Круговорот химических элементов в биосфере

Вертьянов С. Ю.

Природные ресурсы

Каждое животное или растение является звеном в цепях питания своей экосистемы, обменивается веществами с неживой природой, а следовательно — включено в круговорот веществ биосферы. Химические элементы в составе различных соединений циркулируют между живыми организмами, атмосферой и почвой, гидросферой и литосферой. Начавшись в одних экосистемах, круговорот заканчивается в других. Вся биомасса планеты участвует в круговороте веществ, это придает биосфере целостность и устойчивость. Живые организмы существенно влияют на перемещение и превращение многих соединений. В биологическом круговороте задействованы прежде всего элементы, входящие в состав органических веществ: С, N, S, Р, О, Н, а также ряд металлов (Fe, Ca, Mg и др.).

Циркуляция соединений осуществляется в основном за счет энергии Солнца. Зеленые растения, аккумулируя его энергию и потребляя из почвы минеральные соединения, синтезируют органические вещества. Органика распространяется в биосфере по цепям питания. Редуценты разрушают растительную и животную органику до минеральных соединений, замыкая биологический цикл.

В верхних слоях океана и на поверхности суши преобладает образование органического вещества, а в почве и глубинах моря — его минерализация. Миграция птиц, рыб, насекомых способствует и переносу накопленных ими элементов. Существенно на круговорот элементов влияет деятельность человека.

Круговорот воды. Нагреваемые солнцем воды планеты испаряются. Выпадающая живительным дождем влага возвращается обратно в океан в качестве речных вод или очищенных фильтрацией грунтовых вод, перенося огромное количество неорганических и органических соединений. Живые организмы активно участвуют в круговороте воды, являющейся необходимым компонентом процессов метаболизма (о биологической роли воды см. § 1). На суше большая часть вод испаряется растениями, уменьшая водосток и препятствуя эрозии почвы. Поэтому при вырубке лесов поверхностный сток увеличивается сразу в несколько раз и вызывает интенсивный размыв почвенного покрова. Лес замедляет таяние снега, и талая вода, постепенно стекая, хорошо увлажняет поля. Уровень грунтовых вод повышается, а весенние наводнения редко бывают разрушительными.

Влажные тропические леса смягчают жаркий экваториальный климат, задерживая и постепенно испаряя воду (это явление называют транспирацией). Вырубка тропических лесов вызывает в близлежащих районах катастрофические засухи. Хищническое уничтожение лесов способно превратить в пустыни целые страны, как это уже случилось в северной Африке. Круговорот воды, регулируемый растительностью, — важнейшее условие поддержания жизни на Земле.

Круговорот углерода. В процессе фотосинтеза растения поглощают углерод в составе углекислого газа. Продуцируемые ими органические вещества содержат значительное количество углерода, распространяющегося в экосистеме по цепям питания. В процессе дыхания организмы выделяют углекислый газ. Органические остатки в море и на суше минерализуются редуцентами. Один из продуктов минерализации — углекислый газ — возвращается в атмосферу, замыкая цикл.

В течение 6-8 лет живые существа пропускают через себя весь углерод атмосферы. Ежегодно в процесс фотосинтеза вовлекается до 50 млрд. т углерода. Часть его накапливается в почве и на дне океанов — в скелетах водорослей и моллюсков, коралловых рифах. Существенный запас углерода содержится в составе осадочных пород. На основе ископаемых растений и планктонных организмов сформированы месторождения каменного угля, органогенного известняка и торфа, природного газа и, возможно, нефти (некоторые ученые предполагают абиогенное происхождение нефти). Природное топливо при сгорании пополняет количество атмосферного углерода. Ежегодно содержание углерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд. т и может нарушить устойчивость биосферы. Если темп прироста сохранится, то интенсивное таяние полярных льдов, вызванное парниковым эффектом углекислого газа, приведет к затоплению обширных прибрежных территорий по всему миру.

Круговорот азота. Значение азота для живых организмов определяется в основном его содержанием в белках и нуклеиновых кислотах. Азот, как и углерод, входит в состав органических соединений, круговороты этих элементов тесно связаны. Главный источник азота — атмосферный воздух. Благодаря фиксации живыми организмами азот поступает из воздуха в почву и воду. Ежегодно синезеленые связывают около 25 кг/га азота. Эффективно фиксируют азот и клубеньковые бактерии.

