Биогеохимические круговороты веществ в природе

Характеристика большого и малого круговоротов

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:

• Большой (геологический или абиотический);
• Малый (биотический, биогенный или биологический).

Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Время круговорота воды в ледниках 8 000 лет, в реках - 11 дней. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Большой, геологический круговорот в биосфере характеризуется двумя важными моментами:

а) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;

б) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества - оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.

Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды - главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты -главный загрязнитель материковых вод). Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков. В настоящее время большое значение имеют круговороты ксенобиотиков - токсичных элементов - ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина). Кроме того, из большого круговорота в малый поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - созидания органического вещества и его разрушения живым веществом.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительность и животных обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом.

Настоящее и будущее нашей планеты зависит от участия живых организмов в функционировании биосферы. В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.

Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи. Интенсивность продукционных и деструкционных процессов в биологическом круговороте зависит от количества тепла и влаги. Например, низкая скорость разложения органического вещества полярных районов зависит от дефицита тепла.

Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. Интенсивность характеризуется индексом, равным отношению массы лесной подстилки к опаду. Чем больше индекс, тем меньше интенсивность круговорота.

Индекс в хвойных лесах - 10 - 17; широколиственных 3 - 4; саванне не более 0,2; влажных тропических лесах не более 0,1 , т.е. здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.

Поток элементов (азота, фосфора, серы) через микроорганизмы на порядок выше, чем через растения и животных. Биологический круговорот не является полностью обратимым, он тесно связан с биогеохимическим круговоротом. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота:

• поглощаются живым веществом и заряжаются энергией;
• покидают живое вещество, выделяя энергию во внешнюю среду.

Эти циклы бывают двух типов: круговорот газообразных веществ; осадочный цикл (резерв в земной коре).

Сами круговороты состоят из двух частей:

• резервного фонда (это часть вещества, не связанная с живыми организмами);
• подвижного (обменного) фонда (меньшая часть вещества, связанная с прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).

Круговороты делят на:

• круговороты газового типа с резервным фондом в земной коре (круговороты углерода, кислорода, азота) - способны к быстрой саморегуляции;
• круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.) - более инертны, основная масса вещества находится в «недоступном» живым организмам виде.

Круговороты также можно разделить на:

• замкнутые (круговорот газообразных веществ, например, кислорода, углерода и азота - резерв в атмосфере и гидросфере океана, поэтому нехватка быстро компенсируется);
• незамкнутые (создающие резервный фонд в земной коре, например, фосфор - поэтому потери плохо компенсируются, т.е. создается дефицит).

Энергетической основой существования биологических круговоротов на Земле и их начальным звеном является процесс фотосинтеза. Каждый новый цикл круговорота не является точным повторением предыдущего. Например, в ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, в результате чего происходило образование и накопление биогенных осадков, увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т.д.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимическими циклами. Основные биогеохимические (биосферные) циклы веществ: цикл воды, цикл кислорода, цикл азота (участие бактерий-азотфиксаторов), цикл углерода (участие аэробных бактерий; ежегодно около 130 т углерода сбрасывается в геологический цикл), цикл фосфора (участие почвенных бактерий; ежегодно в океаны вымывается 14 млн.т фосфора), цикл серы, цикл катионов металлов.

Круговорот воды

Круговорот воды - замкнутый цикл, который может совершаться, как было сказано выше, и в отсутствии жизни, но живые организмы видоизменяют его.

Круговорот основан на принципе: суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Для планеты в целом испарение и осадки уравновешивают друг друга. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, но излишек стекает в озера и реки, а оттуда снова в океан. Баланс влаги между континентами и океанами поддерживается речным стоком.

Таким образом, глобальный гидрологический цикл имеет четыре основных потока: осадки, испарение, влагоперенос, транспирация.

Вода - самое распространенное вещество в биосфере - служит не только средой обитания для многих организмов, но и является составной частью тела всех живых существ. Несмотря на огромное значение воды во всех жизненных процессах, происходящих в биосфере, живое вещество не играет определяющей роли в большом круговороте воды на земном шаре. Движущей силой этого круговорота является энергия солнца, которая тратится на испарение воды с поверхности водяных бассейнов или суши. Испарившаяся влага конденсируется в атмосфере в виде облаков, переносимых ветром; при охлаждении облаков выпадают осадки.

Общее количество свободной несвязанной воды (доля океанов и морей, где жидкая соленая вода), приходится от 86 до 98 %. Остальное количество воды (пресная вода) хранится в полярных шапках и ледниках и образует водные бассейны и ее грунтовые воды. Выпадающие на поверхность суши, покрытой растительностью, осадки частично задерживаются листовой поверхностью и в дальнейшем испаряются в атмосферу. Влага, достигшая почвы, может присоединиться к поверхностному стоку или поглотиться почвой. Полностью поглотившись почвой (это зависит от типа почв, особенности горных пород и растительного покрова), избыток осадка может просочиться вглубь, к грунтовым водам. Если количество выпавших осадков превышает влагоемкость верхних слоев почвы, начинается поверхностный сток, скорость которого зависит от состояния почвы, крутизны склона, продолжительности осадков и характера растительности (растительность может предохранить почву от водной эрозии). Вода, задержавшаяся в почве, может испаряться с ее поверхности или, после поглощения корнями растений, транспирироваться (испаряться) в атмосферу через листья.

