Материал: 4797

10

Содержание свободного кислорода в воде составляет 0,6*1013 т или 0,5 % от содержания кислорода в атмосфере. 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. В годовой массообмен между атмосферой и океаном вовлекается около 0,5 % атмосферного кислорода, то есть 5900*109т, что почти в 20 раз больше биогенного продуцирования кислорода.

Врезультате растворения газов в воде и их последующего испарения между гидросферой и атмосферой происходит непрерывный циклический обмен, благодаря которому поддерживается динамическое равновесие. В этом глобальном процессе участвует и сама вода в результате испарения и конденсации.

Вкруговорот воды через атмосферу вовлекается более 520 тыс. км3 воды ежегодно. Значение этого глобального процесса трудно переоценить: благодаря ему осуществляется регулирование теплового режима планеты и сохраняются условия существования жизни. Вместе с тем природные воды – активный фактор миграции химических элементов. Поэтому движение огромных масс воды в системах: поверхность суши – атмосфера; поверхность океана – атмосфера; океан – атмосфера – суша – океан имеет важное значение для геохимии биосферы.

Общее количество кислорода в атмосфере накопилось за все время существования зеленой растительности. Сейчас свободный кислород образуется со скоростью 155*109т/год, то есть больше чем на порядок по сравнению с его приходом. Это свидетельствует о нарушении экологического компонента в биосфере в результате антропогенного воздействия, так как во многих промышленных странах при сгорании топлива расходуется кислорода больше, чем его выделяют растения при фотосинтезе. Сжигание всех известных на сегодня запасов высококачественного ископаемого топлива (угля, нефти, газа) может привести к уменьшению содержания кислорода в атмосфере на 1,8 %, что будет способствовать ухудшению жизнедеятельности биоты. Но сдерживающим мотивом в использовании ископаемого топлива является не уменьшение концентрации кислорода, а увеличение содержания углекислого газа. Уменьшение содержания растворенного в воде кислорода, влияющего на объемы кислородных потоков в биосфере, связано с промышленными

11

отходами, попадающими в природные воды. Загрязнение почв, сведение лесов уменьшает обмен кислородом и углекислым газом между атмосферой и сушей. Но основная масса кислорода находится в кристаллическом силикатном веществе земной коры и высвобождается из него при помощи живого вещества. Поэтому для поддержания установившихся объемов кислородных потоков в биосфере необходимо сохранение живого вещества как главной геохимической силы.

Вопросы и задания

1.К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот кислорода?

2.Как происходит круговорот кислорода в природе?

3.Используя схемы 4-5 (см. прил.), назовите процессы преобразования веществ и укажите их экологическое значение.

Биогеохимический цикл азота

Биогеохимический цикл азота – это пример саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере. В воздухе свободный азот в виде молекул N2 составляет 78 % (по объему и 75 % по массе). Среднее содержание азота в литосфере – 0,01 %. Содержание связного азота в каменном угле – 1-2, 5%, в нефти – 0,02 – 1,5 %, в гранитном слое – 0, 002 %. В осадочной оболочке в 3, а в атмосфере в 23 раза больше азота по сравнению с гранитным слоем литосферы. Следовательно, суммарное количество азота, содержащееся в биосфере, нельзя объяснить извлечением из разрушавшегося гранитного слоя. Поступление азота в биосферу обусловлено выделением газообразных соединений азота из недр Земли. Поступление газообразных соединений азота из недр Земли в атмосферу близко к 1,0*106 т/год.

Азот накапливается в почвах (3-4 %) и в живых организмах (0,3-6 %). За время существования биосферы на поверхности Земли накопилось 150*109 т связного азота. Однако распределен он по компонентам биосферы неравномерно. Наибольшее его количество сосредоточено в почве и

12

составляет 110*109 т, меньше в растениях – 25*109 т и еще меньше в биомассе животных – 6* 107 т. В белке животных и человека содержится 16 – 17 % азота. В организмах плотоядных животных белок образуется за счет потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества.

Распределение масс азота в биосфере

Главным поставщиком азота в биосферу являются недра Земли, а основным накопителем – атмосфера. Состав атмосферного газа непрерывно обновляется благодаря циклическим процессам массообмена, связывающим атмосферу с Мировой сушей, педосферой, океаном и его осадками.

Современная структура глобального цикла массообмена азота состоит из нескольких взаимосвязанных круговоротов. Один из круговоротов обусловлен фотохимическими реакциями в тропосфере. Фотохимическая диссоциация паров воды с последующей диссипацией водорода способствует присутствию сильного окислителя ОН- , который взаимодействует с оксидами азота, образуя азотистую и азотную кислоты, те, в свою очередь, с осадками выпадают на земную поверхность. С атмосферными осадками поступает в настоящее время до 75* 109 т/год азота.

