4.1. Структура и основные типы биогеохимических циклов

В экосистеме происходит постоянный круговорот элементов питания с участием биотического и абиотического компонентов. Движущей силов круговоротов служит солнечная энергия, которую используют непосредственно фотосинтезирующие организмы и затем передаю ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему, который носит название биогеохимического цикла.

Биогеохимические циклы – циркуляция в биосфере химических элементов и неорганических соединений по характерным путям из внешней среды в организмы, и из организмов во внешнюю среду. Такое перемещение элементов и неорганических соединений, необходимых для жизни, можно назвать круговоротом элементов питания.

При изучении круговорота удобно выделять две части, или два фактора:

• резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;
• подвижный, или обменный, фонд, для которого характерен быстрый обмен между органической и неорганической средой.

Для биосферы в целом можно выделить два основных типа биогеохимических циклов:

• круговорот газообразных веществ, с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;
• осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Такое разделение биогеохимических циклов основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот и кислород, из-за наличия крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро компенсируют нарушения. Так, накопленный в каком-либо месте избыток СО₂ обычно быстро рассеивается воздушными потоками, а увеличение его концентрации в атмосфере способствует большему потреблению растениями и превращению в карбонаты в море. В целом круговороты газообразных веществ в глобальном масштабе можно считать хорошо забуференными, так как их способность к саморегуляции и поддержанию определенных концентраций различных веществ достаточно велика.

Следует отметить, что, хотя атмосфера и имеет большой резервный фонд и высокую способность к саморегуляции, все же они не беспредельны.

Осадочный цикл, в котором принимаю участие такие химические элементы, как фосфор и железо, в меньшей степени способен к саморегуляции и поэтому легче нарушается. Это связано с тем, что основная часть химических веществ сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде земной коры. Если изъятие химических элементов в этих циклах происходит быстрее, чем возврат, какая-то их часть может на длительное время выбывать из круговорота. Механизмы возвращения химических элементов в круговорот основаны главным образом на биологических процессах.

Рис. 2.3. Биогеохимический круговорот (заштрихованное кольцо) на фоне упрощенной схемы потока энергии (по Ю. Одуму, 1975): P_g – валовая продукция; P_n – чистая первичная продукция, которая может быть потреблена гетеротрофами в самой системе или же экспортирована; Р – вторичная продукция; R – дыхание

Схему биогеохимического цикла можно представить в сочетании с упрощенной схемой потока энергии, который приводит в движение круговорот веществ (рис. 2.3). В природе практически не наблюдается случаев, когда элементы равномерно распределены по всей экосистеме, к тому же они не всегда находятся в одной и той же форме. При изучении биогеохимических циклов изучают так называемый резервный фонд, то есть ту часть круговорота, которую условно можно считать отделенной физически или химически от организмов. Однако следует иметь в виду, что между доступными и недоступными фондами существует динамическое равновесие.

4.2. Биогенная миграция химических элементов и биогеохимические принципы

По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

• химической (биохимической) – I род геологической деятельности;
• механической – II род такой деятельности.

Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи, – конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение жизни, данное Фридрихом Энгельсом: «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь».

Сейчас появилась возможность вычислить скорость этого обмена. Так, по данным Л.Н. Тюрюканова, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее: за 1,5 суток! Собственно говоря, постоянный обмен веществ между живым организмом и внешней средой и обуславливает проявление большинства функций живого вещества в биосфере. По подсчетам биолога П.Б. Гофмана-Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек отнюдь не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов –бактерий и цианобактерий.

Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Чарлз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год! Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по «пропускной способности» могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 , чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20 – 30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Копролиты (ископаемые остатки экспериментов) известны в геологических отложениях, начиная с ордовика, однако бесспорно, что большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из – за слабой изученности вопроса и из – за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов.

Между тем в донных отложениях современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2 – 4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф. Мирчинк (1889 – 1942) называл сурка-тарбагана «лучшим геологом Забайкалья» – его норы окружены «коллекциями» горных пород, добытых с глубины нескольких метров!

