Великий геологічний та малий біологічний кругообіг речовин у природі. Акумуляція біогенних елементів у ґрунті
Всі речовини на нашій планеті знаходяться в процесі колообігу. Сонячна енергія викликає Землі два круговороту речовин, великий чи біосферний (що охоплює всю біосферу), і малий чи біологічний (всередині екосистем).
Біосферному кругообігу речовин передував геологічний, пов'язаний з утворенням та руйнуванням гірських порід та подальшим переміщенням продуктів руйнування - уламкового матеріалу та хімічних елементів. Значну роль цих процесах грали і продовжують грати термічні властивості поверхні суші і води: поглинання для відбиття сонячних променів, теплопровідність в теплоємність. Вода більше поглинає сонячної енергії, а поверхня суші в тих самих широтах більше нагрівається. Нестійкий гідротермічний режим поверхні Землі разом з планетарною системою циркуляції атмосфери зумовлював геологічний кругообіг. Про геологічне прояв його говорить і перенесення повітряними масами продуктів вивітрювання, а водою - розчинених у ній мінеральних сполук. З становленням біосфери у великий кругообіг включилися продукти життєдіяльності організмів. Геологічний кругообіг, не припинивши свого існування, набув нових рис: він зграя початковим етапом біосферного переміщення речовини. Саме він постачає живим організмам елементи живлення та багато в чому визначає умови їхнього існування.
Великий кругообіг речовин у біосфері характеризується двома важливими моментами:
Здійснюється протягом усього геологічного розвитку Землі;
Являє собою сучасний планетарний процес, що бере участь у подальшому розвитку біосфери (Радкевич, 1983).
На сучасному етапі розвитку людства в результаті великого кругообігу на великі відстані переносяться також забруднюючі речовини, такі як оксиди сірки та азоту, пил, радіоактивні домішки. Найбільше забруднення зазнала територія помірних широт Північної півкулі.
Малий або біологічний кругообіг речовин розгортається на тлі великого, геологічного, що охоплює біосферу в цілому. Він відбувається всередині екосистем, але не замкнутий, що пов'язано з надходженням речовини та енергії в екосистему ззовні та з виходом частини їх у біосферний кругообіг. З цієї причини іноді говорять не про біологічний кругообіг, а про обмін енергії в екосистемах та окремих організмах.
Рослини, тварини та ґрунтовий покрив на суші утворюють складну світову систему, яка формує біомасу, пов'язує та перерозподіляє сонячну енергію, вуглець атмосфери, вологу, кисень, водень, азот, фосфор, сірку, кальцій та інші елементи, що беруть участь у життєдіяльності організмів. Рослини, тварини та мікроорганізми водного середовища утворюють іншу планетарну систему, що виконує ту ж функцію зв'язування сонячної енергії та біологічного круговороту речовин.
Суть біологічного круговороту полягає у перебігу двох протилежних, але взаємопов'язаних процесів - творення органічної речовини та її руйнування. Початковий етап виникнення органічної речовини обумовлений фотосинтез зелених рослин, тобто. утворенням цієї речовини з вуглекислого газу, води та мінеральних сполук з використанням променистої енергії Сонця. Рослини витягають із ґрунту в розчиненому вигляді сірку, фосфор, кальцій, калій, магній, марганець, кремній, алюміній, мідь, цинк та інші елементи. Рослиноїдні тварини поглинають вже сполуки цих елементів у вигляді їжі рослинного походження. Хижаки харчуються рослиноїдними тваринами, споживають їжу складнішого складу, включаючи білки, жири, амінокислоти та ін. біологічного круговороту.
На відміну від великого круговороту малий має різну тривалість: розрізняють сезонні, річні, багаторічні та вікові малі круговороти. При вивченні біологічного кругообігу речовин основна увага приділяється річному ритму, що визначається річною динамікою розвитку рослинного покриву.
До виникнення біосфери на Землі були три круговороти речовин: мінеральний кругообіг - переміщення магматичних продуктів з глибин на поверхню та назад; газовий кругообіг - циркуляція повітряних мас, що періодично розігріваються Сонцем,кругообіг води - випаровування води та перенесення її повітряними масами, випадання опадів (дощ, сніг).Ці три кругообігу об'єднують єдиним терміном - геологічний (абіотичний) кругообіг. З появою життя до газового, мінерального та водного кругообігу додався біотичний (біогенний) кругообіг - кругообіг хімічних елементів, що здійснюється життєдіяльністю організмів.Разом з геологічним утворився єдиний біогеохімічний кругообіг речовин Землі.
Геологічний кругообіг.
Близько половини поверхні Землі сонячної енергії витрачається на випаровування води, вивітрювання гірських порід, розчинення мінералів, переміщення повітряних мас і разом з ними парів води, пилу, твердих частинок вивітрювання.
Рух води та вітру призводить до ерозії ґрунтів, переміщення, перерозподілу та накопичення механічних та хімічних опадів у гідросфері та літосфері. Цей кругообіг відбувається і в даний час.
Великий інтерес представляє кругообіг води.З гідросфери за рік випаровується приблизно 3,8 10 14 т води, а повертається з опадами у водну оболонку Землі лише 3,4 10 14 т води. Частина, що бракує, випадає на сушу. Усього опадів на сушу випадає близько 11014 т, а випаровується приблизно 0,6 1014 т води. Надлишки води, що утворюються в літосфері, стікають в озера та річки, а потім у Світовий океан (рис. 2.4). Поверхневий стік дорівнює приблизно 0,2 10 14 т, 0,2 10 14 т води, що залишилися, надходять у підґрунтові водоносні горизонти, звідки вода надходить у річки, озера і океан, а також поповнює резервуари ґрунтових вод.
біотичний кругообіг. В його основі лежать процеси синтезу органічних речовин з подальшим руйнуванням їх на вихідні мінерали. Процеси синтезу та руйнування органічних речовин є фундаментом існування живої речовини та основною особливістю функціонування біосфери.
Життєдіяльність будь-якого організму неможлива без обміну речовин із довкіллям. У процесі обміну організм споживає і засвоює необхідні речовини і виділяє відходи життєдіяльності, розміри нашої планети не нескінченні, і зрештою вся корисна речовина була б перероблена на марні покидьки. Однак у процесі еволюції було знайдено чудовий вихід: окрім організмів, які вміють будувати живу речовину з неживої, з'явилися й інші організми, що розкладають цю складну органічну речовину на вихідні мінерали, готові до нового використання. «Єдиний спосіб надати обмеженій кількості якості нескінченної, - писав В.Р. Вільямс, - це змусити його обертатися замкненою кривою».
Механізм взаємодії живої та неживої природи складається з залучення неживої матерії у сферу життя. Після ряду перетворень неживої матерії в живих організмах відбувається повернення її до попереднього вихідного стану. Такий кругообіг можливий через те, що живі організми містять ті ж хімічні елементи, що й нежива природа.
Як же відбувається такий кругообіг? В. І. Вернадський обґрунтував, що головним перетворювачем енергії, що надходить із космосу (в основному сонячної), є зелена речовина рослин. Тільки вони здатні синтезувати первинні органічні сполуки під впливом сонячної енергії. Вчений підрахував, що загальна площа поверхні зеленої речовини рослин, що поглинає енергію, залежно від пори року становить від 0,86 до 4,2% площі поверхні Сонця. Водночас площа поверхні Землі
Тварини, їжею яких є рослини чи інші тварини, синтезують у своєму організмі нові органічні сполуки.
