2. Биогеохимические циклы

Движущей силой этих круговоротов служит в конечном счете энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы непосредственно используют энергию солнечного света и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему. Необходимо еще отметить, что климатические факторы абиотического компонента, такие, как температура, движение атмосферы, испарение и осадки, тоже регулируются поступлением солнечной энергии.

Циклы массообмена и распределение масс химических элементов в биосфере. Цикл натрия

Преобладание растворимого катиона в биосфере обуславливает присутствие больших масс натрия во всех типах природных вод, в которых он связан

2 1

эквивалентными соотношениями с анионами С1' Б04 " и отчасти с НСО3 . В педосфере натрий играет важную роль в процессах катионного обмена. Высокое содержание натрия в поглощенном комплексе почв способствует диспергации почвенных агрегатов и образованию солонцев. Натрий принимает активное участие в засолении почв, в которых он образует соли с СГ и Б04 . Масса натрия в педосфере пока не определена количественно. Несмотря на активное участие в континентальном галогенезе, огромная аккумуляция натрия в океане характеризует натрий как типичный талассофильный элемент .

В организмах соли натрия (главным образом хлориды) имеют важное значение. Хлорид натрия является обязательным компонентом жидких тканей животных (плазмы, крови, лимфы) и клеточного сока растений, играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давление и влияет на содержание воды в тканях и др. В силу важной физиологической роли хлорид натрия в большом количестве поглощается растительными и особенно животными организмами, его недостаток вызывает тяжелые заболевания. Живое вещество Земли на протяжении года пропускает через себя около 4,6109т натрия, причем на суше в биологический круговорот вовлекается 0,2-109т а в океане почти в 20 раз больше. Натрий активно сорбируется осадками морей, поэтому в осадочной оболочке содержится его большая масса.

Глобальный цикл хлора.

В биологический круговорот на суше захватывается около 0,34*109 т/год хлора. В морской воде его концентрация значительно выше и он составляет около 3% сухой массы организмов. На протяжении года биота Мирового океана вовлекает в круговорот примерно 4,4*109 т хлора, т.е. на порядок больше чем на суше. Как следует из изложенного, в структуре глобальных циклов массобмена натрия и хлора много общего: преобладание хорошо растворимых форм, активная водная миграция с континентов в океан и возвратный атмосферный перенос значительных масс с океана на сушу, ведущая роль обоих элементов в процессе галогенеза.

Глобальный цикл углерода.

Циклические процессы массообмена углерода имеют особо важное значение для биосферы. Распределение масс этого элемента следующее. В атмосфере по уточненным данным (Г.В. Войткевич, 1986) находится 2450*109 т углерода. Ежегодная нетто-биопродукция экосферы по С составляет ~ 60 Гт. Такое же количество освобождается в процессах дыхания и деструкции. Период обновления углерода в биосфере 60 лет (для биомассы 10 лет). В океане углерод (помимо его содержания в живых организмах) присутствует в двух главных формах: в составе органического вещества (растворенного в воде и отчасти находящегося в виде взвешенных дисперстных частиц) и в составе взаимосвязанных ионов НСО~3, СО "3 и СО2.

Как отмечено ранее, основная масса живых организмов находится на суше и в перерасчете на сухое вещество составляет 2500*109 т.

Закономерности распределения углерода в земной коре показывают, что существует две главные группы форм нахождения углерода: карбонатные и органические соединения. Следует подчеркнуть, что и те и другие биогенны. Карбонаты небиогенного происхождения - довольно редкое исключение из общего правила (например, вулканические карбонатиты).

Современный глобальный биогеохимический цикл углерода состоит из двух крупных циклов более низкого ранга. Первый из них обусловлен связыванием углекислого газа в органическое вещество путем фотосинтеза и новым образованием СО2 в процессе трансформации первичного органического вещества организмами - гетеротрофами и почвенными микроорганизмами. Если бы этот цикл был полностью замкнутым, то количество поглощенного при фотосинтезе углекислого газа должно полностью возвращаться в исходный резервуар -атмосферу. В действительности этого не происходит.

Только на суше (в гумусе педосфере) за время не более 1000 лет накоплено углерода в 2 раза больше, чем его содержится в атмосфере.