Понятие «нора» и «гнездо» обычно ассоциируются у нас с грызунами и птицами. Между тем биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах, и здесь ее роль, может быть, еще более значительна. И на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски закрываются обычно неглубоко, но некоторые из них – солениды и миа – роют норы, которым позавидует и сурок: они достигают глубины нескольких метров. В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке – вот беда! – норы не выроешь и гнездо не совьешь. Приходится сверлить скальные породы. И сверлят. Сверлят водоросли и губки, бактерии и моллюски, полихеты, морские ежи, рачки…

Сверлильщики появились в далеком геологическом прошлом. Источенные ими породы находят даже в докембрийских отложениях; и поныне они продолжают свою разрушительную работу. Сверлящая деятельность моллюсков фолад вызывает иногда катастрофические последствия. Когда в районе Сочи в результате непродуманного строительства берег обнажился от гальки, он начал отступать со скоростью до 4 м в год. Главным виновником разрушения были фолады, которые заселили каждый метр скального берега, сложенного глинистыми сланцами, и принялись дружно сверлить себе подводные норки. К счастью, был найден выход: берег стали укреплять поперечными стенками, а между ними засыпать гальку. В результате сверлильщики были уничтожены, движущаяся под ударами волн галька перемолола их. А в Западной Европе не менее опасную деятельность проводит случайно завезенный из Китая мохнаторукий краб – он проник во многие реки, и, строя свои норы, подрывает берега и разрушает плотины.

К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку небиогенного вещества.

Вернадский, подразделял процессы, осуществляемые в биосфере живым веществом, по характеру самих процессов. Несколько иначе подошел к этому вопросу современник Владимира Ивановича Н.А. Андрусов. «Химическая деятельность организма вообще, имеющая геологическое значение, – писал Андрусов, – может быть сведена к двум категориям: во-первых, к образованию на нужной поверхности или внутри твердых выделений, способных сохраняться; во-вторых, к образованию жидких и газообразных выделений, способных вступать в различные химические реакции с окружающим неорганическим миром». По существу, эту же мысль развивала на современном материале микробиолог Т.В. Аристовская. Она указала, что миграция атомов химических элементов может быть как прямым, так и косвенным результатом жизнедеятельности организмов (в первую очередь бактерии). Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важным являются три основных положения, которые Владимир Иванович называл «биогеохимическими принципами».

В формулировке В.И. Вернадского они звучат следующим образом:

• I принцип: «Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению».
• II принцип: «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосфер» (или в другой формулировке: «При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию»).
• III принцип: «В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало».

Для Вернадского I биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. «Вихрь атомов», который представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремится к безграничной экспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

II биогеохимический принцип, по существу, затрагивает кардинальную проблему современной биологической теории – вопрос о направленности эволюции организмов. По мысли Вернадского, преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах. В ходе биологической эволюции, таким образом, увеличивается «КПД» биосферы в целом.

В качестве примеров рассмотрим круговороты азота, фосфора и серы. Азот и фосфор часто является лимитирующими элементами и могут контролировать численность организмов, а сера – это химический элемент, который может служить примером связи между воздухом, водой и земной корой, то есть ее круговороту присущи особенности круговоротов азота и фосфора.

4.3. Круговороты азота, фосфора и серы

Круговорот азота. Это пример сложного и хорошо забуференного круговорота газообразных веществ. На рисунке 2.4 представлены два способа изображения сложного круговорота азота, каждый из которых иллюстрирует какую-то общую особенность или движущую силу. В круговороте азота ключевую роль играют микроорганизмы. Именно они осуществляют основные типы обмена между организмами и средой.

