Агрохимия, агропочвоведение и агроэкология: продолжение - Круговорот основных веществ и функции живого вещества в биосфере

Круговорот основных веществ и функции живого вещества в биосфере. Геохимические и биогеохимические циклы основных химических элементов (углерода, азота, серы).

 

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. Энергетическая - фотосинтез, деструктивная - минерализация, концентрационная – накопление веществ, средообразующая – изменение вещественного состава биосферы, газовые – миграция газов и их превращения. Биосферный биогеохимический круговорот углерода – непрекращающийся процесс миграции, распределениярассеяния и концентрации углерода в системе "верхние слои литосферы – океан – нижняя часть атмосферы", соизмеримый с геологической историей земной коры. Данный круговорот определяется как биологическими, так и геологическими процессами (тектонические поднятия, седиментогенез, вулканическая деятельность и др.), в своей совокупности осуществляющими обмен углерода между сушей, океаном и атмосферой. Круговорот углерода в биосфере состоит из двух разных циклов, наземного и морского, связанных через границу между океаном и атмосферой. Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Диоксид углерода, растворенный в морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют при дыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается СО2, усвоенный фитопланктоном. Ежегодное сжигание примерно 5 млрд. т горючих ископаемых должно увеличить атмосферный запас СО2 на 0,7 %, т.е. к 320 млн.–1 (современное содержание СО2) ежегодно должно прибавляться почти на 2 млн.–4. На деле же за год концентрация СО2 в воздухе быстро уходит из атмосферы или в океан, или в наземную флору. Биосферный круговорот углерода состоит из двух разных циклов – наземного и морского (океанического).

Распределение СО2 между органическим веществом почвы, растительностью, атмосферой и океаном играет важную роль в формировании теплового баланса планеты, который зависит как от природных (фотосинтез растений, дыхание корней, животных и микроорганизмов, обменная диффузия на поверхности океана, метаморфизация органических материалов, поступление СО2 из глубин земной коры), так и от антропогенно-техногенных (обработка земли, выжигание растительности, сгорание топлива) процессов. Деятельность человека приводит к дополнительному накоплению углерода в атмосфере, которое катализирует парниковый эффект, что может привести к планетарному потеплению климата. Азот наиболее распространен на Земле в форме газообразного N2 атмосферы. И хотя азот важнейший компонент белков и нуклеиновых кислот, растения не могут непосредственно брать его из атмосферы. Они способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот, т.е. переведенный в другие химические формы - аммиак, ионы аммония, нитрат- и нитрит-ионы. Важнейшая часть цикла - связывание азота: азотфиксирующие бактерии, связывание в атмосферных процессах, промышленная фиксация. Последнее - возрастающая роль. Другой важный процесс цикла азота - восстановление нитрат-ионов до атмосферного азота. Осуществляется почвенными анаэробными бактериями - денитрификаторами. 5[CH2O] + 4NO3- + 4H+ --> 2N2 + 5CO2 + 7H2O Денитрификация - главная причина потерь азота в земледелии (до половины связанного в удобрениях азота уходит в атмосферу. Велика роль антрапогенного фактора в цикле азота. Прежде всего - промышленная фиксация азота (объемы сравнимы с природными). Основной метод фиксации - производство аммиака. Токсичный газ с резким запахом. Взаимодействует с кислотными осадками, образуя плотные туманы: NH3 + SO3 + H2O --> NH4(HSO4) Образование окислов азота при высокотемпературных процессах: N2 + O2 <--> 2NO; 2NO + O2 <--> 2NO2 В реакциях могут принимать участие свободные радикалы, образующиеся, например, в результате реакций в зоне автомобильного выхлопа: H3COO + NO <--> NO2+ H3CO. Оксиды азота обладают общетоксичным и раздражающим действием. Участвуют в образовании кислотных дождей и фотохимического смога (пероксиацилнитраты). Следует отметить среди веществ, обуславливающих антрапогенное воздействие, следует отметить нитриты и нитраты. В пищевой цепи из них образуются N-нитрозосоединения, в частности, нитрозамины. R2N-H + HO-N=O <--> R2N-N=O + H2O Обладают широким спектром токсического действия. Биогеохимический цикл серы имеет весьма своеобразную структуру. В эпоху образования земной коры сера существовала преимущественно в форме сульфидов металлов. Этому способствовали условия - высокая температура и недостаток кислорода в атмосфере. Воздействие появившейся позднее жидкой воды и углекислого газа привело к выделению сероводорода: CaS + CO2 +H2O = CaCO3 + H2S При взаимодействии с кислородом, под влиянием серобактерий сероводород окисляется до свободной серы: 2H2S + O2 = 2H2O + 2S При избытке кислорода образуется серная кислота: 2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4 Последняя при взаимодействии с карбонатами дает сульфаты: CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O Помимо окислительных, в биогеохимическом цикле серы реализуются и восстановительные процессы (взаимодействие при повышенных температурах с органическими веществами): CaSO4 + CH4 ---> CaS + CO2 +2H2O ---> CaCO3 + H2S + H2O Кроме того, при участии растений и животных, сера из сульфатов встраивается в состав белка. Последний после гибели организма разлагается и сера выделяется в виде сероводорода. В естественном круговороте серы окислительные и восстановительные процессы сбалансированы. Действие антрапогенного фактора приводит к превалированию окислительных процессов: при выплавке металлов из сульфидных руд, производстве серной кислоты сульфиды постоянно переводятся в сульфаты. Это нарушает существующее кислотно-основное равновесие в окружающей среде и является одной из причин такого бедствия как кислотные дожди.

Вы здесь: Home Агрохимия, агропочвоведение и агроэкология: продолжение