Биологические круговороты. Принципы и концепции

 

 

 

 

Круговорот кислорода

 

Кислород является необходимым условием существования жизни на Земле. Он входит практически во все биологические соединения, участвует в биохимических реакциях окисления органических веществ, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности организмов биосферы. Кислород обеспечивает дыхание животных, растений и микроорганизмов в атмосфере, почве, воде, участвует в химических реакциях окисления, происходящих в горных породах, почвах, илах, водоносных горизонтах.

Основные ветви круговорота  кислорода:

- образование свободного кислорода  при фотосинтезе и его поглощение  в процессе дыхания живых организмов (растений, животных, микроорганизмов  в атмосфере, почве, воде);

- образование озонового экрана;

- создание окислительно-восстановительных  зональностей;

- окисление окиси углерода при  извержении вулканов, накопление  сульфатных осадочных пород, расход  кислорода в человеческой деятельности  и т.д.; везде участвует молекулярный  кислород фотосинтеза. 

Круговорот фосфора

 

Круговорот фосфора не является очень сложным процессом. Резервуар фосфора - это горные породы, из которых он высвобождается при эрозии.

Углерод, кислород, водород и азот легче и быстрее мигрируют  в атмосфере, так как находятся  в газообразной форме, образуя в  биологических круговоротах газообразные соединения. Для всех остальных элементов, кроме серы необходимых для существования  живого вещества, в биологических  круговоротах нехарактерно образование  газообразных соединений. Эти элементы мигрируют в основном в виде ионов  и молекул, растворенных в воде.

Фосфор, усваиваемый растениями в  виде ионов ортофосфорной кислоты  принимает большое участие в жизнедеятельности всех живых организмов. Он входит в состав АДФ, АТФ, ДНК, РНК и др. соединения.

Круговорот фосфора в биосфере является незамкнутым. В наземных биогеоценозах фосфор после поглощения растениями из почвы по пищевой цепи вновь поступает в виде фосфатов в почву. Основное количество фосфора вновь поглощается корневой системой растений. Частично фосфор может вымываться со стоком дождевых вод из почвы в водные бассейны. В естественных биогеоценозах часто испытывается недостаток фосфора, причем в щелочной и окисленной среде он находится обычно в виде нерастворимых соединений.

Большое количество фосфатов содержат горные породы литосферы. Часть их постепенно переходит в почву, часть разрабатывается  человеком для производства фосфорных  удобрений, большая часть выщелачивается и вымывается в гидросферу. Там  они используются фитопланктоном и  связанными с ними организмами, находящимися на разных трофических уровнях сложных  пищевых цепей.

В Мировом океане потери фосфатов из биологического круговорота происходят за счет отложений остатков растений и животных на больших глубинах. Поскольку фосфор перемещается, в  основном, из литосферы в гидросферу с водой, то в литосферу он мигрирует  биологическим путем (поедание рыб  морскими птицами, использование бентосных  водорослей и рыбной муки в качестве удобрения и т.д.). Из всех элементов минерального питания растений фосфор можно считать дефицитным. 

Круговорот неорганических катионов

 

Жизненно важными кроме основных элементов, входящих в состав живых  организмов (углерода, кислорода, водорода, фосфора и серы), являются и многие другие макро- и микроэлементы - неорганические катионы. В водных бассейнах растения получают необходимые им катионы  металлов непосредственно из окружающей среды. На суше главным источником неорганических катионов служит почва, которая получила их в процессе разрушения материнских пород. В растениях поглощенные корневыми системами катионы передвигаются в листья и другие органы; некоторые из них (магний, железо, медь и ряд других) входят в состав биологически важных молекул (хлорофилла, ферментов); другие, оставаясь в свободном виде, участвуют в поддержании необходимых коллоидных свойств протоплазмы клеток и выполняют иные разнообразные функции.

При отмирании живых организмов неорганические катионы в процессе минерализации органических веществ  возвращаются в почву. Потери этих компонентов  из почвы происходят в результате выщелачивания и выноса катионов металлов с дождевыми водами, отторжения и выноса органического вещества человеком при возделывании сельскохозяйственных растений, рубке леса, скашивании трав на корм скоту и т.д.

Рациональное применение минеральных  удобрений, мелиорация почв, внесение органических удобрений, правильная агротехника  помогут восстановить и поддержать баланс неорганических катионов в биоценозах биосферы.

 

Антропогенный круговорот: круговорот ксенобиотиков

 

Человечество является частью природы  и может существовать только в  постоянном взаимодействии с ней.