Транспирационный ток воды (почва - корни растений - листья -атмосфера) представляет собой основной путь воды через живое вещество в ее большом круговороте на нашей планете.

Круговорот углерода

От свойств и особенностей углерода зависит все многообразие органических веществ, биохимических процессов и жизненных форм на Земле. Содержание углерода в большинстве живых организмов составляет около 45 % от сухой их биомассы. В круговороте органического вещества и всего углерода Земли участвует все живое вещество планеты, которое непрерывно возникает, видоизменяется, погибает, разлагается и в такой последовательности происходит перенос углерода с одного органического вещества на построение другого по цепи питания. Кроме того, все живое дышит, выделяя углекислый газ.

Круговорот углерода на суше. Круговорот углерода поддерживается благодаря фотосинтезу наземными растениями и океанским фитопланктоном. Поглощая углекислоту (фиксируя неорганический углерод), растения с помощью энергии солнечного света преобразуют ее в органические соединения - создавая свою биомассу. Ночью же растения, как и все живое, дышат, выделяя углекислый газ.

Большая часть первичной продукции - биомассы растительности (содержащей органический углерод) - поедается растительноядными животными, которые строят свою биомассу, содержащую органический углерод, далее в свою очередь поедаемые организмами следующих звеньев сложных трофических цепей, образованных консументами второго, третьего и т.д. порядков. Организмы каждого трофического уровня используют энергию, заключенную в веществах тела своих жертв или хозяев (паразиты) и выделяют в атмосферу углекислый газ, образующийся в процессе дыхания.

Отмершие растения, трупы и экскременты животных служат пищей для многочисленных гетеротрофных организмов (животных, растений-сапрофитов, грибов, микроорганизмов). Все эти организмы обитают в основном в почве и в процессе жизнедеятельности создают свою биомассу, в состав которой входит органический углерод. Они также выделяют углекислый газ, создавая «почвенное дыхание». Часто мертвое органическое вещество не полностью разлагается и в почвах накапливается гумус (перегной), играющий важную роль в плодородии почв. Степень минерализации и гумификации органических веществ зависит от многих факторов: влажности, температуры, физических свойств почвы, состава органических остатков и т.д. Под действием бактерий и грибов гумус может разлагаться до углекислоты и минеральных соединений.

Круговорот углерода в Мировом океане. Круговорот углерода в океане отличается от круговорота на суше. В океане слабое звено организмов высших трофических уровней, следовательно, и все звенья круговорота углерода. Время прохождения углерода через трофическое звено океана непродолжительно, а количество выделяемого углекислого газа незначительно.

Океан выполняет роль основного регулятора содержания углекислого газа в атмосфере. Между океаном и атмосферой происходит интенсивный обмен углекислого газа. Воды океана имеют большую растворяющую способность и буферную емкость. Система, состоящая из угольной кислоты и ее солей (карбонатов) является своеобразным депо углекислоты, связана с атмосферой через диффузию СО₂ из воды в атмосферу и обратно.

В океане днем интенсивно протекает фотосинтез фитопланктона, при этом свободная углекислота усиленно расходуется, карбонаты служат дополнительным источником ее образования. Ночью при увеличении содержания свободной кислоты за счет дыхания животных и растений значительная ее часть снова входит в состав карбонатов. Происходящие процессы идут в направлениях: живое вещество↔ СО₂↔ Н₂СО₃↔ Са(НСО₃)₂↔ СаСО₃.

В природе некоторое количество органического вещества не подвергается минерализации в результате недостатка кислорода, большой кислотности среды, специфических условий захоронения и т.д. Часть углерода выходит из биологического круговорота в виде неорганических (известняки, мел, кораллы) и органических (сланцы, нефть, уголь) отложений.

Деятельность человека вносит существенные изменения в круговорот углерода на нашей планете. Изменяются ландшафты, типы растительности, биоценозы и их пищевые цепи, осушаются или орошаются огромные площади поверхности суши, улучшается (или ухудшается) плодородие почв, вносятся удобрения и пестициды и т.д. Наиболее опасно поступление углекислого газа в атмосферу в результате сжигания топлива. При этом увеличивается скорость круговорота углерода и укорачивается его цикл.

Круговорот кислорода

Кислород является обязательным условием существования жизни на Земле. Он входит практически во все биологические соединения, участвует в биохимических реакциях окисления органических веществ, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности организмов биосферы. Кислород обеспечивает дыхание животных, растений и микроорганизмов в атмосфере, почве, воде, участвует в химических реакциях окисления, происходящих в горных породах, почвах, илах, водоносных горизонтах.

Основные ветви круговорота кислорода:

• образование свободного кислорода при фотосинтезе и его поглощение в процессе дыхания живых организмов (растений, животных, микроорганизмов в атмосфере, почве, воде);
• образование озонового экрана;
• создание окислительно-восстановительных зональностей;
• окисление окиси углерода при извержении вулканов, накопление сульфатных осадочных пород, расход кислорода в человеческой деятельности и т.д.; везде участвует молекулярный кислород фотосинтеза.