Останки тварин і рослин служать їжею для черв'яків, грибків і мікроорганізмів, які зрештою перетворюють їх на вихідні мінерали, виділяючи при цьому вуглекислий газ. Ці мінерали знову служать початковою сировиною до створення первинних органічних сполук рослинами. Так коло замикається і починається новий рух атомів.
Водночас кругообіг речовин не є абсолютно замкнутим. Частина атомів виходить із круговороту, закріплюється та організується новими формами живих організмів та продуктів їх життєдіяльності. Проникаючи в літосферу, гідросферу та тропосферу, живі організми виробляли та виробляють величезну геохімічну роботу з переміщення та перерозподілу наявних речовин та створення нових. У цьому вся суть поступального розвитку біосфери, оскільки у своїй розширюється сфера біогеохімічних циклів і зміцнюється біосфера. Як зазначав В. І. Вернадський, у біосфері спостерігається постійний біогенний рух атомів у вигляді «вихорів».
На відміну від геологічного біотичний кругообіг характеризується незначним споживанням енергії. Як зазначалося, створення первинного органічного речовини витрачається близько 1% сонячної енергії, досягає поверхні Землі. Цієї енергії достатньо для функціонування найскладніших біогеохімічних процесів на планеті.
Біологічний (малий) кругообіг - циркуляція речовин між рослинами, тваринним світом, мікроорганізмами та ґрунтом. Основа його - фотосинтез, тобто перетворення зеленими рослинами та особливими мікроорганізмами променистої енергії Сонця на енергію хімічних зв'язків органічних речовин. Фотосинтез зумовив появу Землі кисню з допомогою зелених організмів, озонового шару та умов біологічної еволюції.[ ...]
Малий біологічний кругообіг речовин має особливо велике значення в ґрунтоутворенні, оскільки саме взаємодія біологічного і геологічного кругообігу лежить в основі ґрунтоутворювального процесу.
Кругообіг азоту в даний час піддається сильному впливу з боку людини. З одного боку, масове виробництво азотних добрив та їх використання призводять до надмірного накопичення нітратів. Азот, що надходить на поля у вигляді добрив, втрачається через відчуження врожаю, вилуговування та денітрифікацію. З іншого боку, при зниженні швидкості перетворення аміаку на нітрати амонійні добрива накопичуються у ґрунті. Можливе придушення діяльності мікроорганізмів внаслідок забруднення ґрунту відходами промисловості. Проте ці процеси носять досить локальний характер. Набагато більше значення має надходження оксидів азоту в атмосферу при спалюванні палива на теплоелектростанціях та на транспорті. Азот, "фіксований" у промислових викидах, токсичний, на відміну від азоту біологічної фіксації. При природних процесах оксиди азоту з'являються в атмосфері в малих кількостях як проміжні продукти, але в містах і промислових районах їх концентрації стають небезпечними. Вони дратують органи дихання. а під впливом ультрафіолетового випромінювання виникають реакції між оксидами азоту і вуглеводнями з утворенням високотоксичних і канцерогенних сполук.
Кругообіги як форма переміщення речовини притаманні і біострому, але тут вони набувають своїх особливостей. Горизонтальний кругообіг представлений тріадою: народження - розмноження - загибель (розкладання); вертикальний – процесом фотосинтезу. І той і інший у формулюванні А. І. Перельмана (1975) знаходять єдність у малому біологічному кругообігу: «... хімічні елементи в ландшафті здійснюють кругообіги, в ході яких багаторазово вступають у живі організми («організуються») і виходять з них ( «мінералізуються»)»2. […]
Кругообіг біологічний (біотичний) - явище безперервного, циклічного, закономірного, але нерівномірного у часі та просторі перерозподілу речовини, енергії1 та інформації в межах екологічних систем різного ієрархічного рівня організації - від біогеоценозу до біосфери. Кругообіг речовин у масштабах усієї біосфери називають великим колом (рис. 6.2), а в межах конкретного біогеоценозу - малим колом біотичного обміну.
Будь-який біологічний кругообіг характеризується багаторазовим включенням атомів хімічних елементів у тіла живих організмів і виходом їх у навколишнє середовище, звідки вони знову захоплюються рослинами та залучаються до кругообігу. Малий біологічний кругообіг характеризується ємністю - кількістю хімічних елементів, що знаходяться одночасно у складі живої речовини в даній екосистемі, і швидкістю - кількістю живої речовини, що утворюється та розкладається в одиницю часу.
В основі малого біологічного круговороту речовин лежать процеси синтезу та руйнування органічних сполук за участю живої речовини. На відміну від великого малий кругообіг характеризується незначною кількістю енергії.
Навпаки, біологічний кругообіг речовини проходить у межах населеної біосфери і втілює в собі унікальні властивості живої речовини планети. Будучи частиною великого, малий кругообіг здійснюється на рівні біогеоценозу, він полягає в тому, що поживні речовини ґрунту, вода, вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла та життєві процеси як їх самих, так і організмів – консументів. Продукти розкладання органічної речовини ґрунтовою мікрофлорою та мезофауною (бактерії, гриби, молюски, черв'яки, комахи, найпростіші та ін.) знову розкладаються до мінеральних компонентів, знову-таки доступних рослинам і тому знову залучаються ними в потік речовини.
Описаний кругообіг речовин на Землі, що підтримується сонячною енергією, - кругова циркуляція речовин між рослинами, мікроорганізмами, тваринами та іншими живими організмами - називається біологічним кругообігом речовин, або малим кругообігом. Час повного обміну речовини за малим кругообігом залежить від маси цієї речовини та інтенсивності процесів її просування за циклом і оцінюється в кілька сотень років.
Існують великий і малий - (біологічний) круговороти речовини в природі, кругообіг води.
Незважаючи на відносно малу товщину шару водяної пари в атмосфері (0,03 м), саме атмосферна волога відіграє основну роль у циркуляції води та її біогеохімічному кругообігу. Загалом для всієї земної кулі існує одне джерело припливу води – атмосферні опади – та одне джерело витрати – випаровування, що становить 1030 мм на рік. У життєдіяльності рослин величезна роль води належить здійсненню процесів фотосинтезу (найважливіша ланка біологічного круговороту) та транспірації. Сумарне випаровування, або маса води, деревної або трав'янистої рослинністю, що випаровується, поверхнею грунту, відіграє важливу роль у кругообігу води на континентах. Ґрунтові води, проникаючи крізь тканини рослин у процесі транспірації, привносять мінеральні солі, необхідних життєдіяльності самих растений.[ ...]
На основі великого геологічного круговороту виник кругообіг органічних речовин - малий, в основі якого лежать процеси синтезу та руйнування органічних сполук. Ці два процеси забезпечують життя Землі. Енергія біологічного круговороту складає всього 1% уловленої Землею сонячної енергії, але саме вона здійснює величезну роботу з творення живої речовини.
Сонячна енергія забезпечує на Землі два круговороти речовин: геологічний, або великий, і малий, біологічний (біотичний).