Второй крупный биогеохимический цикл углерода связан с взаимодействием СО2 атмосферы и природных вод. Между газами тропосферы и поверхностным слоем океана существует подвижное равновесие. Растворимость газов в воде зависит от давления, температуры, а также от количества растворенных солей. Увеличение растворимости по мере роста парциального давления согласно зависимости Дальтона-Генри. В пресной воде газы растворяются больше, чем в соленой, но количество пресной воды на поверхности Земли неизмеримо меньше, чем соленой. В результате распахивания земель , строительства городов и дорог, вырубки лесов биомасса растительности суши сократилась примерно на 25%. Соответственно изменились массы химических элементов, участвующие в биологическом круговороте, масса связываемого углерода и выделяемого кислорода. Еще больший деструктивный эффект вызывает сжигание минерального топлива, сопровождающееся изъятием значительных масс кислорода из атмосферы и образованием газообразных соединений углерода. Среди эти соединений преобладают СО и СО2. Суммарное поступление углерода из техногенных истоков в атмосферу оценивается в 5*109 т/год. Поступление указанного количества в глобальный круговорот углерода не деформирует распределение масс элемента в биосфере, но может иметь последствия в связи с упомянутым ранее «парниковым эффектом».

В заключение отметим, что сжигание более 90% горючих веществ происходит в северном полушарии, что отражается на неравномерном распределении оксида углерода. Максимальные концентрации СО2 приурочены к полосе между 40 и 50° с. ш., где расположены главные центры индустрии.

Влияние живого вещества на геохимию кислорода и водорода в биосфере.

Кислород на Земле - первый по распространенности элемент.

Исходным «сырьем» для образования кислорода посредством реакций фотолиза и фотосинтеза служит вода. Связывание 1г углерода в органическое вещество при реакции фотосинтеза сопровождается выделением примерно 2,7г кислорода в результате расщепления молекул воды. Как ранее упоминалось, наличие органического вещества установлено в древних осадочных отложениях, имеющих возраст до 3,8 млрд.лет. Следовательно, выделение кислорода при фотосинтезе продолжалось на протяжении огромного времени. Согласно данным А. Б. Ронова и др. (1976) можно считать, что в осадочной оболочке Земли содержится около 15*1015т Сорг. Этому количеству соответствует 40* 1015т О2. В настоящее время в

15 15

атмосфере содержится 1,185* 10 т кислорода. Следовательно, более 38*10 т О2 было израсходовано на процессы окисления.

Исходя из продуктивности растительного покрова Мировой суши, не нарушенного человеком, выделение кислорода можно оценить в 220*109т О2 в год. В настоящее время после вырубки части лесов и уничтожения природной растительности на большой площади продуктивность растительности, как уже говорилось, сократилась примерно на 25% и выделение кислорода составляет около 165*109т/год. Фотосинтез в океане (продукция Сорг от 40 до 60*109т/год ) поставляет в атмосферу от 110*109 до 160*109 Сорг , в среднем 130*109т О2 в год. Суммарное выделение кислорода фотосинтетиками суши и океана составляет около (300-350)* 109т/год.

Количество кислорода в атмосфере равно 1,185*1015т. При выделении кислорода ( 280-300)*109т/год указанное количество может быть удвоено примерно за 4000 лет. Но этого не происходит, так как на протяжении года разными путями разлагается такое количество органического вещества, которое почти равно образованному при фотосинтезе, и при этом поглощается почти весь кислород. Тем не менее благодаря сохранению части органического вещества свободный кислород постепенно накапливался в атмосфере.

Второй миграционный цикл свободного кислорода связан с массообменом в системе тропосфера - природные воды. В 1л воды растворено от 2 до 8 см О2. Следовательно, в воде океана находится от 3*109 до 10*109м3 растворенного кислорода. Холодная вода высоких широт поглощает кислород; поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она выделяет О2. Поглощение и выделение кислорода происходят также при смене теплых и холодных сезонов года. По подсчетам А. П. Виноградова (1967) в годовой массообмен между атмосферой и океаном вовлекается около 0,5% атмосферного кислорода, т.е. 5900*109 т. Это почти в 20 раз больше биогенного продуцирования кислорода.

С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. 1т=О2=2О; О+О2=О3

5% поступающей на Землю солнечной энергии тратится на образование озона. Глобальный цикл серы.

Сера -характерный представитель группы активно дегазируемых элементов. В то же время поступление серы в атмосферу по сравнению с инертными газами или СО2 сильно затруднено. Это связанно со следующими обстоятельствами . Среди газообразных соединений серы, выделяющихся с вулканическими газами, наиболее обычными являются диоксид серы IV и сероводород. В процессе активного дегазирования мантии и прохождения через толщи горных пород растворяются в подземных водах. При этом Н2Б активно восстанавливает тяжелые металлы, образуя трудно растворимые сульфиды, главным образом дисульфид железа (пирит), а БО2 частично связывается в составе также плохо растворимых сульфатов кальция, бария, стронция.

