Екологія довкілля. Охорона природи - Грицик В. - Кругообіг азоту

Утворення живої речовини та її розклад - це дві сторони єдиного процесу, який називається біологічним кругообігом хімічних елементів. Життя - це кругообіг елементів між організмом і середовищем. Причина біологічного кругообігу - обмеженість ресурсів елементів, з яких будуються тіла організмів.

Процеси кругообігу речовин у біосфері прийнято розділяти на великий (геологічний) та малий (біологічний) кругообіг.

Рушійною силою великого (геологічного) кругообігу є тектонічні процеси і сонячна енергія. Його потужність - 2 o 1016 т на рік, а тривалість існування - понад 4 млрд. років. Малий (біологічний) кругообіг речовин пов'язаний з діяльністю живої речовини. Його сукупна потужність перевищує 5 o 10й т на рік. Обидва кругообіги протікають одночасно та пов'язані між собою. Вони утворюють єдиний біогеохімічний цикл - циклічне постійне перетворення речовин та зміну потоків енергії з просторовим масоперенесенням за рахунок сукупної дії біотичних та абіотичних трансформацій речовини. В межах єдиного біогеохімічного циклу біосфери найбільше значення мають кругообіги 6 елементів: водню, кисню, вуглецю, азоту, фосфору і сірки (рис. 1.1).

Кругообіг вуглецю. Маса вуглецю в біосфері перевищує 12000 млрд. т. Кругообіг вуглецю відбувається фактично між живою

А. Біогеохімічний цикл води

Б. Біогеохімічний цикл вуглецю

В. Біогеохімічний цикл азоту

Г. Біогеохімічний цикл фосфору

Рис. 1.1. Біогеохімічні цикли в біосфері (А - Г)

речовиною та двоокисом вуглецю (С02). У процесі фотосинтезу, здійснюваного рослинами, двоокис вуглецю (вуглекислий газ) і вода за допомогою енергії сонячного світла перетворюються на складні органічні сполуки. Щорічно зелені рослини поглинають 200 млрд. т вуглецю. Більша його частина повертається в атмосферу завдяки процесам дихання. Відмерлі рослинні і тваринні організми розкладаються грибами та мікроорганізмами, що супроводжується виділенням С02, який теж повертається в атмосферу. Загальний запас вуглецю в атмосфері становить 711 млрд.т. Ще більше його містить так звана "карбонатна система" Світового океану - 390 трлн. т. Карбонатну систему океанів складають різноманітні живі організми - найпростіші, водорості, корали, молюски тощо, які нагромаджують вуглекислий кальцій у своїх тілах. Повний цикл обміну біосферного вуглецю здійснюється протягом 300 - 1000 років.

Кругообіг води

Вода вкриває поверхні Землі. За одну хвилину під дією сонячного тепла з поверхні водойм Землі випаровується 1 млрд. т води. Внаслідок конденсації водяної пари утворюються хмари, випадають атмосферні опади. Опади проникають у ґрунт, ґрунтові води повертаються на поверхню землі через джерела. Загальний запас води в гідросфері становить 138 -1016 т. Маса водної пари в атмосфері - 130 o 10м т. Швидкість циркуляції води дуже велика: вода океанів поновлюється за 2 млн. років, ґрунтові води - за рік, річкові - за 12 діб, водна пара в атмосфері - за 10 діб. Щорічно для створення первинної продукції біосфери в процесах фотосинтезу використовується близько 1% води, що потрапляє у вигляді опадів. Людина для побутових і промислових потреб використовує вже близько 2,5% загальної кількості опадів за рік.

Кругообіг кисню

Природними продуцентами вільного молекулярного кисню на Землі є зелені рослини, що утворюють його в процесі фотосинтезу. Атмосфера містить 1,2 - 2,0 o 1015 т кисню. Щорічно цей запас поповнюється на 70 - 100 млрд. т за рахунок фотосинтезу зелених рослин, при цьому 55 млрд. т кисню виробляють лісові масиви. Для абсолютної більшості живих організмів кисень є життєво необхідним. Він забезпечує здійснення окислювальних реакцій, під час яких вивільнюється необхідна для життєдіяльності організмів енергія. У природі відбувається постійний кругообіг цього газу в результаті збалансованих процесів використання атмосферного кисню для дихання, окислювальних процесів і виділення його у вільному вигляді при фотосинтезі. За розрахунками, повний кругообіг кисню у біосфері здійснюється за 2000 років.

Кругообіг азоту

Атмосфера є найбільшим резервуаром газоподібного азоту (3,9 o 1019т, або 78 % за об'ємом). Для більшості організмів він є нейтральним газом. Лише для великої групи мікроорганізмів азот є фактором життєдіяльності. Засвоюючи молекулярний азот, такі мікроорганізми після відмирання забезпечують корені вищих рослин доступними формами цього елементу, який включається в склад амінокислот, білків та пігментів. Кругообіг азоту здійснюється за допомогою двох взаємно збалансованих процесів - нітрифікації (послідовне окислення вільного азоту до нітратів, що поглинаються коренями рослин) і денітрифікації (відновлення азотовмісних сполук до вільної форми). Обидва процеси здійснюються бактеріями. Біологічна фіксація азоту становить приблизно 126 млн. т в рік. За рахунок абіогенної фіксації (наприклад, при розрядах блискавок чи виверженнях вулканів) у біосферу додатково поступає 26 млн. т азоту в нітратній формі.