Круговорот азота

Азот входит в состав биологически важных органических веществ всех живых организмов: белков, нуклеиновых кислот, липопротеидов, ферментов, хлорофилла и т.д. Несмотря на содержание азот (79 %) в составе воздуха, он является дефицитным для живых организмов.

Азот в биосфере находится в недоступной для организмов газообразной форме (N2) - химически мало активной, поэтому он не может непосредственно использоваться высшими растениями (и большинством низших растений) и животным миром. Растения усваивают азот из почвы в виде ионов аммония или нитратных ионов , т.е. так называемый фиксированный азот.

Различают атмосферную, промышленную и биологическую фиксации азота.

Атмосферная фиксация происходит при ионизации атмосферы космическими лучами и при сильных электрических разрядах во время гроз, при этом из молекулярного азота воздуха образуются оксиды азота и аммиака, которые благодаря атмосферным осадкам превращаются в аммонийный , нитритный , нитратный азот и попадают в почву и водные бассейны.

Промышленная фиксация происходит в результате хозяйственной деятельности человека. Атмосфера загрязняется соединениями азота заводами, производящими азотные соединения. Горячие выбросы ТЭЦ, заводов, космических аппаратов, сверхзвуковых самолетов окисляют азот воздуха. Оксиды азота, взаимодействуя с парами воды воздуха с осадками возвращаются на землю, попадают в почву в ионной форме.

Биологическая фиксация играет основную роль в круговороте азота. Ее осуществляют почвенные бактерии:

• азотфиксирующие бактерии (и сине-зеленые водоросли);
• микроорганизмы, живущие в симбиозе с высшими растениями (клубеньковые бактерии);
• аммонифицирующие;
• нитрифицирующие;
• денитрифицирующие.

Свободно живущие в почве азотфиксирующие аэробные (существующие в присутствии кислорода) бактерии (Azotobacter) способны осуществлять фиксацию молекулярного азота атмосферы за счет энергии, получаемой при окислении органических веществ почвы в процессе дыхания, в конечном итоге связывая его с водородом и вводя в виде аминогруппы (-NH2) в состав аминокислот своего тела. Молекулярный азот способен фиксировать и некоторые анаэробные (живущие в отсутствие кислорода) бактерии, существующие в почве (Clostridium). Отмирая, и те и другие микроорганизмы обогащают почву органическим азотом.

К биологической фиксации молекулярного азота способны и сине-зеленые водоросли, особенно важные для почв рисовых полей.

Эти бактерии (Rizobium) используют энергию растения-хозяина для фиксации азота, в то же время снабжая наземные органы хозяина доступными ему соединениями азота. Усваивая соединения азота из почвы в нитратной и аммонийной формах, растения строят необходимые азотсодержащие соединения своего тела (нитратный азот в клетках растений предварительно восстанавливается). Растения-продуценты снабжают азотистыми веществами весь животный мир и человечество. Погибшие растения используются, согласно трофической цепи, биоредуцентами.

Аммонифицирующие микроорганизмы разлагают органические вещества, содержащие азот (аминокислоты, мочевину), с образованием аммиака. Часть органического азота в почве не минерализуется, а превращается в гумусовые вещества, битумы и компоненты осадочных пород.

Аммиак (в виде аммонийного иона) может поступить в корневую систему растений, или использоваться в процессах нитрификации.

Нитрифицирующие микроорганизмы являются хемосинтетиками, используют энергию окисления аммиака до нитратов и нитритов до нитратов для обеспечения всех процессов жизнедеятельности. За счет этой энергии нитрификаторы восстанавливают углекислый газ и строят органические вещества своего тела. Окисление аммиака при нитрификации протекает по реакциям:

NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2H₂O + 600 кДж (148 ккал).

HNO₃ + O₂ → 2HNO₃ + 198 кДж (48 ккал).

Нитраты, образовавшиеся в процессах нитрификации, вновь поступают в биологический круговорот, поглощаются из почвы корнями растений или после поступления с водным стоком в водные бассейны- фитопланктоном и фитобентосом.

Наряду с организмами, фиксирующими атмосферный азот и нитрифицирующие его, в биосфере существуют микроорганизмы, способные восстанавливать нитраты или нитриты до молекулярного азота. Такие микроорганизмы, называемые денитрификаторами, при недостатке свободного кислорода в водах или почве используют кислород нитратов для окисления органических веществ:

C₆H₁₂O₆(глюкоза) + 24KNO₃ → 24KHCO₃ + 6CO₂ + 12N₂ + 18H₂O + энергия

Освобождающаяся при этом энергия служит основой всей жизнедеятельности денитрифицирующих микроорганизмов.

Таким образом, во всех звеньях круговорота исключительную роль играют живые вещества.

В настоящее время все большую роль в азотном балансе почв и, следовательно, во всем круговороте азота в биосфере играет промышленная фиксация атмосферного азота человеком.