Дестабілізація процесу нітрифікації порушує надходження в біологічний кругообіг нітратів, кількість яких визначає реакцію у відповідь на зміну довкілля у комплексу денітрифікаторів. Ферментні системи денітрифікаторів зменшують швидкість повного відновлення, слабше залучаючи закис азоту до кінцевого етапу, здійснення якого потребує значних енергетичних витрат. В результаті цього вміст закису азоту в надґрунтовій атмосфері еродованих екосистем досягало 79 - 83% (Косінова та ін, 1993). Відчуження частини органічних речовин із чорноземів під впливом ерозії відбивається на поповненні азотного фонду в ході фото- та гетеротрофної фіксації азоту: аеробної та анаеробної. На перших етапах ерозії швидкими темпами йде придушення саме анаеробної азотфіксації через параметри лабільної частини органічної речовини (Хазієв, Багаутдінов, 1987). Активність ферментів інвертази та каталази у сильнозмитих чорноземах порівняно з незмитими зменшилася більш ніж на 50%. У сірих лісових ґрунтах у міру збільшення їхньої змитості найбільш різко знижується інвертазна активність. Якщо в слабозмитих грунтах відзначається поступове згасання активності з глибиною, то в сильнозмитих вже в підорному шарі інвертазна активність дуже мала або не виявляється. Останнє пов'язане з виходом на денну поверхню ілювіальних горизонтів із вкрай низькою активністю ферменту. За активністю фосфатази та, особливо, каталази чітко вираженої залежності від ступеня змитості ґрунтів не спостерігалося (Лічко, 1998).
Геохімія ландшафту розкриває прихований, найбільш глибинний бік малого географічного круговороту речовини та енергії. Поняття малого географічного круговороту ще недостатньо розроблено у фізичній географії. У загальному вигляді його можна представити у вигляді багатострунного не цілком замкнутого кругового потоку, що складається з тепла, що надходить і випромінюється, біологічного кругообігу хімічних елементів, малого круговороту води (опади - випаровування, наземний і підземний стік і приплив), еолової міграції - привносячи мінеральної речовини.
Ослаблення дернового процесу ґрунтоутворення обумовлено низькою інтенсивністю біологічного круговороту, малою продуктивністю рослинності. Щорічний опад при загальній біомасі біля Ют/га вбирається у 0,4-0,5т/га. Переважна більшість опада представлена кореневими залишками. До біологічного кругообігу залучається близько 70 кг/га азоту та 300 кг/га зольних елементів.
Вологі тропічні ліси - це досить древні кліматичні екосистеми, в яких кругообіг поживних речовин доведений до досконалості - вони мало губляться і негайно надходять у біологічний кругообіг, що здійснюється мутуалістичними організмами і неглибокими, переважно повітряними, з потужною мікоризою, кореня. Саме завдяки цьому на мізерних ґрунтах так пишно ростуть ліси.
Формування хімічного складу грунту здійснюється під впливом великого геологічного та малого біологічного круговороту речовин у природі. Найбільш легко з ґрунту виносяться такі елементи, як хлор, бром, йод, сірка, кальцій, магній, натрій.
Через високу активність біогеохімічних процесів і колосальних обсягів і масштабів обороту речовин біологічно значущі хімічні елементи перебувають у постійному циклічному русі. За деякими підрахунками, якщо прийняти, що біосфера існує щонайменше 3,5-4 млрд. років, вся вода Світового океану пройшла через біогеохімічний цикл щонайменше 300 раз, а вільний кисень атмосфери - щонайменше 1 млн. раз. Кругообіг вуглецю відбувається за 8 років, азоту за 110 років, кисню за 2500 років. Основна маса вуглецю, зосереджена в карбонатних відкладеннях дна океану (1,3 х 1016 т), інших кристалічних гірських породах (1 х 1016 т), кам'яному куті та нафті (0,34 х 1016 т), бере участь у великому кругообігу. Вуглець, що міститься в рослинних (5 х 10м т) і тваринних тканинах (5 х 109 т), бере участь у малому кругообігу (біогеохімічному циклі).
Однак на суші, на додаток до осадів, що приносять з океану, відбувається випаровування і опади по замкнутому на суші кругообігу води. Якби не існувало біоти континентів, то ці додаткові опади суші були б набагато менше опадів, що прийшли з ОК6Е. Тільки утворення рослинного покриву та ґрунту призводить до великої величини випаровування з поверхні суші. При утворенні рослинного покриву відбувається накопичення води у ґрунті, рослинах та континентальній частині атмосфери, що призводить до збільшення замкнутого круговороту на суші. В даний час опади на суші в середньому втричі перевищують річковий стік. Отже, лише одна третина опадів приноситься з океану і понад дві третини забезпечуються замкнутим кругообігом води на суші. Таким чином, вода на суші стає біологічно накопичуваною, головна частина водного режиму суші формується біотою і може регулюватися біологічно.
Виявити деякі головні особливості прояви першої та другої сил зручно, виходячи з уявлення про дію на Землі кругообігів речовини: великого - геологічного (геокруговорот) і малого - біологічного (біокруго злодій від).
Рослинні угруповання південної тайги більш стійкі до хімічного забруднення порівняно з спільнотами північної тайги. Мала стійкість північнотаїжних ценозів обумовлена їх незначною видовою різноманітністю та більш простою будовою, наявністю чутливих до хімічного забруднення видів (мохи та лишайники), малою продуктивністю та ємністю біологічного круговороту, меншою здатністю до відновлення.
Однак будь-яка екосистема, незалежно від розміру, включає живу частину (біоценоз) та її фізичне, тобто неживе, оточення. При цьому малі екосистеми входять до складу все більших, аж до глобальної екосистеми Земля. Аналогічно загальний біологічний кругообіг речовини на планеті також складається з взаємодії безлічі дрібніших, приватних кругообігів.
Ґрунт є невід'ємним компонентом наземних біогеоценозів. Вона здійснює сполучення (взаємодія) великого геологічного та малого біологічного кругообігу речовин. Грунт - унікальне гГо складності речовинного складу природне освіту. Речовина грунту представлена чотирма фізичними фазами: твердою (мінеральні та органічні частинки), рідкою (ґрунтовий розчин), газоподібною (ґрунтове повітря) та живою (організми). Для грунтів характерна складна просторова організація та диференціація ознак, властивостей та процесів.
Згідно з першим слідством, ми можемо розраховувати лише на маловідходне виробництво. Тому першим етапом розвитку технологій має бути їх мала ресурсомісткість (як на вході, так і на виході - економність та незначні викиди), другим етапом буде створення циклічності виробництв (відходи одних можуть бути сировиною для інших) та третім - організація розумного поховання неминучих залишків та нейтралізація непереборних енергетичних відходів. Уявлення, ніби біосфера працює за принципом безвідходності, помилково, тому що в ній завжди накопичуються речовини, що вибувають з біологічного круговороту, формують осадові породи.
Сутність ґрунтоутворення за В. Р. Вільямсом визначається як діалектична взаємодія процесів синтезу та розкладання органічної речовини, що протікає в системі малого біологічного круговороту речовин.