Существуют сходства и противоречия между естественным и антропогенным круговоротом веществ и энергии, совершающихся в биосфере.

Естественный (биогеохимический) круговорот жизни имеет следующие особенности:

- использование солнечной энергии  в качестве источника жизни  и все ее проявления на основе  термодинамических законов;

- он осуществляется безотходно, т.е. все продукты его жизнедеятельности,  минерализуются и снова включаются  в следующий цикл круговорота  веществ. При этом за пределы биосферы удаляется отработанная, обесцененная тепловая энергия. При биогеохимическом круговороте веществ образуются отходы, т.е. запасы в виде каменного угля, нефти, газа и других минеральных ресурсов. В отличие от безотходного естественного круговорота антропогенный круговорот сопровождается увеличивающимися с каждым годом отходами.

В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических  извержений есть польза, т. к. с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы (например, азот).

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии.

Огромную роль на биогеохимический круговорот оказывает человек, но в  противоположном направлении. Человек  нарушает сложившиеся круговороты  веществ, и в этом проявляется  его геологическая сила - разрушительная по отношению к биосфере. В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается.

Антропогенный круговорот не ограничивается энергией солнечного света, улавливаемой зелеными растениями планеты. Человечество использует энергию топлива, гидро- и атомных станций.

Можно утверждать, что антропогенная  деятельность на современном этапе  представляет собой огромную разрушительную для биосферы силу.

Биосфера обладает особенным свойством - значительной устойчивостью по отношению  к загрязняющим веществам. Эта устойчивость основана на естественной способности  различных компонентов природной  среды ксамоочищению и самовосстановлению. Но не безгранично. Возможный глобальный кризис вызвал необходимость построения математической модели биосферы как единого целого (система «Гея») с целью получения информации о возможном состоянии биосферы.

Ксенобиотик - чужеродное для живых организмов вещество, появляющееся в результате антропогенной деятельности (пестициды, препараты бытовой химии и другие загрязнители), способное вызывать нарушение биотических процессов, в т.ч. заболевание или гибель организма. Такие загрязнители не подвергаются биодеградации, а аккумулируются в трофических цепях.

Ртуть - весьма редкий элемент. Она рассеяна в земной коре и только в немногих минералах, таких как киноварь, содержится в концентрированном виде. Ртуть участвует в круговороте вещества в биосфере, мигрируя в газообразном состоянии и в водных растворах.

В атмосферу она поступает из гидросферы при испарении, при выделении  из киновари, с вулканическими газами и газами из термальных источников. Часть газообразной ртути в атмосфере  переходит в твердую фазу и  удаляется из воздушной среды. Выпавшая ртуть поглощается почвами, особенно глинистыми, водой и горными породами. В горючих полезных ископаемых - нефти и каменном угле - ртути  содержится до 1 мг/кг. В водной массе  океанов примерно 1,6 млрд. т, в донных осадках - 500 млрд.т, в планктоне - 2 млн.т. Речными водами ежегодно с суши выносится около 40 тыс.т, что в 10 раз меньше, чем поступает в атмосферу при испарении (400 тыс.т). На поверхность суши ежегодно выпадает около 100 тыс.т.

Ртуть из естественного компонента природной среды превратилась в  один из наиболее опасных для здоровья человека техногенных выбросов в  биосферу. Она широко применяется  в металлургии, в химической, электротехнической, электронной, целлюлозно-бумажной и  фармацевтической промышленности и  используется для производства взрывчатых веществ, лаков и красок, а также  в медицине. Промышленные стоки и  атмосферные выбросы, наряду с ртутными рудниками, заводами по производству ртути  и теплоэнергетическими предприятиями (ТЭЦ и котельные), использующими уголь, нефть и нефтепродукты, являются основными источниками загрязнения биосферы этим токсичным компонентом. Кроме того, ртуть входит в состав ртутьорганических пестицидов, используемых в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты культур от вредителей. В организм человека попадает с продуктами питания (яйца, протравленное зерно, мясо животных и птиц, молоко, рыба).

Ртуть в воде и донных отложениях рек. Установлено, что около 80 % ртути, поступающей в природные водоемы, находится в растворенной форме, что в конечном итоге способствует ее распространению на большие расстояния вместе с потоками воды. Чистый элемент  не токсичен.

