Циклы биогенных элементов

Биогенные элементы циркулируют в экосистемах, т.е. совершают биогеохимические циклы (В.И. Вернадский). Все циклы взаимосвязаны в природе и в совокупности формируют устойчивую структуру биосферы в целом. Замкнутость нормальных биогеохимических циклов неполная – это очень важное свойство. Именно оно обусловило биогенное накопление кислорода и озона в атмосфере Земли, а также различных химических соединений в литосфере. Вместе с тем следует отметить, что доля вещества выходящего из биосферного цикла (от 10 до 1000 лет) в геологический цикл (1 000 000 лет) в год невелика. Лишь громадное время истории развития биосферы (≈ 4 млрд. лет) позволило осуществить подобные биогенные накопления элементов.

В каждом биогеохимическом цикле можно выделить два фонда:

· резервный – большая масса медленно движущихся веществ, в основном в составе абиотического компонента;

· обменный (подвижный) – меньший, но более активный. Быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Среди биогеохимических циклов выделяют циклы двух типов: газообразных и осадочных веществ.

Так, углерод, азот, кислород находятся преимущественно в виде летучих соединений. Железо, фосфор и кальций сосредоточены в негазообразных веществах.

Нарушения в циклах первого типа быстро устраняются, их называют «хорошо забуферными», так как способность возвращаться к исходному состоянию очень высока.

Самтконтроль циклов второго типа затруднен, они легче нарушаются. Явление «забуферности» здесь не выражено.

Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, во многих случаях основаны на биологических процессах. Поэтому человек, если по его вине нарушено равновесие в цикле, может лишь ждать или чаще всего не в силах ничего поправить.

В связи с хозяйственной деятельностью человека и вовлечением в биоферный поток техногенных продуктов возникли проблемы обусловленные нарушением биогеохимических циклов. Циклы некоторых элементов (N, S, P, K, тяжелые металлы) превратились в природно-антропогенные – значительно незамкнутые. Некоторые же материалы, созданые человеком, вообще не способны включаться в природные циклы, и не перерабатываясь в экосистемах, являясь чуждыми загрязняют их.

Усилия по охране природы должны быть направлены на возвращение веществ в круговорот.

Цикл углерода. Главный резервный фонд составляет углерод, растворенный в Мировом океане, оперативно доставляемый атмосферой в регионы, где происходит наиболее интенсивное связывание углекислоты в процессе фотосинтеза. Колоссальные количества углерода ежегодно связываются и трансформируются биотой, играющей в этом цикле ведущую роль. Тесно связан с углеродным циклом и цикл кислорода, резервный фонд которого в атмосфере, как мы уже отмечали выше, создан исключительно благодаря деятельности биоты. Два главных процесса, постоянно осуществляющихся биотой – продукция и деструкция органического вещества (фотосинтез и дыхание/брожение) сводятся к чрезвычайно простому уравнению реакции:

n СО₂ + n Н₂О ↔ (СН₂О) n + n О₂

Естественно, это – крайняя степень упрощения, биохимические и биофизические механизмы обеих реакций достаточно сложны, но данная форма записи достаточно наглядно демонстрирует неразрывную связь циклов углерода и кислорода.

Не менее важны, хотя и меньше известны циклы других необходимых для построения живого вещества элементов – азота и фосфора. Резервный фонд первого находится в атмосфере, второго – в литосфере.

Являясь самым массовым газом в атмосфере, азот, тем не менее, не может напрямую вовлекаться зелеными растениями в биогеохимический цикл. Молекулярный азот – вещество крайне инертное и в реакции вступать не расположенное. Два атома в его молекуле прочно удерживаются тремя ковалентными связями: N ≡ N. Для их разрыва и превращения молекулярного азота в вещества, которые растения способны усваивать и включать в свой метаболизм, необходимо затратить энергию и энергию достаточно значительную.

В атмосфере некоторое количество азота превращается в окись и двуокись азота, которые, связываясь с молекулами воды, переходят в ионную форму нитритов и нитратов. При этом затрачивается энергия электрических разрядов. Таким путем вовлекается в биогеохимический цикл примерно 20 % всего участвующего в нем азота. Весь остальной азот становится доступен растениям и, следовательно, остальной биоте только благодаря деятельности прокариотических микроорганизмов – бактерий, способных усваивать молекулярный азот, превращая его в ионы аммония:

N2 + 2H2O + 2CH2O → 2NH4 + + 2CO2.