Рис 2.4. Два способа изображения биогеохимического круговорота азота (по Ю. Одуму, 1975): А – циркуляция азота между микроорганизмами и окружающей средой при участии микроорганизмов, отвечающих за ряд ключевых этапов; Б – те же основные этапы, но расположенные таким образом, что соединения, богатые энергией, находятся вверху; это позволяет отличить этапы, требующие затрат энергии, от процессов, протекающих с высвобождением энергии

На схеме А показано, что азот протоплазмы переводится из органической в неорганическую форму в результате деятельности бактерий-редуцентов, каждый вид которых выполняет определенную работу. Часть азота в конечном счете переводится в аммиачную и нитратную формы, доступные для питания растений. Как известно, воздух почти на 79 % состоит из азота и представляет собой одновременно крупнейший резервуар и буфер системы. Благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий азот постоянно поступает атмосферу, а под действием азотофиксирующих бактерий возвращается в круговорот.

Схема Б иллюстрирует процессы, из которых складывается круговорот азота: фиксацию, ассимиляцию, нитрификацию, денитрификацию, разложение, выщелачивание, вынос, выпадение с осадками, и другие, а также оценки двух потоков, непосредственно связанных с деятельностью человека: выбросов в атмосферу и промышленной фиксации азота, соединения которого используются главным образом в качестве удобрений.

Так как содержание N₂ в атмосфере резко не меняется, можно предположить, что приток т отток в целом уравновешивают друг друга.

На схеме Б представлены энергетические взаимоотношения в круговороте азота. Ступенчатый процесс разложения белков до нитратов служит источником энергии для организмов, принимающих участие в его разложении, а для обратного процесса требуются другие источники энергии – органическое вещество или солнечный свет. Например, хемосинтезирующие бактерии Nitrosomonas, превращающие аммиак в нитрит, получают энергию за счет разложения, а денитрифицирующие и азотофиксирующие – используют другие источники.

Однако ни животные, ни человек, ни растения потреблять молекулярный азот не могут. Огромное количество молекулярного азота в атмосфере в чрезвычайно малой степени затрагиваются биологическим круговоротом: общее отношение связанного азота к его количеству в природе составляет 1: 1000000 (Акимова, Хаскин, 1998). Несмотря на громадное количество молекулярного азота в атмосфере, он является одним из наиболее лимитирующих биогенных элементов. Столб воздуха над одним гектаром земной поверхности составляет 80000 т молекулярного азота. Если бы растения могли усваивать молекулярный азот, то такого его количества хватило бы для получения урожая 30 ц/га на полмиллиона лет. Однако растения могут использовать только азот минеральных соединений. Поэтому, буквально «купаясь» в молекулярном азоте, они испытывают его нехватку.

Из растений фиксировать азот могут только представители семейства бобовых, на корнях которых образуются клубеньки, состоящие из азотофиксирующих бактерий. Однако и среди бобовых далеко не все виды могут фиксировать атмосферный азот. Всего семейство бобовых насчитывает 13000 видов, а наличие клубеньковых бактерий обнаружено у 1300. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1 млрд. т азота в год, промышленная его фиксация составляет около 90 млн. т.

Фиксировать азот могут следующие роды организмов:

• свободно живущие бактерии – Azotobakter и Clostridium (анаэроб);
• сибиотические клубеньковые бактерии бобовых растений – Rhizobium;
• цианобактерии – Anabaena, Nostoc и др.

Из всего азота, который ежегодно усваивается глобальным биотическим сообществом, около 80 % возвращается в круговорот суши и воды и только 20 % поступает из атмосферы с дождем и в результате фиксации.

Благодаря механизмам обратной связи, обеспечивающим саморегуляцию, круговорот азота можно считать относительно замкнутым, если рассматривать его в масштабе крупных площадей или всей биосферы.

В современных условиях человек своей деятельностью оказывает значительное влияние на круговорот азота: увеличивает содержание азота в резервном фонде (сжигание ископаемого топлива, осушение заболоченных земель, обработка почвы и т.д.) и снижает его содержание (выращиванием бобовых культур на громадных территориях, техническое связывание азота) в атмосфере.