На різних етапах розвитку біосфери процеси у ній були однаковими, незважаючи на те, що йшли за аналогічними схемами. Наявність яскраво вираженого кругообігу речовин, згідно із законом глобального замикання біогеохімічного круговороту, є обов'язковою властивістю біосфери будь-якого етапу її розвитку. Ймовірно, це незаперечний закон її існування. Слід особливо звернути увагу до збільшення частки біологічного, а чи не геохімічного, компонента у замиканні біогеохімічного круговороту речовин. Якщо на перших етапах еволюції переважав загальнобіосферний цикл - велике біосферне коло обміну (спочатку тільки в межах водного середовища, а потім розділене на два підцикли - суші та океану), то надалі він став дробитися. Замість щодо гомогенної біоти з'явилися і дедалі глибше диференціювалися екосистеми різного рівня ієрархії та географічної дислокації. Набули важливого значення малі, біогеоценотичні, обмінні кола. Виник так званий «обмін обмінів» - струнка система біогеохімічних кругообігів з високим значенням біотичної складової.
У середніх широтах надходження енергії від Сонця дорівнює 48-61 тис. ГДЖ/га на рік. При внесенні додаткової енергії більше 15 ГДЖ/га на рік виникають несприятливі для середовища процеси - ерозія та дефляція ґрунтів, замулення та забруднення малих річок, етрофікація водойм, порушення біологічного круговороту в екосистемах.
Для східно-сибірської області характерні суворі малосніжні зими і випадання переважно літніх опадів, промивають грунтову товщу. В результаті в східно-сибірських чорноземах має місце періодичний промивний режим. Біологічний кругообіг пригнічений низькими температурами. Внаслідок цього вміст гумусу в забайкальських чорноземах невеликий (4-9%) і потужність гумусового горизонту мала. Зміст карбонатів дуже незначний або їх зовсім немає. Тому чорноземи східно-сибірської фуппи називають малокарбонатні і безкарбонатні (наприклад, чорноземи вилужені малокарбонатні або безкарбонатні, чорноземи звичайні малокарбонатні).
Більшість другорядних елементів у концентраціях, звичайних багатьом природних екосистем, майже впливають на організми, можливо, оскільки організми до них адаптувалися. Таким чином, міграції цих елементів мало цікавили нас, якби в довкілля не надто часто потрапляли побічні продукти гірничодобувної промисловості, різних виробництв, хімічної промисловості та сучасного сільського господарства, продукти, що містять високі концентрації важких металів, отруйні органічні сполуки та інші потенційно небезпечні речовини . Навіть дуже рідкісний елемент, якщо він вноситься в середу у формі високотоксичної сполуки металу або радіоактивного ізотопу, може набути важливого біологічного значення, тому що навіть невелика (з геохімічної точки зору) кількість такої речовини здатна мати виражений біологічний ефект.
Хімічна природа вітамінів та інших стимулюючих зростання органічних сполук, а також потреба в них людини та свійських тварин відомі давно; проте дослідження цих речовин лише на рівні екосистеми лише почалося. Вміст органічних поживних речовин у воді або ґрунті так мало, що їх слід було б назвати «поживними мікро-мікроелементами» на відміну від «поживних макроелементів», таких, як азот, та «поживних мікроелементів», таких, як «слідові» метали (див. .Гл. 5). Нерідко єдиним способом виміряти їх вміст є біологічна проба: використовуються спеціальні штами мікроорганізмів, інтенсивність зростання яких пропорційна концентрації органічних поживних речовин. Як підкреслювалося в попередньому розділі, про роль тієї чи іншої речовини та швидкість її потоку не завжди можна судити з його концентрації. Зараз стає зрозумілим, що органічні поживні речовини відіграють важливу роль у метаболізмі співтовариства і що вони можуть бути лімітуючим фактором. Ця найцікавіша галузь досліджень найближчим часом, безперечно, приверне до себе увагу вчених. Нижче описаний кругообіг вітаміну В12 (кобаламіну), взятий з роботи Провасолі (1963), показує, як мало ми знаємо про кругообіг органічних поживних речовин.
Вільямс (1863-1939) розробив вчення про фактори землеробства. Згідно з першим законом землеробства, жоден із факторів життя рослин не може бути замінений іншим. І, крім того, всі фактори життя рослин, безумовно, є рівнозначними (другий закон). Виділимо його важливу ідею про те, що ґрунт – це результат взаємодії малого – біологічного та великого – геологічного круговороту речовини.
Свої положення в галузі генетичного ґрунтознавства та вивчення родючості ґрунтів В. Р. Вільямс тісно пов'язував із практичними питаннями сільського господарства та поклав їх в основу травопольної системи землеробства. Найбільш важливі та оригінальні погляди були висловлені В. Р. Вільямсом про роль живих організмів у ґрунтоутворенні, про сутність ґрунтоутворювального процесу та природу окремих конкретних процесів, про малий біологічний кругообіг речовин, про родючість ґрунтів, ґрунтовий гумус та структуру ґрунтів.
Ці підходи співвідносяться по суті як стратегія та тактика, як вибір довготривалої поведінки та заходи першочергових рішень. Вони не можуть бути роз'єднані: забруднення навколишнього середовища людини завдає шкоди іншим організмам і живій природі в цілому, а деградація природних систем послаблює їх здатність до природного очищення середовища. Але завжди слід розуміти, що зберегти якість навколишнього середовища неможливо без участі природних екологічних механізмів. Навіть якщо ми освоїмо мало забруднюючі технології, ми нічого не досягнемо, якщо одночасно не перестанемо заважати природі регулювати склад середовища, очищувати його і робити придатним для життя. Найчистіші технології та найдосконаліші середоохоронні пристрої не врятують нас, якщо триватиме вирубка лісів, зменшуватиметься різноманітність біологічних видів, порушуватиметься кругообіг речовин у природі. Слід підкреслити, що з екологічного погляду концепція «охорони» хибна від початку, оскільки діяльність слід будувати в такий спосіб, ніж допускати, запобігати всіх ефектів і результати, яких потім довелося б «охороняти».[ ...]
Близько 99 % усієї речовини в біосфері трансформовано живими організмами, причому сумарна біомаса живої речовини Землі оцінюється лише у 2,4 1012 т сухої речовини, що становить 10“9 частину маси Землі. Щорічне відтворення біомаси становить близько 170 млрд. т сухої речовини. Повна біомаса рослинних організмів у 2500 разів більша, ніж у тварин, але видова різноманітність зоосфери у 6 разів багатша, ніж фітосфери. Якщо викласти всі живі організми в один шар, то на поверхні Землі утворився б біологічний покрив завтовшки всього 5 мм. Незважаючи на малі розміри біоти, саме вона визначає локальні умови на поверхні земної кори. Її існування відповідальне за появу в атмосфері вільного кисню, формування грунтів та кругообігу елементів у природі.
Гриби ми вже описували вище, і власне грибом ми називаємо його плодове тіло, проте це лише частина величезного організму. Це велика мережа мікроскопічних волокон (рифів), яка називається міцелієм (грибницею) і пронизує детрит, в основному деревину, листяний опад і т.п. поступово грибниця повністю розкладає валежну деревину. Цікаво, як пише Б. Небел (1993), що можна знаходити гриби на неорганічному грунті, оскільки їх міцелій здатний витягувати з її товщі навіть дуже малі за концентрацією органічні речовини. Подібним чином функціонують і бактерії, але вже на мікроскопічному рівні. Дуже важливою підтримки стійкості біологічного круговороту є здатність грибів і деяких бактерій утворювати величезні кількості спор (репродуктивних клітин). Це мікроскопічні частинки переносяться повітряними потоками в атмосфері на значні відстані, що дозволяє їм поширюватися повсюдно і давати життєздатне потомство будь-якому просторі за наявності оптимальних умов життєдіяльності.
