Биохимический круговорот (Укр.)

Богеохмчн кругообги. На вдмну вд енерг, котра використовувалася органзмом, перетворилась у тепло втрачаться для екосистеми, речовини циркулюють у босфер, що називаться богеохмчними круговоротами. З 90 з зайвим елементв, що зустрчаються в природ, близько 40 потрбн живим органзмам. Найбльш важлив для них потрбн у великих клькостях вуглець, водород, кисень, азот. Кисень надходить у атмосферу в результат фотосинтезу та витрачуться органзмами при диханн.

Азот витягаться з атмосфери завдяки дяльност азотофиксирующих бактерй повертаться до не ншими бактерями. Кругообг елементв речовин здйснюються за рахунок саморегулюючихся процесв, в яких беруть участь вс складов екосистем. Ц процеси безвдхоними. В природ нема нчого даремного або шкдливого, навть вд вулканчних виверження користь, бо з вулканчними газами в повтря надходять потрбн елементи, наприклад, азот. сну закон глобального замикання богеохмчного кругообгу в босфер, дючий на всх етапах розвитку, як правило

збльшення замкнутости богеохмчного кругообга в ход сукцес. В процес еволюц босфери збльшуться роль бологчного компоненту в замиканн богеохмчного кругообга. Ще бльшу роль в богеохмчному кругообгу виявля людина. Але роль здйснються в протилежному напрямку. Людина порушу кругообг речовин, який вже склався, в цьому виявляться його геологчна сила, руйнвна по вдношенню до босфери на сьогодняшнй день.

Коли 2 млрд. рокв тому на Земл зявилося життя, атмосфера складалася з вулканчних газв. В нй було багато вуглекислого газу та мало кисня якщо взагал був, перш органзми були анаеробними. Так як продукця в середньому перевершувала дихання, за геологчний час в атмосфер накопичувався кисень та зменшувався вмст вуглекислого газу. Нин вмст вуглекислого газу в атмосфер збльшуться в результат спалювання великих клькостей горючих копалин зменшення поглинаючо спроможност зеленого поясу.

Останн результатом зменшення клькост самих зелених рослин, а також повязане з тим, що пил та нш забруднююч частки в атмосфер вдбивають т промен, що надходять до атмосфери. В результат антропогенно дяльност ступнь замкненост богеохмчних кругообгв зменшуться. Хоча вона досить висока для рзномантних елементв речовин вона не однакова, але тим не менше не абсолютна, що показу приклад виникнення киснево атмосфери. накше неможлива була б еволюця найвища ступнь замкненост

богеохмчних кругообгв спостергаться в тропчних екосистемах найбльш давнх консервативних. Таким чином, слд казати не про змну людиною того, що не повинно змнюватися, а скорше про вплив людини на швидксть та напрямок змн та на поширення х границь, що порушу правило мри перетворення природи. Останн формулються таким чином в ход експлуатац природних систем не можна перевищувати деяк меж, що дозволять цим системам збергати властивост самопдтримки.

Порушення мри як в сторону збльшення, так в сторону зменшення призводить до негативних результатв. Наприклад, надлишок вносимих добрив настльки ж шкдливий, як х недолк. Це почуття мри загублене сучасною людиною, яка вважа, що в босфер й вс дозволене. Нд на подолання екологчних труднощв повязують з розробкою введенням до експлуатац замкнутих технологчних циклв. Створен людиною цикли перетворення матералв вважаться бажаним робити так, щоб вони були подбним

природним циклам кругообга речовин. Тод водночас виршувалися би проблеми забезпечення людства невчерпними ресурсами проблема охорони природного середовища вд забруднення, оскльки нин лише 1 - 2 ваги природних ресурсв утилзуться в кнцевому продукт. Теоретичн замкнут цикли перетворення речовини можлив. Проте повна остаточна перебудова ндустр по принципу кругообга речовини в природ нереальна.

Хоча б тимчасове порушення замкненост технологчного циклу практичн неминуче, наприклад, при створенн синтетичного матералу з новими, невдомими природ властивостями. Така речовина спочатку всебчно апробуться на практиц, лише потм можуть бути розроблен способи його розкладення з метою запровадження складових частин у богеохмчн кругообги. 2. Кругообг речовин в босфер. Процеси фотосинтезу органчно речовини з неорганчних компонентв трива

мльйони рокв за такий час хмчн елементи повинн були перейти з одн форми в ншу. Однак цього не вдбуваться завдяки х кругообгу в босфер. Щорчно фотосинтезуюч органзми засвоюють майже 350 млрд т вуглекислого газу, видляють до атмосфери бля 250 млрд т кисня розщплюють 140 млрд т води, утворюючи понад 230 млрд т органчно речовини в перерахунку на суху вагу. Величезн клькост води проходять через рослини та водорост в процес забезпечення транспортно

функц та випаровування. Це призводить до того, що вода поверхневого шару океану фльтруться планктоном за 40 днв, а вся нша вода океану приблизно за рк. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлються за деклька сотен рокв, а кисень за деклька тисяч рокв. Щорчно фотосинтезом до кругообгу включаться 6 млрд т азоту, 210 млрд т фосфору та велика кльксть нших елементв калй, натрий, кальцй, магний, срка, залзо та н снування цих кругообгв прида екосистем певну тривалсть. Розрзняють два основних кругообга великий геологчний

малий ботичний. Великй кругообг, трива мльйони рокв поляга в тому, що грськ породи пдлягають руйнуванню, а продукти вивтрювання в тому числ розчинн у вод поживн речовини сносятся потоками води у Свтовий океан, де вони утворюють морськ напластування лише частково повертаються на сушу з опадами. Геотектончн змни, процеси опускання материкв подняття морського дна, перемщення морв та океанв на протяз тривалого часу призводять до того, що ц напластування повертаються на сушу процес починаться знов.

Малий кругообг частина великого вдбуваться на рвн екосистеми поляга в тому, що поживн речовини, вода вуглець акумулюються в речовин рослин, витрачаються на побудову тла на життв процеси як самих цих рослин, так нших органзмв як правило тварин, що з дають ц рослини консументи. Продукти розпаду органчно речовини пд дю деструкторв та мкроорганзмв бактер, гриби, черв знов розлагаются до мнеральних компонентв, доступних рослинам що втягуються ними у потоки речовини.

Кругообг хмчних речовин з неорганчного середовища через рослинн та тваринн органзми назад у неорганчне середовище з використанням сонячно енерг та енерг хмчних реакцй називаться богеохмчним циклом. У так цикли втягнут практично вс хмчн елементи насамперед т, що беруть участь в побудов живо клтини. Так, тло людини складаться з кисня 62.8, вуглецю 19.37, водорода 9.31, азоту 5.14, кальцю 1.38, фосфору 0.64 та ще приблизно з 30 елементв. 3. Кругообг вуглецю.

Самий нтенсивний богеохмчний цикл кругообг вуглецю. В природ вуглець сну в двох основних формах в карбонатах вапняках та вуглекислому газ. Вмст останнього в 50 раз бльше, нж в атмосфер. Вуглець бере участь в утворенн вуглеводв, жирв, блкв та нукленових кислот. Основна маса акумульована в карбонатах на дн океану 1016 т, в кристалчних породах 1016 т, камяному вуглл та нафт 1016 т бере участь в великому цикл кругообга.

Основна ланка великого кругообгу вуглецю - взамозвязок процесв фотосинтезу аеробного дихання мал. 1. нша ланка великого циклу кругообга вуглецю уявля собою анаеробне дихання без доступу кисня рзномантн види анаеробних бактерй перетворюють органчн сполуки в метан та нш речовини наприклад, в болотних екосистемах, на смтниках вдходв. В малому цикл кругообга бере участь вуглець, що мститься в рослинних тканинах около 1011 т та тканинах тваринних около 109 т. Бльш докладна схема кругообгу представлена на мал.

