Биологические природные круговороты углерода, азота, фосфора, серы и их деформация при воздействии человека.

Это один из важнейших круговоротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба в круговороте углерода, связанные с человеческой деятельностью, приводят к неблагоприятным для биосферы последствиям. По оценкам Международного научного комитета по проблемам окружающей среды (1974), ни одно из тех изменений, которые произошли на Земле в результате антропогенной деятельности, неимеет более существенного значения для интересов человечества, чем изменения всемирного масштаба, вызванные процессом циркуляции углерода. С углеродом непосредственно связаны содержание кислорода в атмосфере и его круговорот в биосфере.

Углерод участвует в большом и малом круговоротах вещества. Его соединения в биосфере постоянно возникают, испытывают превращения и разлагаются. Основной путь миграции углерода — от углекислого газа атмосферы в живое вещество и из живого вещества в углекислый газ атмосферы. При этом часть его выходит из круговорота, оставаясь в почве или откладываясь в осадочных породах.

В биологическом круговороте углерода (рис. 1) выделяются три стадии: 1) зеленые растения, поглощая углекислый газ из воздуха, создают органическое вещество; 2) животные, питаясь растениями, из содержащихся в них соединений углерода продуцируют другие соединения; 3) микроорганизмы разрушают вещество мертвых растений и животных и освобождают углерод, который снова попадает в атмосферу в составе углекислого газа. Источником углерода является также углекислый газ, поступающий в атмосферу при дыхании растений в темное время суток. Часть углерода накапливается в виде мертвых органических веществ там, где отсутствуют условия для их разложения, и переходит в ископаемое состояние (торф, каменный уголь, нефть и др.). Учитывая довольно интенсивное захоронение отмерших остатков растений и животных в болотах, лагунах, морских бассейнах и пресноводных водоемах, следует признать, что изъятие углерода из биологического круговорота этим путем в течение всей биологической эволюции биосферы шло довольно интенсивными темпами.

В антропогене масштабы фотосинтетической деятельности на Земле, по-видимому, стабилизировались. Зеленый покров суши и карбонатная система гидросферы в течение длительного времени поддерживали постоянный уровень содержания углекислого газа в атмосфере.

В современную эпоху картина изменилась: поток углерода в атмосферу увеличился за счет антропогениого происхождения настолько, что растительность Земли, вероятно,не способна полностью усваивать его. Следствием этого является снижение самоочищения атмосферы от оксидауглерода (СО2, угарный газ).

Самоочищение воздуха от оксида углерода происходит в результате миграции СО в верхние слои атмосферы, где в присутствии диоксида азота и озона он окисляется до СО2, а также путем поглощения растениями и микроорганизмами, водной и земной поверхностью. Если бы прекратилось постоянное техногенное поступление оксида углерода в воздушный бассейн, атмосфера Земли могла бы очиститься от него в течение одного месяца или, по крайней мере, нескольких лет.

По данным Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь, стационарные источники и транспорт на ее территории выбрасывают в воздух около 1,1млн т оксида углерода, что эквивалентно 1,7 млн т углекислого газа.

Естественный и культурный растительный покроя Беларуси поглощает не менее 163млн т СО2. Диоксид углерода антропогенного происхождения на территории республики составляет около 1 % от массы этого газа, участвующего в фотосинтезе.

В процессе фотосинтеза на каждую поглощенную молекулу углерода (С) приходится одна освобождаемая молекула кислорода (О2). Используя соотношение их молекулярных масс (12:32), можно рассчитать продуцирование кислорода на конкретных географических территориях. В частности, растительный покров Беларуси поставляет в атмосферу не менее 120млн т кислорода.

Круговорот азота.

Азот, как и углерод и большинство других химических элементов, участвует в большом и малом круговоротах веществ. Его круговорот (рис. 2.) — один из наиболее сложных в биосфере.

Источник азота в биологическом круговороте — нитраты и нитриты,которые поглощаются растениями из почвы и воды. У растений нет способности извлекать азот непосредственно из воздушной среды, хотя в атмосфере его содержится около 80 %. Животные, поедая растения, создают из аминокислот растительных белков протоплазму своих клеток. Гнилостные бактерии переводят соединения азота в отмерших остатках растений и животных в аммиак. Затем нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в нитриты и нитраты. Часть азота благодаря денитрифицирующим бактериям вновь поступает в атмосферу. Если бы не было постоянного дополнительного источника пополнения запасов азота в почве, в конечном итоге наступило бы азотное голодание растений и, как следствие, разрушение биосферы, поскольку образующийся в процессе денитрификации свободный азот выводится из биологического круговорота.

Существуют два пути вовлечения азота атмосферы в биологический круговорот: первый из них связан с атмосферными осадками, второй – с биологической фиксацией азота прокариотами.

Антропогенные нарушения круговорота азота в биосфере связаны со сжиганием топлива в двигателях наземного и воздушного транспорта, на тепловых электростанциях, теплоэнергетических установках (в котельных, печах), атакже с промышленной фиксацией азота — производствах азотных удобрении. В 70-е гг. поступление в атмосферу оксидов азота техногенного происхождения было в 15 раз меньше, чем от естественных источников, однако с развитием транспорта и теплоэнергетики оно непрерывно растет.