Основою самопідтримання життя Землі є біогеохімічні круговороти. Усі хімічні елементи, які у процесах життєдіяльності організмів, здійснюють постійні переміщення, переходячи із живих тіл до сполуки неживої природи і назад. Можливість багаторазового використання тих самих атомів робить життя Землі майже вічною за умови постійного припливу необхідної кількості енергії.
Типи кругообігів речовин.Біосфера Землі характеризується певним чином сформованим кругообігом речовин і потоком енергії. Кругообіг речовин – багаторазова участь речовин у процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері та літосфері, у тому числі в тих шарах, що входять до складу біосфери Землі. Кругообіг речовин здійснюється при безперервному надходженні (потоку) зовнішньої енергії Сонця та внутрішньої енергії Землі.
Залежно від рушійної сили, з певною часткою умовності, усередині кругообігу речовин можна виділити геологічний, біологічний та антропогенний круговороти. До появи людини Землі здійснювалися лише перші два.
Геологічний кругообіг (великий кругообіг речовин у природі) – кругообіг речовин, рушійною силою якого є екзогенні та ендогенні геологічні процеси.
Ендогенні процеси(Процеси внутрішньої динаміки) відбуваються під впливом внутрішньої енергії Землі. Це енергія, що виділяється в результаті радіоактивного розпаду, хімічних реакцій утворення мінералів, кристалізації гірських порід і т. д. До ендогенних процесів належать: тектонічні рухи, землетруси, магматизм, метаморфізм. Екзогенні процеси(Процеси зовнішньої динаміки) протікають під впливом зовнішньої енергії Сонця. Екзогенні процеси включають вивітрювання гірських порід та мінералів, видалення продуктів руйнування з одних ділянок земної кори та перенесення їх на нові ділянки, відкладення та накопичення продуктів руйнування з утворенням осадових порід. До екзогенних процесів відносяться геологічна діяльність атмосфери, гідросфери (річок, тимчасових водотоків, підземних вод, морів та океанів, озер та боліт, льоду), а також живих організмів та людини.
Найбільші форми рельєфу (материки та океанічні западини) і великі форми (гори та рівнини) утворилися за рахунок ендогенних процесів, а середні та дрібні форми рельєфу (річкові долини, пагорби, яри, бархани та ін.), накладені на більші форми, – за рахунок екзогенних процесів. Таким чином, ендогенні та екзогенні процеси протилежні за своєю дією. Перші ведуть до утворення великих форм рельєфу, другі – їх згладжування.
Магматичні гірські породи внаслідок вивітрювання перетворюються на осадові. У рухомих зонах земної кори вони поринають углиб Землі. Там під впливом високих температур та тисків вони переплавляються і утворюють магму, яка, піднімаючись на поверхню та застигаючи, утворює магматичні породи.
Таким чином, геологічний кругообіг речовин протікає без участі живих організмів і здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими шарами Землі.
Біологічний (біогеохімічний) кругообіг (малий кругообіг речовин у біосфері) – кругообіг речовин, рушійною силою якого є діяльність живих організмів. На відміну від великого геологічного, малий біогеохімічний кругообіг речовин відбувається в межах біосфери. Головним джерелом енергії кругообігу є сонячна радіація, яка породжує фотосинтез. В екосистемі органічні речовини синтезуються автотрофами із неорганічних речовин. Потім вони споживаються гетеротрофами. Внаслідок виділення в процесі життєдіяльності або після загибелі організмів (як автотрофів, так і гетеротрофів) органічні речовини піддаються мінералізації, тобто перетворенню на неорганічні речовини. Ці неорганічні речовини можуть бути використані для синтезу автотрофами органічних речовин.
У біогеохімічних кругообігах слід розрізняти дві частини:
1) резервний фонд -це частина речовини, не пов'язана із живими організмами;
2) обмінний фонд –значно менша частина речовини, яка пов'язана прямим обміном між організмами та їх безпосереднім оточенням. Залежно від розташування резервного фонду біогеохімічні кругообіги можна поділити на два типи:
1) Кругообіги газового типуз резервним фондом речовин в атмосфері та гідросфері (кругообіги вуглецю, кисню, азоту).
2) Кругообіги осадового типуз резервним фондом у земній корі (кругообіги фосфору, кальцію, заліза та ін.).
Кругообіги газового типу досконаліші, оскільки мають великий обмінний фонд, отже, здатні до швидкої саморегуляції. Кругообіги осадового типу менш досконалі, вони інертні, оскільки переважна більшість речовини міститься у резервному фонді земної кори в «недоступному» живим організмам вигляді. Такі кругообіги легко порушуються від різного роду впливів, і частина матеріалу, що обмінюється, виходить з круговороту. Повернутися знову до кругообігу вона може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною. Однак витягти потрібні живим організмам речовини із земної кори набагато складніше, ніж із атмосфери.
Інтенсивність біологічного круговороту в першу чергу визначається температурою навколишнього середовища та кількістю води. Так, наприклад, біологічний кругообіг інтенсивніше протікає у вологих тропічних лісах, ніж у тундрі.
З появою людини виник антропогенний кругообіг, або обмін речовин. Антропогенний кругообіг (обмін) – кругообіг (обмін) речовин, рушійною силою якого є діяльність людини. У ньому можна виділити дві складові: біологічну,пов'язану з функціонуванням людини як живого організму, та технічну,пов'язану з господарською діяльністю людей (техногенний кругообіг).
Геологічний і біологічний круговороти значною мірою замкнуті, чого не можна сказати про антропогенний кругообіг. Тому часто говорять не про антропогенний кругообіг, а про антропогенний обмін речовин. Незамкнутість антропогенного кругообігу речовин призводить до виснаження природних ресурсів та забруднення природного середовища –основним причин всіх екологічних проблем людства.
Кругообіги основних біогенних речовин та елементів.Розглянемо кругообіги найбільш значущих для живих організмів речовин та елементів. Кругообіг води відноситься до великого геологічного, а круговороти біогенних елементів (вуглецю, кисню, азоту, фосфору, сірки та інших біогенних елементів) – до малого біогеохімічного.
Кругообіг водиміж сушею та океаном через атмосферу відноситься до великого геологічного кругообігу. Вода випаровується з поверхні Світового океану і переноситься на сушу, де випадає у вигляді опадів, які знову повертаються в океан у вигляді поверхневого і підземного стоку, або випадає у вигляді опадів на поверхню океану. У кругообігу води Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км 3 води. Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання їх у біогеохімічному циклі весь запас води Землі розпадається і відновлюється за 2 млн. років.