Круговорот фосфора

Круговорот фосфора более прост. В то время как резервуаром азота служит воздух, резервуар фосфора - это горные породы, из которых он высвобождается при эрозии.

Углерод, кислород, водород и азот легче и быстрее мигрируют в атмосфере, так как находятся в газообразной форме, образуя в биологических круговоротах газообразные соединения. Для всех остальных элементов, кроме серы необходимых для существования живого вещества, в биологических круговоротах нехарактерно образование газообразных соединений. Эти элементы мигрируют в основном в виде ионов и молекул, растворенных в воде.

Фосфор, усваиваемый растениями в виде ионов ортофосфорной кислоты принимает большое участие в жизнедеятельности всех живых организмов. Он входит в состав АДФ, АТФ, ДНК, РНК и др. соединения.

Круговорот фосфора в биосфере является незамкнутым. В наземных биогеоценозах фосфор после поглощения растениями из почвы по пищевой цепи вновь поступает в виде фосфатов в почву. Основное количество фосфора вновь поглощается корневой системой растений. Частично фосфор может вымываться со стоком дождевых вод из почвы в водные бассейны. В естественных биогеоценозах часто испытывается недостаток фосфора, причем в щелочной и окисленной среде он находится обычно в виде нерастворимых соединений.

Большое количество фосфатов содержат горные породы литосферы. Часть их постепенно переходит в почву, часть разрабатывается человеком для производства фосфорных удобрений, большая часть выщелачивается и вымывается в гидросферу. Там они используются фитопланктоном и связанными с ними организмами, находящимися на разных трофических уровнях сложных пищевых цепей.

В Мировом океане потери фосфатов из биологического круговорота происходят за счет отложений остатков растений и животных на больших глубинах. Поскольку фосфор перемещается, в основном, из литосферы в гидросферу с водой, то в литосферу он мигрирует биологическим путем (поедание рыб морскими птицами, использование бентосных водорослей и рыбной муки в качестве удобрения и т.д.).

Из всех элементов минерального питания растений фосфор можно считать дефицитным.

Круговорот серы

Для живых организмов сера играет большое значение, т. к. она входит в состав серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, метионина и др.). Находясь в составе белков, серосодержащие аминокислоты поддерживают необходимую трехмерную структуру белковых молекул.

Сера усваивается растениями из почвы только в окисленной форме, в виде иона . В растениях сера восстанавливается и входит в состав аминокислот в виде сульфгидрильных (-SH) и дисульфидных (-S-S-) групп.

Животные усваивают только восстановленную серу, находящуюся в составе органических веществ. После отмирания растительных и животных организмов сера возвращается в почву, где в результате деятельности многочисленных форм микроорганизмов подвергается преобразованиям.

В аэробных условиях некоторые микроорганизмы окисляют органическую серу до сульфатов. Сульфатные ионы, абсорбируясь корнями растений, вновь включаются в биологический круговорот. Часть сульфатов может включаться в водную миграцию и выноситься из почвы. В почвах, богатых гумусовыми веществами, значительное количество серы находится в органических соединениях, что препятствует ее вымыванию.

В анаэробных условиях при разложении органических соединений серы образуется сероводород. Если сульфаты и органические вещества находятся в бескислородной среде, то активируется деятельность сульфатредуцирующих бактерий. Они используют кислород сульфатов для окисления органических веществ и получают таким образом необходимую для своего существования энергию.

Сульфатредуцирующие бактерии распространены в подземных водах, в илах и застойных морских водах. Сероводород является ядом для большинства живых организмов, поэтому его накопление в залитой водой почве, озерах, лиманах и т.д. значительно снижает или даже полностью прекращает жизненные процессы. Такое явление наблюдается в Черном море на глубине ниже 200 м от его поверхности.

Таким образом, для создания благоприятной среды необходимо окисление сероводорода до сульфатных ионов, что уничтожит вредное действие сероводорода, сера перейдет в доступную для растений форму - в виде сернокислых солей. Эту роль выполняет в природе особая группа серобактерий (бесцветные, зеленые, пурпурные) и тионовые бактерии.

Бесцветные серобактерии являются хемосинтетиками: они используют энергию, получаемую при окислении кислородом сероводорода до элементарной серы и при дальнейшем ее окислении до сульфатов.

Окрашенные серобактерии являются фотосинтезирующими организмами, которые используют сероводород в качестве донора водорода для восстановления углекислоты. Образующаяся элементарная сера у зеленых серобактерий выделяется из клеток, у пурпурных накапливается внутри клеток.

Суммарная реакция этого процесса - фоторедукция:

СО₂+ 2H₂S свет → (CH₂O)+ H₂O +2S.

Тионовые бактерии окисляют за счет свободного кислорода элементарную серу и ее различные восстановленные соединения до сульфатов, возвращая ее снова в основное русло биологического круговорота.

В процессах биологического круговорота, где происходит превращение серы, огромную роль играют живые организмы, особенно микроорганизмы.