2. За останн 200 рокв вдбулися значн змни в континентальних екосистемах в результат збльшуючогося антропогенного впливу. Коли земл, зайнят лсами та трав янистими спльнотами, пертворюються в сльськогосподарськ угддя, органчна речовина, тобто жива речовина рослин мертва органчна речовина грунтв, окислються потрапля до атмосфери у вигляд . Деяка кльксть елементарного вуглеця може також захоронюватись в грунт у вигляд древесного вуглля як продукт, що залишився вд спалювання лсу , таким чином, вилучаться з швидкого обгу

в вуглецевому цикл. Вмст вуглецю в рзних компонентах екосистем змнються, оскльки поновлення органчно речовини залежить вд географчно широти та типа рослинност. Були проведен численн дослдження, що мали свою метою розвязати снуючу невизначенсть в оцнц змн запасв вуглецю в континентальних екосистемах. Базуючись на даних цих дослджень, можна прийти до висновку, що надходження до атмосфери з 1860 по 1990 рк склало г

С що в 1990 роц ботичний викид вуглецю був рвний г С рк. Крм того, можливий вплив зростаючих атмосферних концентрацй та викидв забруднюючих речовин, таких як , на нтенсивнсть фотосинтезу органчно речовини континентальних екосистем. По видимому, нтенсивнсть фотосинтезу зроста з збльшенням концентрац в атмосфер. Найбльш моврно, що це зростання характерне для сльськогосподарських культур, а в природних континентальних

еко-системах пдвищення ефективност використання води могло б призвести до прискорення утворення органчно речовини. 4. Колообг кисня. В кльксному вдношенн головною складовою живо матер кисень, кругообг якого ускладнений його здатнстю вступати в рзн хмчн реакц, головним чином реакц окислення. В результат виника безлч локальних циклв, що вдбуваються мж атмосферою, гдросферою та лтосферою, як в свою чергу можуть бути порушен антропогенним фактором.

Кисень, що мститься в атмосфер в поверхевих мнералах осадов кальцити, залзн руди, ма биогенное походження повинно розглядатися як продукт фотосинтезу. Цей процес протилежний процесу споживання кисня при диханн, який супроводжуться руйнуванням органчних молекул, взамодю кисня з водородом отщепленим вд субстрата та утворенням води. В деякому вдношенн кругообг кисня нагаду зворотний кругообг вуглекислого газу. В основному вн вдбуваться мж атмосферою та живими органзмами.

Споживання атмосферного кисня та його вдшкодування рослинами в процес фотосинтезу здйснються досить швидко. Розрахунки показують, що для повного поновлення всього атмосферного кисня вимагаться бля двох тисяч рокв. З ншого боку, для того, щоб вс молекули води гдросфери були пдвержен фотолизу знов синтезован живими органзмами, необхдно два мльйони рокв. Бльша частина кисня, що виробляться на протяз геологчних епох, не залишалася в атмосфер, а фксувалася лтосферою у вигляд карбонатв, сульфатв, оксидв залза, маса

склада 5,91016 т. Маса кисня, що циркулю в босфер у вигляд газу або сульфатв, розчинених в океанських та континентальних водах, в деклька разв менша 0,41016 т. Вдзначимо, що, починаючи з певно концентрац, кисень дуже токсичний для клтин тканин навть у аеробних органзмв. А живий анаеробний органзм не може витримати це було доведене ще в минулому сторчч Л. Пастером концентрацю кисня, що перевищу атмосферну на 1. 5.

Кругообг азоту. Газоподбний азот виника в результат реакц окислення амаку, який утворються при виверженн вулканв та розкладен бологчних вдходв 4 NH3 3 O2 2 N2 6 H2O. Кругообг азоту один з самих складних, але водночас самих деальних кругообгв. Незважючи на те, що азот склада бля 80 атмосферного повтря, в бльшост випадкв вн не може бути безпосередньо використаний рослинами, так як вони не засвоюють газоподбний азот.

Втручання живих стот у кругообг азоту пдпорядковане суворй ирарх лише певн категор органзмв можуть виявляти вплив на окрем фази цього циклу. Газоподбний азот беззупинно надходить до атмосфери в результат роботи деяких бактерй, тод як нш бактер фксатори разом з синьо-зеленими водоростями постйно поглинають його, преобразуючи в нтрати. Неорганчним шляхом нтрати утворюються й в атмосфер в результат електричних розрядв пд час гроз. Найбльш активн споживач азоту бактер на кореневй систем рослин смейства бобових.

Кожному виду цих рослин притаманн сво особлив бактер, що перетворюють азот в нтрати. В процес бологчного циклу нтрат они NO3- та они амоню NH4, поглинам рослинами з грунтово вологи, перетворюються у блки, нукленов кислоти так дал. Потм утворяться вдходи у вигляд загиблих органзмв, що обктами життдяльност нших бактерй та грибв, перетворюючих х в амак. Так виника новий цикл кругообга. снують органзми, здатн перетворювати амак у нтрти, нтрати

в газоподбний азот. Основн ланки кругообга азоту в босфер представлен схемою на мал. 3. Бологчна активнсть органзмв доповнються промисловими засобами отримання азотомстящих органчних та неорганчних речовин, багато з яких застосовуються в якост добрив для пдвищення продуктивност та росту рослин. Антропогенний вплив на кругообг азоту визначаться наступними процесами Спалювання палива призводить до утворення оксида азоту, а псля цього до реакцй 2NO

O2 2NO2 , 4NO2 2H2O. O2 4HNO3, сприяючи випаданню кислотних дощв В результат впливу деяких бактерй на добрива вдходи тваринництва утворються оксид азото один з компонентв, утворюючих парниковий ефект Видобуток корисних копалин, мстящих нтрат они они аммоня, для виробництва мнеральних добрив При збиранн врожая з почви виносяться нтрат они они аммоня Стоки з полей, ферм та каналзацй збльшують кльксть нтрат онв онв аммоня в водных екосистемах, що присорю

рост водоростей нших рослин при розкладанн яких розходуться кислород, що в кнцевому рахунку призводить до загибел риб. 6. Кругообг фосфору. Фосфор один з основних компонентв головним чином у вигляд живо речовини входить у склад нукленових кислот ДНК РНК, клточних мембран, аденознтрифосфата АТФ и аденозндифосфата АДФ, жирв, ксток зубв. Кругообг фосфора, як нших богенних елементв, вдбуваться по великому и малому циклам. Запасы фосфора, доступн живим стотам, повнстю сконцентрован в лтосфер.

Основн джерела неорганчного фосфора виверження вулканв або осадов породи. В земнй кор вмст фосфора не перевищу 1, що лмтую продуктивнсть екосистем. З пород земно кори неорганчний фосфор залучаться в циркуляцю континентальними водами. Вн поглинаться рослинами, котор при його участ синтезують рзн органчн сполуки таким чином включаються в трофчн ланцюги. Потм органчн фосфаты разом з трупами, вдходами та видленнями живих стот повертаються

в землю, де знов пдвергаються впливу мкроорганзмв претворюються в мнеральн форми, як використовуються зеленими рослинами. В екосистем океана фосфор приноситься текучими водами, що сприя розвитку фтопланктона живих органзмв. В наземних системах кругообг фосфора проходить в оптимальних природнх умовах з мнмумом втрат. В океан справа вдбуваться накше. Це пов язано з постйним осданням седиментацю органческих речовин. Освший на невеликй глибин органчний фосфор повертаться в кругообг.