Растения поглощают соединения азота из почвы и синтезируют органические вещества. Органика распространяется по цепям питания вплоть до редуцентов, разлагающих белки с выделением аммиака, преобразующегося далее другими бактериями до нитритов и нитратов. Аналогичная циркуляция азота происходит между организмами бентоса и планктона. Денитрифицирующие бактерии восстанавливают азот до свободных молекул, возвращающихся в атмосферу. Небольшое количество азота фиксируется в виде оксидов молниевыми разрядами и попадает в почву с атмосферными осадками, а также поступает от вулканической деятельности, компенсируя убыль в глубоководные отложения. Азот поступает в почву также в виде удобрений после промышленной фиксации из воздуха атмосферы.

Круговорот азота — более замкнутый цикл, нежели круговорот углерода. Лишь незначительное его количество вымывается реками или уходит в атмосферу, покидая границы экосистем.

Круговорот серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и белков. Соединения серы поступают в круговорот в основном в виде сульфидов из продуктов выветривания пород суши и морского дна. Ряд микроорганизмов (например, хемосинтезирующие бактерии) способны переводить сульфиды в доступную для растений форму — сульфаты. Растения и животные отмирают, минерализация их остатков редуцентами возвращает соединения серы в почву. Так, серобактерии окисляют до сульфатов образующийся при разложении белков сероводород. Сульфаты способствуют переводу труднорастворимых соединений фосфора в растворимые. Количество минеральных соединений, доступных растениям, возрастает, улучшаются условия для их питания.

Ресурсы серосодержащих полезных ископаемых весьма значительны, а избыток этого элемента в атмосфере, приводящий к кислотным дождям и нарушающий процессы фотосинтеза вблизи промышленных предприятий, уже беспокоит ученых. Количество серы в атмосфере существенно увеличивается при сжигании природного топлива.

Круговорот фосфора. Этот элемент содержится в ряде жизненно важных молекул. Его круговорот начинается вымыванием фосфорсодержащих соединений из горных пород и поступлением их в почву. Часть фосфора уносится в реки и моря, другая — усваивается растениями. Биогенный круговорот фосфора происходит по общей схеме: редуценты.®консументы®продуценты

Значительные количества фосфора вносятся на поля с удобрениями. Около 60 тыс. т фосфора ежегодно возвращается на материк с выловом рыбы. В белковом рационе человека рыба составляет от 20% до 80%, некоторые малоценные сорта рыб перерабатываются на удобрения, богатые полезными элементами, в т. ч. фосфором.

Ежегодная добыча фосфорсодержащих пород составляет 1-2 млн. т. Ресурсы фосфорсодержащих пород пока велики, но в будущем человечеству, вероятно, придется решать проблему возвращения фосфора в биогенный круговорот.

Природные ресурсы. Возможность нашей жизни, ее условия находятся в зависимости от природных ресурсов. Биологические и особенно пищевые ресурсы служат материальной основой жизни. Минеральные и энергетические ресурсы, включаясь в производство, служат основой стабильного уровня жизни.

Ресурсы принято делить на неисчерпаемые и исчерпаемые. Энергия Солнца и ветра, атмосферный воздух и вода практически неисчерпаемы. Однако при современном неэкологичном промышленном производстве воду и воздух можно лишь условно считать неисчерпаемыми ресурсами. Во многих районах в связи с загрязнением возник дефицит чистой воды и воздуха. Для того, чтобы эти ресурсы оставались неисчерпаемыми, необходимо бережное отношение к природе.

Исчерпаемые ресурсы делят на невозобновляемые и возобновляемые. К невозобновляемым относятся утраченные виды животных и растений, большинство полезных ископаемых. Возобновляемыми ресурсами являются древесина, промысловые животные и рыбы, растения, а также некоторые полезные ископаемые, например, торф.

Интенсивно потребляя природные ресурсы, человеку необходимо соблюдать природное равновесие. Сбалансированность ресурсов в круговороте веществ определяет устойчивость биосферы.

Хозяйственная деятельность человека и глобальные экологические проблемы

Около 10-15% поверхности суши распахано, 25% представляют собой полностью или частично окультуренные пастбища. Если к этому добавить 3-5% поверхности, занятой транспортной сетью, промышленностью, зданиями и сооружениями, и около 1-2% территории Земли, поврежденной разработками полезных ископаемых, то окажется, что почти половина поверхности суши видоизменена деятельностью человека.

