Лекции по экологии
Лекции по экологии
2.6. КРУГООБОРОТЫ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ
Основой динамического равновесия и стойкости биосферы является
кругооборот веществ и превращения энергии, который состоит из многообразных
процессов. Хорошо известны глобальные процессы кругооборота воды,
кислорода, углерода, азота, фосфора, микроэлементов на Земле. В.Р. Вильямс
писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства
бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, то
есть вовлечь его в кругооборот. В этом высказывании есть доля философского
и религиозного понимания сути кругооборотов веществ и превращения энергии.
Выделяют два основных кругооборота: большой (геологический) и малый
(биологический). Геологический кругооборот веществ имеет наибольшую
скорость в горизонтальном направлении между сушей и морем. Смысл большого
кругооборота в том, что горные породы подвергаются разрушению,
выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде
питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан с образованием
морских напластований и возвращаются на сушу лишь частично, например, с
осадками или с извлеченными человеком из воды организмами. Далее в течение
длительного временного отрезка протекают медленные геотектонические
изменения – движение материков, поднятие и опускание морского дна,
вулканические извержения и т.д., в результате которых образовавшиеся
напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. Малый
кругооборот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза. Он
состоит в том, что питательные вещества почвы, вода, CO2 и другие вещества
из атмосферы за счет фотосинтеза аккумулируются в веществе продуцентов
(растений и некоторых бактерий), расходуются на построение тел и жизненные
(обменные) процессы продуцентов и консументов. Затем в основном за счет
редуцентов органические вещества разлагаются и частью минерализуются, вновь
становятся доступными растениям и снова ими вовлекаются в поток вещества
(кругооборот). Скорость перемещения веществ при биологическом кругообороте
значительно выше, чем при геологическом. Кругооборот (перемещение)
химических веществ из неорганической среды через растительные и животные
организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии
с протеканием биохимических превращений (реакций) носит название
биогеохимического цикла. Годичные биогеохимические циклы приводят в
движение примерно 480 млрд т веществ, в основном биофильных элементов –
углерода, азота, водорода, кислорода и др.
2.6.1. Кругооборот углерода
Этот кругооборот, как и большая часть других кругооборотов, может быть
представлен в виде упрощенной схемы (рис. 2.5.):
[pic]
Рис. 2.5. Кругооборот углерода
Кругооборот углерода, как и любого другого элемента, совершается как
по большому, так и по малому циклам.
Большой (геологический) кругооборот углерода можно представить в виде
схемы (рис. 2. 6.).
В атмосфере и водных источниках присутствует углекислый газ СО2. Под
его действием, а также при участии ветра и воды (Н2О) частью изменяется
состав горных пород (например, карбонатных: известняка СаСО3, магнезита
МgCO3, доломита СаСО3(МgCO3):
СаСО3 + СО2 + Н2О ( Са(НСО3)2
МgCO3 + СО2 + Н2О ( Мg(НСО3)2 .
Образующиеся растворимые соли (гидрокарбонаты) вымываются и выносятся
в океан, частью насыщает воду океана. Частью же под воздействием
неорганических условий и фильтрации воды через живые организмы (например,
моллюски) эта соль преобразуется и отлагается на дне океана в виде
осадочных пород (того же, например, СаСО3, частью представленного в виде
ракушечника, как остатки раковин умерших моллюсков) (пункты 6, 7 рис.
2.5.). Осадочные породы претерпевают метаморфоз (различные превращения), а
также под действием тектонических сил перемещаются в глубину земной коры,
откуда частью через длительный период поднимаются на поверхность, а быстрее
идут процессы под действием вулканических извержений, которые являются
вновь источниками углерода в атмосфере в виде СО2, а иногда и СО,
окисляющегося до СО2.
Биотический кругооборот углерода – составная часть большого
кругооборота, он связан с жизнедеятельностью организмов.
[pic]
Рис. 2.6. Большой (геологический) кругооборот углерода
Запасы углерода, содержащегося в виде СО2, в атмосфере составляют
23,5(1011 т. Органическое вещество синтезируется зелеными растениями из СО2
атмосферы (пункт 1, рис. 2.5.), содержание которого там лишь 0,03 – 0,04 %
(табл.2.8), а затем вместе с веществом растений (продуцентов) потребляется
консументами разных трофических уровней (пункт 2, рис. 2.5.).
Синтез органических веществ зеленые растения осуществляют с помощью
энергии солнечного излучения из СО2 и Н2О в процессе фотосинтеза.