Кругообіг вуглецю.Продуценти вловлюють вуглекислий газ з атмосфери і переводять його в органічні речовини, консументи поглинають вуглець у вигляді органічних речовин з тілами продуцентів і нижчих консументів порядків, редуценти мінералізують органічні речовини і повертають вуглець в атмосферу у вигляді вуглекислого газу. У Світовому океані кругообіг вуглецю ускладнений тим, що частина вуглецю, що міститься в мертвих організмах, опускається на дно і накопичується в осадових породах. Ця частина вуглецю вимикається з біологічного круговороту і надходить у геологічний кругообіг речовин.
Головним резервуаром біологічно пов'язаного вуглецю є ліси, вони містять до 500 млрд. т цього елемента, що становить 2/3 його запасу в атмосфері. Втручання людини у кругообіг вуглецю (спалювання вугілля, нафти, газу, дегуміфікація) призводить до зростання вмісту СО 2 в атмосфері та розвитку парникового ефекту.
Швидкість кругообігу СО 2 тобто час, за який весь вуглекислий газ атмосфери проходить через живу речовину, становить близько 300 років.
Кругообіг кисню.Головним чином кругообіг кисню відбувається між атмосферою та живими організмами. В основному вільний кисень (0) надходить в атмосферу в результаті фотосинтезу зелених рослин, а споживається в процесі дихання тваринами, рослинами та мікроорганізмами і при мінералізації органічних залишків. Незначна кількість кисню утворюється з води та озону під впливом ультрафіолетової радіації. Велика кількість кисню витрачається на окислювальні процеси у земній корі, при виверженні вулканів тощо. Основна частка кисню продукується рослинами суші – майже 3/4, решта – фотосинтезуючими організмами Світового океану. Швидкість кругообігу – близько 2 тис. років.
Встановлено, що на промислові та побутові потреби щорічно витрачається 23% кисню, що утворюється у процесі фотосинтезу, і ця цифра постійно зростає.
Кругообіг азоту.Запас азоту (N 2) в атмосфері величезний (78% від обсягу). Проте рослини поглинати вільний азот що неспроможні, лише у зв'язаної формі, переважно у вигляді NН 4 + чи NО 3 – . Вільний азот із атмосфери пов'язують азотфиксирующие бактерії і переводять їх у доступні рослинам форми. У рослинах азот закріплюється в органічній речовині (у білках, нуклеїнових кислотах та ін) і передається по ланцюгах живлення. Після відмирання живих організмів редуценти мінералізують органічні речовини і перетворюють їх на амонійні сполуки, нітрати, нітрити, а також у вільний азот, який повертається в атмосферу.
Нітрати і нітрити добре розчиняються у воді і можуть мігрувати до підземних вод і рослин і передаватися по харчових ланцюгах. Якщо їх кількість надмірно велика, що часто спостерігається при неправильному застосуванні азотних добрив, відбувається забруднення вод і продуктів харчування, і викликає захворювання людини.
Кругообіг фосфору.Переважна більшість фосфору міститься у гірських породах, що утворилися минулі геологічні епохи. У біогеохімічний кругообіг фосфор включається в результаті процесів вивітрювання гірських порід. У наземних екосистемах рослини витягують фосфор із ґрунту (в основному у формі РВ 4 3–) та включають його до складу органічних сполук (білків, нуклеїнових кислот, фосфоліпідів та ін.) або залишають у неорганічній формі. Далі фосфор передається ланцюгами харчування. Після відмирання живих організмів та з їх виділеннями фосфор повертається у ґрунт.
При неправильному застосуванні фосфорних добрив, водної та вітрової ерозії ґрунтів велика кількість фосфору видаляється з ґрунту. З одного боку, це призводить до перевитрати фосфорних добрив і виснаження запасів руд, що містять фосфор (фосфоритів, апатитів та ін.). З іншого боку, надходження з ґрунту у водоймища великих кількостей таких біогенних елементів, як фосфор, азот, сірка та ін., викликає бурхливий розвиток ціанобактерій та інших водних рослин («цвітіння» води) та евтрофікаціюводоймищ. Але більшість фосфору виноситься в море.
У водних екосистемах фосфор засвоюється фітопланктоном і передається трофічним ланцюгом аж до морських птахів. Їхні екскременти або відразу потрапляють назад у море, або спочатку накопичуються на березі, а потім все одно змиваються в морі. З морських тварин, що відмирають, особливо риб, фосфор знову потрапляє в море і в кругообіг, але частина скелетів риб досягає великих глибин, і укладений в них фосфор знову потрапляє в осадові породи, тобто вимикається з біогеохімічного круговороту.
Кругообіг сірки.Основний резервний фонд сірки знаходиться у відкладеннях та ґрунті, але на відміну від фосфору є резервний фонд та в атмосфері. Головна роль у залученні сірки до біогеохімічного кругообігу належить мікроорганізмам. Одні їх відновники, інші – окислювачі.
У гірських породах сірка зустрічається у вигляді сульфідів (FeS 2 та ін), у розчинах – у формі іона (SO 4 2–), у газоподібній фазі у вигляді сірководню (Н 2 S) або сірчистого газу (SО 2). У деяких організмах сірка накопичується в чистому вигляді і при їхньому відмиранні на дні морів утворюються поклади самородної сірки.
У наземних екосистемах сірка надходить у рослини із ґрунту в основному у вигляді сульфатів. У живих організмах сірка міститься у білках, як іонів тощо. Після загибелі живих організмів частина сірки відновлюється в ґрунті мікроорганізмами до Н 2 S, інша частина окислюється до сульфатів і знову входить у кругообіг. Сірководень, що утворився, випаровується в атмосферу, там окислюється і повертається в грунт з опадами.
Спалювання людиною викопного палива (особливо вугілля), а також викиди хімічної промисловості призводять до накопичення в атмосфері сірчистого газу (SO 2 ), який реагуючи з парами води, випадає на землю у вигляді кислотних дощів.
Біогеохімічні цикли менш масштабні як геологічні й у значною мірою схильні до впливу людини. Господарська діяльність порушує їхню замкнутість, вони стають ациклічними.
Біосфера Землі характеризується певним чином сформованим кругообігом речовин і потоком енергії. Кругообіг речовин - багаторазова участь речовин у процесах, що протікають в атмосфері, гідросфері та літосфері, у тому числі в тих шарах, що входять до складу біосфери Землі. Кругообіг речовина здійснюється при безперервному надходженні зовнішньої енергії Сонця та внутрішньої енергії Землі.
Залежно від рушійної сили, всередині круговороту речовин можна виділити геологічний (великий кругообіг), біологічний (біогеохімічний, малий кругообіг) та антропогенний кругообіг.
Геологічний кругообіг (великий кругообіг речовин у біосфері)
Цей кругообіг здійснює перерозподіл речовини між біосферою та глибшими горизонтами Землі. Рушійною силою цього процесу є екзогенні та ендогенні геологічні процеси. Ендогенні процеси відбуваються під впливом внутрішньої енергії Землі. Це енергія, що виділяється в результаті радіоактивного розпаду, хімічних реакцій утворення мінералів та ін. До ендогенних процесів відносять, наприклад, тектонічні рухи, землетруси. Ці процеси ведуть до утворення великих форм рельєфу (материки, океанічні западини, гори та рівнини). Екзогенні процеси протікають під впливом зовнішньої енергії Сонця. До них належать геологічна діяльність атмосфери, гідросфери, живих організмів та людини. Ці процеси ведуть до згладжування великих форм рельєфу (річкові долини, пагорби, яри та ін.).