С развитием цивилизации ее негативный вклад в биосферные круговороты увеличивается. На каждую тонну промышленной продукции приходится 20-50 т отходов. На каждого человека в крупных городах приходится более 1 т пищевого и бытового мусора в год. Дисгармония в биосфере отражается как на растительном и животном мире, так и на здоровье людей. Множество загрязняющих веществ, попадая в почву, атмосферу и водоемы, накапливаются в тканях растений и животных и через пищевые цепи заражают организм человека. Токсичные соединения способны заметно увеличивать количество мутаций, приводящих к врожденным и наследственным отклонениям. Сопоставление данных по различным регионам планеты привело ученых к выводу, что не менее 80% раковых заболеваний вызваны химическим загрязнением среды.

Загрязнение атмосферы в основном происходит от сжигания природного топлива транспортом, коммунальным хозяйством, промышленностью. В городах на долю транспорта приходится более 60% загрязняющих веществ, на предприятия теплоэнергетики — около 15%, и 25% выбросов приходятся на промышленные и строительные предприятия. Основные загрязнители воздуха — оксиды серы, азота, метан и угарный газ. У растений загрязнение атмосферы ведет к серьезным нарушениям метаболизма и различным заболеваниям. От сернистого газа разрушается хлорофилл и затрудняется развитие пыльцевых зерен, высыхают и опадают листья и хвоя. Не менее пагубно воздействие и других загрязняющих веществ.

Ежегодно в атмосферу выбрасывается около 100 млн. т оксидов серы, более 70 млн. т оксидов азота, 180 млн. т угарного газа.

Кислотные осадки. Высокая концентрация загрязняющих веществ приводит к образованию кислотных дождей и смога. Кислотные осадки (дождь, снег, туман) образуются при растворении в воде диоксидов серы и азота (SО2, NО2). Кислые осадки вымывают из листьев растений белки, аминокислоты, сахар, калий, повреждают верхний защитный слой. Растворы кислот вносят в почву кислую среду, вызывают вымывание гумуса, снижая количество жизненно важных солей кальция, калия, магния. Кислотные почвы бедны микроорганизмами, в них замедляется скорость деструкции опада, сокращение численности редуцентов нарушает сбалансированность экосистем.

Кислотные дожди уничтожают громадные экосистемы, вызывают гибель растений и лесов, превращают озера и реки в безжизненные водоемы. В США за последние 100 лет кислотные дожди стали в 40 раз более кислыми, около 200 озер остались без рыбы, в Швеции 20% озер находятся в катастрофическом состоянии. Более 70% шведских кислых дождей вызвано выбросами других стран. Около 20% кислых дождей в Европе — следствие выбросов окислов серы в Северной Америке.

Смог. В нижних слоях атмосферы под действием солнечного света загрязняющие вещества образуют крайне вредные для живых организмов соединения, наблюдаемые как туман. В больших городах количество солнечного света из-за смога уменьшается на 10-15%, ультрафиолетовых лучей — на 30%.

Озоновые дыры. В атмосфере на высоте 20-25 км расположено большое количество молекул озона (О3), поглощающего жесткую часть солнечного спектра, губительную для живых организмов. В 1982 г. ученые обнаружили дыру в озоновом слое над Антарктидой, в 1987 г. — над Северным полюсом. Ученые опасаются, не возникнут ли дыры и над обитаемой частью земного шара. Это может привести к всплеску заболеваний раком кожи, катарактой, к нарушениям лесных и морских экосистем.

По каким же причинам возникают озоновые дыры? Ученые предполагают, что главной из них является накопление фреонов (хлорфторуглеродов СFСl3, СF2Сl2), используемых при изготовлении аэрозолей и в холодильной промышленности. Эти газы сохраняются в атмосфере десятилетиями. Попадая в стратосферу, они разлагаются солнечной радиацией с образованием атомов хлора, катализирующих превращение озона в кислород.

Парниковый эффект. Некоторые атмосферные газы хорошо пропускают видимый свет и поглощают тепловое излучение планеты, вызывая общее потепление. Парниковый эффект на 50% обусловлен присутствием углекислого газа, 18% вносит метан и 14% фреоны. Увеличение количества СО2 в атмосфере вызвано в основном сжиганием топлива и сведением лесов под распашку, а также интенсивной минерализацией гумуса обширных пахотных земель.