Фосфати, вдкладен на великих морських глибинах не приймають участь в малому кругообгу. Однак тектончн рухи сприяють пдйому осадових порд на поверхню. Таким чином фосфор повльно перемщуться з фосфатних родовищ на суш млководних океанчних осадв до живих органзмв назад мал. 4. Запаси фосфору на земл мал. Тому вважаться, що фосфор основний фактор, лмтуючий зростання первинно продукц босфери.

Вважають навть, що фосфор головний регулятор всх нших богеохмчних циклв, це найбльш слабка ланка в життвому ланцюз, що забезпечу снування людини. Антропогенний вплив на круговорот фосфору поляга в наступному Видобуток великих клькостей фосфатних руд для мнеральних добрив та миючих засобв призводить до зменшення кльксть фосфору в ботичному кругообгу Стоки з полв, ферм та комунальн вдходи призводять до збльшення фосфат онв у водосховищах, до рзкого зростання водних рослин порушення рвноваги в водних екосистемах.

7. Кругообг срки. З природних джерел срка потрапля до атмосфери у вигляд срководня, диоксида срки часток сульфатних солей мал. 5. Бля одн третини сполук срки 99 диоксида срки антропогенного походження. В атмосфер проткають реакц, що призводять до кислотних опадв 2SO2 O2 2SO3 , SO3 H2O H2SO4 . 8. Кругообг води. Вода, як повтря основний компонент, необхдний для життя. В кльксному спввдношенн це найбльш розповсюджена неорганчна складова живо матер.

Насння рослин, в яких вмст води не перевищу 10, вдноситься до форм уповльненого життя. Таке ж явище ангдробоз спостергаться у деяких видв тварин, як при несприятливих зовншнх умовах можуть втрачати велику частину води в свох тканинах. Вода в трьох агрегатних станах присутня в усх складових босфери атмосфер, гдросфер та лтосфер. Якщо воду, яка знаходиться в рзних гидрогеологчних формах, рвномрно розподлити по вдповдним областям земно кул, то утворяться шари тако товщини для

Свтового океану 2700 м, для льодовикв 100 м, для пдземних вод 15 м, для поверхневих прсних вод 0.4 м, для атмосферно вологи 0.03 м. Основну роль в циркуляц та богеохмчному кругообгу води вдгра атмосферна волога, незважючи на вдносно малу товщину шару. Атмосферна волога розподлена по Земл нервномрно, що обумовлю велик розбжност в клькост опадв в рзних районах босфери. Середнй вмст водян пари в атмосфер змнються в залежност вд географчно широти.

Наприклад, на Пвнчному полюс воно рвно 2.5 мм в стовп повтря з поперечним перетином 1 см2, на екватор - 45 мм. Вода, випавша на сушу, псля цього витрачаться на просочування або нфльтрацю, випаровування та сток. Просочування особливо важливо для наземних екосистем, бо сприя постачанню грунтв водою. В процес нфльтрац вода надходить у водоносн горизонти та пдземн рки. Випаровування з поверхн грунту також вдгра важливу роль у водному режим мсцевост, але бльш значну кльксть

води видляють сам рослини свом листям. Причому кльксть води, що видляться рослинами, тим бльше, чим краще вони нею постачаються. Рослини, що виробляють одну тону рослинно маси, поглинають як мнмум 100 т води. Головну роль в круговорот води на континентах вдгра сумарне випаровування дерева грунт. Остання складова кругообгу води на суш сток. Поверхневий сток та ресурси пдземних водоносних шарв забезпечують живлення водних потокв. Разом з тим при зменшенн щльност рослинного покрову сток ста основною причиною

ероз грунту. Як вже вдмчалося, вода бере участь в бологчному цикл, являючись джерелом кисня та водорода. Однак фотолз при фотосинтез не вдгра суттво рол в процес кругообга. 9. Антропогений вплив на навколишн середовище. Проблеми народонаселення та ресурсв босфери тсно повязан з реакцями навколишнього природного середовища на антропогенний вплив. Природний екологчно сбалансирований стан навколишнього середовища зазвичай називають нормальним.