Триває геологічний кругообіг мільйони років і полягає в тому, що гірські породи зазнають руйнування, а продукти вивітрювання (у тому числі розчинні у воді поживні речовини) зносяться потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу з опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків та підняття морського дна, переміщення морів та океанів протягом тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу та процес починається знову. Символом цього круговороту речовин є спіраль, а чи не коло, т.к. новий цикл круговороту не повторює точно старий, а вносить щось нове.
До великого кругообігу відноситься кругообіг води (гідрологічний цикл) між сушею і океаном через атмосферу (рис. 3.2).
Кругообіг води загалом відіграє основну роль у формуванні природних умов на нашій планеті. З урахуванням транспірації води рослинами та поглинання їх у біогеохімічному циклі, весь запас води Землі розпадається і відновлюється на 2 млн. років.
Рис. 3. 2. Кругообіг води у біосфері.
У гідрологічному циклі всі частини гідросфери пов'язані між собою. У ньому щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води. Рушійною силою цього процесу є сонячна енергія. Молекули води під впливом сонячної енергії нагріваються і піднімаються як газу атмосферу (щодобово випаровується – 875 км3 прісної води). У міру підняття вони поступово охолоджуються, конденсуються та утворюють хмари. Після достатнього охолодження хмари звільняють воду у вигляді різних опадів, що падають у океан. Вода, що потрапила на землю, може йти двома різними шляхами: або вбиратися в ґрунт (інфільтрація), або стікати по ньому (поверхневий стік). По поверхні вода стікає в струмки та річки, що прямують до океану або інші місця, де відбувається випаровування. Вода, що ввібралася в грунт, може утримуватися в її верхніх шарах (горизонтах) і повертатися в атмосферу шляхом транспірації. Така вода називається капілярною. Вода, яка захоплюється силою тяжкості і просочується вниз по порах та тріщинах називається гравітаційною. Просочується гравітаційна вода до непроникного шару гірської породи або щільної глини, заповнюючи всі порожнечі. Такі запаси називаються грунтовими водами, які верхня межа – рівнем грунтових вод. Підземні шари породи, якими повільно течуть грунтові води називаються водоносними горизонтами. Під дією сили тяжіння ґрунтові води рухаються водоносним шаром до тих пір, поки не знайдуть «вихід» (наприклад, утворюючи природні джерела, які живлять озера, річки, ставки, тобто стають частиною поверхневих вод). Таким чином, кругообіг води включає три основні «петлі»: поверхневого стоку, випаровування-транспірації, ґрунтових вод. У кругообігу води Землі щорічно бере участь понад 500 тис. км3 води і грає основну роль формуванні природних умов.
Біологічний (біогеохімічний) кругообіг
(малий кругообіг речовин у біосфері)
Рушійною силою біологічного кругообігу речовин є діяльність живих організмів. Він є частиною великого і відбувається у межах біосфери лише на рівні екосистем. Складається малий кругообіг у тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин (автотрофи), витрачаються на побудову тіл та життєві процеси, як рослин, так і інших організмів (як правило, тварин – гетеротрофів), які поїдають ці рослини. Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черв'яки) знову розкладаються до мінеральних компонентів. Ці неорганічні речовини можуть бути використані для синтезу автотрофами органічних речовин.
У біогеохімічних кругообігах розрізняють резервний фонд (речовини, які пов'язані з живими організмами) і обмінний фонд (речовини, пов'язані прямим обміном між організмами та його безпосереднім оточенням).
Залежно від розташування резервного фонду біогеохімічні кругообіги ділять на два типи:
Кругообіги газового типу з резервним фондом речовин в атмосфері та гідросфері (кругообіги вуглецю, кисню, азоту).
Кругообіги осадового типу з резервним фондом у земній корі (кругообіги фосфору, кальцію, заліза та ін.).
Кругообіги газового типу, володіючи великим обмінним фондом, є досконалішими. І, крім того, вони здатні швидко саморегулюватися. Кругообіги осадового типу менш досконалі, вони більш інертні, тому що основна маса речовини міститься в резервному фонді земної кори в недоступному живим організмам вигляді. Такі кругообіги легко порушуються від різного роду впливів, і частина матеріалу, що обмінюється, виходить з круговороту. Повернутися знову до кругообігу вона може лише в результаті геологічних процесів або шляхом вилучення живою речовиною.
Інтенсивність біологічного круговороту визначається температурою навколишнього середовища та кількістю води. Наприклад, біологічний кругообіг інтенсивніше протікає у вологих тропічних лісах, ніж у тундрі.
Кругообіги основних біогенних речовин та елементів
Кругообіг вуглецю
Все земне життя засноване на вуглеці. Кожна молекула живого організму побудована з урахуванням вуглецевого скелета. Атоми вуглецю постійно мігрують із однієї частини біосфери до іншої (рис. 3. 3.).
Рис. 3. 3. Кругообіг вуглецю.
Основні запаси вуглецю Землі перебувають у вигляді що міститься у атмосфері і розчиненого в Світовому океані діоксиду вуглецю (CO2). Рослини поглинають молекули вуглекислого газу, у процесі фотосинтезу. В результаті атом вуглецю перетворюється на різноманітні органічні сполуки і таким чином включається до структури рослин. Далі можливо кілька варіантів:
· вуглець залишається в рослинах ® молекули рослин йдуть у їжу редуцентам (організмам, які харчуються мертвою органічною речовиною і при цьому руйнують його до простих неорганічних сполук) ® вуглець повертається в атмосферу як CO2;
· рослини з'їдаються травоїдними тваринами ® вуглець повертається в атмосферу в процесі дихання тварин та при їх розкладанні після смерті; або травоїдні тварини будуть з'їдені м'ясоїдними і тоді вуглець знову ж таки повернеться в атмосферу тими ж шляхами;
· рослини після загибелі перетворюються на викопне паливо (наприклад, у вугілля) ® вуглець повертається в атмосферу після використання палива, вулканічних вивержень та ін геотермальних процесів.
У разі розчинення вихідної молекули CO2 у морській воді також можливо кілька варіантів: вуглекислий газ може просто повернутися в атмосферу (цей вид взаємного газообміну між Світовим океаном та атмосферою відбувається постійно); вуглець може увійти в тканини морських рослин або тварин, тоді він поступово накопичуватиметься у вигляді відкладень на дні Світового океану і врешті-решт перетвориться на вапняк або з відкладень знову перейде в морську воду.
Швидкість кругообігу CO2 становить близько 300 років.
Втручання людини у кругообіг вуглецю (спалювання вугілля, нафти, газу, дегуміфікація) призводить до зростання вмісту CO2 в атмосфері та розвитку парникового ефекту. В даний час дослідження кругообігу вуглецю стало важливим завданням для вчених, які займаються вивченням атмосфери.
Кругообіг кисню
Кисень є найпоширенішим елементом Землі (у морській воді міститься 85,82% кисню, в атмосферному повітрі 23,15%, у земній корі 47,2%). Сполуки кисню незамінні підтримки життя (грають найважливішу роль процесах обміну речовин, і диханні, входить до складу білків, жирів, вуглеводів, у тому числі «побудовані» організми). Головна маса кисню перебуває у зв'язаному стані (кількість молекулярного кисню в атмосфері становить лише 0,01% від загального вмісту кисню в земній корі).