Круговорот фосфора. В отличие от азота резервным фондом этого элемента служат горные породы и другие отложения, образовавиеся в прошлые геологические эпохи. По структуре круговорот фосфора проще, чем круговорот азота. Он циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями. Горные породы подвергаются воздействию выветривания, в результате чего фосфор высвобождается и становится доступным для растений. Под действием эрозионных процессов он попадает в море и на значительный промежуток времени высвобождается из круговорота. По всей вероятности, механизмы возврата фосфора в круговорот недостаточно эффективны и не возмещают его потерь. Перенос фосфора с морской воды на сушу не компенсирует его поток в море.

Деятельность человека ведет к усиленной потере фосфора, что делает круговорот недостаточно замкнутым. Важность фосфора как элемента, обеспечивающего продуктивность биосферы, со временем будет возрастать, так как уже сейчас он причисляется к редким макроэлементам. Поэтому возврат фосфора в круговорот имеет важное значение для человечества.

Круговорот серы. Круговорот серы имеет ряд характерных особенностей:

• обширный резервный фонд в почвах и меньший – в атмосфере;
• ключевая роль в быстро обменивающемся фонде микроорганизмов, выполняющих определенную работу в окислении или восстановлении;
• микробная регенерация из глубоководных отложений, в результате которой вверх движется газовая фаза (H₂S);
• взаимодействие геохимических и метеорологических процессов с биологическими процессами;
• взаимодействие воздуха, воды и почвы в регуляции круговорота в глобальном масштабе.

Основная доступная форма серы – SO₄^2– – восстанавливается автотрофами и включается в белки. Для растений серы требуется меньше, чем азота и фосфора, поэтому лимитирующим фактором она бывает реже. Тем не менее круговорот серы – ключевой в общем процессе продуцирования и разложения биомассы.

Круговороты различных элементов могут оказывать взаимное влияние друг на друга. Например, при образовании в осадках сульфидов железа фосфоров из нерастворимых соединений переходит в растворимые.

В последнее время на круговороты азота и серы все большее влияние оказывает промышленное загрязнение атмосферы. Особенно токсичны соединения азота в форме оксидов NO₂ и N₂O и серы – в форме SO₂ которые являются промежуточными продуктами круговоротов этих элементов. В большинстве местообитаний их концентрация невелика, но в связи с неумеренным сжиганием топлива содержание в воздухе этих соединений, особенно в крупных промышленных центрах, увеличилось до такой степени, что они представляют опасность для важных биотических компонентов экосистемы.

Основным источником соединений азота являются выхлопные газы и другие промышленные выбросы, сернистого газа – продукты сжигания угля.

Особенно большой вред наносит SO₂ растениям. Реагируя с водяным паром, он образует слабую серную кислоту, которая выпадает с осадками, известными как «кислотные дожди». Попав на листовую поверхность, H₂SO₄ вызывает химические ожоги, что снижает фотосинтезирующую поверхность растений.

Оксиды азота раздражают дыхательные пути высших животных и человека. Также следует иметь в виду, что, реагируя с другими соединениями, они могут образовывать соединения с синергическим эффектом, когда взаимодействие продуктов реакции больше суммарного воздействия каждого из реагирующих веществ в отдельности. Например, под действием ультрафиолетового излучения солнца NO₂ вступает в реакцию с продуктами неполного сгорания углеводородов. В результате возникает фотохимический смог.

В конечном счете, оксиды азота и серы, попадающие в атмосферу, ухудшают качество жизни.

4.4. Глобальные круговороты углерода и воды

В глобальном масштабе биохимические круговороты воды и углекислого газа имеют, на наш взгляд, самое важное значение для человечества. Для биохимических круговоротов характерно наличие в атмосфере небольших, но подвижных фондов.

Атмосферный фонд СО₂ в круговороте, по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры, относительно невелик.

С наступлением научно-технического прогресса сбалансированные прежде потоки углерода между атмосферой, материками и океанами начинают поступать в атмосферу в количестве, которое не полностью может связаться растениями.

Существуют разные оценки влияния деятельности человека на обогащение атмосферы СО₂ однако все авторы сходятся во мнении, что основными накопителями углерода являются леса, так как в биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в гумусе, содержащемся в почве – в 4 раза больше СО₂, чем в атмосфере.