Кругообіг фосфору

Цей важливий і необхідний для живих організмів елемент циркулює, поступово переходячи з органічних сполук у фосфати, які знову можуть використовуватись рослинами. На відміну від азоту, резервуаром фосфору служить не атмосфера, а гірські породи та інші відклади, що утворились у минулі геологічні епохи. Ці породи поступово піддаються ерозії, вивільнюючи фосфати в екосистеми, але велика кількість фосфатів попадає в море, де частково відкладається у мілководних осадах, а частково губиться у глибоководних. Механізми повернення фосфору в кругообіг вірогідно недостатньо ефективні і не поповнюють втрат. Діяльність людини призводить до посиленої втрати фосфору за рахунок ерозії ґрунтів. З іншого боку, активне використання фосфору в добривах призводить до евтрофікації ("надудобрення") вод, що супроводжується бурхливим розмноженням водоростей ("цвітіння води"), які поглинають розчинений у воді кисень і виділяють токсичні продукти обміну. Сформовані природні екосистеми при цьому руйнуються.

Кругообіг сірки

Охоплює повітря, води і ґрунти, де відбуваються процеси окислення і відновлення, завдяки яким відбувається обмін сірки між фондом доступного для рослин сульфату (SO4) та фондом сульфідів заліза, що знаходяться глибоко в ґрунті і в осадах. Ці хімічні реакції виконують спеціалізовані мікроорганізми - сіркобактерії.

Кругообіги азоту й сірки все більше підпадають під вплив промислового забруднення повітря. Окиси азоту (N2O і NO2) і сірки (SO2) на відміну від нітратів і сульфатів токсичні. Основне джерело SO2 - спалювання вугілля, а NO2 - вихлопні гази та інші промислові викиди. Двоокис сірки реагує з водною парою повітря, утворюючи капельки сірчаної кислоти, котрі випадають на землю з кислим дощем. Кислі дощі стали серйозною проблемою, оскільки спричиняють всихання дерев і закислення озер на величезних територіях Європи і Північної Америки.

Промислові викиди в атмосферу вуглекислого газу і паралельне збільшення споживання кисню, яке до того ж супроводжується зведенням лісових масивів, загрожує руйнуванням балансу O2 - СO2 в атмосфері, що може стати причиною глобальних кліматичних катаклізмів.

Необережне втручання людини в природний перебіг біогеохімічних циклів, які формувалися протягом десятків і сотень мільйонів років еволюції біосфери, може мати катастрофічні наслідки.

1.2.5. Трансформація енергії в біосфері

Живі організми постійно споживають енергію. Первинне джерело енергії в біосфері - Сонце. Живий світ Землі складається з організмів трьох основних типів: автотрофів (продуцентів), гетеротрофів-консументів і гетеротрофів-редуцентів. Потік енергій в біосфері має один напрямок - від Сонця через рослини (автотрофи) до тварин (гетеротрофів), або від продуцентів до консументів і редуцентів.

Автотрофи - це організми, які створюють органічні речовини з неорганічних у процесі фотосинтезу (використовуючи сонячну енергію) або хемосинтезу (використовуючи енергію хімічних реакцій). Автотрофів називають також продуцентами (від лат. - той, хто виробляє). Більшість продуцентів утворюють органічну речовину за рахунок утилізації сонячної енергії, води, вуглекислого газу та мінеральних солей. Це зелені вищі рослини, лишайники, водорості та фотосинтезуючі бактерії. На Землі є близько 350000 видів зелених рослин, а їх сукупна біомаса становить 98 - 99 % всієї маси живої речовини біосфери. У хімічних зв'язках складних органічних сполук, які утворюються продуцентами, зосереджена енергія, що вивільнюється при розкладанні їх у процесі травлення в тварин та інших гетеротрофів.

Гетеротрофи - це організми, що одержують енергію за рахунок харчування автотрофами чи іншими гетеротрофами. До них належать рослиноїдні тварини, хижаки й паразити, а також хижі рослини та гриби. Гетеротрофів поділяють на консументів та редуцентів. Консументи (або фаготрофи) споживають готову органічну продукцію, поїдаючи інші живі організми. Редуценти (або сапротрофи) споживають органічні речовини мертвих тіл рослин і тварин або відходів їх життєдіяльності, розкладаючи їх до простих хімічних сполук (води, вуглекислого газу та мінеральних солей). Таким чином замикається кругообіг речовин у біосфері.

Процеси кругообігу речовин і перетворення енергії є основою динамічної рівноваги і стійкості біосфери. Спрощена схема перебігу цих процесів наведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Матеріально-енергетичний обмін у біосфері (А - автотрофи, Н - гетеротрофи, S - запаси органіки в екосистемах, Е - потік сонячної енергії, е - енергія органічних сполук, товстою суцільною стрілкою показано кругообіг речовин).

Всі функції живих організмів у біосфері (енергетичні, біогеохімічні, організаційні, водотрансформаційні, середовищні тощо) не можуть виконуватися організмами якогось одного виду, а лише їх складним комплексом. За В.І.Вернадським, біосфера Землі сформувалася з самого початку як складна система, з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконує свою роль у загальній системі. Тому в наступному розділі ми перейдемо до розгляду основних компонентів цієї системи - організмів, популяцій та екосистем.