Главным накопителем серы на нашей планете является Мировой океан, т. к. в него из почвы непрерывно поступают сульфат-ионы. Часть серы из океана возвращается на сушу через атмосферу по схеме сероводород - окисление его до двуокиси серы - растворение последней в дождевой воде с образованием серной кислоты и сульфатов - возвращение серы с атмосферными осадками в почвенный покров Земли.

Круговорот неорганических катионов

Жизненно важными кроме основных элементов, входящих в состав живых организмов (углерода, кислорода, водорода, фосфора и серы), являются и многие другие макро- и микроэлементы - неорганические катионы. В водных бассейнах растения получают необходимые им катионы металлов непосредственно из окружающей среды. На суше главным источником неорганических катионов служит почва, которая получила их в процессе разрушения материнских пород. В растениях поглощенные корневыми системами катионы передвигаются в листья и другие органы; некоторые из них (магний, железо, медь и ряд других) входят в состав биологически важных молекул (хлорофилла, ферментов); другие, оставаясь в свободном виде, участвуют в поддержании необходимых коллоидных свойств протоплазмы клеток и выполняют иные разнообразные функции.

При отмирании живых организмов неорганические катионы в процессе минерализации органических веществ возвращаются в почву. Потери этих компонентов из почвы происходят в результате выщелачивания и выноса катионов металлов с дождевыми водами, отторжения и выноса органического вещества человеком при возделывании сельскохозяйственных растений, рубке леса, скашивании трав на корм скоту и т.д.

Рациональное применение минеральных удобрений, мелиорация почв, внесение органических удобрений, правильная агротехника помогут восстановить и поддержать баланс неорганических катионов в биоценозах биосферы.

Антропогенный круговорот: круговорот ксенобиотиков (ртути, свинца, хрома)

Человечество является частью природы и может существовать только в постоянном взаимодействии с ней.

Существуют сходства и противоречия между естественным и антропогенным круговоротом веществ и энергии, совершающихся в биосфере.

Естественный (биогеохимический) круговорот жизни имеет следующие особенности:

• использование солнечной энергии в качестве источника жизни и все ее проявления на основе термодинамических законов;
• он осуществляется безотходно, т.е. все продукты его жизнедеятельности, минерализуются и снова включаются в следующий цикл круговорота веществ. При этом за пределы биосферы удаляется отработанная, обесцененная тепловая энергия. При биогеохимическом круговороте веществ образуются отходы, т.е. запасы в виде каменного угля, нефти, газа и других минеральных ресурсов. В отличие от безотходного естественного круговорота антропогенный круговорот сопровождается увеличивающимися с каждым годом отходами.

В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, т. к. с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы (например, азот).

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии.

Огромную роль на биогеохимический круговорот оказывает человек, но в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила - разрушительная по отношению к биосфере. В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается.

Антропогенный круговорот не ограничивается энергией солнечного света, улавливаемой зелеными растениями планеты. Человечество использует энергию топлива, гидро- и атомных станций.

Можно утверждать, что антропогенная деятельность на современном этапе представляет собой огромную разрушительную для биосферы силу.

Биосфера обладает особенным свойством - значительной устойчивостью по отношению к загрязняющим веществам. Эта устойчивость основана на естественной способности различных компонентов природной среды к самоочищению и самовосстановлению. Но не безгранично. Возможный глобальный кризис вызвал необходимость построения математической модели биосферы как единого целого (система «Гея») с целью получения информации о возможном состоянии биосферы.

Ксенобиотик - чужеродное для живых организмов вещество, появляющееся в результате антропогенной деятельности (пестициды, препараты бытовой химии и другие загрязнители), способное вызывать нарушение биотических процессов, в т.ч. заболевание или гибель организма. Такие загрязнители не подвергаются биодеградации, а аккумулируются в трофических цепях.

Ртуть - весьма редкий элемент. Она рассеяна в земной коре и только в немногих минералах, таких как киноварь, содержится в концентрированном виде. Ртуть участвует в круговороте вещества в биосфере, мигрируя в газообразном состоянии и в водных растворах.

В атмосферу она поступает из гидросферы при испарении, при выделении из киновари, с вулканическими газами и газами из термальных источников. Часть газообразной ртути в атмосфере переходит в твердую фазу и удаляется из воздушной среды. Выпавшая ртуть поглощается почвами, особенно глинистыми, водой и горными породами. В горючих полезных ископаемых - нефти и каменном угле - ртути содержится до 1 мг/кг. В водной массе океанов примерно 1,6 млрд. т, в донных осадках - 500 млрд.т, в планктоне - 2 млн.т. Речными водами ежегодно с суши выносится около 40 тыс.т, что в 10 раз меньше, чем поступает в атмосферу при испарении (400 тыс.т). На поверхность суши ежегодно выпадает около 100 тыс.т.