Часть диффундирующих через земную кору газообразных соединений серы, а также сернистые газы вулканических выбросов и газово-жидких выделений наземных и подводных гидротерм поступает в систему Мирового океана и педосферу. При этом значительная часть газов захватывается бактериями в своеобразный микробиологический круговорот.

Сера - обязательный компонент живого вещества в силу того, что она входит в состав белков, в молекулярной структуре которых играет важную роль. В составе живого вещества Мировой суши, образованного в основном высшими растениями, концентрация серы невелика - по данным Х. Боуэна 0,34% сухой биомассы. В животных и бактериях из-за большого содержания в биомассе белков концентрация серы значительно выше. Отношение С:Б в белках около 16, в углеродах - 80, в наземных растениях - более 200, в животных - около 70. Количество серы, находящейся в биомассе суши, равно 8,5*109т, в фотосинтетиках океана - 0,07*109т, в консументах океана - 0,05*109т. Концентрация серы в неживом органическом веществе суши (лесных подстилках, торфе, гумусе почв), по видимому, близка к 0,5% сухого вещества. Если эта цифра верна, то масса серы, находящаяся в органическом веществе педосферы, равна 15,5*109т.

Как следует из изложенного, своеобразие глобального цикла серы в биосфере обусловлено следующими тремя причинами. Во первых, способностью этого элемента под влияниями микробиологических процессов образовывать газообразные соединения (Б02 , И28 и некоторые другие) и благодаря этому активно участвовать в массообмене между сушей и океаном, с одной стороны, и атмосферой - с другой. Во вторых, трансформацией сернистых газов в хорошо растворимые сульфаты и заменой газовой миграцией серы на водную. Это происходит благодаря быстрому окислению восстановленных и недокисленных сернистых газов кислородом атмосферы и образованием хорошо растворимых сульфатов, легко вымывающихся из атмосферы и включающихся в водную миграцию. В третьих, широким развитием сульфатредуцирующих бактериальных процессов в водных бассейнах и гидроморфных ландшафтах, в которые поступают с водой растворенные сульфаты. Образующийся при разрушении сульфатов сероводород переводит растворенные в воде железо и другие металлы в форму труднорастворимых сульфидов, которые уходят в осадки морей и надолго прочно связывают крупные массы серы.

Так, фототрофные пурпурные серные бактерии окисляют сероводород с образованием в качестве метаболита сульфата: И28+СО2 = СН2О+ БО42-

Условием для продолжения деятельности серных бактерий является удаление главного продукта обмена - сульфат - ионов; удаление обеспечивается деятельностью вторичных бактерий, для которых субстратом служит сульфат, а метаболитом - сероводород. Этой реакцией заканчивается малый цикл серы. Поступление соединений серы, образованных в результате хозяйственной деятельности людей, в атмосферу , педосферу и природные воды являются одним из наиболее сильных проявлений воздействия человечества на окружающую среду. Основной техногенный поток серы в атмосферу связан с эмиссией сернистых газов, образующихся при сжигании минерального топлива и выплавке металлов. Главным путями загрязнения природных вод растворимыми соединениями серы является смыв удобрений в гидрографическую сеть и сточные воды предприятий химической промышленности. Более 95% выбросов техногенных сернистых газов приходится на БО2 и ее производные - БО3 и Н2 БО4, котрые способствуют активизации коррозии металлов, оказывают поражающее действие на растения, животных и человека. Согласно И.И. Альтшулеру (1980), в середине 70-х годов из разных источников в атмосферу ежегодно поступало 120*106т БО2 и (4-5)* 106Н2 Б. По имеющимся прогнозам, это количество к 2000 г. должно возрасти до (300-450)* 106т/год. В атмосфере происходит быстрая трансформация БО2 в БО3 и затем в Н2 БО4. При взаимодеиствии с постоянно присутствующим в тропосфере аммиаком образуется сульфат аммония. В определенных условиях часть БО2 вымывается атмосферными осадками, поглощается растениями и почвой. Большая часть БО2

2-

окисляется до БО4 который является самым распространенным ионом атмосферных осадков. Общее количество серы, поступающей в атмосферу из индустриальных истоков, составляет около (100-110)*109т Б в год. Определенный вклад в движение масс водорастворимых соединений серы, в частности в водный сток с континентов, вносит смыв минеральных удобрений -около (20-30)*109т в год. Примерно такое же количество серы поступает со сточными водами промышленных предприятий химической, горной и металлургической промышленности.

Глобальный цикл азота.