Вероятно, первичный миграционный цикл азота сводился к фотохимической трансформации всех газообразных соединений азота (кроме N2) в окисленные растворимые формы с последующим их удалением из

13

атмосферы. В настоящее время фотохимические реакции продолжают участвовать в выведении азота из атмосферы, но приоритетное значение в этом процессе получила биогеохимическая деятельность бактерий.

Основное свойство азота – его сильно выраженная поливалентность, что весьма важно для биогеохимических процессов. Переводя азот из одной формы в другую, меняя в разных условиях его валентность, организмы получают энергию для своей жизнедеятельности. Возможно, именно поэтому азот является необходимой составной частью белков.

Азот – необходимый для живых организмов элемент (хотя буквально означает «безжизненный»). Но основная масса этого элемента, находящаяся в атмосфере в химически неактивной форме N2, недоступна для главных продуцентов – зеленых растений суши. Существуют некоторые виды бактерий, способные активизировать молекулярный азот и связывать его в химические соединения. Это процесс называется фиксацией азота.

В организмах большая часть азота присутствует в форме соединений, в состав которых входит аминогруппа NH2, или в виде аммония. В процессе биохимической фиксации расщепляется молекула N2 и атомы азота соединяются с атомами водорода с образованием аммиака. Этот процесс протекает с помощью фермента нитрогеназы. Аммиак и ион аммония могут поглощаться корнями растений и входят в состав аминокислот.

Фиксацию азота осуществляют специализированные бактерии семейства Azotobacteriaceae и в определенных условиях сине-зеленые водоросли. Наиболее продуктивны симбиотические азотфиксирующие клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, которые относятся к роду Rhizobium. Масса азота, фиксируемая из воздуха почвенными бактериями, оценивается от 3*106 до 200*106 т/год.

Трансформация отмершего органического вещества обеспечивается взаимосвязанными бактериальными процессами, происходящими в почве. Первый из них является аммонификация - микробиологическая трансформация азота органических соединений в ион аммония или аммиак. Аммонификация протекает в аэробных условиях и сопровождается активным образованием углекислого газа. Аммоний подвергается следующему процессу трансформации: в аэробных условиях протекает нитрификация – биохимическое окисление аммиака в нитрит ион бактериями рода Nitrosomonas, а затем нитритов – до нитратов бактериями рода Nitrobacter. В анаэробных условиях развиваются процессы денитрификации, в результате

14

которых нитраты и нитриты восстанавливаются до закиси азота или до газообразного молекулярного азота. В итоге молекулярный азот после разнообразных биохимических превращений возвращается в атмосферу в количестве от 40*106 до 400*106 т/год. Масса азота, фиксируемая почвенными бактериями, составляет 44-200*106 т/год. До вмешательства человека продукция процессов денитрификации была сбалансирована с продукцией бактериальной фиксации, а в настоящее время количество закиси азота, образуемой при денитрификации, в несколько раз меньше массы азота, фиксируемой бактериями.

Микробиологический круговорот: фиксация молекулярного азота – аммонификация опада – нитрификацияденитрификацияимеет наиболее важное значение для глобального массообмена азота, так как обеспечивает основной поток азота из его главного резервуара – атмосферы.

Круговорот азота, обусловленный его бактериальной фиксацией и дальнейшей трансформацией, тесно связан с потреблением доступного

азота. Большая часть этой массы возвращается в почву в составе растительных остатков и включается в микробиологические процессы аммонификации, нитрификации, а образуемые аммоний и нитраты вновь захватываются растениями и участвуют в процессе ассимиляции.

Часть азота выводится из биокруговорота и аккумулируется в мертвом органическом веществе в виде лесных подстилок, торфа, гумуса. Значительная масса азота захватывается поверхностными водами из педосферы и вымывается с речным стоком в океан. Суммарный вынос азота составляет до 24*106 т/год.

В океане происходят те же процессы трансформации и миграции соединений азота, что и на суше, но соотношение этих процессов иное. Жизненные циклы фотосинтезирующих организмов протекают значительно быстрее, чем на суше.

БГХЦ азота претерпел сильную деформацию от хозяйственной деятельности людей. Наиболее значительные изменения связаны с индустриальной фиксацией молекулярного азота из атмосферы, производством на этой основе азотных удобрений и их внесением. Масса ежегодно фиксируемого промышленного азота превышает 60*106 т. Значительное количество азота (до 40* 106 т/год) в форме оксидов поступает