Круговорот веществ. Методы экологического исследования

Живые организмы  создают в биосфере круговороты  важнейших биогенных элементов, которые попеременно переходят  из живого вещества в неорганическую материю. Эти циклы делят на две основные группы: круговорот газов и осадочные круговороты. В первом случае главный поставщик элементов – атмосфера (углерод, кислород, азот), во втором – горные осадочные породы (фосфор, сера и так далее).                     

Круговорот углерода

      Главным участником биотического  круговорота является углерод  как основа органических веществ.  Круговорот углерода занимает  ключевое место в глобальной  экодинамике. Наибольшее количество  углерода содержится в литосфере  в виде двух больших пулов, имеющих разное химическое происхождение: в составе осадочных карбонатов, всех форм МСО и в составе ископаемых топлив, большая часть которых представляет собой биогенное и биокосное вещество – фоссилизированную, то есть погребенную и преобразованную органику (от английского fossil – окаменелый, ископаемый) – уголь, нефть, газ, нефтеносные сланцы и другое. Некоторое количество углерода содержится в литосфере в виде графита и алмазов. В гидросфере углерод находится в основном в виде гидрокарбоната HCO, растворенного диоксида CO и некоторого количества растворимой органики. В атмосфере – в виде CO и относительно небольшой доли приместных газов, пыли и аэрозолей, содержащих углерод.                                                                                                       Запас углерода в атмосфере равен 700 Гт. Если представить, что биотический возврат углерода в атмосферу прекратился («глобальная остановка дыхания»), а фотосинтез продолжается в прежнем объеме, то атмосфера полностью очистилась бы от CO за 7 лет. Детальный количественный анализ круговорота углерода в биосфере провел В.Г. Горшков (1990 год). Он отметил, что потоки синтеза и распада органических веществ в биосфере совпадают с точностью 10, замкнуты с точностью 10 и, значит, скоррелированы с точностью 10. Автор пишет: «Скоррелированность синтеза и распада с такой точность доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь величин с такой точность в течение миллионов лет невероятна.»²

Круговорот кислорода.

     Кислород  играет важнейшую роль в жизни  большинства живых организмов  на нашей планете. Он необходим  всем для дыхания. Некоторый  дефицит кислорода для животных  и человека возникает только  в высокогорье, в зонах интенсивного  потребления и в искусственных условиях. Кислород не всегда входил в состав земной атмосферы. Он появился в результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов. Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так как с ним вступает в реакцию большое количество органических и неорганических веществ, а также водород соединяясь с которым кислород образует воду.

     С  круговоротом кислорода тесно  связано образование озона. В  высоких слоях атмосферы под  влиянием жесткой ультрафиолетовой  части солнечного спектра происходит  ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к возбужденным молекулам кислорода, образуя озон – трехатомный кислород:

hv ® O « 2O; O + O « O; DH = +141,9 кДж/моль

Здесь hv – квант света с длиной волны не более 235 нм.

     Озоновый  слой, как экран, надежно защищает  поверхность Земли от ультрафиолетовой  радиации, гибельной для живых  организмов, так как многие молекулярные структуры живых организмов разрушаются под действием жесткого ультрафиолета.

Круговорот азота.

     Азот  входит в структуру всех белков  и нуклеиновых кислот и вместе  с тем является наиболее лимитирующим  из биогенных элементов. Колоссальный  резервуар свободного молекулярного  азота в атмосфере лишь в  ничтожной мере затрагивается биотическим круговоротом.

     Растения  получают азот в основном из  разлагающегося мертвого органического  веществом посредством деятельности  бактерий, которые превращают азот  белков в усвояемую растениями  форму. Другой источник - свободный  азот атмосферы - растениям непосредственно не доступен, но его связывают, т.е. переводят в другие химические формы, некоторые группы бактерий и сине-зеленые водоросли, они обогащают им почву.

     В биосфере  фиксация азота осуществляется  несколькими группами анаэробных бактерий и цианобактерий при нормальных температуре и давлении, благодаря высокой эффективности биокатализа. Считается, что бактерии переводят в связанную форму приблизительно 1 млрд тонн азота в год. В клубеньковых бактериях бобовых растений фиксация азота осуществляется с помощью сложного ферментного комплекса, защищенного от избытка кислорода специальным растительным гемоглобином.

     Круговорот  азота в биосфере сопряжен  с круговоротом углерода, так  как соотношение между этими  элементами в составе биомассы постоянно: C : N = 55 : 1. Соответственно и круговорот азота составляет около 1,8 Гт в год. Он замкнут настолько, насколько постоянны общая биомасса и состав биосферы, так как доступные для биоты резервуары связанного азота в почве и воде достаточно велики по сравнению с круговоротом – приблизительно 4:1.

Круговорот фосфора и серы.

         Фосфор, как и азот, относится  к лимитирующим биогенам. Хотя  его содержание в живом веществе  относительно невелико, но он  входит в состав жизненно важных  соединений клеточных структур всех организмов.

       Этот элемент входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона (РО43-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают фосфат-ион из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме так называемого органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика вероятность окисления содержащего фосфор соединения в процессе клеточного дыхания для получения организмом энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или её аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл. Но в отличие от циклов углерода, кислорода и азота цикл фосфора в биосфере существенно разомкнут, так как значительная часть континентальных стоков фосфатов попадает в глубинные океанические осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота. Фосфор считается наиболее слабым звеном биотического круговорота.

     Примерно такие  же отношения наблюдаются в  глобальном круговороте серы, в  котором кроме бактерий, грибов  и растений, использующих сульфат  природных вод и почвы для синтеза серосодержащих аминокислот, работают еще несколько групп специализированных бактерий, осуществляющих превращения в реакциях

HS Û S Û SO и HS Û SO

     Сера  является важным составным элементом  живого вещества. Большая часть  её в живых организмах находится в виде органических соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты.

     В связи  с окислением сульфидных минералов  в процессе выветривания сера  в виде сульфат-иона переносится  природными водами в Мировой  океан, где SO42- занимает второе  место по распространению после  хлора. Сера поглощается морскими организмами, которые богаче её неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные организмы.

     Потребность  биоты в сере относительно  невелика, а природные резервуары  серы огромны. Поэтому сера  редко оказывается лимитирующим  биогеном.

     В заключении хочется отметить одну важную особенность малых круговоротов. Применительно к ним понятие “круговорот” достаточно условно, поскольку природные круговороты не являются замкнутыми. Не все образуемые при разложении органики неорганические вещества снова используются живыми организмами. Неиспользуемая их часть образует, в частности, осадочные породы, как в океане, так и на суше, включаясь в большой геологический круговорот. Вещества «не теряются» для биосферы в целом, но уходят из малого круговорота.

 

 

 

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Человек – Экономика – Биота – Среда: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 566 с.

2. Сухова Е.В.  Экологическая безопасность: учебное  пособие/ Е.В. Сухова, А.А. Гречихина, Б.Н. Фатенков. – Самара: Изд-во Самарского государственного экономического университета, 2009. – 64 с.

3. Шилов И.А. Экология:Учебник для биологических и медицинских специальных вузов. – М.: Высшая школа, 1997.

4. Электронный  источник: http://bioslogos.ru/44-metody-ekologicheskih-issledovaniy/

5. Электронный  источник: http://ekol-ush.narod.ru/05/

¹ Шилов И.А. Экология:Учебник для биологических и медицинских специальных вузов. – М.: Высшая школа, 1997.

² Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Человек – Экономика – Биота – Среда: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 566 с.