Циклы газообразных веществ

Биогеохимические циклы углерода и азота - примеры наиболее важных газообразных циклов биогенных веществ. Углерод поступает в биологический круговорот в виде СО₂, который усваивается растениями, а азот - в виде газообразного азота N₂, который используется азотфиксирующими организмами. Доступные запасы этих газов содержатся в атмосфере.

Круговорот углерода. Углерод - основной строительный материал молекул важных для жизни органических соединений (углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот - ДНК, РНК и др.). Растения получают его, поглощая СО₂ из атмосферы. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО₂ относительно невелики в сравнении с его запасами в океанах и земной коре (в виде ископаемого топлива). Но твердые формы углерода продуценты усваивать не могут.

В Другие геологические эпохи содержание СО₂ в атмосфере было в 6-10 раз выше.

Вспомним, как образовалась современная земная атмосфера с низким содержанием углекислого газа и высоким содержанием кислорода. Более 3 млрд лет назад до появления жизни атмосфера Земли, подобно современной атмосфере Юпитера и других планет, состояла из вулканических газов. В ней било много СО₂ и мало (или совсем не было) кислорода. Первые организмы были анаэробными, т. е. жили в отсутствие кислорода. В результате того, что скорость образования органических веществ в среднем превышала скорости их разложения, в атмосфере стал появляться О₂.

Накопление кислорода началось с докембрия, и к началу палеозоя его содержание в атмосфере не превышало 10% от современного. В дальнейшем оно неуклонно росло. Предполагают, что в истории Земли были периоды, когда концентрация кислорода превышала современную. Сейчас наличный запас свободного кислорода оценивается приблизительно в 1,6•10¹⁵ т. Современные зеленые растении могут воссоздавать такое количество за 10000 лет. Накоплению кислорода, по-видимому, способствовали также геологические и физико-химические процессы.

Биотическая циркуляция углерода в биосфере основана на потреблении СО₂ из атмосферы и его поступлении в атмосферу.

Потребление углекислого газа из воздуха происходит главным образом:

1) в процессе фотосинтеза СО₂ + Н₂О ® СН₂О + О₂;

2) в реакциях его с карбонатами океане СО₂ + Н₂О +
СаСО₃ ® Са(НСО₃)₂;

3) при выветривании горных пород Fе₂S₃ + 6СО₂ + 6Н₂О ®
2Fе(НСО₃)₃ + ЗН₂S.

Поступление углекислого газа в атмосферу в современных условиях происходит в результате:

1) дыхания всех организмов;

2) минерализации органических веществ;

3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеют также биогенное происхождение);

4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (незначительная часть - до 0,01%);

5) сжигания древесины и топлива (рис. 4.4).

Низкое содержание СО₂ и высокие концентрации О₂ в атмосфере сейчас служат лимитирующими факторами для фотосинтеза, а зеленые растения и карбонаты океана являются регуляторами этих газов, поддерживающими относительно стабильное их соотношение (0,03% и 21%).

Таким образом, «зеленый пояс» Земли и карбонатная система океана являются буферной системой, которая поддерживает относительно постоянное содержание СО₂ в атмосфере.

Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы.

Рис. 4.4. Биотический круговорот углерода: ® - потребление СО₂; ® - поступление СО₂ в атмосферу

Влияние человека на круговорот углерода проявилось в том, что с развитием индустрии и сельского хозяйства поступление СО₂ в атмосферу стало расти за счет антропогенных источников.

Основная масса углерода находится в земной коре в связанном состоянии. Важнейшие минералы - карбонаты, количество углерода в них оценивается в 9,6•10¹⁵ т. Разведанные запасы горючих ископаемых (угли, нефть, битумы, торф, сланцы, газы) содержат еще около 1•10¹³ т углерода. Человек тем или иным путем извлекает эти запасы из недр и постепенно увеличивает поток СО₂ в атмосферу: в 1800 г. концентрация СО₂ составляла 0,029%, в 1958 г. - 0,0315%, в 1980 г. - 0,0335%, а в 1995 г. -0,0352%.

Главные причины увеличения содержания СО₂ в атмосфере - это сжигание горючих ископаемых в промышленности, на транспорте и уничтожение лесов.

