2.2. Колообіг вуглецю (карбону)

Вуглець є одним з найнеобхідніших для життя компонентів. До складу органічної речо­вини він включається в процесі фотосинтезу (рис.14). Потім основна його маса надто­ди­ть в харчові ланцюги тварин і накопичується в їх тілах у вигляді різного роду вугле­водів.

Рис.14

Головну роль в колообізі вугле­цю відіграють атмос­фер­­ний і гідро­сфер­ний фонди СО2. Ці фонди поповню­ю­ться при диханні рос­лин і тварин, а та­кож при розкла­дан­ні мерт­­вої орга­ніки.

Деяка частина вуг­ле­­цю вислизає з колообігу в захоронення. Однак людина останнім часом досить успіш­но роз­робляє ці захоронення, повертаючи в колообіг життя вуглець та інші важливі для життя елементи, накопичені за мільйони років. Хоча це призводить до ряду негативних для нас наслідків, але хтозна, може бути саме цю місію ми повинні були виконати для біосфери. Наприклад відомо, що із збільшенням вмісту СО₂ і зниженням вмісту О₂ в атмосфері збільшується інтенсивність фотосинтезу. Можливо після того, як ми очистимо планету від сучасних форм життя (в тому числі і від своєї присутності на ній), почнеться бурхливий етап розвитку нових більш досконалих форм, які зараз не можуть витримати конкуренції. Адже була ж колись епоха анаеробного життя на землі. "Неприємним" продуктом їхньої життєдіяльності був кисень, накопичення якого практично погубило цю форму життя. Тепер її сліди можна виявити лише в надрах боліт, та в глибоководних западинах. Але зате було дано початок новим більш досконалим аеробним організмам, які навчилися "ней­­тра­лізовувати" кисень і навіть використовувати його хімічну активність для отри­ман­ня вільної енергії. Фотосинтезуючий зелений пояс і карбонатна система моря підтримують постійний рівень СО₂ в атмосфері. Але за останні 100 років вміст СО₂ постійно зростає через нові антропогенні надходження і зведення лісів. Вважають, що на початку промислової революції (1800 р.) в атмосфері Землі було присутнє близько 0.029% CO₂. У 1958 р., коли були проведені перші точні виміри, - 0.0315%, в 1980 - 0.0335%. Коли доіндустріальний рівень буде перевищений удвічі (2050 р.), очікується підвищення температури в середньому на 1.5-4.5 градуса. Це пов'язано в першу чергу з парниковим ефектом, до якого призводить підвищений вміст вуглекислого газу в атмосфері. Якщо в 20-му столітті рівень моря піднявся на 12 см, то в 21-м столітті нас може очікувати порушення ста біль­ності полярних крижаних шапок, що призведе до їх танення і катастрофічного підйому рівня світового океану. За деякими прогнозами у 2050 році під водою може опинитися Нью-Йорк і велика частина Західної Європи.

На тлі цього відбувається втрата вуглекислоти з ґрунтового фонду, що викликано окисленням гумусу в ґрунті після знищення лісів при подальшому використанні цих земель для сільського господарства або будівництва міст.

2.3. Колообіг азоту (нітрогену)

Рис.15

Азот входить до складу амінокислот, які є основним будівельним матеріалом для білків. Хоча азот потрібний в менших кількостях, ніж наприклад вуглець, тим не менш дефіцит азоту негативно позначається на продуктивність живих організмів. Основним джерелом азоту є атмосфера (рис.15), звідки в ґрунт, а потім у рослини азот потрапляє тільки у формі нітратів, які є резуль­татом діяльності орга­нізмів-азо­т­­­­фік­са­­торів (ок­ре­­мі види бак­терій, синьо-зеле­них водо­рос­­тей і грибів), а та­кож елек­трич­них розрядів (бли­ска­вок) та інших фізич­них про­цесів. Решта спо­лук азоту рос­ли­­­нами не засвою­ються.

Друге джерело азоту для рослин - результат розкладання органіки, зокрема, білків. При цьому на початку утворюється аміак, який перетворюється бактеріями-нітрифікаторами в нітрити та нітрати.

Повернення азоту в атмос­феру відбувається внас­лідок діяль­ності бактерій-деніт­ри­фі­ка­­торів, що розкладають нітра­ти до вільного азоту і кисню.

Значна частина азоту, потрапляючи в океан (в основному зі стічними континентальними водами), частково використовується водною рослинністю, а потім по харчових ланцюгах через тварин повертаються на сушу. Невелика частина азоту випадає з колообігу, йдучи в осадові сполуки. Проте ця втрата компенсується надходженням азоту в повітря з вулканічними газами, а також з індустріальними викидами. Якби наша цивілізація досягла такої технічної потужності, що змогла б блокувати всі вулкани на Землі, то при цьому через припинення надходжень вуглецю, азоту та інших речовин від голоду могло б загинути більше людей, ніж страждає зараз від вивержень вулканів (правда наближаються часи, коли людина за кількістю викидів в атмосферу буде успішно конкурувати з вулканами).

Антропогенний азот надходить в природу в основному у формі азотних добрив. Їх кількість приблизно дорівнює природній фіксації азоту в атмосфері, але нижче біологічної фіксації.

У природних екосистемах близько 20% азоту - це новий азот, отриманий з атмосфери шляхом азотофіксації. Інші 80% повертається в колообіг внаслідок розкладання органіки. В агросистемах з азоту, що надійшов на поля з добривами, дуже невелика частина використовується повторно, більша ж частина втрачається з зібраним урожаєм, а також в результаті вилуговування (виносу водою) і денітрифікації.

Лише прокаріоти, без'ядерні, найпримітивніші мікроорганізми, можуть перетворювати біологічно марний газоподібний азот у форми, необхідні для побудови та підтримки живої протоплазми. Коли ці мікроорганізми утворюють взаємовигідні асоціації з вищими рослинами, фіксація азоту значно посилюється. Рослини надають бактеріям відповідне місцепроживання (кореневі бульби), захищає мікроби від надлишків кисню і поставляє їм необхідну високоякісну енергію. За це рослина отримує легкозасвоюваний фіксований азот. Мрія сучасних фахівців з генної інженерії - створити сорти зернових культур, здатні до само удобрювання, які мали б на коренях бульбочки з азотфіксуючими бактеріями, аналогічні бульбочкам на коренях бобових рослин. Вважають, що це дозволило б здійснити суттєвий прорив у сільському господарстві. Однак хтозна, чи не порушить подібне збільшення природного фіксації вільного азоту того крихкого балансу припливу і відтоку азоту в атмосфері, який забезпечує стабільність концентрації азоту в повітрі, яким ми дихаємо.