Растения – хороший регулятор содержания СО₂ в атмосфере. Для большинства растений характерно увеличение интенсивности фотосинтеза при повышенном содержании диоксида углерода в воздухе.

Фотосинтезирующий «зеленый пояс» Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень СО₂ в атмосфере. Однако стремительное увеличение потребления горючих ископаемых, а также уменьшение поглотительной способности «зеленого пояса» приводят к тому, что содержание СО₂ в атмосфере постепенно растет. Предполагают, что если уровень СО₂ в атмосфере будет превышен вдвое (до начала активного влияния человека на окружающую среду он составлял 0,29 %), то не исключено повышение глобальной температуры на 1,5 – 4,5^оС. Это может привести к таянию ледников и как следствие – к повышению уровня Мирового океана, а также к неблагоприятным последствиям в сельском хозяйстве. В настоящее время в США существует национальная научно-исследовательская программа по ведению сельского хозяйства на случай потепления или похолодания климата.

Помимо СО₂ в атмосфере в небольших количествах присутствуют оксид углерода СО – 0,1 части на миллион и метан СН₄ – 1,6 части на миллион. Эти углеродные соединения активно включены в круговорот и поэтому имеют небольшое время пребывание в атмосфере: СО – около 0,1 года, СН₄ – 3,6 года, а СО₂ – 4 года. Оксид углерода и метан образуются при неполном или аэробном разложении органического вещества и в атмосфере окисляются до СО₂.

Накопление СО в глобальном масштабе не представляется реальным, но в городах, где воздух застаивается, имеет место повышение концентрации этого соединения, что негативно влияет на здоровье людей.

Метан образуется при разложении органического вещества в болотистых местностях и мелководных морях. По мнению некоторых ученых, метан выполняет полезную функцию – он поддерживает стабильность озонового слоя, который предохраняет все живое на Земле от гибельного воздействия ультрафиолетового излучения.

Рис. 2.5. Глобальные круговороты: А – круговорот диоксида углерода. Числа обозначают содержание СО₂ в миллиардах тонн; Б – круговорот воды. Содержание Н₂О указано в геограммах (10²⁰ г) (по Ю. Одуму, 1975)

Фонд воды в атмосфере, как показано на рисунке 2.5 невелик, и скорость ее оборота выше, а время пребывания меньше, чем СО₂. Как и на круговорот СО₂, деятельность человека оказывает влияние на круговорот воды.

С энергетической точки зрения можно выделить две части круговорота СО₂: «верхнюю», которая приводится в движение Солнцем, и «нижнюю», в которой выделяется энергия. Как уже отмечалось, около 30 % всей энергии Солнца, поступающей на поверхность Земли, затрачивается на приведение в движение круговорота воды.

В экологическом плане особое внимание следует обратить на два аспекта круговорота воды. Во-первых, море за счет испарения теряет больше воды, чем получает с осадками, то есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, в том числе и агроэкосистемы, состоит из воды, которая испарилась с поверхности моря. Во-вторых, в результате деятельности человека возрастает поверхностный сток и сокращается пополнение фонда грунтовых вод. Уже сейчас имеются территории, на которых используются грунтовые воды, накопившиеся в предыдущем столетии. Следовательно, в этом случае вода – невозобновимый ресурс. После истощения грунтовых вод ее будут доставлять с других территорий, что потребует вложения дополнительного количества энергии.

4.5. Осадочный цикл

Большинство элементов и соединений входит в общий осадочный цикл, циркуляция в котором осуществляется за счет эрозионных процессов, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и биологического переноса.

Твердые частицы, переносимые по воздуху в виде пыли, могут выпадать на землю в виде сухих осадков или вместе с дождем. Они могут состоять из природных веществ (образующихся при вулканических извержениях, ветровой эрозии, лесных пожарах), а также из соединений антропогенного происхождения (например, ядовитые вещества, радиоактивные осадки), которые даже в небольших количествах могут оказывать мощное негативное влияние на живые организмы.

