Лекции по экологии

2.6. КРУГООБОРОТЫ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

Основой динамического равновесия и стойкости биосферы является кругооборот веществ и превращения энергии, который состоит из многообразных процессов. Хорошо известны глобальные процессы кругооборота воды, кислорода, углерода, азота, фосфора, микроэлементов на Земле. В.Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, то есть вовлечь его в кругооборот. В этом высказывании есть доля философского и религиозного понимания сути кругооборотов веществ и превращения энергии. Выделяют два основных кругооборота: большой (геологический ) и малый (биологический). Геологический кругооборот веществ имеет наибольшую скорость в горизонтальном направлении между сушей и морем. Смысл большого кругооборота в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан с образованием морских напластований и возвращаются на сушу лишь частично, например, с осадками или с извлеченными человеком из воды организмами. Далее в течение длительного временного отрезка протекают медленные геотектонические изменения – движение материков, поднятие и опускание морского дна, вулканические извержения и т.д., в результате которых образовавшиеся напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. Малый кругооборот , являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза. Он состоит в том, что питательные вещества почвы, вода, CO₂ и другие вещества из атмосферы за счет фотосинтеза аккумулируются в веществе продуцентов (растений и некоторых бактерий), расходуются на построение тел и жизненные (обменные) процессы продуцентов и консументов. Затем в основном за счет редуцентов органические вещества разлагаются и частью минерализуются, вновь становятся доступными растениям и снова ими вовлекаются в поток вещества (кругооборот). Скорость перемещения веществ при биологическом кругообороте значительно выше, чем при геологическом. Кругооборот (перемещение) химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии с протеканием биохимических превращений (реакций) носит название биогеохимического цикла . Годичные биогеохимические циклы приводят в движение примерно 480 млрд т веществ, в основном биофильных элементов – углерода, азота, водорода, кислорода и др.

2.6.1. Кругооборот углерода

Этот кругооборот, как и большая часть других кругооборотов, может быть представлен в виде упрощенной схемы (рис. 2.5.):

Рис. 2.5. Кругооборот углерода

Кругооборот углерода, как и любого другого элемента, совершается как по большому, так и по малому циклам.

Большой (геологический) кругооборот углерода можно представить в виде схемы (рис. 2. 6.).

В атмосфере и водных источниках присутствует углекислый газ СО₂ . Под его действием, а также при участии ветра и воды (Н₂ О) частью изменяется состав горных пород (например, карбонатных: известняка СаСО₃ , магнезита МgCO₃ , доломита СаСО₃ ×МgCO₃ ):

СаСО₃ + СО₂ + Н₂ О ® Са(НСО₃ )₂

МgCO₃ + СО₂ + Н₂ О ® Мg(НСО₃ )₂ .

Образующиеся растворимые соли (гидрокарбонаты) вымываются и выносятся в океан, частью насыщает воду океана. Частью же под воздействием неорганических условий и фильтрации воды через живые организмы (например, моллюски) эта соль преобразуется и отлагается на дне океана в виде осадочных пород (того же, например, СаСО₃ , частью представленного в виде ракушечника, как остатки раковин умерших моллюсков) (пункты 6, 7 рис. 2.5.). Осадочные породы претерпевают метаморфоз (различные превращения), а также под действием тектонических сил перемещаются в глубину земной коры, откуда частью через длительный период поднимаются на поверхность, а быстрее идут процессы под действием вулканических извержений, которые являются вновь источниками углерода в атмосфере в виде СО₂ , а иногда и СО, окисляющегося до СО₂ .

Биотический кругооборот углерода – составная часть большого кругооборота, он связан с жизнедеятельностью организмов.

Рис. 2.6. Большой (геологический) кругооборот углерода

Запасы углерода, содержащегося в виде СО₂ , в атмосфере составляют 23,5×10¹¹ т. Органическое вещество синтезируется зелеными растениями из СО₂ атмосферы (пункт 1, рис. 2.5.), содержание которого там лишь 0,03 – 0,04 % (табл.2.8), а затем вместе с веществом растений (продуцентов) потребляется консументами разных трофических уровней (пункт 2, рис. 2.5.).