Металлическая ртуть и ее неорганические соединения действуют, в основном, на печень, почки и кишечный тракт, однако в обычных условиях сравнительно быстро выводятся из организма и  опасное для организма человека количество не успевает накопиться. Метилртуть и другие алкильные соединения ртути являются гораздо более опасными, т. к. происходит кумуляция - токсин поступает в организм быстрее, чем выводится из организма, действуя на центральную нервную систему.

Донные отложения являются важной характеристикой водных экосистем. Аккумулируя тяжелые металлы, радионуклиды и высокотоксичные органические вещества, донные отложения, с одной  стороны, способствуют самоочищению водных сред, а с другой - представляют собой  постоянный источник вторичного загрязнения  водоемов. Донные отложения - перспективный  объект анализа, отражающий многолетнюю  картину загрязнения (особенно в  малопроточных водоемах). Причем накопление неорганической ртути в донных отложениях наблюдается особенно в устьях рек. Может возникнуть напряженная ситуация, когда адсорбционная способность отложений (ила, осадков) будет исчерпана. Когда будет достигнута адсорбционная емкость, тяжелые металлы, в т.ч. ртуть начнут поступать в воду.

Известно, что в морских анаэробных условиях в отложениях отмерших водорослей ртуть присоединяет водород и  переходит в летучие соединения.

При участии микроорганизмов может  метилироваться в две стадии металлическая ртуть:

CHHg+ (CH)Hg

Метилртуть в окружающей среде появляется практически только при метилировании неорганической ртути.

Биологический период полувыведения  ртути велик, он составляет для большинства  тканей организма человека 70-80 дней.

Известно, что в начале пищевой  цепочки происходит загрязнение  ртутью крупных рыб, например меч-рыбы, тунца. Не безинтересно при этом отметить, что в еще большей степени, чем в рыбах, ртуть накапливается (аккумулируется) в устрицах.

Ртуть попадает в организм человека при дыхании, с пищей и через  кожу по следующей схеме:

Во-первых, происходит транформация ртути. Этот элемент встречается в природе в нескольких формах.

Металлическая ртуть, применяемая  в термометрах, и ее неорганические соли (например, хлорид) выводятся из организма сравнительно быстро.

Гораздо более ядовиты алкильные  соединения ртути, в частности метил- и этилртуть. Эти соединения очень медленно выводятся из организма - за сутки всего лишь около 1% общего количества. Хотя большая часть ртути, попадающей в природные воды, содержится там в виде неорганических соединений, в рыбе она всегда оказывается в форме гораздо ядовитой метилртути. Бактерии в донном иле озер и рек, в слизи, покрывающей тела рыб, а также в слизи рыбьего желудка способны превращать неорганические соединения ртути в метилртуть.

Во-вторых, избирательное накопление, или биологическое накопление (концентрирование), повышает содержание ртути в рыбе и моллюсках до уровней во много раз выше, чем в воде залива. Рыбы и моллюски, обитающие в реке, накапливают метилртуть до концентраций, опасных для человека, использующего их в пищу.

Учитывая разную токсичность ртутных  соединений для человека в пищевых  продуктах необходимо определять неорганическую (общую) и органически связанную  ртуть. У нас определяется только общее содержание ртути. По медико-биологическим требованиям содержание ртути в пресноводной хищной рыбе допускается 0,6 мг/кг, в морской - 0,4 мг/кг, в пресноводной не хищной только 0,3 мг/кг, а в тунцовых до 0,7 мг/кг. В продуктах детского питания содержание ртути не должно превышать 0,02 мг/кг в мясных консервах, 0,15 мг/кг в рыбных консервах, в остальных - 0,01 мг/кг.

Свинец  присутствует практически во всех компонентах природной среды. В земной коре его содержится 0,0016 %. Естественный уровень свинца в атмосфере 0,0005 мг/м3. Большая часть его осаждается с пылью, примерно 40 % выпадает с атмосферными осадками. Растения получают свинец из почвы, воды и атмосферных выпадений, а животные - потребляя растения и воду. В организм человека металл попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основным источником загрязнения  биосферы свинцом являются бензиновые двигатели, выхлопные газы которых  содержат триэтилсвинец, теплоэнергетические предприятия, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленность. Значительное количество свинца вносится в почву вместе со сточными водами, используемыми в качестве удобрения. Для тушения горящего реактора Чернобыльской АЭС также использовался свинец, который поступил в воздушный бассейн и рассеялся на обширных территориях. При увеличении загрязнения окружающей среды свинцом возрастает его отложение в костях, волосах, печени.