Таблица 2.8. Количество углекислого газа в атмосфере и его кругооборот, в
кг
| |По |По |По |
| |Ю.Саксу|Г.Гредер|Е.Рейнау|
| | |у | |
|Количество СО2 |2500(10|2100(101|1530(101|
| |12 |2 |2 |
|Усваивается |648(101|60(1012 |86,5(101|
|растениями за год |2 | |2 |
|За сколько лет |4 |35 |18 |
|растения вычерпали | | | |
|бы запасы СО2 в | | | |
|атмосфере | | | |
Значение света для зеленых растений подчеркивал еще Аристотель: «Те
части растений, в которых влажное не смешивается с солнечными лучами,
остаются белыми».
В 1777 г. Д. Пристли открыл, что растения днем выделяют кислород,
очищая воздух, «испорченный» горением или дыханием животных. Сам процесс
фотосинтеза был досконально изучен К.А. Тимирязевым (1843-1920). По
Тимирязеву, процесс фотосинтеза протекает под воздействием содержащегося в
зеленых частях растений сложного органического вещества – хлорофилла,
спектр поглощения которого показан на рис. 2.7. Коэффициент использования
энергии солнечного света при фотосинтезе невелик (( порядка 2 %).
Поглощение
420 500 580 660 740 Длина волны, мкм
Рис. 2.7. Спектр поглощения хлорофилла
Усвоение СО2 растениями при фотосинтезе эндотермический процесс,
который протекает с поглощением большого количества теплоты с (Н=112
ккал/моль в случае синтеза глюкозы:
h(
6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 – 674 ккал.
В 1961 г. за раскрытие механизма фотосинтеза американскому ученому
М. Келвину присуждена Нобелевская премия. Механизм фотосинтеза такой:
попадая в клетку зеленого листа, СО2 присоединяется к акцептору
(углеводрибулезодифосфат), с которым продолжается дальнейшее передвижение и
превращение. Благодаря ферменту альдолазы образуется глюкоза С6Н12О6, а
далее – сахароза С12Н22О11, крахмал (С6Н10О5)n и другие углеводы Сn(Н2О)m.
Суммарно фотосинтез можно выразить так:
h(
nСО2 + mН2О = Сn(Н2О)m + nО2 – Q.
Фотосинтез осуществляется за счет энергии солнечных лучей (26500
млрд ккал/с на всей земной поверхности).
Часть синтезированного в этом процессе вещества снова переходит к
акцептору. Так и реализуется циклический процесс. Только циклические
процессы могут быть саморегулирующимися (фотосинтез в их числе). Дальше с
помощью других ферментов из углеводов синтезируются белки, жиры и другие
нужные для жизни растений органические вещества.
Следует заметить, что содержание СО2 в атмосфере невелико, и он бы
полностью исчерпался за 4-35 лет (табл. 2.8.).
Откуда же он поступает в атмосферу? Ежегодно все растения и животные
выдыхают СО2 1013-1014 кг, а люди – 1,08(1012 кг (пункты 3,4; рис.2.5).
Экзотермическая реакция окисления углерода до СО2 протекает в тканях
живого организма под действием вдыхаемого кислорода, который переносится по
кровеносной системе посредством гемоглобина – сложного органического
вещества (с молярной массой М(68000 г/моль), содержащего 4 атома железа,
каждый из которых способен связывать одну молекулу О2.
Процесс дыхания упрощенно можно изобразить схематически так (где Гем –
гемоглобин):
1) Гем + О2 = Гем(О2 (легкие: вдыхание);
2) Перенос с кровью в ткани;
3) Гем(О2 + С (из пищи) = Гем(СО2 (ткани);
4) Перенос в легкие;
5) Гем(СО2 = Гем + СО2((легкие: выдыхание).
Таким образом, можно сказать, что гемоглобин ведет себя как
катализатор. Другие источники поступления СО2 в атмосферу – извержения
вулканов, кислотные дожди, действующие на известняки (пункт 8, рис. 2.5).
Часть СО2 образуется при гниении, разложении, отмирании живых организмов
под действием редуцентов, а также при пожарах и, наконец, при антропогенном
воздействии. Так, ежегодно в промышленности и на транспорте при сжигании
топлива выбрасывается в атмосферу 1,5(1012 кг СО2 и эта цифра ежегодно
растет, что создает глобальную проблему - парниковый эффект.
Если бы не происходило побочных процессов, то количество СО2,
выделяемого в атмосферу и усваиваемого растениями, было бы одинаковым.
Однако же часть углерода временно выводится из кругооборота за счет
частичной минерализации останков растений (пункт 5, рис. 2.5) и животных
(пункт 6, рис. 2.5) с образованием торфа, нефти, углей и других ископаемых
в литосфере.