При уничтожении лесов содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древесины и разложении неиспользованной биомассы растений, за счет снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы (если на месте лесов распахивают поля или строят города). Леса - важные накопители углерода: в биомассе лесов приблизительно в 1,5, а в лесном гумусе - в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере.

Сельское хозяйство также приводит к потере углерода в почве, так как потребление СО₂ из атмосферы агрокультурами в течение лишь части года не компенсирует полностью высвобождающийся из почвы углерод, который теряется при окислении гумуса в результате частой вспашки.

Одновременное уменьшение поглотительной способности «зеленого пояса» может привести к сбою механизмов саморегуляции природной буферной системы.

Кроме СО₂, в атмосфере присутствуют в небольших количествах еще два углеродных соединения: оксид углерода СО (около 0,1 млн^-1) и метан СН₄ (около 1,6 млн^-1). Как и СО₂, они находятся в быстром круговороте: время пребывания в атмосфере СО - около 0,1 года, СН₄ - 3,6 года, а СО₂ - 4 года. В естественных условиях СО и СН₄ образуются при неполном анаэробном разложении органических веществ и в атмосфере окисляются до СО₂. Количество СО, попадающего в атмосферу при сгорании топлива, особенно с выхлопными газами, равно его естественному поступлению.

Оксид углерода - смертельный яд для человека. В глобальном масштабе его количество не представляет угрозы, но в городах концентрация этого газа достигает 100 млн^-1, т. е. в 1000 раз больше естественного содержания, и становится угрожающей, особенно в районах с сильным автомобильным движением. Для сравнения приведем такие данные: курильщик (пачка сигарет в день) получает столько СО, сколько он получил бы, дыша воздухом с содержанием СО 400 млн^-1, т. е. вдыхание СО в насыщенных автотранспортом городах сопоставимо с его количеством, поступающим в кровь при курении табака. Это уменьшает содержание оксигемоглобина в крови на 3 % и приводит к анемии и другим заболеваниям, связанным с гипоксией (гр. hypo -низкое, oxi - кислород): ишемической болезни, стенокардии, другим сердечно-сосудистым заболеваниям.

Следовательно, деятельность человека увеличивает приток углерода в атмосферу в виде СО₂.

Круговорот азота. Воздух по объему почти на 80% состоит из молекулярного азота N₂ и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента. Все живые организмы нуждаются в азоте, который используют в различных формах для образования белков и нуклеиновых кислот. Но лишь немногие микроорганизмы могут использовать газообразный N ₂ из атмосферы. К счастью, в процессе круговорота он преобразовывается в растворимые и усвояемые растениями ионы аммония NН₄⁺, нитрит- и нитрат-ионы NО₂^- и NО₃^-.

Потребление азота происходит:

1) в процессе биологической фиксации N₂ из воздуха - азотфиксации благодаря деятельности азотфиксирующих микроорганизмов;

2) в результате естественных физических процессов фиксации N₂ в атмосфере и превращения его в оксиды NО_Х и аммиак NН₃, например, при грозовых электрических разрядах;

3) в процессе промышленного синтеза NН₃;

4) при фотосинтезе минеральные соединения азота (NН₄⁺, NО₂^-, NО₃^-) потребляются растениями.

Поступление азота в атмосферу происходит:

1) в процессе минерализации азотсодержащих органических веществ до оксидов азота и последующей денитрификации, т.е. восстановления их до молекулярного газа N₂;

2) с вулканическими газами;

3) с «индустриальными вулканами» (дымом, выхлопными газами).

В водоемы соединения азота поступают: с поверхностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий; с городскими, промышленными и сельскохозяйственными сточными водами (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Биотический круговорот азота: ® - потребление N₂; ® - поступление N₂ в атмосферу

Биотический цикл азота включает ряд очень сложных процессов, основную роль в которых играют микроорганизмы.

Поступление азота в биотический круговорот можно проиллюстрировать на примере минерализации наиболее сложных высокомолекулярных азотсодержащих органических веществ - белков. Распад белков идет в несколько стадий.

На первой стадии происходит расщепление белков до аминокислот микроорганизмами, вырабатывающими ферменты протеазы:

БЕЛКИ ® ПЕПТОНЫ ® ПОЛИПЕГПИДЫ ® АМИНОКИСЛОТЫ.

