Біогенний кругообіг вуглецю в біосфері та антропогенний вплив

В.Р. Вільямс писав, що єдиний спосіб надати чомусь скінченному властивостей нескінченного — це змусити скінченне обертатися по замкненій кривій, тобто залучити його в кругообіг. Саме це і відбувається в екосистемах.

Біогенний кругообіг відбувається на рівні екосистеми і полягає в тому, що поживні речовини ґрунту, вода, вуглець акумулюються у речовині рослин, витрачаються на побудову тіла та життєві процеси як їх самих, так і організмів-консументів. Редуценти розкладають органічні речовини до мінеральних компонентів, що знову стають доступними для рослин і знову залучаються ними до потоку речовини.

Отже, третій основний принцип функціонування екосистем — отримання ресурсів і позбавлення від відходів — відбувається в межах кругообігу всіх елементів.

Розглянемо такий кругообіг для основних компонентів, що входять до складу біосфери.

Вуглець, що міститься у вигляді CO2 в атмосфері (23,5·1011 т), служить сировиною для фотосинтезу рослин, а потім разом з їхньою речовиною споживається консументами різних трофічних рівнів. При диханні рослин, тварин і редуцентів, а також у міру розкладання мертвої речовини в ґрунті виділяється CO2, у формі якого вуглець і повертається в атмосферу.

Велика частина вуглецю, залученого до кругообігу, міститься в океанах. Від вуглецю, що міститься в океанах у вигляді карбонатів, головним чином залежить кількість двоокису вуглецю в атмосфері. Океан поглинає надлишок двоокису вуглецю з повітря, в результаті чого утворюються карбонатні та бікарбонатні іони. Існує і зворотний процес, під час якого двоокис вуглецю виділяється з океанів в атмосферу. Таким чином, океани, що підтримують концентрацію CO2 в атмосфері на постійному рівні, відіграють роль своєрідного буфера. Вважається, що цей механізм забезпечував відносну сталість вмісту двоокису вуглецю в атмосфері, поки не втрутився фактор індустріалізації.

У далекі геологічні епохи (сотні мільйонів років тому) значна частина фотосинтезованої органічної речовини не використовувалася ні консументами, ні редуцентами, а накопичувалася і поступово погребалася під мінеральними опадами. Перебуваючи в землі мільйони років, цей детрит (мертві рослинні і тваринні залишки) під дією високих температури і тиску перетворювався на нафту, природний газ і вугілля. Тепер ми у величезних кількостях видобуваємо це викопне паливо для забезпечення енергетичних потреб нашого індустріального суспільства і, спалюючи його, завершуємо кругообіг вуглецю. При спалюванні вуглець палива виділяється у вигляді CO2, концентрація якого в повітрі різко зростає: його надходження суттєво перевищує поглинальні можливості рослин. Це загрожує серйозними кліматичними наслідками, про що йтиметься в розділі, присвяченому інженерному захисту атмосфери.

Організми потребують різних хімічних форм азоту для утворення білків і генетично важливих нуклеїнових кислот типу ДНК. Більшості зелених рослин потрібен азот у формі нітрат-іонів (NO3-) та іонів амонію (NH4+). Газоподібний азот (N2), що становить 78 % об'єму земної атмосфери, ні рослинами, ні людьми, ні більшістю інших організмів не може бути використаний безпосередньо. Газоподібний азот може перетворюватися на розчинні у воді сполуки, що містять нітрат-іони та іони амонію, які засвоюються корінням рослин у процесі кругообігу азоту.

Перетворення атмосферного газоподібного азоту на засвоювані рослинами хімічні форми називається фіксацією азоту. Здійснюється вона, в основному, або синьо-зеленими водоростями і певними видами бактерій у ґрунті та воді, або бактеріями з роду, що мешкають у невеликих бульках на коренях люцерни, конюшини, гороху, квасолі та інших бобових рослин. Певний внесок у фіксацію азоту вносять грозові розряди блискавок, при яких газоподібні азот і кисень в атмосфері перетворюються на оксид і діоксид азоту. Ці гази взаємодіють з водяною парою і перетворюються на нітрат-іони, які потрапляють на земну поверхню у формі азотної кислоти, розчиненої в атмосферних опадах, і у формі частинок нітратних солей.

Неорганічні нітрат-іони та іони амонію, що поглинаються рослинами з ґрунтової вологи, перетворюються ними на білки, ДНК та інші необхідні їм азотовмісні органічні сполуки. Тварини покривають більшу частину своїх потреб у азотних поживних речовинах, поїдаючи рослини або інших рослиноїдних тварин.

Особливі бактерії — редуценти перетворюють азотовмісні органічні сполуки біологічних відходів (екскрементів і мертвих організмів) на неорганічні речовини, такі як газоподібний аміак (NH3) та розчинні у воді солі, що містять іони амонію (NH4+). Інші спеціальні групи бактерій потім перетворюють ці неорганічні форми азоту на нітрат-іони в ґрунті та на газоподібний азот, який, потрапляючи в атмосферу, замикає цикл.

Фосфор у вигляді фосфат-іонів (PO43- і HPO42-) є важливим поживним елементом як для рослин, так і для тварин. Він входить до складу молекул ДНК, що несуть генетичну інформацію; молекул АТФ і АДФ, у яких запасається необхідна для організмів хімічна енергія, що використовується при клітинному диханні; молекул жирів, що утворюють клітинні мембрани в рослинних і тваринних клітинах; а також речовин, що входять до складу кісток і зубів тварин.

Кругообіг фосфору показано на рис. 2.11.

У цьому кругообігу фосфор повільно переміщується з фосфатних родовищ на суходолі та мілководних океанічних осадів до живих організмів і потім назад.

Дефіцит фосфору в ґрунті та особливості його природного кругообігу

Первинним джерелом фосфору для рослин слугують фосфатні руди, які вивільняють елемент під час повільного руйнування та вивітрювання. Вивільнений фосфор розчиняється у ґрунтовій волозі й поглинається кореневою системою. При цьому в більшості ґрунтів його природні запаси мінімальні: фосфатні сполуки вкрай погано розчиняються у воді й присутні лише в певних типах гірських порід.

Подальший рух елемента відбувається за харчовим ланцюгом — тварини отримують фосфор, поїдаючи рослини або інших рослиноїдних особин. Значна частина фосфору повертається у ґрунт, річки та на океанічне дно у вигляді нерозчинних фосфатних осадових порід разом з екскрементами та рештками, що розкладаються, — органічними рештками. Часткова компенсація елементів на суходолі відбувається за рахунок екскрементів птиці, що живиться рибою, проте цей обсяг непорівнянний із поточними втратами.

Щороку незрівнянно більша кількість фосфатів змивається з поверхні суходолу в океан під дією природних факторів і господарської діяльності людини. Природне поповнення елемента відбувається лише в ході геологічних процесів, що тривають мільйони років. Підняття та осушення ділянок океанічного дна формують нові острови та материки, після чого вивітрювання порід, що оголилися, знову запускає цикл вивільнення фосфору.