В осадочном цикле большое значение имеет перенос почвенных частиц и химических элементов под воздействием эрозионных процессов. В периоды с малой геологической активностью происходит перенос химических элементов с возвышенностей в понижения, моря и океаны (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схема осадочного цикла (по Ю. Одуму, 1975)

Интенсивность осадочного цикла в разных регионах мира неодинакова и зависит от природно-климатических условий, освоенности территории, хозяйственной деятельности человека (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Годовой вынос осадочного материала в океаны

(по Ю. Одуму, 1986)

Территория	Площадь водосбора, 1´106 км2	Вынос общий
		т/км2	1´109 т
Северная Америка Южная Америка Африка Австралия Европа Азия	20,7 19,4 19,9 5,2 9,3 26,9	634,0 414,3 181,3 297,5 233,0 346,2	1,96 1,20 0,54 0,23 0,32 15,91
Всего	101,4	å	20,16

Из данных таблицы видно, что особенно велики потери плодородной почвы в Азии. Известно немало случаев, когда из-за разрушения пахотных земель вследствие развития эрозионных процессов люди покидали насиженные места или даже погибали от голода.

Особенность осадочного цикла состоит в том, что химические элементы могут на длительный срок выключаться из круговорота, и это приводит к обеднению экосистемы, если их потери не компенсируются извне. Поэтому необходимо найти способы возвращения в круговорот лимитирующих веществ. В противном случае произойдет резкое снижение продуктивности экосистем.

4.6. Круговорот второстепенных элементов и пестицидов

Второстепенные элементы – это элементы, которые не представляют особой ценности для организма. Они нередко мигрируют между средой и организмами. Большинство из них принимает участие в общем осадочном механизме, некоторые могут поступать в атмосферу. Есть элементы, которые, не будучи биогенными, могут поступать в атмосферу. Есть элементы, которые, не будучи биогенными, могут концентрироваться в определенных тканях живых организмов, причем при достижении определенных концентраций становятся опасными для жизнедеятельности.

В окружающую среду поступает значительное количество элементов, которые связаны с деятельностью человека и представляют опасность для его здоровья. Поэтому при проведении экологических исследований необходимо учитывать круговороты практически всех элементов и соединений.

Многие второстепенные элементы в обычных для экосистемы концентрациях почти не оказывают влияния на состояние организмов, поэтому их круговорот до недавнего времени мало интересовал экологов. В качестве примера можно привести стронций. Раньше этому элементу не придавали особого значения, однако в связи с тем, что стронций появился в биосфере в больших количествах и представляет опасность для здоровья, интерес к нему резко возрос.

Опасность стронция состоит в том, что по химическим свойствам он похож на кальций, поэтому, попав в организм, накапливается в костях и находится в непосредственной близости к кроветворным тканям. При изучении осадочного цикла установлено, что около 7 % всего осадочного материала, стекающего вниз по рекам, составляет кальций, а на каждую тысячу атомов кальция приходится два-четыре атома стронция. Одним из продуктов расщепления ядер урана является радиоактивный Sr-90, который характеризуется относительно длительным периодом полураспада и, попав в биосферу, может длительное время участвовать в круговороте. Это изотоп, которого не существовало в природе до расщепления атома человеком. Небольшие количества Sr-90, содержащегося в осадках, выпавших после испытаний ядерного оружия и аварий на предприятиях ядерно-топливного цикла, мигрируют вместе с кальцием по пищевым цепям и накапливаются в костных тканях. По мнению некоторых медиков, уже в 1970 году Sr-90 содержался в костях людей в количестве, достаточном для канцерогенного действия. Когда была достигнута договоренность о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, опасность загрязнения Sr-90еншилась, но после аварии на Чернобыльской АЭС она многократно возросла.

Опасным продуктом деления ядра является Cs-137, который по своим свойствам близок к калию. Обладая большой подвижностью, он с достаточно высокой скоростью циркулирует по пищевым цепям.

