<<
>>

6.2.1. Природные биогеохимические циклы химических элементов и их техногенное нарушение. 

  Биогеохимические циклы химических элементов — сопряженно протекающие на земной поверхности под влиянием солнечной энергии циклические процессы биотической и абиотической трансформации соединений химических элементов, составляющие единый круговорот этих элементов.
Химическое загрязнение биосферы какими-либо веществами нарушает сбалансированные потоки этих веществ в экосистеме, что вызывает негативную реакцию живых организмов, которые в свою очередь утрачивают способность выполнять свою функцию по обеспечению биогеохимического круговорота этих веществ.

Углерод, азот, сера входят в состав и минеральных, и органических соединений биосферы. Это важнейшие биогенные элементы, определяющие состояние живых организмов, обеспечивающие жизнь на планете. С другой стороны, они доминируют в составе поллютантов, поступающих из различных техногенных источников во все возрастающих количествах. Антропогенное поступление соединений этих элементов в биосферу нарушает биогеохимические циклы этих элементов, и это опасно для биосферы.

Биогеохиминеский цикл углерода и его антропогенное нарушение. Углерод — элемент наиболее активно участвующий и в геологическом, и в биологическом круговороте, трансформация его соединений тесно связана с жизнедеятельностью организмов. Цикл углерода составляют два главнейших процесса: фиксация С02 из атмосферы и выделением С02 в атмосферу. Биологическое поглощение С02 из атмосферы осуществляется за счет солнечной энергии преимущественно высшими растениями в ходе фотосинтеза. Затрачивается С02 на создание первичной органической продукции, и его значительная часть оказывается в составе растений и животных. Пополняется запас С02 в атмосфере при дыхании растений, животных, при жизнедеятельности редуцентов органического вещества в почве, а также за счет разложения органических остатков микроорганизмами после отмирания живых организмов. Образовавшийся С02 вновь вовлекается в биогенный круговорот.

Основная часть углерода в органической форме закрепляется в почве в форме гумуса, в отложениях торфа, нефти, газа, угля, находящихся в ископаемом состоянии. Аккумуляция углерода происходит также в форме карбонатов.

Процессы поглощения и выделения С02 осуществляются живыми организмами и проходят с участием кислорода: продуктом фотосинтеза является кислород, поступающий в атмосферу; из атмосферы кислород потребляется микроорганизмами, осуществляющими минерализацию органических веществ. Процессы эти имеют глобальное биосферное значение.

Для существования живых организмов важен газовый баланс углерода в атмосфере. Нарушение цикла углерода опасно для живых организмов. Но это нарушение уже происходит. Количество сжигаемого топлива растет, увеличивается и количество С02 в атмосфере, которое полностью зеленые растения усвоить не в состоянии, особенно на фоне глобальной деградации лесов.

Биогеохиминеский цикл азота и его антропогенное нарушение. Азот присутствует во всех природных средах в форме органических и минеральных соединений. В воздухе атмосферы он преобладает (80%). Органические соединения азота (белки, аминокислоты) присутствуют в телах животных и растениях, минеральные соединения (нитрат, нитрит, аммонийные ионы) — в воде. В форме и органических и минеральных соединений азот находится в почве. Круговорот азота, как и углерода, совершается и по большому и по малому циклам (в геологическом и биологическом круговороте).

Азотфиксация молекулярного азота атмосферы почвенными микроорганизмами — важнейший процесс, сопоставимый по значению и масштабу с фотосинтезом. Усвоенный в ходе этого процесса азот переходит в состав органических соединений, преимущественно белков. После отмирания и распада микробных клеток он используется растениями.

Азотсодержащие органические соединения под влиянием микроорганизмов подвергаются аммонификации (минерализации), в ходе которой образуется аммиак. Он подвергается различным превращениям: адсорбируется почвенными частицами, потребляется почвенными микроорганизмами, выделяется в атмосферу.

Чрезвычайно важен процесс нитрификации — окисление аммиака микроорганизмами до нитратов. Последние усваиваются высшими растениями, закрепляются микроорганизмами, частично вымываются. Часть нитратов микроорганизмами почвы подвергается денитрификации, т.е. восстановлению до нитритов и далее до молекулярного азота. Молекулярный азот возвращается в атмосферу. Процесс денитрификации по масштабам сопоставим с азотфиксацией. Ежегодное поступление в атмосферу 270—330 млн т N2 обеспечивает баланс азота в атмосфере. Огромные количества техногенного азота в нитратной форме поступают в атмосферу преимущественно с отходами энергетики и автотранспорта. Они нарушают сбалансированные потоки азота в биосфере.

