книги / Основы экологии

Таблица 4.2. Поглощение углекислого газа и продуцирование кислорода растительным покровом Беларуси

шом и малом круговоротах веществ. Его круговорот (рис.4.17) —один из наиболее сложных в биосфере.

Источник азота в биологическом круговороте — нит­ раты и нитриты, которые поглощаются растениями из почвы и воды. У растений нет способности извлекать азот непосредственно из воздушной среды, хотя в атмосфере его содержится около 80 % . Животные, поедая расте­ ния, создают из аминокислот растительных белков про­ топлазму своих клеток. Гнилостные бактерии переводят соединения азота в отмерших остатках растений и жи­ вотных в аммиак. Затем нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в нитриты и нитраты. Часть азота благодаря денитрифицирующим бактериям вновь посту­ пает в атмосферу. Если бы не было постоянного дополни­ тельного источника пополнения запасов азота в почве, в конечном итоге наступило бы азотное голодание расте­ ний и, как следствие, разрушение биосферы, поскольку образующийся в процессе денитрификации свободный азот выводится из биологического круговорота.

Существуют два пути вовлечения азота атмосферы в биологический круговорот: первый из них связан с атмос­ ферными осадками, второй —с биологической фиксаци­ ей азота прокариотами.

В результате извержения вулканов, а также электри­ ческого (при грозовых разрядах и ионизации) и фотохи­ мического окисления азота в атмосфере^всегда присут­ ствуют его оксиды, растворенные в дождевой воде и вместе

с ней попадающие в почву. Кроме того, в 1 м3 воздуха содержится от 0,02 до 0,04 мг аммиака, количество кото­ рого возрастает при грозовых разрядах и который также выпадает наземлюс осадками. Суммарное ежегодное поступле­ ние азота в почву этим путем составляет 10—15 кг/га.

Биологическая фиксация азота связана с прокариота­ ми. Они могут превращать биологически бесполезный газо­ образный азот в соединения, необходимые для корневого питания зеленых растений. Фиксация азота требует боль­ ших затрат энергии, так как много энергии идет на разрыв тройной связи в молекуле N2(N = N), чтобы с добавлением водорода из воды превратить ее в две молекулы аммиака (NH3). Например, клубеньковые бактерии бобовых расхо­ дуют на биофиксацию 1 г азота около 10 г глюкозы (при­ мерно 17 кДж), полученной растением в фотосинтезе, т.е. эффективность процесса составляет 10 % (Одум, 1986).

Азот фиксируется свободно живущими аэробными (Asotobacter) и анаэробными (Clostridium) бактериями, некоторыми синезелеными водорослями (Anabaena, Nostoc), симбиотическими клубеньковыми бактериями бобовых растений (Rhizobium) и другими микроорганиз­ мами. Особенно активны клубеньковые бактерии, обра­ зующие с бобовыми и другими высшими растениями вза­ имовыгодные (симбиотические) ассоциации. Растение предоставляет бактериям соответствующее место обита­ ния (корневые клубеньки), защищает их от излишка кислорода и поставляет им необходимую энергию. В от­ вет растение получает легкоусвояемый фиксированный азот. Общее годовое количество азота, фиксированного клубеньковыми бактериями, может достигать 350 кг/га, что в 100 раз выше этого показателя у свободно живу­ щих азотфиксирующих организмов.

Фиксированный азот почвы не только поглощается корневыми системами растений.Часть его соединений выносится в реки, а из них —в моря и внутриматериковые водоемы. Больше всего азота в форме солей аммо­ ния, нитратов и нитритов содержится близ устьев рек и у берегов, куда он поступает с суши, а также в глубинах гидросферы, где накапливается в процессе гниения орга­ нического вещества. В поверхностных слоях воды азот потребляется растительными микроорганизмами. Потеря азота восполняется новым поступлением его с суши, в

результате вертикального перемешивания воды, выпаде­ ния аммиака из атмосферы и разложения остатков расте­ ний и животных в поверхностных слоях воды. При есте­ ственном ходе круговорота эти процессы не вызывают резких колебаний содержания азота в воде морей и океа­ нов за исключением зон его приноса с суши (0,01—7 мг/л).

Антропогенные нарушения круговорота азота в биосфе­ ре связаны со сжиганием топлива в двигателях наземного и воздушного транспорта, на тепловых электростанциях, теплоэнергетических установках (в котельных, печах), а также с промышленной фиксацией азота —производством азотных удобрений. В 70-е гг. поступление в атмосферу оксидов азота техногенного происхождения было в 15 раз меньше, чем от естественных источников, однако с разви­ тием транспорта и теплоэнергетики оно непрерывно растет.

При сжигании топлива в атмосферу поступает допол­ нительное количество оксидов азота, которые участвуют в фотохимических реакциях. Одна из таких реакций приводит к образованию фотохимического смога, содер­ жащего формальдегид и другие токсичные компоненты.

Загрязнение стратосферы оксидами азота в результа­ те полетов воздушных кораблей, а в недалеком прошлом и испытаний атомного оружия, тоже нарушает естествен­ ный круговорот азота и, кроме того, может привести к разрушению озонового экрана, поскольку оксиды азота вступают в фотохимические реакции с озоном. В тропо­ сфере оксиды азота, контактируя с парами воды, всегда здесь присутствующими, образуют аэрозоли азотной кис­ лоты, которая вместе с аэрозолями серной кислоты (про­ дуктом загрязнения атмосферы оксидами серы), выпада­ ет в виде кислотных дождей.