В качестве примера химического элемента, который и ранее существовал в природе, но не представлял такой опасности для здоровья человека, как сегодня, можно привести ртуть. Разработка месторождений и промышленное использование ртути привели к значительному рассеиванию ее в биосфере, что повысило вероятность контактирования ядовитого металла с организмами. В круговороте ртути важную роль играют микроорганизмы, которые превращают нерастворимые ее формы в растворимую, часто очень подвижную ядовитую метилртуть.

Аналогично положение и с другими тяжелыми металлами, такими как кадмий, медь, цинк, свинец и др.

Рис. 2.7. Движение пестицидов в биосфере

Распространение и накопление второстепенных элементов можно проиллюстрировать на примере круговорота пестицидов (Рис. 2.7). В зависимости от условий применения этих токсинов некоторое их количество испаряется и переносится в виде аэрозолей на значительные расстояния. При попадании на растения не все пестициды включаются в метаболизм. Частично они испаряются с поверхности растений и могут переноситься ветром на другие территории, но большая их часть попадает в почву. Это связано с тем, что проективное покрытие растений никогда не достигает 100 % и при внесении пестицидов они попадают не только на листовую поверхность растений, но и на почву. Некоторое их количество оседает с растений на почву под действием гравитационных сил и ветра.

Попав на поверхность, некоторое количество пестицидов в результате выщелачивания может проникнуть в грунтовые воды, а затем в гидрографическую сеть.

Значительная часть внесенных пестицидов может сорбироваться почвой и под воздействием водно-эрозионных процессов попадает в гидрографическую сеть. Пестициды, которые при попадании на растения включаются в метаболизм, после разложения растительных осадков могут включаться в различные биогеохимические циклы.

Таким образом, круговорот пестицидов в некоторой степени связан с атмосферой и осадочным циклом. В круговороте могут принимать участие только те пестициды, которые имеют большой период разложения (хлорорганические). Кроме самих пестицидов, в круговороте в отдельных случаях принимают участие и их составляющие (ртуть содержащие пестициды). Что же касается не стойких к разложению пестицидов, то их круговорот разомкнут. Например, гербицид раундап разлагается на углекислый газ и воду в течение одной недели.

В настоящее время для предотвращения накопления пестицидов в природной среде запрещено производство и применение пестицидов, стойких к разложению.

4.7. Пути возвращения веществ в круговорот

Возвращение веществ в круговорот и циркуляция воды и элементов питания – жизненно-важные процессы в экосистеме, приобретающие большое значение и для существования человека. Можно выделить следующие пути возвращения химических элементов и соединений в круговорот:

• через микробное разложение и детритный комплекс;
• через экскременты животных;
• посредством передачи от растения к растению организмами- симбионтами;
• с физическими процессами, в том числе прямым действием солнечной энергии;
• за счет энергии топлива.

Согласно классическим представлениям, основные агенты регенерации элементов питания – бактерии и грибы. В почвах умеренной зоны такой путь является преобладающим.

Там, где растения (трава и фитопланктон) активно выедаются животными, важную роль играет возвращение веществ через экскременты животных.

Возвращение элементов питания в круговорот симбиотическими организмами, по мнению ряда ученых, имеет особенно важное значение в системах с низким содержанием элементов питания. Элементы могут высвобождаться из остатков растений и животных и их фекальных комочков даже без участия микроорганизмов. Такой способ возврата называют автолизом, или саморастворением. Этим способом в определенных условиях может высвобождаться от 25 до 75 % элементов питания.

Работа по возвращению химических элементов в круговорот всегда требуются определенные затраты энергии. В тех случаях, когда источником энергии для возврата веществ в круговорот служат солнечный свет и органическое вещество, человеку не приходится непосредственно затрачивать ископаемые виды топлива. В ненарушенном состояние природные механизмы рециркуляции в основном реализуют возвращение в круговорот воды и элементов питания. В промышленном производстве возврат элементов в круговорот требует очень больших энергетических и материальных затрат, однако в связи с истощением природных ресурсов часто приходится идти на это.

