Биогеофизические круговороты веществ в природе


           План:
      1. Круговорот воды.
      2. Круговорот углерода.
      3. Круговорот кислорода.
      4. Круговорот азота.
      5. Круговорот фосфора.
      6. Круговорот серы.



      Круговорот воды. Вода находится в  постоянном  движении.  Испаряясь  с
поверхности водоемов, почвы, растений, вода  накапливается  в  атмосфере  и,
рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах,  реках,
озерах и т.п. Таким образом, количество воды на  Земле  не  изменяется,  она
только меняет свои формы - это и есть круговорот воды  в  природе.  Из  всех
выпадающих  осадков  80%  попадает  непосредственно  в  океан.  Для  нас  же
наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так  как
большинство используемых человеком источников  воды  пополняется  именно  за
счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей  на  суше,  есть
два пути. Либо  она,  собираясь  в  ручейки,  речушки  и  реки,  попадает  в
результате  в  озера  и  водохранилища  -  так  называемые   открытые   (или
поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через  почву  и
подпочвенные  слои,  пополняет  запасы  грунтовых   вод.   Поверхностные   и
грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения.  Оба  этих
водных  ресурса  взаимосвязаны  и  имеют  как  свои  преимущества,   так   и
недостатки в качестве источника питьевой воды.
      Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности
земного  шара.  Он  играет  главную  роль  в  связывании  геологического   и
биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно  переходя  из  одного
состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды  с
поверхности океана,  конденсация  водяного  пара  в  атмосфере  и  выпадение
осадков на поверхность океана образуют малый  круговорот.  Если  же  водяной
пар  переносится  воздушными  течениями  на  сушу,   круговорот   становится
значительно сложнее. В этом случае  часть  осадков  испаряется  и  поступает
обратно в атмосферу, другая - питает  реки  и  водоемы,  но  в  итоге  вновь
возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем  самым  большой
круговорот. Важное свойство круговорота воды  заключается  в  том,  что  он,
взаимодействуя  с  литосферой,  атмосферой  и  живым  веществом,   связывает
воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу,  подземные  воды
и атмосферную влагу. Вода -  важнейший  компонент  всего  живого.  Грунтовые
воды, проникая сквозь ткани  растения  в  процессе  транспирации,  привносят
минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.
      Наиболее замедленной частью  круговорота  воды  является  деятельность
полярных ледников,  что  отражают  медленное  движение  и  скорейшее  таяние
ледниковых масс.  Наибольшей  активностью  обмена  после  атмосферной  влаги
отличаются  речные  воды,  которые  сменяются  в  среднем  каждые  11  дней.
Чрезвычайно быстрая  возобновляемость  основных  источников  пресных  вод  и
опреснение  вод  в  процессе  круговорота  являются  отражением  глобального
процесса динамики вод на земном шаре.
      Круговорот углерода. Углерод в  биосфере  часто  представлен  наиболее
подвижной  формой  -  углекислым  газом.  Источником  первичной  углекислоты
биосферы  является   вулканическая   деятельность,   связанная   с   вековой
дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.
      Миграция углекислого газа в биосфере  Земли  протекает  двумя  путями.
Первый  путь  заключается  в  поглощении  его  в  процессе   фотосинтеза   с
образованием  органических  веществ  и  в  последующем  захоронении   их   в
литосфере  в  виде  торфа,  угля,  горных  сланцев,   рассеянной   органики,
осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи  сотни  миллионов
лет назад значительная часть фотосинтезируемого  органического  вещества  не
использовалась  ни  консументами,  ни   редуцентами,   а   накапливалась   и
постепенно погребалась под  различными  минеральными  осадками.  Находясь  в
породах миллионы  лет,  этот  детрит  под  действием  высоких  температур  и
давления (процесс метаморфизации)  превращался  в  нефть,  природный  газ  и
уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности  и
условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем  это
ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая  его,  в
определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни  этот  процесс
в истории планеты, вероятно, человечество  имело  бы  сейчас  совсем  другие
источники энергии,  а  может  быть  и  совсем  другое  направление  развития
цивилизации.
По второму  пути  миграция  углерода  осуществляется  созданием  карбонатной
системы в различных водоемах, где CO2  переходит  в  H2CO3,  HCO31-,  CO32-.
Затем с помощью  растворенного  в  воде  кальция  (реже  магния)  происходит
осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями.  Возникают  мощные
толщи известняков. Наряду с этим большим  круговоротом  углерода  существует
еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.
      В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ  атмосферы
поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время.  В  ночное  время  часть
его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью  растений  и  животных
на поверхности происходит  окисление  органических  веществ  с  образованием
CO2. Особое  место  в  современном  круговороте  веществ  занимает  массовое
сжигание  органических  веществ   и   постепенное   возрастание   содержания
углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного  производства
и транспорта.