Затем аминокислоты (RCHNH₂СООН) разлагаются бактериями, актиномицетами, грибами как в аэробных, так и в анаэробных условиях:

RCHNH₂СООН + О₂ ® RCOOH + NН₃ +СО₂

RCHNH₂СООН + Н₂О ® RCHOHCOOH + NH₃

В результате белкового обмена в животных организмах выделяется мочевина СО(NН₂)₂, которая тоже служит источником NН₃:

СО(NН₂)₂ + Н₂О ® 2NН₃ + СО₂

Поскольку продуктом разложения аминокислот является аммиак NН₃, эта стадия называется аммонификацией.

При аммонификации могут образовываться также сероводород Н₂S, индол С₂Н₇N, скатол С₉Н₉N, этилмеркаптан С₂Н₃SН. Все эти вещества обладают неприятным резким запахом, поэтому распад белков часто называют гниением.

На второй стадии выделившийся аммиак в природных условиях частично используется растениями, а частично окисляется, взаимодействуя с кислородом. Эта стадия превращений азота называется нитрификацией и протекает в процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий в две фазы. В первой фазе аммиак окисляется до азотистой кислоты (или нитритов:

2NН₃ + 3О₂ ® 2НNО₂ + 2Н₂О + Q ₁,

во второй фазе азотистая кислота окисляется до азотной (или до нитратов):

2НNО₂ + О₂ ® 2НNО₃ + Q₂.

Нитрификация в первой фазе осуществляется в основном нитрификаторами из рода Nitrozomonas, а во второй - из рода Nitrobacter. В изучение этого процесса большой вклад внес русский микробиолог С. Н. Виноградский (1856-1932). Один из возбудителей нитрификации носит его имя - Winogradsky. Реакции нитрификации идут с выделением энергии, которую бактерии используют для своей жизнедеятельности, т. е. они являются хемоавтотрофами.

На третьей стадии образовавшиеся при нитрификации нитриты и нитраты в анаэробных условиях служат источником кислорода для окисления безазотистых органических веществ. При этом нитриты и нитраты восстанавливаются до газообразного азота, который и поступает в атмосферу.

Этот процесс называется денитрификацией:

5С_орг + 4КNО₃ ® 3СО₂ + 2К₂СO₃ + 2N₂ ­

Денитрификация протекает с потреблением энергии за счет жизнедеятельности бактерий, в основном, из рода Pseudomonas и Micrococcus.

В сточных водах, особенно при биологической очистке, в процессе нитрификации часто образуются излишние количества нитритов и нитратов, которые при их сбросе в водоемы могут вызывать нежелательное «цветение» воды. Поэтому процессы денитрификации используются для глубокой доочистки сточных вод от минеральных соединений азота, которые восстанавливаются до газообразного азота N₂ и отдуваются в воздух. В данном случае человек стремится возвратить в атмосферу излишки азота, образующиеся при принудительном разложении органических веществ на очистных сооружениях. Этот процесс называется антропогенной денитрификацией.

Биотическое потребление азота происходит при азотфиксации его особыми микроорганизмами.

Азотфиксация (связывание молекулярного азота) - процесс, обратный денитрификации. Оба процесса требуют энергии, которую микроорганизмы получают либо в виде солнечного света, либо в виде органического вещества.

Долгое время считалось, что фиксировать N2 атмосферы могут немногие, но широко распространенные в природе микроорганизмы; бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии бобовых растений - Rhizobium, синезеленые водоросли Anobaena, Nostoc и др. Затем было обнаружено, что многие водные и почвенные бактерии также обладают этой способностью. Кроме того, оказалось, что примитивные грибы (актиномицеты) в клубеньках ольхи и некоторых других деревьев (около 160 видов) фиксируют N₂ не менее эффективно. В отличие от бобовых, эти фиксаторы приспособлены к бедным песчаным или болотистым почвам, где доступного для растений азота мало. Поэтому ольха, например, может увеличивать продукцию деловой древесины, если ее сажать вместе с ценными породами деревьев. Биологическая фиксация азота идет в автотрофном и гетеротрофном ярусах экосистем, в аэробных и анаэробных зонах.