Цей стан, при якому окрем групи органзмв босфери взамодють один з ншим та з аботичним середовищем без порушення рвноваги кругообгв речовин та потокв енерг в межах певного геологчного пероду, обумовлене нормальним протканням природних процесв в всй геосфер. Природн процеси можуть мати катастрофчний характер, наприклад виверження вулканв, землетрус, повнь, що, однак, також склада норму природи. Ц та нш природн процеси поступово, з геологчною швидкстю, еволюцонують

в той же час на протяз тысячорчч протягом одного геологчного пероду залишаються в сбалансированному стан. При цьому проткають малий бологчний та великй геологчний кругообги речовин та встановлюються енергетичн баланси мж рзномантними геосферами космосом, що подну природу в дине цле. Кругообги речовин та енерг в босфер характеризуються певними кльксними параметрами, як специфичн для даного геологчного пероду для кожного елементу земно поверхн у вдповдност з хньою географю.

Зазвичай в якост основних параметрв, що характеризують стан навколишнього природного середовища, видляють наступн Энергетичний Е Е0 Е, де Е0 запас енерг в систем у момент часу t0 Е - енергетичний баланс системи за час t, тобто в перод вд t t0 до t t0 t . Водний W W0 W, де W0 запас води в систем у момент часу t0 W водний баланс системи за час t, тобто в перод вд t t0 до t t0 t .

Бологчний В В0 Вв - Вm, де B0 початкова бомаса Вв бологчна продуктивнсть Вm мнералзаця органки за час t . Богеохимчний G G0 Gв - Gg, где G0 запас хмчних елементв в систем Gв и Gg змна запасу хмчних елементв внаслдок бологчного та геологчного кругообга речовин. Ц параметри стану навколишнього середовища можуть бути кльксно визначен експериментальним шляхом для

кожного району, великого регону, природно зони або ландшафтно-географчного пояса, нарешт, для земно кул вцлому вони кльксно характеризують стан та просторову неоднорднсть середовища. Геохмчний параметр стану навколишнього середовища також суттво змнився, особливо у вдношенн бологчного геологчного кругообгв. Пд впливом людсько дяльност вдбуваються велик змни в розподл хмчних елементв в босфер, природна та антропогенна трансформаця речовин, а також перехд хмчних елементв з однх сполук

до нших. Природний бологчний кругообг речовин порушений людиною на площ, яка досяга майже половини вс поверхн суши антропогенн пустел, ндустральн та мськ земл, сади, вторинн низькопродуктивн лси, виснажен пасовища т. д. Поршенню геологчного кругообгу речовин сприяли так фактори Ерозия почвенного покрову зростання твердого стоку в океан Перемщення величезних мас земно кори Видобування з надр чималих клькостей руд, пальних та нших копалин

Перерозподл сол в грунтах, грунтових та рчкових водах пд впливом зрошувального землеробства Застосування мнеральних добрив та ядохмкатв Забруднення середовища сльськогосподарськими, промисловими комунальними вдходами Потрапляння до природного середовища енергетичних забруднень. Таким чином, дослдження змн параметрв стану навколишнього природного середовища хоча на яксному рвн дозволя зробити висновок про вдсутнсть в ниншнй час глобально екологчно кризи.

В той же час вс пдстави вважати тепершнй стан босфери порушеним неномальным. Такий стан може перейти в кризовий, якщо людство не проведе спецальн заходи по оздоровленню навколишнього середовища. В ниншнй час вся територя нашо планети пдвержена рзним антропогенним впливам. Серйозний характер набули наслдки руйнування боценозв забруднення середовища. Вся босфера знаходиться пд все бльш зростаючим тиском дяльност людини.

Актуальним завданням в наш час стають природоохоронн заходи, як людство повинно застосовувати як умога частше.