Ртуть из естественного компонента природной среды превратилась в один из наиболее опасных для здоровья человека техногенных выбросов в биосферу. Она широко применяется в металлургии, в химической, электротехнической, электронной, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промышленности и используется для производства взрывчатых веществ, лаков и красок, а также в медицине. Промышленные стоки и атмосферные выбросы, наряду с ртутными рудниками, заводами по производству ртути и теплоэнергетическими предприятиями (ТЭЦ и котельные), использующими уголь, нефть и нефтепродукты, являются основными источниками загрязнения биосферы этим токсичным компонентом. Кроме того, ртуть входит в состав ртутьорганических пестицидов, используемых в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты культур от вредителей. В организм человека попадает с продуктами питания (яйца, протравленное зерно, мясо животных и птиц, молоко, рыба).

Ртуть в воде и донных отложениях рек. Установлено, что около 80 % ртути, поступающей в природные водоемы, находится в растворенной форме, что в конечном итоге способствует ее распространению на большие расстояния вместе с потоками воды. Чистый элемент не токсичен.

Ртуть содержится в воде придонного ила чаще в относительно безвредных концентрациях. Неорганические соединения ртути превращаются в токсичные органические соединения ртути, такие как метилртуть CH₃Hg и этилртуть C₂H₅Hg, благодаря бактериям, живущим в детритах и осадках, в донном иле озер и рек, в слизи, покрывающей тела рыб, а также в слизи рыбьего желудка. Эти соединения легко растворимы, подвижны и очень ядовиты. Химической основой агрессивного действия ртути является ее сродство с серой, в частности с сероводородной группой в белках. Эти молекулы связываются с хромосомами и клетками головного мозга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций опасных для человека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь "Минамата".

Металлическая ртуть и ее неорганические соединения действуют, в основном, на печень, почки и кишечный тракт, однако в обычных условиях сравнительно быстро выводятся из организма и опасное для организма человека количество не успевает накопиться. Метилртуть и другие алкильные соединения ртути являются гораздо более опасными, т. к. происходит кумуляция - токсин поступает в организм быстрее, чем выводится из организма, действуя на центральную нервную систему.

Донные отложения являются важной характеристикой водных экосистем. Аккумулируя тяжелые металлы, радионуклиды и высокотоксичные органические вещества, донные отложения, с одной стороны, способствуют самоочищению водных сред, а с другой - представляют собой постоянный источник вторичного загрязнения водоемов. Донные отложения - перспективный объект анализа, отражающий многолетнюю картину загрязнения (особенно в малопроточных водоемах). Причем накопление неорганической ртути в донных отложениях наблюдается особенно в устьях рек. Может возникнуть напряженная ситуация, когда адсорбционная способность отложений (ила, осадков) будет исчерпана. Когда будет достигнута адсорбционная емкость, тяжелые металлы, в т.ч. ртуть начнут поступать в воду.

Известно, что в морских анаэробных условиях в отложениях отмерших водорослей ртуть присоединяет водород и переходит в летучие соединения.

При участии микроорганизмов может метилироваться в две стадии металлическая ртуть:

→ CH₃Hg+ → (CH₃)₂Hg

Метилртуть в окружающей среде появляется практически только при метилировании неорганической ртути.

Биологический период полувыведения ртути велик, он составляет для большинства тканей организма человека 70-80 дней.

Известно, что в начале пищевой цепочки происходит загрязнение ртутью крупных рыб, например меч-рыбы, тунца. Не безинтересно при этом отметить, что в еще большей степени, чем в рыбах, ртуть накапливается (аккумулируется) в устрицах.

Ртуть попадает в организм человека при дыхании, с пищей и через кожу по следующей схеме:

Во-первых, происходит транформация ртути. Этот элемент встречается в природе в нескольких формах.

Металлическая ртуть, применяемая в термометрах, и ее неорганические соли (например, хлорид) выводятся из организма сравнительно быстро.

Гораздо более ядовиты алкильные соединения ртути, в частности метил- и этилртуть. Эти соединения очень медленно выводятся из организма - за сутки всего лишь около 1% общего количества. Хотя большая часть ртути, попадающей в природные воды, содержится там в виде неорганических соединений, в рыбе она всегда оказывается в форме гораздо ядовитой метилртути. Бактерии в донном иле озер и рек, в слизи, покрывающей тела рыб, а также в слизи рыбьего желудка способны превращать неорганические соединения ртути в метилртуть.

% мирового улова рыбы содержит ртуть в количестве не более 0,5 мг/кг, а 95% - ниже 0,3 мг/кг. Почти вся ртуть в рыбе находится в виде метилртути.

Учитывая разную токсичность ртутных соединений для человека в пищевых продуктах необходимо определять неорганическую (общую) и органически связанную ртуть. У нас определяется только общее содержание ртути. По медико-биологическим требованиям содержание ртути в пресноводной хищной рыбе допускается 0,6 мг/кг, в морской - 0,4 мг/кг, в пресноводной не хищной только 0,3 мг/кг, а в тунцовых до 0,7 мг/кг. В продуктах детского питания содержание ртути не должно превышать 0,02 мг/кг в мясных консервах, 0,15 мг/кг в рыбных консервах, в остальных - 0,01 мг/кг.

