідриду SO3), діоксиду (сірчистого газу SO2), сірководню Н2S та елементарної сірки. У літосфері є у великій кількості сульфіди різних металів: заліза, цинку, свинцю, міді та ін. У малому кругообігу сульфати поглинаються рослинами. Рослиноїдні тварини отримують необхідну для життєдіяльності сірку. В результаті складних перетворень та видозмін при руйнуванні залишків організмів, рослинного опаду сірка потрапляє в ґрунтові води та в мули водойм суші, морів та океанів. При руйнуванні білків за участю мікроорганізмів утворюється сірководень, який надалі окислюється або до елементарної сірки, або сульфатів. В першому випадкуформуються поклади чистої сірки, тоді як у другому - поклади гіпсу. При руйнуванні останніх під час видобутку чи вивітрювання сірка знову залучається до кругообігу.
Сірководневе зараження вод Чорного моря - це результат життєдіяльності сіро-розкладних бактерій в анаеробних умовах. Сірководень нерідко виникає у прісноводних водоймах, забруднених промисловими стоками. На заключному етапі геологічного кругообігу сірка випадає в осад у анаеробних умовах у присутності заліза та інших металів і повільно накопичується у вигляді конкрецій або тонкорозпорошеної речовини у земних надрах.
Промислове забруднення призводить до порушення кругообігу сірки, як і інших вищеперелічених елементів, що у інших кругообігах. Додатковим постачальником сірки у великий кругообіг є теплоенергетичні установки, які при спалюванні мінерального палива викидають сірчистий газ.
Атмосфера Землі здатна самоочищатися від сірчистого ангідриду при випаданні атмосферних опадів: він перетворюється на газові виділення рослинності або осаджується у формі сульфатних аерозолів.
Екологічна небезпека сірчистого ангідриду полягає в тому, що при фотохімічному окисленні в присутності діоксиду азоту та вуглеводнів спочатку утворюється сірчаний ангідрид SO3, який з'єднуючись з водяними парами, перетворюється на аерозолі сірчаної кислоти Н2SO4. Тривалість циклу від моменту природних або техногенних викидів SO2 до видалення з атмосфери парів сірчаної кислоти становить до 14 діб. З повітряними потоками аерозолі сірчаної кислоти розносяться на значні відстані джерела викиду і випадають як кислотних дощів. Про це докладніше викладено у розділах, що стосуються асидифікації атмосфери та гідросфери.