Общее количество углерода земной коры (трех оболочек), по Вернадскому,
составляет примерно 1(1017 т, причем большая часть его рассеяна повсюду в
природе, поэтому такой разброс в данных по распределению его по отдельным
формам нахождения (табл. 2.9).
Таким образом, основная масса углерода принимает участие в медленном
геологическом кругообороте. Естественно предположить, что в настоящее время
атмосфера содержит лишь ничтожную часть СО2 от того запаса, который
первоначально имелся, и углерод постепенно выводился из биологического
кругооборота из-за отложений в литосфере. Но из-за антропогенных факторов
(использование горючего, его сгорания) в последнее время доля СО2, а
значит, и углерода в атмосфере неуклонно растет из года в год.
Таблица 2.9. Количество углерода, в т
| |Количество углерода, т |
|Скопление | |
|углерода | |
| |По |По |
| |Вернадскому |Г.В. Стадницком|
| | |у и |
| | |А.И. Родионову |
| | | |
|Атмосфера |3(1012 |2,35(1012 |
|Океан |1(1014 |- |
|Карбонатные |- |1,3(1016 |
|отложения | | |
|Кристаллические|- |1(1016 |
|породы | | |
|Известняки |3(1016 |- |
|Живое вещество |1(1012 |( 5(1011 |
|В растительных |- |5(1011 |
|тканях | | |
|В животных |- |5(109 |
|тканях | | |
|Каменные угли |2(1013 |- |
|В каменных |- |3,4(1015 |
|углях + нефти | | |
Большим регулятором содержания СО2 в атмосфере является Мировой океан.
Много углерода исключается из биологического кругооборота веществ на суше и
попадает в океан в основном в виде карбонатных солей. Если в атмосфере
повышается содержание СО2, то часть его растворяется в воде, вступает в
реакцию с СаСО3, с образованием растворимых в воде гидрокарбонатов,
например Са(НСО3)2. Наоборот, при уменьшении содержания СО2 в атмосфере,
гидрокарбонаты, которые всегда содержатся в морской воде, превращаются в
карбонаты, которые выпадают из раствора, частью используются организмами
для построения скелетов или панцирей (раковин) животных, при отмирании, а
частью и без отмирания в виде СаСО3 оседают на морское дно. Таким образом,
существует обратимый процесс:
( уменьшение концентрации СО2
Са(НСО3)2 ( СаСО3( + Н2О + СО2 .
( увеличение концентрации СО2
2.6.2. Кругооборот кислорода
Один из наиболее сложных кругооборотов, так как с кислородом О2
вступает в реакцию большое количество органических и неорганических
веществ, а также водород (последний дает с О2 ( воду Н2О). Упрощенная схема
кругооборота кислорода представлена на рис. 2.8).
Кругооборот кислорода непосредственно связан с кругооборотом углерода
(процессы фотосинтеза, дыхания и питания животных). Особенностью
кругооборота кислорода является широкое многообразие кислородсодержащих
веществ в биосфере. Кислород в
[pic]
Рис. 2.8. Кругооборот кислорода
целом самый распространенный в биосфере химический элемент. В свободном
виде (О2) он присутствует в наземных водных источниках, в почве и
составляет основу воздуха, присутствуя в атмосфере также и в виде озона
(главным образом в стратосфере). Роль озона в биосфере, его образование
подробно рассматривается в других разделах пособия. В связанном виде
кислород составляет основу горных пород и минералов (например, солевых и
оксидных), а также газообразных продуктов (например, оксидов углерода,
серы, азота и др.), и, наконец, воды (самого распространенного на планете
вещества), образование которых рассматривается в других кругооборотах
элементов и веществ.
Нарушение стабильного кругооборота кислорода происходит в основном из-
за больших объемов сжигания органического топлива (свободный кислород
тратиться на окисление), а с другой стороны, из-за массовой вырубки лесов
(главного источника поступления свободного кислорода в биосферу).
Одновременно с этим возникает целый блок глобальных проблем (парниковый
эффект, кислотные дожди, явления "смога" и др.).
2.6.3. Кругооборот серы
Существуют гипотезы, что в ранние геологические эпохи Земли недостаток
О2 предполагал существование серы в основном в виде Н2S и солей (главным
образом, сульфидов, например FeS2). С формированием О2 начинаются
окислительные процессы. В наше время сера на планете присутствует в виде
Н2SО4 и Н2S (и их солей), и части свободной серы, SО2 , а также в виде
органических веществ в живых организмах.