Круговорот кислорода. Кислород - наиболее активный газ. В пределах  биосферы
происходит быстрый  обмен  кислорода  среды  с  живыми  организмами  или  их
остатками после гибели.
      В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота.
Господствующей формой нахождения кислорода  в  атмосфере  является  молекула
О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает  во
множество химических соединений минерального и органического миров.
      Свободный кислород  современной  земной  атмосферы  является  побочным
продуктом процесса фотосинтеза  зеленых  растений  и  его  общее  количество
отражает баланс между продуцированием кислорода  и  процессами  окисления  и
гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило  такое  время,
когда  количество  свободного  кислорода  достигло  определенного  уровня  и
оказалось  сбалансированным  таким  образом,  что   количество   выделяемого
кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.



      Круговорот азота. .  При  гниении  органических  веществ  значительная
часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под  влиянием
живущих  в  почве    трифицирующих  бактерий  окисляется  затем  в   азотную
кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися  в  почве  карбонатами,
например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:
   2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н

      Некоторая же часть азота всегда выделяется  при  гниении  в  свободном
виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при  горении  органических
веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа.  Кроме  того,  существуют
бактерии,  которые  при  .недостаточном  доступе  воздуха   могут   отнимать
кислород  от  нитратов,  разрушая  их   с   выделением   свободного   азота.
Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к  тому,  что  часть
азота  из  доступной  для  зеленых  растений  формы  (нитраты)  переходит  в
недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот,  входивший
в  состав  погибших  растений,  возвращается  обратно  в  почву;  часть  его
постепенно выделяется в свободном виде.
   Непрерывная убыль минеральных азотных соединений  давно  должна  была  бы
привести к полному  прекращению  жизни  на  Земле,  если  бы  в  природе  не
существовали  процессы,  возмещающие  потери  азота.   К   таким   процессам
относятся, прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды,  при
которых всегда образуется некоторое количество оксидов  азота;  последние  с
водой дают  азотную  кислоту,  превращающуюся  в  почве  в  нитраты.  Другим
источником пополнения азотных соединений  почвы  является  жизнедеятельность
так  называемых  азотобактерий,  способных   усваивать   атмосферный   азот.
Некоторые из этих  бактерий  поселяются  на  корнях  растений  из  семейства
бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему  они
и  получили  название  клубеньковых  бактерий.  Усваивая  атмосферный  азот,
клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения,  а  растения,
в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.
      Таким образом, в природе  совершается  непрерывный  круговорот  азота.
Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые  белками  части
растений, например зерно. Поэтому  в  почву  необходимо  вносить  удобрения,
возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.