Синтез органических веществ зеленые растения осуществляют с помощью энергии солнечного излучения из СО₂ и Н₂ О в процессе фотосинтеза.

Таблица 2.8. Количество углекислого газа в атмосфере и его кругооборот, в кг

Значение света для зеленых растений подчеркивал еще Аристотель: «Те части растений, в которых влажное не смешивается с солнечными лучами, остаются белыми».

В 1777 г. Д. Пристли открыл, что растения днем выделяют кислород, очищая воздух, «испорченный» горением или дыханием животных. Сам процесс фотосинтеза был досконально изучен К.А. Тимирязевым (1843-1920). По Тимирязеву, процесс фотосинтеза протекает под воздействием содержащегося в зеленых частях растений сложного органического вещества – хлорофилла, спектр поглощения которого показан на рис. 2.7. Коэффициент использования энергии солнечного света при фотосинтезе невелик (» порядка 2 %).

Поглощение

420 500 580 660 740 Длина волны, мкм

Рис. 2.7. Спектр поглощения хлорофилла

Усвоение СО₂ растениями при фотосинтезе эндотермический процесс, который протекает с поглощением большого количества теплоты с DН=112 ккал/моль в случае синтеза глюкозы:

hn

6СО₂ + 6Н₂ О = С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ – 674 ккал.

В 1961 г. за раскрытие механизма фотосинтеза американскому ученому М. Келвину присуждена Нобелевская премия. Механизм фотосинтеза такой: попадая в клетку зеленого листа, СО₂ присоединяется к акцептору (углеводрибулезодифосфат), с которым продолжается дальнейшее передвижение и превращение. Благодаря ферменту альдолазы образуется глюкоза С₆ Н₁₂ О₆ , а далее – сахароза С₁₂ Н₂₂ О₁₁ , крахмал (С₆ Н₁₀ О₅ )_n и другие углеводы С_n (Н₂ О)_m . Суммарно фотосинтез можно выразить так:

hn

nСО₂ + mН₂ О = С_n (Н₂ О)_m + nО₂ – Q.

Фотосинтез осуществляется за счет энергии солнечных лучей (26500 млрд ккал/с на всей земной поверхности).

Часть синтезированного в этом процессе вещества снова переходит к акцептору. Так и реализуется циклический процесс. Только циклические процессы могут быть саморегулирующимися (фотосинтез в их числе). Дальше с помощью других ферментов из углеводов синтезируются белки, жиры и другие нужные для жизни растений органические вещества.

Следует заметить, что содержание СО₂ в атмосфере невелико, и он бы полностью исчерпался за 4-35 лет (табл. 2.8.).

Откуда же он поступает в атмосферу? Ежегодно все растения и животные выдыхают СО₂ 10¹³ -10¹⁴ кг, а люди – 1,08×10¹² кг (пункты 3,4; рис.2.5).

Экзотермическая реакция окисления углерода до СО₂ протекает в тканях живого организма под действием вдыхаемого кислорода, который переносится по кровеносной системе посредством гемоглобина – сложного органического вещества (с молярной массой М»68000 г/моль), содержащего 4 атома железа, каждый из которых способен связывать одну молекулу О₂ .

Процесс дыхания упрощенно можно изобразить схематически так (где Гем – гемоглобин):

1) Гем + О₂ = Гем·О₂ (легкие: вдыхание);

2) Перенос с кровью в ткани;

3) Гем·О₂ + С (из пищи) = Гем·СО₂ (ткани);

4) Перенос в легкие;

5) Гем·СО₂ = Гем + СО₂ ­(легкие: выдыхание).

Таким образом, можно сказать, что гемоглобин ведет себя как катализатор. Другие источники поступления СО₂ в атмосферу – извержения вулканов, кислотные дожди, действующие на известняки (пункт 8, рис. 2.5). Часть СО₂ образуется при гниении, разложении, отмирании живых организмов под действием редуцентов, а также при пожарах и, наконец, при антропогенном воздействии. Так, ежегодно в промышленности и на транспорте при сжигании топлива выбрасывается в атмосферу 1,5×10¹² кг СО₂ и эта цифра ежегодно растет, что создает глобальную проблему - парниковый эффект.