Свинец присутствует практически во всех компонентах природной среды. В земной коре его содержится 0,0016 %. Естественный уровень свинца в атмосфере 0,0005 мг/м3. Большая часть его осаждается с пылью, примерно 40 % выпадает с атмосферными осадками. Растения получают свинец из почвы, воды и атмосферных выпадений, а животные - потребляя растения и воду. В организм человека металл попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основным источником загрязнения биосферы свинцом являются бензиновые двигатели, выхлопные газы которых содержат триэтилсвинец, теплоэнергетические предприятия, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленность. Значительное количество свинца вносится в почву вместе со сточными водами, используемыми в качестве удобрения. Для тушения горящего реактора Чернобыльской АЭС также использовался свинец, который поступил в воздушный бассейн и рассеялся на обширных территориях. При увеличении загрязнения окружающей среды свинцом возрастает его отложение в костях, волосах, печени.

Хром. Наиболее опасен токсичный хром (6+), который мобилизуется в кислых и щелочных почвах, в пресных и морских водах. В морской воде хром на 10 - 20 % представлен формой Cr (3+), на 25 - 40 % - Cr (6+), на 45 - 65 % - органической формой. В интервале рН 5 - 7 преобладает Cr (3+), а при рН > 7 - Cr (6+). Известно, что Cr (6+) и органические соединения хрома не соосаждаются с гидроксидом железа в морской воде.

Природные круговороты веществ являются практически замкнутыми. В естественных экосистемах вещество и энергия расходуются экономно и отходы одних организмов служат важным условием существования других. Антропогенный круговорот веществ сопровождается огромным расходом природных ресурсов и большим количеством отходов, вызывающих загрязнение окружающей среды. Создание даже самых совершенных очистных сооружений, не решает проблему, поэтому необходимо разрабатывать мало- и безотходные технологии, позволяющие сделать как можно более замкнутым антропогенный круговорот. Теоретически можно создать безотходную технологию, однако реальны малоотходные технологии.

Адаптация к природным явлениям

Адаптации - различные приспособления к среде обитания, выработавшиеся у организмов (от наипростейших до высших) в процессе эволюции. Способность к адаптации - одно из основных свойств живых, обеспечивающих возможность своего существования.

К основным факторам, развивающим процесс адаптации относятся: наследственность, изменчивость, естественный (и искусственный) отбор.

Толерантность может измениться, если организм попадает в иные внешние условия. Попадая в такие условия, он через некоторое время как бы привыкает, адаптируется к ним (от лат. адаптацио - приспособлять). Следствием этого является изменение положений физиологического оптимума. Свойство организмов адаптироваться к существованию в том или ином диапазоне экологического фактора называется экологической пластичностью.

Чем шире диапазон экологического фактора, в пределах которого данный организм может жить, тем больше его экологическая пластичность. По степени пластичности выделяют два типа организмов: стенобионтные (стеноэки) и эврибионтные (эвриэки). Таким образом, стенобионты экологически непластичны (например, камбала живет только в соленой воде, а карась только в пресной), т.е. маловыносливы, а эврибионты экологически пластичны, т.е. более выносливы (например, трехиглая колюшка может жить как в пресных, так и в соленых водах).

Адаптации многомерны, так как организм должен одновременно соответствовать многим различным факторам окружающей среды.

Существует три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды: активный; пассивный; избегание неблагоприятных воздействий.

Активный путь адаптации - усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все жизненные функции организма, несмотря на отклонения фактора от оптимума. Например, теплокровные животные поддерживают постоянную температуру тела - оптимальную для биохимических процессов, протекающих в нем.

Пассивный путь адаптации - подчинение жизненных функций организмов изменению факторов среды. Например, при неблагоприятных условиях среды многие организмы переходят в состояние анабиоза (скрытой жизни), при котором практически останавливается обмен веществ в организме (состояние зимнего покоя, оцепенение насекомых, спячка, сохранение спор в почве в виде спор и семян).

Избегание неблагоприятных воздействий - выработка приспособлений, поведения организмов (адаптации), которые помогают избежать неблагоприятные условия. При этом адаптации могут быть: морфологические (изменяется строение организма: видоизменение листьев у кактуса), физиологические (верблюд обеспечивает себя влагой за счет окисления запасов жира), этологические (изменения поведения: сезонные миграции птиц, спячка зимой).

Живые организмы хорошо адаптированы к периодическим факторам. Непериодические факторы могут вызвать болезни и даже смерть организма (например, лекарственные препараты, ядохимикаты). Однако при длительном их воздействии также может возникнуть адаптация к ним.

Организмы адаптировались к суточной, сезонной, приливно-отливной ритмикам, ритмам солнечной активности, лунным фазам и другим строго периодичным явлениям. Так, сезонную адаптацию различают как сезонность в природе и состояние зимнего покоя.

Сезонность в природе. Ведущим значением для растений и животных при приспособлении организмов является годовой ход температуры. Период, благоприятный для жизни, в среднем для нашей страны, продолжается около шести месяцев (весна, лето). Еще до прихода устойчивых морозов в природе наступает период зимнего покоя.

Состояние зимнего покоя. Зимний покой не просто остановка развития в результате низких температур, а сложное физиологическое приспособление, причем наступающего лишь на определенной стадии развития. Например, малярийный комар и бабочка-крапивница зимуют в стадии взрослого насекомого, бабочка-капустница - в стадии куколки, непарный шелкопряд - в стадии яйца.