Большинство наземных растений и высших водорослей, как сказано, несмотря на огромное количество азота в атмосфере, способны усваивать его лишь в виде ионов NH₄⁺, NO₂^- или NO₃^-.

Итак, только примитивные микроорганизмы могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, усвояемые растениями. Они образуют взаимовыгодные ассоциации с высшими растениями. Растения предоставляют бактериям «квартиры» (корневые клубеньки), защищают от избытка кислорода и поставляют необходимую энергию (органические вещества). За это растения получают азот в доступной для них форме. Для расщепления N₂ бактериям необходимо много энергии на разрыв тройной связи (NºN). Бактерии в клубеньках бобовых расходуют на фиксацию 1 г атмосферного азота около 10 г глюкозы (примерно 40 ккал), синтезируемой растением на свету. При промышленной фиксации N₂ (получение NH₃) для разрыва тройной связи также расходуется много энергии горючих ископаемых, поэтому азотные удобрения стоят дороже любых других.

Таким образом, центральное место в биотической циркуляции азота занимает NH₃. Азотфиксация и денитрификация - основные процессы, определяющие потребление азота из атмосферы и поступление его в атмосферу (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема превращений азота в биотическом круговороте: ® - потребление азота; ® - поступление азота

Влияние человека на круговорот азота достаточно велико. Он выращивает на обширных площадях бобовые растения, увеличивая азотфиксацию, а также промышленным способом связывает азот.

Подсчитано, что сельское хозяйство и промышленность потребляют из атмосферы азота почти на 60% больше, чем естественные наземные экосистемы. Если бы специалистам по генной инженерии удалось индуцировать образование клубеньков у пшеницы, кукурузы, риса и других пищевых культур, это избавило бы от необходимости внесения азотных удобрений и помогло бы сэкономить немало средств и энергии. Хороших результатов можно достигнуть и сейчас, если лучше использовать бобовые в сельском хозяйстве. Бобовые растения - природные фиксаторы азота - активнее работают в среде с малым количеством азота, поэтому внесение азотных удобрений под бобовые не имеет смысла, так как выключает естественную биофиксацию атмосферного N₂. В то же время из азота, поступившего с минеральными удобрениями, очень небольшая часть вовлекается в круговорот повторно. Большая доля его теряется: выносится с водой, урожаем и в процессе денитрификации. В США, например, количество используемых азотных удобрений с 1950 г. возросло в 12 раз, а урожай - не более чем в 2 роза. Кроме того, избыток нитратов в пище и воде может быть опасен для людей. Напрасной траты азота и энергии можно избежать, если рационально чередовать зерновые и бобовые культуры в севообороте.

Ежегодно в глобальном круговороте биотическим сообществом усваивается около 10⁹ т азота. При этом 80% его поступает из обменного фонда суши и воды, и лишь около 20% добавляется «нового» азота из резервного фонда атмосферы.

В масштабе биосферы, благодаря механизмам обратной связи и большому резервному фонду, круговорот азота относительно совершенен. Хотя часть азота из густонаселенных областей уходит в глубоководные океанические отложения и выключается из круговорота, возможно, на миллионы лет, эта потеря в какой-то мере компенсируется поступлением его в воздух с вулканическими газами. Следовательно, извержения вулканов нельзя считать только вредными. Если бы удалось заблокировать все вулканы на Земле, то, возможно, от голода страдало бы не меньше людей, чем сейчас страдает от извержений.

Антропогенная денитрификация (превращение избыточных нитритов и нитратов в газообразный N₂) и стремление к сокращению производства нитратных удобрений соответствуют природным процессам поступления потока N₂ в атмосферу, компенсируя тем самым его антропогенную фиксацию из атмосферы в сельском хозяйстве и промышленности.

В последнее время содержание N₂ в атмосфере не менялось. Можно думать, что поступление его в атмосферу (денитрификация) и отток из атмосферы (озотфиксация) уравновешены, хотя фиксация слегка преобладает вследствие деятельности человека.

Следовательно, хотя человек и влияет как на потребление N₂, так и на поступление его в атмосферу, эти потоки сбалансированы и не меняют его концентрацию в воздухе, в отличие от потоков СО₂, которые ведут к накоплению газообразного углерода в атмосфере.

Дата добавления: 2015-07-20