Если бы не происходило побочных процессов, то количество СО₂ , выделяемого в атмосферу и усваиваемого растениями, было бы одинаковым. Однако же часть углерода временно выводится из кругооборота за счет частичной минерализации останков растений (пункт 5, рис. 2.5) и животных (пункт 6, рис. 2.5) с образованием торфа, нефти, углей и других ископаемых в литосфере.

Общее количество углерода земной коры (трех оболочек), по Вернадскому, составляет примерно 1×10¹⁷ т, причем большая часть его рассеяна повсюду в природе, поэтому такой разброс в данных по распределению его по отдельным формам нахождения (табл. 2.9).

Таким образом, основная масса углерода принимает участие в медленном геологическом кругообороте. Естественно предположить, что в настоящее время атмосфера содержит лишь ничтожную часть СО₂ от того запаса, который первоначально имелся, и углерод постепенно выводился из биологического кругооборота из-за отложений в литосфере. Но из-за антропогенных факторов (использование горючего, его сгорания) в последнее время доля СО₂ , а значит, и углерода в атмосфере неуклонно растет из года в год.

Таблица 2.9. Количество углерода, в т

Большим регулятором содержания СО₂ в атмосфере является Мировой океан. Много углерода исключается из биологического кругооборота веществ на суше и попадает в океан в основном в виде карбонатных солей. Если в атмосфере повышается содержание СО₂ , то часть его растворяется в воде, вступает в реакцию с СаСО₃ , с образованием растворимых в воде гидрокарбонатов, например Са(НСО₃ )₂ . Наоборот, при уменьшении содержания СО₂ в атмосфере, гидрокарбонаты, которые всегда содержатся в морской воде, превращаются в карбонаты, которые выпадают из раствора, частью используются организмами для построения скелетов или панцирей (раковин) животных, при отмирании, а частью и без отмирания в виде СаСО₃ оседают на морское дно. Таким образом, существует обратимый процесс:

® уменьшение концентрации СО₂

Са(НСО₃ )₂ « СаСО₃ ¯ + Н₂ О + СО₂ .

¬ увеличение концентрации СО₂

2.6.2. Кругооборот кислорода

Один из наиболее сложных кругооборотов, так как с кислородом О₂ вступает в реакцию большое количество органических и неорганических веществ, а также водород (последний дает с О₂ ® воду Н₂ О). Упрощенная схема кругооборота кислорода представлена на рис. 2.8).

Кругооборот кислорода непосредственно связан с кругооборотом углерода (процессы фотосинтеза, дыхания и питания животных). Особенностью кругооборота кислорода является широкое многообразие кислородсодержащих веществ в биосфере. Кислород в

Рис. 2.8. Кругооборот кислорода

целом самый распространенный в биосфере химический элемент. В свободном виде (О₂ ) он присутствует в наземных водных источниках, в почве и составляет основу воздуха, присутствуя в атмосфере также и в виде озона (главным образом в стратосфере). Роль озона в биосфере, его образование подробно рассматривается в других разделах пособия. В связанном виде кислород составляет основу горных пород и минералов (например, солевых и оксидных), а также газообразных продуктов (например, оксидов углерода, серы, азота и др.), и, наконец, воды (самого распространенного на планете вещества), образование которых рассматривается в других кругооборотах элементов и веществ.

Нарушение стабильного кругооборота кислорода происходит в основном из-за больших объемов сжигания органического топлива (свободный кислород тратиться на окисление), а с другой стороны, из-за массовой вырубки лесов (главного источника поступления свободного кислорода в биосферу). Одновременно с этим возникает целый блок глобальных проблем (парниковый эффект, кислотные дожди, явления "смога" и др.).

2.6.3. Кругооборот серы

Существуют гипотезы, что в ранние геологические эпохи Земли недостаток О₂ предполагал существование серы в основном в виде Н₂ S и солей (главным образом, сульфидов, например FeS₂ ). С формированием О₂ начинаются окислительные процессы. В наше время сера на планете присутствует в виде Н₂ SО₄ и Н₂ S (и их солей), и части свободной серы, SО₂ , а также в виде органических веществ в живых организмах.