Биогеохимический цикл серы и его антропогенное нарушение. Основная часть серы на земной поверхности находится в форме минеральных соединений (в окисленной, восстановленной форме, реже в свободной). Растения и микроорганизмы усваивают сульфаты из почвы, переводят ее в восстановленное состояние, в котором она оказывается в составе органических соединений (белки, аминокислоты) живых организмов. После отмирания живых организмов происходит микробная минерализация серусодержащих органических веществ. Состав образующихся при этом продуктов зависит от обстановки. В аэробных условиях идут окислительные процессы с образованием окисленных соединений серы и сульфатов, в анаэробных — восстановление с образованием сероводорода и соединений типа меркаптанов. Окисление сероводорода и других продуктов осуществляют тоже микроорганизмы, специфические для аэробных и анаэробных условий.

Нарушение цикла серы происходит за счет техногенного поступления ее преимущественно в форме диоксида — газа, образующегося при различных производственных процессах, главным образом при сжигании топлива.

Биогеохимические циклы микроэлементов (тяжелых металлов и металлоидов) и их антропогенное нарушение. Металлы в земной коре присутствуют преимущественно в составе различных минералов в соответствии со свойствами металлов и условиями формирования содержащих их минералов и пород. Собственные минералы микроэлементов в почвах или отсутствуют, или присутствуют в микроколичествах. В почве они образуют систему соединений, взаимосвязанных с соединениями типоморфных элементов. Среди них есть соединения, прочносвязанные с минеральной частью почвы (это первичные и вторичные алюмосиликаты, несиликатные соединения железа, алюминия, марганца, труднорастворимые соли, в том числе карбонаты), с органическими компонентами (органические остатки и продукты их трансформации, гумусовые вещества), с органоминеральными соединениями. Подвижные соединения микроэлементов присутствуют в почвенном растворе, в почвенном воздухе. Важны потенциально подвижные соединения, присутствующие в составе твердых фаз, но находящиеся в динамическом равновесии с почвенным раствором, среди которых велика роль органо-минеральных соединений. Важное значение имеют соединения микроэлементов, аккумулированные микроорганизмами.

Все соединения микроэлементов находятся в состоянии динамического равновесия. Находящиеся в растворе металлы могут вымываться, усваиваться растениями (частично удаляться с урожаем), потребляться микроорганизмами, закрепляться минералами и органическими веществами. Запас их может пополняться за счет разрушения носителей более прочно удерживаемых форм. Микроэлементы, удерживаемые растениями, микроорганизмами, органическими веществами могут освобождаться за счет их минерализации и менять форму своего присутствия в почве.

Поступившие из техногенных источников загрязняющие почву металлы и металлоиды пополняют в основном запас менее прочно удерживаемых почвенными компонентами соединений. Это приводит к нарушению биогеохимического цикла этих элементов. Формы проявления последствий этого явления различны. Рост в разы или в десятки раз количества подвижных соединений металлов ведет к увеличению их водной и биогенной миграции. Эти же соединения в загрязненных почвах оказывают токсическое действие на почвенную биоту, прежде всего на микроорганизмы, которые активны в минерализации металлсодержащих органических веществ. Свойства самих органических веществ почвы вследствие их взаимодействия с металлами меняются, в результате чего меняется их способность удерживать микроэлементы. 

<< | >>
Источник: Мотузова Г.В., Карпова Е.А.. Химическое загрязнение биосферы и его экологические последствия. Учебник.. 2013

Еще по теме 6.2.1. Природные биогеохимические циклы химических элементов и их техногенное нарушение. :

  1. § 3.2.2. ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ПОНЯТИЙ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В КУРСЕ ХИМИИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ Значение понятия «химический элемент» в курсе химии средней школы
  2. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В ПРИРОДЕ И ИХ НАРУШЕНИЕ ЧЕЛОВЕКОМ В. А. К о в д а
  3. Группы и типы биогеохимических циклов (БГХЦ)
  4. Регионально-бассейновые биогеохимические циклы
  5. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СОЕДИНЕНИЙ
  6. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДНЫХ ЗОНАХ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ СССР Т.И.Евдокимова, Т.Л. Быстрицкая, В.Д. Васильевская, Л.А. Гришина, Е.М. Самойлова
  7. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ УГЛЕРОДА Л.А. Гришина Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
  8. БИОГЕОХИМИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ АЗОТА В.Н.Куд еяров Институт агрохимии и почвоведения АН СССР
  9. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ КРЕМНЕЗЁМА А.Г. Назаров
  10. О БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ ИЗОТОПОВ СЕРЫ В ПОЧВАХ В. В. Буйлов, И. В. Буйлова
  11. РЕКОМЕНДАЦИИ РАБОЧЕЙ ГРУППЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ 'ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ' (азота, фосфора, серы, калышя)
  12. РЕКОМЕНДАЦИИ РАБОЧЕЙ ГРУППЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ГРУППЫ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСтв
  13. ПРОГРАММА ГЛОБАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ П. Дювинье