Величайшую роль в кругообороте выполняют бактерии. Мы уже знакомы с
фотосинтезом, но, кроме этого, некоторые бактерии, используя энергию
химических экзотермических реакций окисления (хемосинтез), синтезируют
органические вещества. Так под действием особого вида бактерий
(серобактерии) идет окисление Н2S до S:
2Н2S + О2 ( 2Н2О + 2S + 127 ккал (+ Q).
Cера откладывается в «телах» серобактерий, составляя до 95 % их общей
массы, тем самым устраняя вредное действие Н2S на растения и животных. Это
неполный процесс окисления серы, он идет и дальше до Н2SО4 под действием О2
воздуха, а также пурпурных бактерий, для которых дыхание заменяется
процессом:
бактерии
Н2S + 2О2 ( Н2SО4 + 189 ккал.
Сера окисляется на воздухе, а также в организмах серобактерий, если
они будут лишены сероводородной среды:
2S + 3О2 + 2Н2О = 2Н2SО4 + 251 ккал,
SО2 или Н2SО3 – практически не образуются, а образуется Н2SО4, так как
протекают достаточно сложные процессы:
2S + 2О2 + 2Н2О = 2Н2SО3 + 157 ккал,
(1)
2Н2SО3 + Н2О + O2 = 2Н2SО4 + 94 ккал.
(2)
Вторая реакция протекает быстрее, поэтому Н2SО3 (или же SО2 + Н2О) не
накапливается. Свободная Н2SО4 в природе встречается редко (разве что при
кислотных дождях), она очень активна, поэтому реагирует с содержащимися в
почве и воде веществами или горными породами, например:
СаСО3 + Н2SО4 = СаSО4 + СО2( + 2Н2О.
Большая часть сульфатов уносится водами рек, а также под действием
осадков и выветривания минералов, в моря, частью растворяясь в океанических
водах, а частью откладываясь на дне в виде напластований и образуя
минералы, особенно природного гипса СаSО4(2Н2О, перемещаясь в глубины
литосферы, а затем через годы – на поверхность и т.д.
Попадая в глубокие слои литосферы, тот же СаSО4, претерпевает
восстановительный процесс, например, с участием органических веществ:
СаSО4 + СН4 ( СаS + СО2( + 2Н2О ( СаСО3 + Н2S + Н2О.
Таким образом, возникают сероводородные («серные») источники
(например, Мацеста, Пятигорск). Но существуют и другие бактерии –
сульфатовосстанавливающие, которые питаются за счет сульфатов. Так, на
глубине ниже 150 м, например, в Черном море, сульфаты под действием этих
бактерий восстанавливаются до сероводорода, который, поднимаясь наверх,
вновь подвергается действию серобактерий, окисляется до SО42-, а часть Н2S
уходит в атмосферу. Источники Н2S – болота, вулканическая деятельность,
природные процессы гниения отмерших живых организмов.
При извержении вулканов выделяется Н2S и SО2, концентрации которых
могут быть различными, тогда возможно протекание реакции:
2Н2S + SО2 ( 3S + 2Н2О.
При избытке Н2S, выделяющаяся сера защищается от окисления и потому
может образовывать на некоторой глубине в толще литосферы – пласты S или
вкрапления.
Кроме того, на больших глубинах формируются горючие природные
ископаемые (тот же уголь, и углеводороды, содержащие серу), откладываются
сланцы и другие осадочные породы, содержащие серу.
При добыче этих ископаемых, их сжигании или химической переработке, а
также их естественном разложении в атмосферу выбрасываются SО2 и Н2S,
которые окисляются до Н2SО4 и, наряду с природными источниками, затем
выпадают на землю в виде осадков – кислотных дождей. И так, круг
замыкается. Особенно из-за деятельности человека, а также из-за
окислительной способности воздуха в наше время кругооборот осуществляется с
увеличением содержания сульфатов, а в прошлом – преобладали сульфиды.
Остался неучтенным процесс потребления серы растениями, с учетом
которого кругооборот серы можно выразить упрощенной схемой (рис. 2.9).
Переработка сульфатов растениями, в том числе и с использованием
бактерий, очень сложный процесс, приводящий к синтезу растениями
серосодержащих белковых веществ.
Животные, питающиеся растениями, также путем биохимических процессов
синтезируют серосодержащие вещества, характерные для своих организмов. При
отмирании животных и растений, их белковые вещества разлагаются до Н2S и
некоторых других серосодержащих продуктов, и кругооборот серы продолжается.
Страницы: 1, 2, 3
|