КРУГООБОРОТ УГЛЕРОДА И КИСЛОРОДА В ПРИРОДЕ

1.2.3. КРУГООБОРОТ УГЛЕРОДА И КИСЛОРОДА В ПРИРОДЕ

Содержание углерода в земной коре невелико (0,1—0,2% масс), но его соединения являются основой всех форм жизни. С кругооборотом углерода непосредственно связан кругооборот кислорода в биосфере, а также циклы азота, фосфора и серы. Очевидно, обогащение живого вещества (до 18% масс) и почв (2—3% масс) углеродом, в свою очередь способствовало накоплению кислорода в атмосфере. Биогеохимический цикл углерода определяет энергетику биосферы, так как жизнедеятельность растительных фотосинтезирующих организмов и их взаимодействие с животными, микроорганизмами и неживой природой являются наиболее общим механизмом фиксации, накопления и перераспределения космической энергии, поступающей на Землю.

Кратко кругооборот углерода в биосфере можно описать следующим образом Атмосфера и вода океанов представляют собой резервуары активного неор­ганического фонда углерода, который содержится там в виде диоксида в свободном (2,1*1012m) и растворенном (1,З*1014 т) виде. Между атмосферой и океаном постоянно происходит обмен диоксидом углерода. Повышение концентрации и парциального давления С02 в атмосфере и охлаждение вод (региональное или сезонное) сопровождается соответствующим увеличением концентрации диоксида углерода в воде и образованием растворов бикарбонатов металлов по реакции:

со2 + н2о - н2со3

Н2С03 + СаС03 - Са(НС03)2

В последующем бикарбонаты могут, выпадая в осадок, связывать часть С02 в кар­бонатах. Другая часть С02 при этом вновь выделяется в атмосферу. Уменьшение концентрации диоксида углерода в атмосфере или повышение температуры вызывает дегазацию вод океана. При этом в осадок выпадает эквивалентная часть углекислого кальция:

Са(НС03)2 - СаС03| + Н2С03 Н2С03 - С02 + Н20

Таким образом, образуются осадочные карбонатные породы, и углерод уходит из кругооборота в длительный геологический цикл. Общее количество накопленного в осадках карбонатов кальция и магния углерода оценивается величиной n*106 т.

В целом Мировой океан действует как огромный насос, поглощая углекислый газ в высоких широтах, где вода имеет низкую температуру, и выделяя его в тропиках, где температура воды поднимается, при этом отмечается соответствующее увеличение парциального давления СО2 в атмосфере.

Другим механизмом поглощения диоксида углерода из атмосферы и гидросферы с соответствующим выделением свободного кислорода является фотосинтез.

Процесс связывания углерода в форме органических соединений начался на Земле намного позже геохимического связывания углерода в виде карбонатов.

Углерод сосредоточен здесь в органическом веществе осадочных пород (главным образом, в сланцах и глинах) — n*106 т, в ископаемом горючем 1013—1014 т, в отмершем органическом веществе, гумусе почв и растворенных органических веществах океана — 1013 т.

Диоксид углерода возвращается в активный неорганический фонд в результате дыхания растений и животных, жизнедеятельности микроорганизмов, обеспечивающих процессы разложения и гниения, а также за счет окисления гумуса почв, торфа и лесных подстилок, лесных и степных пожаров и т. п. Некоторое количество диоксида углерода, так называемые ювенильные поступления, выделяется вследствие вулканической деятельности.

Общепризнано, что биогеохимический цикл углерода нарушен в биосфере крайне сильно. Количество диоксида углерода, создаваемого в процессе хозяйственной деятельности человека и поступающего в атмосферу, достигло величины порядка.

1.2.4. КРУГООБОРОТ АЗОТА В ПРИРОДЕ

Азот в жизни планеты играет столь же существенную роль, что и углерод, лишь немного уступая последнему в биофильности. Общая направленность биогеохимического кругооборота азота на планете выражена в его аккумуляции в молекулярной форме в атмосфере, где сосредоточено около 75% всего азота биосферы — 5-Ю15 т. Живое вещество и почвы противостоят этой общей тенденции.

Цикл азота самый сложный и хорошо организованный в природе (рис. 2.5). Атмосферный воздух, на 78% состоящий из азота, представляет собой его основной резервный фонд. Ведущую роль в кругообороте азота играют микроорганизмы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий и снова включается в кругооборот в результате деятельности азотофиксирующих бактерий, водорослей и образования соединений азота при электрических разрядах — молниях и фотохимической фиксации. При этом азот переводится в нитратную форму, наиболее пригодную для использования зелеными растениями для синтеза белка и образования растительной и далее животной протоплазмы. Азот протоплазмы в свою очередь переходит из органической в неорганическую форму в результате деятельности ряда бактерий — редуцентов, причем каждый вид выполняет свою часть работы. Некоторое количество этого азота в конечном итоге переводится в нитратную форму, чем цикл и завершается. Часть азота из густонаселенных областей суши, пресных вод и мелководных морей уходит в глубоководные океанические отложения и, таким образом, выключается из кругооборота, по крайней мере на длительный срок, измеряемый миллионами лет. Эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами. Здесь, кстати, проявляется известная польза и необходимость вулканических извержений. Если бы технически оказалось возможным блокировать все вулканы на Земле, то при этом от голода погибло бы больше людей, чем гибнет сейчас от извержений. Частично соединения азота могут возвращаться из моря на сушу по трофическим цепям планктон — рыбы — птицы, накапливаясь в виде залежей гуано.

Вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и аммония, азота в почвах мало и почти всегда недостаточно для питания растений. Общее содержание азота в почвах тем выше, чем они богаче запасами гумуса. Лишь в особых условиях ряда пустынь азот может накапливаться в больших количествах в форме залежей нитратов — селитры.

Антропогенные нарушения в балансе биогеохимического кругооборота азота на планете и особенно на суше весьма велики и локально уже вызывают отрицательные и даже смертельные для человека последствия — болезнь метгемоглобанемия. Установлено, что разовые заболевания возникают, если содержание нитратов в воде достигает 40—50 мг/л, и встречаются часто, если концентрация нитратов превышает 95 мг/л. Предел, рекомендованный Всемирной организацией здравоохранения, составляет 45 мг/л. Рост численности населения, рост потребностей в питании, и особенно белковом, потребовали развития животноводства и растениеводства, в частности внедрения культур, дающих ценную белковую продукцию (пшеницу, рис, сою). Все это стало возможным в последние десятилетия только при условии очень быстрого увеличения урожаев на основе высоких норм минеральных азотных удобрений. В мире ежегодно производится и вносится в почвы более 30 млн. тонн азота в виде минеральных удобрений. В странах Западной Европы средние нормы вносимого с удобрениями азота достигли 100—150 кг/га. Азотные удобрения уже составляют около 30% общих поступлений связанного азота в почву и океан.

Установлены многочисленные факты того, что избыточные нормы удобрений и особенно их небрежное внесение на поля приводят к эвтрофикации среды и тяжелым заболеваниям людей и животных. Нитратный азот не сорбируется почвами, легко вымывается почвенными водами, восстанавливается в газообразные формы и поэтому в больших количествах (до 40%) теряется для питания растений. Потребление азотных удобрений в земледелии и лесоводстве в будущем будет расти параллельно росту численности и потребностей населения планеты. При этом, несмотря на новые формы и технику применения азотных удобрений, антропогенные поступления азота в кругооборот веществ на суше, как показывают прогнозы, будут удваиваться каждые 10—15 лет.

В настоящее время преобладает тенденция уменьшения роли биогенной фиксации азота в общем кругообороте его на планете, что вызвано уничтожением лесов, заменой бобовых злаками, разрушением гумусовых горизонтов почв, богатых микрофлорой, сокращением свободной поверхности под покровом городов, дорог, сооружений, свалок. Еще более существенным фактором нарушения баланса, уровня концентраций и форм соединений азота в атмосфере, и особенно в гидросфере и почвах, являются промышленные загрязнения. Выделение оксидов азота и аммиака при сжигании угля, нефти, мазута, бензина, торфа, сланцев и т. д. достигает десятков миллионов тонн и приводит к образованию разбавленной азотной кислоты и отчасти аммонийных солей, выпадающих с осадками на сушу и поверхность океана. Возможно, что эти поступления соединений азота являются виновниками известных случаев опасного загрязнения окружающей среды нитратами и аммиаком. Выпадение подкисленных атмосферных вод и постепенное увеличение их кислотности наблюдается во многих районах планеты. Подкисление среды усиливает выветривание минералов, способствует вымыванию из почвы кальция, магния и других элементов питания и в конечном итоге снижает урожайность сельскохозяйственных культур.

Другим существенным фактором нарушения кругооборота азота в природе являются отходы промышленного животноводства и птицеводства, а также бытовые отходы и стоки крупных городов. Эти отходы и стоки часто создают локальные загрязнения соединениями азота до токсического уровня почвы и водоемов. Ежегодный избыток азота в биосфере по приближенным подсчетам достигает десятков миллионов тонн. Искусственное усиление процессов денитрификации является нелегкой задачей и в конечном итоге стало бы расхищением ценностей, созданных природой и человеком. Растущая потребность человечества в азотных удобрениях неизбежна и должна быть удовлетворена по возможности быстрее. При этом необходимо коренное улучшение культуры и практики применения удобрений, создание менее растворимых и более стойких форм. Дисциплина и научно-техническая тщательность внесения удобрений особенно должны быть повышены для того, чтобы исключить случаи отравления почв, воды, продукции избытками нитратов и нитритов. Одновременно необходимо максимально сократить поступление соединений азота в биосферу с промышленными и другими отходами.