При сжигании топлива в атмосферу поступает дополнительное количество оксидов азота, которые участвуют в фотохимических реакциях. Одна из таких реакцийприводит к образованию фотохимического смога, содержащего формальдегид и другие токсичные компоненты.

Загрязнение стратосферы оксидами азота в результате полетов воздушных кораблей, а в недалеком прошлом и испытаний атомного оружия, тоже нарушает естественный круговорот азота и, кроме того, может привести к разрушению озонового экрана, поскольку оксиды азота вступают в фотохимические реакции с озоном. В тропосфере оксиды азота, контактируя с парами воды, всегда здесь присутствующими, образуют аэрозоли азотной кислоты, которая вместе с аэрозолями серной кислоты (продуктом загрязнения атмосферы оксидами серы), выпадает в виде кислотных дождей.

Существенные изменения в круговорот азота вносит производство и применение азотных удобрений. В почвенном покрове содержится около 150 млрд т азота, связанного в органические соединения, в растениях — 1, 1 млрд т, в животных — 610 млн т. Нитратный азот не накапливается в почве, легко вымывается из нее водами, восстанавливается в газообразные формы и в больших количествах (20-40%) расходуется на питание растений. Так как часть почвенного азота изымается при очередном сборе урожая, потребность культурных растений в азоте возрастает. Органические удобрения только частично удовлетворяют ее. В ХХ веке химический синтез азотных удобрений на основе связывания азота атмосферы стал главным источником питания культурных растений. В мире ежегодно вносится 35-40млн т азота в виде минеральных удобрений. Кроме того, неучтенное пока количество азота поступает в почву и грунтовые воды от животноводческих комплексов и крестьянских подворий.

В нарушенном круговороте одна из ветвей миграция нитратов заканчивается в грунтовых водах, так как растительность усваивает не весь азот, оказавшийся в почве. На равнинных территориях, интенсивно используемых в течение длительного времени в сельском хозяйстве, грунтовые воды, которые питают колодцы, практически повсеместно оказываются загрязненными. Проблема нарушения круговорота азота в биосфере ина конкретных территориях дискутируется долгие годы, однако интенсификация сельского хозяйства, развитие химической промышленности, теплоэнергетики и транспорта, а также появление новых экологических проблем делают ее все более трудноразрешимой.

Круговорот фосфора.

Биологическое значение фосфора в жизни организмов исключительно велико: его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, мозга и костной ткани. Содержание фосфора в тканях растений составляет 250-350, морских животных — 400-1800, наземных животных — 1700-4400, бактерий — около 3000 мг/100 г сухого вещества. В организме человека особенно много фосфора в костной ткани — более 5000, в тканях мозга — около 4000 мг/100г сухого вещества.

Как углерод и азот, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте вещества. В XX веке круговорот фосфора в биосфере оказался резко нарушенным. Причины этого следующие: производство фосфорных удобрений и их широкое применение в сельском хозяйстве; получение в промышленных масштабах многочисленных фосфорсодержащих препаратов, используемых в быту, земледелии и т.д.; производство огромных ресурсов продовольствия и кормов, развитие рыбного промысла, добыча морских моллюсков и водорослей. В результате произошли перераспределение содержания фосфатов на суше и в гидросфере, неравномернаяфосфатизация суши. В зонах концентрации населения, сельского хозяйства наблюдается аномально высокая, малообратимая аккумуляция органических соединений фосфора, в то время как большая часть углерода и азота в газообразном виде рассеивается в атмосфере. Эрозия почв, смыв удобрений, органических отбросов и экскрементов, сбросы канализационных вод приводят к сильнейшему фосфорному загрязнению рек и озер. Многие водоемы Европы и Америки уже отравлены избыточными концентрациями азота и фосфора. Наряду с фосфатизацией почв продолжается процесс фосфатизации рек и водоемов суши, вод дельт и эстуариев.

Круговорот серы.

Сера имеет важное биологическое значение, поскольку в составе широко распространенных в живой природе аминокислот, белков и других сложных органических соединений она содержится во всех организмах. Так, ее массовая доля в пересчете на сухое вещество в наземных растениях равна 0,3 %, у наземных животных – 0,5, в морских растениях – 1,2, у морских животных — до 2 %.

Вместе с оксидами серы и азота в воздушный бассейн от источников загрязнения поступают в значительном количестве и другие вещества, в том числе щелочные элементы кальций и магний. Вступая в химические реакции с аэрозолями серной, азотной и других кислот, они в значительной мере нейтрализуют "кислые дожди".

Во всех рассмотренных четырех круговоротах элементов — углерода, азота, фосфора и серы — обнаруживаются явные глобальные изменения в биосфере вследствие деятельности человека. Однако их региональное проявление неоднородно. На некоторых территориях, например в Беларуси, экологическая ситуация, связанная с ними, может быть вполне благополучной, в других же — катастрофической. Можно утверждать, что антропогенная деятельность на современном этапе представляет собой огромную разрушительную для биосферы силу.

Пока еще нет всеобъемлющей научной концепции, которая позволяла бы оценить масштабы этого разрушения. Трудность заключена в том, что невозможно определить показатели природных условий "чистой" биосферы; и допустимого уровня их загрязнения, а все составляющие ее компоненты чрезвычайно мобильны и изменчивы.

Поиск по сайту: