Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных биогенных веществ

Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых в основном состоят белковые молекулы. К ним отно­сятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции. В кру­говороте углерода, а точнее — наиболее подвижной его фор­мы — СО2, четко прослеживается трофическая цепь: продуцен­ты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы — поглощающие углерод вместе с телами проду­центов и консументов низших порядков,редуцентов — возвра­щающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО2 составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере).

В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фито­планктон) — консументы (зоопланктон, рыбы) — редуценты (микроорганизмы) — осложняется тем, что некоторая часть уг­лерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в оса­дочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геоло­гическом круговороте вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода яв­ляются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство челове­ка в круговорот этого элемента приводит к возрастанию содер­жания СО2 в атмосфере.

Скорость круговорота кислорода — 2 тыс. лет, именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53-10⁹ т кислорода, а в океанах — 414-10⁹ т.

Главный потребитель кислорода — животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.

Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды еже­годно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фотосинтеза.

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. По­глощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислоро­дом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпае­мы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещест­ва отмерших организмов и превращают их в аммонийные со­единения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в про­цессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Опасность заключается также и в том, что азот в виде нит­ратов и нитритов усваивается растениями и может передавать­ся по пищевым (трофическим) цепям.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только двенадцать их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают американские ученые.

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кисло­рода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, же­лезо и др.

Биогеохимические циклы фосфора и серы, важней­ших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде зем­ной коры, в «недоступном» фонде.

Круговорот серы и фосфора - типичный осадочный био­геохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от раз­личного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонен­тов.

Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический кругово­рот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону вывет­ривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала — апатита.

Общий круговорот фосфора можно разделить на две час­ти - водную и наземную. В водных экосистемах он усваива­ется фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка - морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в кру­говорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фос­фор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.

В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв и далее он распространяется по трофической цепи. Воз­вращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы вод­ных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию. Боль­шая же часть фосфора уносится в море и там теряется без­возвратно.

Последнее обстоятельство может привести к истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). Следовательно, надо стремиться избежать этих потерь и не ожидать того времени, когда Земля вернет на сушу «потерян­ные отложения».

Сера также имеет основной резервный фонд в отложени­ях и почве, но в отличие от фосфора имеет резервный фонд и в атмосфере. В обменном фонде главная роль при­надлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие — окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов в газообразной фазе в виде сероводорода (Н2S) или сернистого газа (SО2). В некото­рых организмах сера накапливается в чистом виде (S2) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

В морской среде сульфат-ион занимает второе место по со­держанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в неболь­ших количествах, является ключевым в общем, процессе продукции и разложения (Ю. Одум, 1986). Например, при образо­вании сульфидов железа, фосфор переходит в растворимую фор­му, доступную для организмов.

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при от­мирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до Н2S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Об­разовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растения­ми из поровых растворов почвы — так продолжается кругово­рот.

Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому, пре­жде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сер­нистый газ нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, азотистые высокотоксичные соединения и др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ацикличе­ским. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические бногеохимические про­цессы превратить в циклические.

Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в при­роде. Но, являясь планетарной экосистемой, она состоит из эко­систем всех уровней, поэтому первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных эко­систем.