Биоритмы. У каждого вида в процессе эволюции выработался характерный годичный цикл интенсивного роста и развития, размножения, подготовки к зиме и зимовки. Это явление получило название биологического ритма. Совпадение каждого периода жизненного цикла с соответствующим временем года имеет решающее значение для существования вида. Примерами биологических ритмов являются: ритмичность в делении клеток, синтез ДНК и РНК, секреции гормонов, суточное движение листьев и лепестков в сторону Солнца, осенние листопады, сезонное одревеснение зимующих побегов, сезонные миграции птиц и млекопитающих и т.д.

Главным фактором регуляции сезонных циклов у большинства растений и животных является изменение продолжительности дня.

Биоритмы бывают:

• экзогенные (внешние) ритмы (возникают как реакция на периодические изменения среды (смену дня и ночи, сезонов, солнечной активности)
• эндогенные (внутренние ритмы) генерируются самим организмом

В свою очередь эндогенные делятся на:

• Физиологические ритмы (биение сердца, дыхание, работа желез внутренней секреции, синтез ДНК, РНК, белков, работа ферментов, деление клеток и др.)
• Экологические ритмы (суточные, годичные, приливные, лунные и др.)

Ритмичность имеют процессы синтеза ДНК, РНК, белков, деление клеток, биение сердца, дыхание и т.д. Внешние воздействия могут сдвигать фазы этих ритмов и менять их амплитуду.

Физиологические ритмы варьируют в зависимости от состояния организма, экологические - более стабильны и соответствуют внешним ритмам. При эндогенных ритмах организм может ориентироваться во времени и заранее готовиться к предстоящим изменениям среды - это биологические часы организма. Многим живым организмам свойственны циркадные и цирканные ритмы.

Циркадные ритмы (околосуточные) - повторяющиеся интенсивности и характера биологических процессов и явлений с периодом от 20 до 28 часов. Циркадные ритмы связаны с активностью животных и растений в течение суток и, как правило, зависят от температуры и интенсивности света. Например, летучие мыши летают в сумерки и отдыхают днем, многие планктонные организмы ночью держатся у поверхности воды, а днем спускаются в глубину.

С влиянием света - фотопериодом - связаны сезонные биологические ритмы. Реакция организмов на продолжительность дня получила название фотопериодизма. Фотопериодизм - это общее важное приспособление, регулирующее сезонные явления у самых разных организмов. Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что реакция организмов на свет основана на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Реакция организмов (от одноклеточных до человека) на продолжительность дня и ночи показывает, что они способны измерять время, т.е. обладают какими-то биологическими часами. Биологические часы, кроме сезонных циклов, управляют многими другими биологическими явлениями, определяют правильный суточный ритм как активности целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности, клеточных делений.

Универсальным свойством всего живого, от вирусов и микроорганизмов до высших растений и животных, является способность давать мутации - внезапные, естественные и вызываемые искусственно, наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма. Мутационная изменчивость не отвечает условиям окружающей среды и, как правило, нарушает существующие адаптации.

Впадают в диапаузу (продолжительная остановка в развитии) многие насекомые на определенной стадии развития, которую не надо путать с состоянием покоя в неблагоприятных условиях. На размножение многих морских животных влияют лунные ритмы.

Цирканные (окологодичные) ритмы - повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений с периодом от 10 до 13 месяцев.

Физическое и психологическое состояние человека также имеет ритмический характер. Нарушенный ритм труда и отдыха снижает работоспособность и оказывает неблагоприятное влияние на здоровье человека. Состояние человека в экстремальных условиях будет зависеть от степени подготовленности его к этим условиям, поскольку времени на адаптацию и восстановление практически нет.

Литература

С.С. Нуркеев, У.Ш. Мусина «Экология»: Учебное пособие для технических вузов. Алматы, 2005. 490 стр.

Мусина У.Ш. Теоретические основы охраны окружающей среды. Учеб. пособие. - Алматы: КазНТУ, 2000. 136 с.

Вронский В.А. Прикладная экология: Учеб. пособие. Ростов н/Д.: Феникс, 1996. 512 с.

Козлова Т.А., Сухова Т.С., Сивоглазов В.И. Экология: Кн. для учителя. М.: Школа-пресс, 1996. 192 с.

Воронков Н.А. Основы общей экологии: Учеб. пособие. М.: Агар, 1997. 87 с.

Алексеев В.А. 300 вопросов и ответов по экологии. Ярославль: Академия развития, 1998. 240 с.

Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учеб. пособие для вузов. М., 1998. 320 с.

Экология: Краткий справочник школьника. М.: Дрофа, 1997. 112 с.

Реймерс Н.Ф. Экология: Теория, законы, правила, принципы и гипотезы. М.: Молодая гвардия, 1994. 367 с.

Алексеев С.В., Груздева Н.В., Муравьев А.Г. и др. Практикум по экологии: Учеб. пособие. М.: АО МДС, 1996. C. 66 - 68