Величайшую роль в кругообороте выполняют бактерии. Мы уже знакомы с фотосинтезом, но, кроме этого, некоторые бактерии, используя энергию химических экзотермических реакций окисления (хемосинтез), синтезируют органические вещества. Так под действием особого вида бактерий (серобактерии) идет окисление Н₂ S до S:

2Н₂ S + О₂ ® 2Н₂ О + 2S + 127 ккал (+ Q).

Cера откладывается в «телах» серобактерий, составляя до 95 % их общей массы, тем самым устраняя вредное действие Н₂ S на растения и животных. Это неполный процесс окисления серы, он идет и дальше до Н₂ SО₄ под действием О₂ воздуха, а также пурпурных бактерий, для которых дыхание заменяется процессом:

бактерии

Н₂ S + 2О₂ ® Н₂ SО₄ + 189 ккал.

Сера окисляется на воздухе, а также в организмах серобактерий, если они будут лишены сероводородной среды:

2S + 3О₂ + 2Н₂ О = 2Н₂ SО₄ + 251 ккал,

SО₂ или Н₂ SО₃ – практически не образуются, а образуется Н₂ SО₄ , так как протекают достаточно сложные процессы:

2S + 2О₂ + 2Н₂ О = 2Н₂ SО₃ + 157 ккал, (1)

2Н₂ SО₃ + Н₂ О + O₂ = 2Н₂ SО₄ + 94 ккал. (2)

Вторая реакция протекает быстрее, поэтому Н₂ SО₃ (или же SО₂ + Н₂ О) не накапливается. Свободная Н₂ SО₄ в природе встречается редко (разве что при кислотных дождях), она очень активна, поэтому реагирует с содержащимися в почве и воде веществами или горными породами, например:

СаСО₃ + Н₂ SО₄ = СаSО₄ + СО₂ ­ + 2Н₂ О.

Большая часть сульфатов уносится водами рек, а также под действием осадков и выветривания минералов, в моря, частью растворяясь в океанических водах, а частью откладываясь на дне в виде напластований и образуя минералы, особенно природного гипса СаSО₄ ×2Н₂ О, перемещаясь в глубины литосферы, а затем через годы – на поверхность и т.д.

Попадая в глубокие слои литосферы, тот же СаSО₄ , претерпевает восстановительный процесс, например, с участием органических веществ:

СаSО₄ + СН₄ ® СаS + СО₂ ­ + 2Н₂ О ® СаСО₃ + Н₂ S + Н₂ О.

Таким образом, возникают сероводородные («серные») источники (например, Мацеста, Пятигорск). Но существуют и другие бактерии – сульфатовосстанавливающие, которые питаются за счет сульфатов. Так, на глубине ниже 150 м, например, в Черном море, сульфаты под действием этих бактерий восстанавливаются до сероводорода, который, поднимаясь наверх, вновь подвергается действию серобактерий, окисляется до SО₄ ^2- , а часть Н₂ S уходит в атмосферу. Источники Н₂ S – болота, вулканическая деятельность, природные процессы гниения отмерших живых организмов.

При извержении вулканов выделяется Н₂ S и SО₂ , концентрации которых могут быть различными, тогда возможно протекание реакции: 2Н₂ S + SО₂ ® 3S + 2Н₂ О.

При избытке Н₂ S, выделяющаяся сера защищается от окисления и потому может образовывать на некоторой глубине в толще литосферы – пласты S или вкрапления.

Кроме того, на больших глубинах формируются горючие природные ископаемые (тот же уголь, и углеводороды, содержащие серу), откладываются сланцы и другие осадочные породы, содержащие серу.

При добыче этих ископаемых, их сжигании или химической переработке, а также их естественном разложении в атмосферу выбрасываются SО₂ и Н₂ S, которые окисляются до Н₂ SО₄ и, наряду с природными источниками, затем выпадают на землю в виде осадков – кислотных дождей. И так, круг замыкается. Особенно из-за деятельности человека, а также из-за окислительной способности воздуха в наше время кругооборот осуществляется с увеличением содержания сульфатов, а в прошлом – преобладали сульфиды.

Остался неучтенным процесс потребления серы растениями, с учетом которого кругооборот серы можно выразить упрощенной схемой (рис. 2.9).

Переработка сульфатов растениями, в том числе и с использованием бактерий, очень сложный процесс, приводящий к синтезу растениями


29-04-2015, 04:46