Круговорот фосфора. Фосфор  входит в состав  генов  и  молекул,  переносящих
энергию внутрь клеток.  В  различных  минералах  фосфор  содержится  в  виде
неорганического  фосфатиона  (PO43-).  Фосфаты  растворимы  в  воде,  но  не
летучи. Растения поглощают PO43- из водного раствора  и  включают  фосфор  в
состав различных органических соединений,  где  он  выступает  в  форме  так
называемого органического фосфата. По  пищевым  цепям  фосфор  переходит  от
растений ко всем прочим организмам экосистемы. При  каждом  переходе  велика
вероятность окисления содержащего фосфор соединения  в  процессе  клеточного
дыхания для получения организмом энергии. Когда  это  происходит,  фосфат  в
составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду,  после  чего
снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.
      В отличие, например, от  углекислого  газа,  который,  где  бы  он  ни
выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными  потоками  пока
снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы  и,  следовательно,
нет "свободного возврата" в атмосферу. Попадая в водоемы,  фосфор  насыщает,
а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет.  Что-
то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень  небольшая
часть  общего  количества,  оказывающаяся  к  тому  же   вблизи   побережья.
Океанические отложения фосфата  со  временем  поднимаются  над  поверхностью
воды в результате геологических  процессов,  но  это  происходит  в  течение
миллионов лет.
      Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в
экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы"  жизнедеятельности
откладываются  в  местах  поглощения  данного   элемента.   В   естественных
экосистемах так в основном и происходит.  Когда  же  в  их  функционирование
вмешивается  человек,  он  нарушает   естественный   круговорот,   перевозя,
например, урожай  вместе  с  накопленными  из  почвы  биогенами  на  большие
расстояния к потребителям.


Круговорот серы. Сера является важным составным элементом  живого  вещества.
Большая  часть  ее  в  живых  организмах  находится  в   виде   органических
соединений.  Кроме  того,  сера  входит  в  состав  некоторых   биологически
активных веществ: витаминов, а также ряда веществ,  выступающих  в  качестве
катализаторов  окислительно-восстановительных  процессов   в   организме   и
активизирующих некоторые ферменты.
      Сера представляет  собой  исключительно  активный  химический  элемент
биосферы  и  мигрирует  в  разных  валентных  состояниях  в  зависимости  от
окислительно-восстановительных условий  среды.  Среднее  содержание  серы  в
земной коре оценивается в 0,047 %. В природе  этот  элемент  образует  свыше
420 минералов.
В изверженных породах  сера  находится  преимущественно  в  виде  сульфидных
минералов:  пирита  ,  пирронита  ,  халькопирита  ,  в  осадочных   породах
содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых  углях  -  в  виде  примесей
серного  колчедана  и  реже  в  виде  сульфатов.  Сера  в  почве   находится
преимущественно в форме  сульфатов;  в  нефти  встречаются  ее  органические
соединения.
      В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера
в виде сульфатиона переносится природными  водами  в  Мировой  океан.   Сера
поглощается  морскими  организмами,  которые   богаче   ее   неорганическими
соединениями, чем пресноводные и наземные.



-----------------------
[pic]

                 Фотосинтез, органическое вещество растений

                       Органическое вещество животных

                         Органическое вещество почв

Свет

                                   Углерод

                         Вулканическая деятельность

                                    Океан

                      Известняки, коралловые рифы и др.

Захоронение (уход в геологию)

Высвобождение углерода человеком

[pic]

                 Органический азот растений и животных (NH2)

                                Аммонификация

                                  Мочевина
                                  CO(NH2)2

                                   Аммиак
                                    (NH3)

                                 Ион аммония
                                    (NH4)

                                Закись азота
                                    (N2O)

Нитрификация

                                   Нитриты
                                    (NO2)

                               Свободный азот


Нитрификация

                                   Нитраты
                                    (NO3)

Азотофиксирующие организмы

                        Продукция растений и животных



                                Фосфат - ионы
                                    (PO4)

                             Фосфор в организмах

                                 Ассимиляция

                     Минерализация органических веществ

                                   Фосфаты

                             Фосфатредуцирующие
                                  бактерии

                              Водные экосистемы

                               Тела организмов

                          Осадки (уход в геологию)

            Высвобождение человеком (удобрения), вынос животными