Так як кисень міститься в багатьох хімічних сполуках, його кругообіг у біосфері дуже складний і головним чином відбувається між атмосферою та живими організмами. Концентрація кисню в атмосфері підтримується завдяки фотосинтезу, в результаті якого зелені рослини під дією сонячного світла перетворюють діоксид вуглецю та воду на вуглеводи та кисень. Переважна більшість кисню продукується рослинами суші – майже ¾, решта – фотосинтезуючими організмами Світового океану. Потужним джерелом кисню є фотохімічне розкладання водяної пари у верхніх шарах атмосфери під впливом ультрафіолетових променів сонця. Крім того, кисень здійснює найважливіший кругообіг, входячи до складу води. Незначна кількість кисню утворюється з озону під впливом ультрафіолетової радіації.
Швидкість кругообігу кисню близько 2 тис. років.
Вирубування лісів, ерозія грунтів, різні гірничі виробки на поверхні зменшують загальну масу фотосинтезу та знижують кругообіг кисню на значних територіях. Крім того, на промислові та побутові потреби щорічно витрачається 25 % кисню, що утворюється внаслідок асиміляції.
Кругообіг азоту
Біогеохімічний кругообіг азоту, так само як і попередні кругообіги, охоплює всі галузі біосфери (рис. 3.4).
Рис. 3. 4. Кругообіг азоту.
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, поглинаючи нітрати із ґрунту. Нітрати утворюються там із атмосферного азоту та амонійних сполук, наявних у грунті. Процес перетворення атмосферного азоту на форму, засвоювану рослинами і тваринами, називається зв'язуванням 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. Ця кислота, вступаючи в реакцію з карбонатами, що знаходяться в грунті (наприклад, з карбонатом кальцію СаСОз), утворює нітрати. Деяка частина азоту завжди виділяється при гнитті у вільному вигляді в атмосферу. Крім того, вільний азот виділяється під час горіння органічних речовин, при спалюванні дров, кам'яного вугілля, торфу. Крім цього, існують бактерії, які за недостатнього доступу повітря можуть забирати кисень від нітратів, руйнуючи їх із виділенням вільного азоту. Діяльність денітрифікуючих бактерій призводить до того, що частина азоту з доступної для зелених рослин форми (нітрати) переходить у 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).
До процесів, що відшкодовують втрати азоту, 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 в грунті 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 - бульбочок. Бульбякові бактерії, засвоюючи атмосферний азот, переробляють його в азотні сполуки, а рослини, у свою чергу, перетворюють останні на білки та інші складні речовини. Таким чином, у природі відбувається безперервний кругообіг азоту.
У зв'язку з тим, що щорічно з урожаєм з полів забираються найбагатші на білки частини рослин (наприклад, зерно), ґрунт «вимагає» вносити добрива, що відшкодовують спад у ній найважливіших елементів живлення рослин. В основному використовують нітрат кальцію (Ca(NO)2), нітрат амонію (NH4NO3), нітрат натрію (NANO3) та нітрат калію (KNO3). Також замість хімічних добрив використовують самі рослини з сімейства бобових. Якщо кількість штучних азотних добрив, що вносяться в ґрунт, надмірно велика, то нітрати надходять і в організм людини, де вони можуть перетворюватися на нітрити, що мають велику токсичність і здатні викликати онкологічні захворювання.
Кругообіг фосфору
Переважна більшість фосфору міститься у гірських породах, що утворилися минулі геологічні епохи. Зміст фосфору у земній корі становить від 8 - 10 до 20 % (за вагою) і він тут у вигляді мінералів (фторапатит, хлорапатит та інших.), які входять до складу природних фосфатів - апатитів і фосфоритів. У біогеохімічний кругообіг фосфор може потрапити в результаті вивітрювання гірських порід. Ерозійними процесами фосфор виноситься у морі як мінералу апатиту. У перетвореннях фосфору велику роль грають живі організми. Організми витягують фосфор із ґрунтів та водних розчинів. Далі фосфор передається ланцюгами харчування. З загибеллю організмів фосфор повертається в грунт і в мули морів, і концентрується у вигляді морських фосфатних відкладень, що створює умови для створення багатих фосфором порід (рис. 3. 5.).
Рис. 3.5. Кругообіг фосфору в біосфері (за П. Дювіньо, М. Танг, 1973; зі змінами).
При неправильному застосуванні фосфорних добрив, внаслідок водної та вітрової ерозії (руйнування під дією води чи вітру) велика кількість фосфору видаляється із ґрунту. З одного боку, це призводить до перевитрати фосфорних добрив та виснаження запасів фосфоровмісних руд.
З іншого боку, підвищений вміст фосфору на водних шляхах його перенесення викликає бурхливе збільшення біомаси водних рослин, «цвітіння водойм» та їх евтрофікацію (збагачення поживними речовинами).
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
Основний резервний фонд сірки знаходиться у відкладах, у ґрунті та атмосфері. Головна роль у залученні сірки до біогеохімічного кругообігу належить мікроорганізмам. Одні їх відновники, інші – окислювачі (рис. 3. 6.).
Рис. 3. 6. Кругообіг сірки (за Ю. Одумом, 1975).
У природі у великій кількості відомі різні сульфіди заліза, свинцю, цинку та ін. Сульфідна сірка окислюється в біосфері до сірки. Сульфати поглинаються рослинами. У живих організмах сірка входить до складу амінокислот та білків, а у рослин, крім того, до складу ефірних олій тощо. Процеси руйнування залишків організмів у ґрунтах та в мулах морів супроводжуються складними перетвореннями сірки (мікроорганізми, створюють численні проміжні сполуки сірки). Після загибелі живих організмів частина сірки відновлюється в ґрунті мікроорганізмами до H2S, інша частина окислюється до сульфатів і знову входить у кругообіг. Сірководень, що утворився в атмосфері, окислюється і повертається в грунт з опадами. Крім того, сірководень може знову утворити «вторинні» сульфіди, а сірка сульфат створює гіпс. У свою чергу сульфіди та гіпс знову зазнають руйнування, і сірка відновлює свою міграцію.
Крім того, сірка у вигляді SO2, SO3, H2S та елементарної сірки викидається вулканами в атмосферу.
Кругообіг сірки може бути порушений втручанням людини. Виною тому стає спалювання кам'яного вугілля та викиди хімічної промисловості, внаслідок чого утворюється сірчистий газ, що порушує процеси фотосинтезу та призводить до загибелі рослинності.
Таким чином, біогеохімічні цикли забезпечують гомеостаз біосфери. При цьому вони значною мірою схильні до впливу людини. І однією з найпотужніших антиекологічних дій людини пов'язане з порушенням і навіть руйнуванням природних кругообігів (вони стають ациклічними).
Антропогенний кругообіг
Рушійною силою антропогенного кругообігу є діяльність людини. Цей кругообіг включає дві складові: біологічну, пов'язану з функціонуванням людини як живого організму, і технічну, пов'язану з господарською діяльністю людей. Антропогенний кругообіг на відміну і геологічного та біологічного не є замкнутим. Ця незамкнутість стає причиною виснаження природних ресурсів та забруднення природного середовища.