Азот - один из элементов, отделившихся в газовой фазе уже на этапе формирования Земли в процессе ударной дегазации. В дальнейшем выделении газообразных соединений азота из недр Земли продолжалось при извержении вулканов, выносе гидротерм и газовых струй. Газообразный молекулярный азот благодаря химической инертности является наиболее устойчивой формой нахождения этого элемента. По этой причине Ж2 изначально аккумулировался в атмосфере, а не концентрировался в форме растворенных соединений в воде океана, как хлор, или в форме нерастворимых соединений в осадках океана, как углерод в составе карбонатных толщ. В настоящее время поступление газообразных соединений азота из недр Земли в атмосферу, по-видимому, близко 1,0*106т/год.

Основная масса азота в форме Ж2 сосредоточена в атмосфере, в которой содержится в количестве 3866000*109т. Часть газа Ж2 растворена в воде Мирового океана. При равновесии газов атмосферы с водой океана в последнем может быть растворено от 115000*109т до 200000*109т N2.

В океане азот присутствует также в виде растворенных ионов, в составе растворенного и дисперсно - взвещенного органического вещества. Масса азота, находящегося в форме растворенных ионов N114+, Ж)2 - и Ж)3-, составляет 685*109т. Итак, главным постановщиком азота в биосферу являются недра Земли, основным накопителем - атмосфера, точнее - тропосфера. Наряду с Ж2 в атмосферу систематически поступают другие газообразные соединения азота: ЖН3, Ж2О, ЖО NО2. Их накопления не происходит благодаря фотохимическим реакциям. Фотохимическая диссоциация паров воды с последующей диссоциацией водорода способствует присутствию сильного окислителя ОН-. Радикал (ОН-) соединяется с ЖО, ЖО2 , образуя азотистую и азотную кислоты, а в дальнейшем их соли - нитриты и нитраты. Наряду с оксидами азота в атмосфере присутствует восстановленное соединение азота - аммиак. В кислородсодержащей атмосфере он реагирует с оксидами серы и образует кислый сульфат аммония ЖЩНБОф Это соединение, так же как нитраты и нитриты, легко вымываются атмосферными осадками. Основная часть этого элемента, находящаяся в атмосфере в химически неактивной форме Ж2 , недоступна для главных продуцентов- зеленых растений суши. Но химическая неактивность молекулярного азота не означает его геохимической стабильности. Существуют некоторые виды бактерий, способные активизировать молекулярный азот и связывать его в химические соединения. Этот процесс получил название Фиксации азота. Промышленная фиксация азота идет в присутствии катализаторов при 1~500°С и давлении ~300 атм.

В организмах большая часть азота присутствует в форме соединений, в состав которых входит аминогруппа ЖН2, или в виде аммония. В процессе биохимической фиксации расщепляется молекула Ж2 и атомы аммиака. Этот процесс протекает с помощью фермента нитрогеназы. Аммиак и ион ЖН4+, могут поглощаться корнями растений и как уже отмечено, входить в состав аминокислот.

Фиксацию азота осуществляют отдельные специализированные бактерии семейства Azotobacteгacea и в определенных условиях синезеленые водоросли. Наиболее продуктивны азотофиксирующие клубеньковые бактерии, образующие симбиозы с бобовыми растениями. Массам азота, фиксируемая из воздуха почвенными бактериями до начала хозяйственной деятельности человека, оценивается разными авторами от 30-40 до 200*106 т/год. В настоящее время к этому добавляется искусственная биологическая фиксация, получаемая при помощи бобовых сельскохозяйственных растений (около 20*109 т/год), а также промышленная фиксация азота из воздуха превысила 60-90*106 т/год.

Рассмотренный цикл -фиксация молекулярного азота - аммонификация мертвого органического вещества - нитрификация - денитрификация имеет наиболее важное значение для глобального массообмена азота, так как этот цикл обеспечивает основной поток азота из его главного резерва - атмосферы. Кроме того из атмосферы выводится определенное количество ^ окисляемого в результате электрических разрядов и затем вымываемого в виде иона Ж)з", но это количество значительно меньше массы биологически фиксируемого азота и составляет (10-40)*106 т/год.

Часть азота выводится из биологического круговорота и аккумулируется в мертвом органическом веществе. Этот своеобразный запас азота в лесных подстилках, торфе и почвенном гумусе постоянно поддерживается в педосфере и свидетельствует о некоторой заторможенности биологического круговорота.

Промышленная фиксация атмосферного азота - наиболее сильное вмешательство человечества в систему природных глобальных циклов массообмена химических элементов в биосфере. Кроме того, значительное количество азота (около 40*106 т/год) в форме оксидов поступает в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, образующимися при сжигании минерального топлива, а также в гидросферу с бытовыми и промышленными стоками.

Круговорот азота сопряжен с круговоротом углерода. Соотношение между этими элементами в составе глобальной биомассы постоянно: С N=55:1. Круговорот азота составляет 1Гт/г.В почве С:К=