Промислова екологія - Апостолюк C.O. - 1.3. Біохімічний цикл міграції речовин у біосфері

Все живе в біосфері утворює живу речовину. Живі організми відіграють дуже важливу роль у геологічних процесах, які формують Землю. Хімічний склад сучасних атмосфери та гідросфери зумовлений життєдіяльністю організмів. Велике значення організми відіграють також для формування літосфери — походження більшості порід, і не лише осадових, а й таких, як граніти, так чи інакше пов'язане з біосферою. Мінеральна інертна речовина переробляється живими організмами, перетворюється в якісно нову. Живі організми не лише пристосовуються до умов зовнішнього середовища, а й активно змінюють їх. Таким чином, жива та нежива речовини на Землі утворюють гармонійне ціле.

Хімічний стан зовнішньої кори нашої планети, біосфери, повністю визначається живими організмами. Безперечно, енергія, що надає біосфері природного вигляду, має космічне походження — випромінюється Сонцем як промениста енергія. Але живі організми, тобто сукупність життя, перетворюють цю космічну променисту енергію у земну, хімічну, формуючи нескінченну різноманітність нашого світу. Це живі організми, які диханням, живленням, метаболізмом, смертю і розмноженням, постійним використанням власної речовини, яке триває сотні мільйонів років безперервною зміною поколінь, породжують одне з найвеличніших планетних явищ, що не існує ніде, крім біосфери.

Одним з проявів біологічної активності організмів є швидкість розмноження. Одноклітинна водорість діатомея теоретично здатна за вісім днів утворити масу живої матерії, що дорівнює земній, а протягом наступного дня подвоїти її.

Згідно з сучасними оцінками, суха маса живої речовини на Землі становить 2—3 трлн т. Порівняно з основними сферами Землі це дуже мала величина. Жива речовина відрізняється від неживої надзвичайно високою активністю, зокрема, дуже швидким кругообігом речовин. Вся жива речовина біосфери оновлюється в середньому за вісім років. Життєдіяльність тварин, рослин і мікроорганізмів супроводжується безперервним обміном речовин між організмами та середовищем, унаслідок чого всі хімічні елементи земної кори, атмосфери й гідросфери багаторазово входили до складу тих чи інших організмів.

Живі організми відіграють величезну роль в акумуляції сонячної енергії. Наприклад, поклади кам'яного вугілля — це сонячна енергія, накопичена зеленими рослинами минулих геологічних епох. Аналогічно можна визначити й походження багатьох мінералів, зокрема вуглекислого кальцію, який утворює величезні обсяги вапняків і майже на 100 % має біогенне походження. Живі організми відіграють важливу роль у накопиченні багатьох металів, таких як залізо, мідь, марганець. Велике значення для біосфери й господарської діяльності людини має кругообіг азоту, сірки, фосфору та інших елементів.

Жива речовина значно прискорила й змінила кругообіги у біосфері різних речовин — води, кисню, азоту, вуглекислого газу тощо.

1.3. Біохімічний цикл міграції речовин у біосфері

Біосфера — це енергетично незамкнута система, в якій тепло поглинається із зовнішньої системи та застосовується в ізотермічних умовах. Використана біосферою енергія може бути визначена за формулою [1]

де АН — притік теплоти; Т — температура, °К; Д5 — ентропія.

Енергія 0 використовується біосферою для поліпшення та розвитку біологічних процесів і речовин в екосистемах. Односторонній притік енергії до біосфери є одним із фундаментальних законів екології.

Другий фундаментальний закон екології констатує наявність кругообігу хімічних елементів і речовин в екосистемах.

Розрізняють три основні типи біохімічних кругообігів: кругообіг води, кругообіг елементів переважно в газоподібній фазі та кругообіг елементів переважно в осадковій фазі. На рис. 1.2 наведена схема біохімічного кругообігу речовин в осадковій фазі. Схематично його можна відобразити таким чином. Вивержені глибинні породи мантійного походження, такі як базальти, під дією тектонічних процесів виводяться з надр Землі в біосферу. Під впливом сонячної енергії та живої речовини вони вивітрюються, переносяться, відкладаються, перетворюючись на різноманітні осадкові породи. Рівень ентропії речовин при цьому знижується, тому що в осадкових породах зосереджується, "консервується" сонячна енергія.

Кругообіг води істотно залежить від атмосферної вологи, що потрапляє в атмосферу в процесі випаровування з поверхні води

Рис. 1.2. Схема біохімічного кругообігу речовин в осадковій фазі

під впливом сонячної енергії. Внаслідок охолодження атмосфера повертає воду на сушу або в гідросферу у вигляді опадів. У цьому процесі 7/9 води надходить до моря та океану, а 2/9 — на сушу [1].

Зрозуміло, що, перебуваючи в забрудненій атмосфері, вода розчиняє токсичні речовини, а атмосферні опади будуть забруднювати моря, океани та поверхню суші. Вода, яка випала на сушу, теж може взаємодіяти із забруднювачами ґрунту. Істотне забруднення води спричиняється поверхневими, промисловими і побутовими стоками, потраплянням твердих часток та інших речовин.

Кругообіг кисню значною мірою залежить від процесів фотосинтезу, що відбувається в клітинах зелених рослин. Кількість кисню, що надходить в атмосферу, загалом залежить від стану біомаси Землі. Забруднюючи моря та океани, знищуючи ліси, людина негативно впливає на процеси відновлення кисню. Аналогічний вплив справляється і на процес утворення кисню внаслідок зменшення притоку сонячної енергії, оскільки від цього залежить фотосинтез рослин.

Потік сонячної енергії — єдине джерело енергії для біосфери. Понад 30 % сонячної енергії, що досягає верхньої межі стратосфери, одразу відбивається атмосферою у космічний простір, ще 8 % — пилом, що знаходиться в повітрі у зваженому стані. Понад 10 % поглинається водяною парою, озоном та іншими газами. 52 % сонячного випромінювання досягає Землі. З цієї кількості енергії 10 % витрачається на відбивання, 50 % — на випаровування і лише 40 % залишається у біосфері, з чого лише чверть припадає на процеси фотосинтезу.

Із наведеного випливає, що стан екосистем і процеси енерго- й масообміну в них чутливі до антропогенних впливів, а склад атмосфери та кругообіг хімічних елементів в екосистемі надзвичайно вразливі на всіх стадіях.