Оценку миграции вещества внутри экосистемы можно проводить по величине циркуляции между отдельными блоками экосистемы, представленной в виде массы материала на входе и выходе. J. Finn (1976) предложил считать повторно используемую часть вещества суммой его количеств, проходящих в круговороте через каждый отсек системы, и ввел понятие о коэффициентах рециркуляции (CJ):

CJ=R/T,

где R – возврат потока вещества через систему, Т – общий поток вещества через систему.

Коэффициент рециркуляции для различных элементов неодинаковы. Они более высоки для тех элементов, которые считаются очень ценными (золото, платина и др.) и используются повторно на 90 % и более. У второстепенных элементов, потребность в которых невелика, коэффициенты возврата обычно низкие.

Так как энергия проходит все системы насквозь и не используется вторично, то коэффициент ее рециркуляции равен нулю.

Коэффициент рециркуляции в естественных экосистемах возрастает при увеличении разнообразия и усложнении биотических компонентов, по мере обеднения ресурсов среды на входе, по мере накопления на выходе отходов, опасных для жизни в экосистеме, либо при наличии одновременно всех трех процессов.

Тесты для проверки знаний

1. Углерод выходит из круговорота веществ, образуя осадочные породы, в форме…
• карбоната кальция
• сульфата кальция
• нитрата кальция
• сульфида кальция



2. Организмы, вовлекающие углерод в круговорот веществ в форме углекислого газа, называются…
• продуцентами
• консументами
• хищниками
• детритофагами



3. Циркуляция химических элементов между живыми организмами и окружающей средой называется круговоротом…
• веществ
• энергии
• воды
• кислорода



4. Движущей силой круговоротов веществ в биосфере является…
• солнечная энергия
• энергия приливов и отливов
• выветривание горных пород
• химическая энергия неорганических соединений



5. Необходимым условием существования и развития биосферы является…
• круговорот биогенных элементов
• геологический круговорот минеральных веществ
• формирование осадочных пород
• круговорот азота в биогеоценозах



6. Циклический процесс химических превращений, обусловленный живым веществом биосферы, называется _________ круговоротом
• биогеохимическим
• химическим
• геологическим
• энергетическим



7. Круговорот биогенных элементов через синтез и распад органического вещества, совершающийся в пределах биосферы, называется …
• биологическим
• геологическим
• химическим
• космогоническим



8. Свободный азот атмосферы вовлекается в биологический круговорот…
• клубеньковыми бактериями
• грибами
• лишайниками
• химическими реагентами



9. Разрушение и выветривание горных пород, снос продуктов выветривания в мировой океан и их осаждение – это явления, характерные для…
• большого (геологического) круговорота
• малого (биологического) круговорота
• антропогенного воздействия на горные породы
• антропогенного воздействия на гидросферу



10. Азот вовлекается в биологический круговорот растениями при ассимиляции его корнями растений в…
• форме нитратов
• форме мочевины
• свободной форме (N2)
• составе аминокислот



11. Главная роль биологического круговорота азота заключается в том, что азот…
• входит в состав белков и нуклеиновых кислот
• составляет 78% от газового состава атмосферы
• накапливается в продуктах растениеводства в форме нитратов
• участвует в формировании фотохимического смога



12. Значение биологического круговорота фосфора состоит в том, что фосфор…
• входит в состав нуклеиновых кислот и АТФ
• входит в состав детергентов (моющих средств)
• преимущественно сосредоточен в горных породах
• вызывает явление эвтрофикации водоемов



13. Фосфор в наземных экосистемах включается в биологический круговорот…
• растениями
• фитофагами
• хищниками
• паразитами



14. Основная масса кислорода на Земле…
• находится в связанном состоянии в молекулах воды, оксидах, солях
• находится в свободной форме в тропосфере
• сосредоточена в форме озона в озоносфере
• находится в ионосфере планеты



15. Скоррелированность синтеза и распада органического вещества в биосфере с высокой точностью (10^-7) свидетельствует о ________ регуляции окружающей среды
• биологической
• геологической
• химической
• космической