Приведенное уравнение реакции – не более чем схема, поскольку реальные процессы намного сложнее. Достаточно упомянуть, что для фиксации азота бактерии используют энергию, получаемую при разложении значительно большего количества органического вещества, чем это следует из приведенного уравнения. На связывание 1 г азота расходуется энергия, заключенная примерно в 10 г углеводов. Микробиологическое связывание азота постоянно происходит.

Образование из ионов аммония нитрит- и нитрат-анионов может происходить уже самопроизвольно в присутствии кислорода, а вот образование из неорганических веществ (аммония, нитритов, нитратов) аминокислот и нуклеотидов, белков и нуклеиновых кислот возможно только в результате биохимических реакций, осуществляющихся растениями.

Организмы биоты, использовав азот, возвращают его в атмосферу. Цикл замыкается.

Значительно проще биогеохимический круговорот фосфора. В результате эрозии фосфаты вымываются из богатых ими осадочных и вулканических пород, в растворенной форме усваиваются растениями, включаясь в состав живого вещества. В организмах фосфор используется для построения нуклеиновых кислот и как важный компонент «энергетической валюты» биохимии – АТФ. По использовании, фосфор выводится из биоты вновь в форме фосфатов и захоранивается в донных осадках.

Если учитывать азот и фосфор в приведенном выше уравнении фотосинтеза/дыхания, то мы получим:

106 СO2 + 16 NO3 ^– + HPO4 ^2– + 122 H2O + 18 H⁺ ↔ C106H263O110N16P + 138 O2.

Значения коэффициентов в этом уравнении будут увеличиваться по мере учета все новых и новых элементов, участвующих в построении живого вещества.

Кроме вышерассмотренных к числу «больших» элементов, необходимых для жизни, относится сера. Резервный фонд ее, как и у фосфора, сосредоточен в осадочных породах. Цикл ее достаточно прост, но он интересен тем, что в нем очень существенную (едва ли не большую, чем в цикле азота) роль играют микроорганизмы.

Основной источник серы – выветривание, благодаря которому сера вовлекается в кругооборот из своего осадочного резервного фонда (сульфидсодержащих горных пород):

FeS2 + 3, 5 O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4

Сульфатредуцирующие бактерии, использующие серу в качестве акцептора электронов (как мы – кислород) для извлечения необходимой им энергии из органических веществ, образуют сероводород в отсутствие кислорода:

H2SO4 + 2CH2O → 2CO2 + 2H2O+H2S,

H2SO4 + 4H2 → 4 H2O + H2S.

Примером таких бактерий является облигатный анаэроб Desulfovibrio.

В присутствии кислорода целый ряд серных бактерий окисляет сероводород до серы и серной кислоты:

H2S + O₂ → S + H2O,

S + 1, 5O2 + H2O → H2SO4.

Это, например, Beggiatoa, и Thiothrix, которые накапливают серу внутри своих клеток. Бактерии рода Thiobacillus также окисляют сульфиты до серы и сульфатов, откладывая серу снаружи клеток:

2 Na2S2O3 + O2 → 2S + 2Na2SO4.

Главным образом, благодаря этим и подобным им бактериям и сформировались современные запасы самородной серы. В отсутствие кислорода бактерия Thiobacillus denitrificans окисляет серу и сульфиты до сульфатов, используя нитраты. Здесь мы видим связь циклов азота и серы: 5S2O3 ^2– + 8NO3 ^– + 2 HCO3 ^– → 10 SO4 ^2–+2 CO2 + H2O + 4N2,

5S + 6 NO3 ^– + 2CO3 ^2– → 5 SO4 ^2– + 2CO2 + 3N2.

Существуют и бактерии, использующие серу в хемосинтезе органического вещества – зеленые серные бактерии:

CO2 + 2 H2S → CH2O + H2O + 2S,

2CO2 + 2H2O + H2S → 2(CH2O) + H2SO4,

и пурпурные бактерии:

2 CO2+Na2S2O3+3H2O → 2CH2O + Na2SO4 + H2SO4.

Контрольные вопросы

1. Что такое эндогенный и экзогенный циклы?

2. Что называется гидрологическим циклом?

3. Какие фонды можно выделить в биогеохимическом цикле?

4. Охарактеризуйте цикл углерода.

5. Охарактеризуйте циклы азота, фосфора и серы.