Метан поступает в атмосферу из болотистых районов, от переувлажненных почв рисовых плантаций, от многочисленных скотоводческих хозяйств, при вскрытии угольных месторождений. Метан — один из основных продуктов метаболизма жвачных, придающий характерный острый запах их выделениям. В ХХ в. количество СО2 в атмосфере выросло на 25%, а метана — на 100%, что повысило среднюю температуру на 0,5°С. При такой тенденции в ближайшие 50 лет температура может подняться на 3-5°С. Расчеты показывают, что таяние полярных льдов приведет к повышению уровня мирового океана на 0,5-1,5 м. В Египте окажутся затопленными 20-30% плодородных земель дельты Нила, под угрозой окажутся прибрежные селения и крупные города Китая, Индии и США. Общее количество осадков увеличится, но в центральных частях материков климат может стать более засушливым и пагубным для урожая, прежде всего зерновых и риса (для 60% населения Азии рис — основной продукт).

Таким образом, даже небольшие изменения в газовом составе атмосферы опасны для природных экосистем.

Нарушения в гидросфере. Крупномасштабные ошибки в сельскохозяйственной деятельности привели к разрушению многих природных экосистем. Отвод стоков Амударьи и Сырдарьи под орошение хлопковых плантаций стал причиной катастрофического падения уровня Аральского моря. Пыльные бури в его высыхающем ложе вызвали засоление почв на огромных территориях. Деградация природных экосистем Приаралья — результат недостатка воды и опустынивания.

Хищнический забор воды на орошение, на нужды промышленного производства (на выплавку 1 т никеля уходит 4000 м3 воды, на производство 1 т бумаги — 100 м3, 1 т синтетического волокна — до 5000 м3), уничтожение водоохранных лесов и осушение болот привели к массовому исчезновению рек. Если в 1785 г. в районе Калуги было более 1 млн. речек, то в 1990 г. их осталось всего 200!

Экосистемы рек очень чувствительны и уязвимы. Огромное количество удобрений, смываемых с полей, отходов животноводства и канализационных вод вызывает рост концентрации в водоемах соединений азота и фосфора. В водных экосистемах начинается бурное развитие синезеленых водорослей, вытесняющих необходимые зоопланктону диатомовые водоросли. Рыбы гибнут от голода. Синезеленые накапливаются на дне и гниют (разлагаются бактериями), отравляя воду и истощая запасы кислорода. Живописные водоемы превращаются в дурно пахнущие, покрытые тиной и пеной сточные канавы. Если вода не отравлена, то на каждом квадратном метре насчитывается до 15 моллюсков, каждый из которых за сутки тщательно фильтрует до 50 л воды. Эти существа гибнут с поступлением в водоемы посторонних химических веществ. Самыми устойчивыми к загрязнению воды являются пиявки, асцидии и личинки стрекоз.

Составные части биосферы взаимосвязаны круговоротом веществ и пищевыми цепями, нарушение одной экосистемы вызывает смещение экологического равновесия в других. Когда в северном полушарии насекомых стали травить ДДТ, вскоре значительные количества этого яда обнаружили в организмах антарктических пингвинов, получивших его с рыбой. Многие ядохимикаты очень устойчивы и способны длительное время накапливаться в тканях организмов, многократно умножаясь на каждом следующем пищевом уровне.

Вследствие неразумной хозяйственной деятельности человека природные водоемы оказались отравленными солями тяжелых металлов — ртути, свинца, а также меди и цинка. Эти соединения накапливаются в иле, в тканях рыб, а через пищевые цепи попадают в организм человека, вызывая тяжелейшие отравления. Содержание свинца в тканях организмов жителей индустриальных районов США за последние 100 лет выросло в 50-1000 раз. Даже в ледниках Памиро-Алтая содержание ртути увеличилось в пять раз. Ничтожнейшие количества многих химикатов нарушают поведение рыб, омаров и других водных видов. На этих признаках основана регистрация минимальных концентраций меди, ртути, кадмия, фенолов. Один из самых распространенных пестицидов — токсафен — при содержании 1:108 (1 часть на 100 млн.) вызывает гибель некоторых рыб (например, гамбузий), необратимые изменения в печени и жабрах сомов и форели.

Утечка нефти при добыче и транспортировке приводит к образованию на поверхности рек и морей нефтяной пленки (более 40% всей нефти добывается