4.5.5. Химические элементы в биосфере
В основе жизни лежит обмен веществом между организмом и окружающей его средой. Любая экосистема как составная часть биосферы является источником требуемых отдельному организму материальных ресурсов, представляет собой химическую среду обитания. От соответствия химического состава биосферы требованиям живых организмов зависит их жизнедеятельность. На уровне экосистемы и биосферы в целом происходят непрерывные физико-химические процессы, представляющие собой биогеохимические циклы.
Одной из задач химической экологии является исследоваие закономеростей химических превращений в процессе таких циклов. Сами циклы наиболее важных для экосистем химических элементов и их соединений описаны в гл.11.2. Поэтому в рамках данного раздела мы остановимся только на некоторых деталях таких круговоротов, имеющих непосредственное отношение к экологической химии.
Деятельность человеческого общества в настоящее время радикально трансформирует химию биосферы. Антропогенное влияние на биогеохимические циклы проявилось не только на локальном экосистемном, но и на биосферном, а также планетарном и околоземном космическом уровне.
С позиций экологической химии обычно выделяют круговорот биогенных элементов (углерод, азот, водород, кислород, фосфор, сера, которые формируют живые организмы). Однако эти организмы не смогут жить без достаточного количества многих других элементов – катионов металлов. Среди них калий, кальций, магний (иногда натрий) относятся к группе макроэлементов, так как они необходимы в больших количествах (выражающихся в сотых долях сухого вещества). Железо, бор, цинк, медь, марганец, молибден, кобальт, анион хлора – обычно относят к микроэлементам, т.к. они нужны лишь в малых количествах (выражающихся в миллионных долях сухого вещества).
На суше главным источником биогенных элементов (катионов) служит почва, которая получает их в процессе разрушения материнских пород. Катионы абсорбируются корнями, распределяются различными органами растений, накапливаются в листве, т.е. входят в корм растительноядных потребителей последующих порядков в цепи питания.
Минерализация погибших организмов возвращает биогенные катионы в почву, создавая впечатление, что цикл способен продолжаться беспрерывно. Однако почва выщелачивается дождями, дождевые воды переносят катионы в систему подземного стока, а также и в поверхностный сток: в реки, моря, иногда в значительных количествах.
Истощение почвы возможно также и через сельскохозяйственные культуры. Такие культуры, например, как свекла, картофель, масличные культуры, уносять ежегодно от 300 до 700 кг минеральных веществ на 1 га.
Человек интенсивно трансформирует процессы круговорота всех химических элементов не только на локальном, но и биосферном уровне. Поэтому в химической экологии вводят понятие антропогенного круговорота вещества.
Принципиальных различий в утилизации природных ресурсов между человеком и другими организмами нет с точки зрения экологии: различия заключаются лишь в масштабах. Другая особенность антропогенного круговорота (его еще иогда называют ресурсным циклом) – его незамкнутость (т.е. использованные вещества не возвращаются в места их изъятия), в отличие от природные циклов.
На каждом этапе ресурсного цикла неизбежны потери. При добыче часть сырья остается в местах залегания, а в отвалы идет так называемая «пустая порода». Значительная доля добытого ископаемого теряется при транспортировке к заводам и фабрикам при перегрузке, переработке. Если ресурс используется как топливо, то при его сгорании образуются шлаки, идущие в отвалы, оксиды, летящие в атмосферу, и т.д. Если же нефть, уголь перерабатываются промышленностью, то неизбежно образование побочных твердых, жидких, газообразных продуктов, как технологических отходов, формирующих так называемые хвостовые выбросы, которые наносят вред экосистемам, нарушают качество среды, отрицательно влияют на здоровье людей.
В связи с такой ситуацией возник афоризм: загрязнение среды – это природные ресурсы, оказавшиеся не на своем месте.
Чтобы не допустить этого, человек вынужден брать на себя восстановление экосистемы: высевание семян, внесение органоминеральных удобрений, обеспечение растенийводой и т.п.