Существенные изменения в круговорот азота вносит производство и применение азотных удобрений. В почвен­ ном покрове содержится около 150 млрд т азота, связан­ ного в органические соединения, в растениях —1,1 млрд, в животных —610 млн т. Нитратный азот не накаплива­ ется в почве, легко вымывается из нее водами, восста­ навливается в газообразные формы и в больших коли­ чествах (20—40 %) расходуется на питание растений. Так как часть почвенного азота изымается при очередном сборе урожая, потребность культурных растений в азоте возрастает. Органические удобрения только частично удовлетворяют ее. В XX веке химический синтез азотных

Рис. 4.18. Содержание нитратов в грунтовых водах на территории республики (средние данные за 1977-1993 гг. Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь)

удобрений на основе связывания азота атмосферы стал главным источником питания культурных растений. В мире ежегодно вносится 35—40 млн т азота в виде мине­ ральных удобрений. Кроме того, неучтенное пока коли­ чество азота поступает в почву и грунтовые воды от жи­ вотноводческих комплексов и крестьянских подворий.

В нарушенном круговороте одна из ветвей миграции нитратов заканчивается в грунтовых водах, так как расти­ тельность усваивает не весь азот, оказавшийся в почве. На равнинных территориях, интенсивно используемых в течение длительного времени в сельском хозяйстве, грун­ товые воды, которые питают колодцы, практически по­ всеместно оказываются загрязненными (рис.4.18).

По рекомендации Всемирной организации здравоох­ ранения суточное поступление нитратов в организм чело­ века не должно превышать 5 мг на 1 кг массы, т.е. для человека массой 70 кг допустимы 350 мг нитратов. Ток­ сическое действие нитратов проявляется в том, что внут­ ри организма они восстанавливаются до нитритов, кото­ рые преобразуются в нитрозоамины как промежуточное звено в образовании аминокислот и витаминов. Нитрозо­ амины являются сильнодействующими ядами, которые могут привести к изменениям функций внутренних ор­ ганов и отравлению. Не преобразованные и не выведен­ ные организмом, они оказываются в грудном молоке и молоке домашнего скота.

В результате потребления растительной пищи и воды увеличивается нитратная нагрузка на организм человека. Наиболее чувствительны к нитратам дети, особенно ранне­ го возраста. Здоровые люди, находящиеся на безовощной диете, выделяют до 47 мг/л нитратов с жидкими экскретами. Содержание же в экскретах до 100 мг/л нит­ ратов свидетельствует о высоком поступлении последних в организм. По данным Научно-исследовательского ин­ ститута радиационной медицины Национальной акаде­ мии наук Беларуси, у обследованных в разных районах республики детей в возрасте 6—12 месяцев средняя кон­ центрация нитратов в моче составила 87,4 мг/л. Превы­ шение допустимых уровней зарегистрировано у 76,1 % детей, а сверхвысокие концентрации (свыше 200 мг/л) отмечены у каждого одиннадцатого ребенка. Некоторые дети в возрасте до 3 месяцев получают в 12 раз больше нитратов и нитритов, чем допустимо.

Проблема нарушения круговорота азота в биосфере и на конкретных территориях дискутируется долгие годы, однако интенсификация сельского хозяйства, развитие химической промышленности, теплоэнергетики и транс­ порта, а также появление новых экологических проблем делают ее все более трудноразрешимой.

Круговорот фосфора. Биологическое значение фос­ фора в жизни организмов исключительно велико: его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, кле­ точных мембран, систем переноса энергии, мозга и кост­ ной ткани. Содержание фосфора в тканях растений со­ ставляет 250—350, морских животных —400—1800, на-

земных животных — 1700—4400, бактерий — около 3000 мг/100 г сухого вещества. В организме человека особенно много фосфора в костной ткани —более 5000, и в тканях мозга —около 4000 мг/100г сухого вещества.

Как углерод и азот, фосфор участвует в биологичес­ ком и биосферном круговороте вещества (рис. 4.19).

Резервуаром фосфора в биологическом круговороте служит не атмосфера, а литосфера, точнее фосфорсодер­ жащие горные породы, прежде всего апатиты. В процес­ се их выветривания фосфаты попадают в почвы, в боль­ шом количестве выносятся в моря, откладываясь в мел­ ководных осадках и рассеиваясь на больших глубинах.

Йз почвы фосфор извлекается в виде растворимых фосфатов. Растения с почвенным раствором поглощают ионы фосфата РО^“ . Причем усвоение элемента растени­ ями в значительной степени зависит от кислотности по­ чвенного раствора. В щелочной среде фосфаты кальция и натрия практически нерастворимы, в нейтральной и близкой к ней — малорастворимы. По мере повышения кислотности они превращаются в хорошо растворимую фосфорную кислоту. С растительной пищей фосфор по­ требляют животные.

В результате бактериальных преобразований в почве органический фосфор растительного опада, отмерших животных и их выделений трансформируется в фосфаты. Фосфатразрушающие бактерии продолжают биологичес­ кий круговорот фосфора, в итоге приводя к поступлению ионов фосфата в водную среду.

Круговорот фосфора не замкнут в биосфере, часть его теряется при геологических процессах. Несмотря на низ­ кую растворимость большинства соединений фосфора, главное направление их большого круговорота — озера, устья рек, моря и шельф океаноб. С речным стоком в океан поступает около 3—4 млн т фосфата, который выключается из круговорота на суше (Ковда, 1976).

При беспрерывном осаждении органических веществ, прежде всего обогащенных фосфором останков животных и гуано, на дне глубоководных зон морей и океанов часть фосфатов изымается из биосферы и не принимает учас­ тия в круговороте. Фосфор концентрируется в виде мор­ ских фосфатных конкреций. Тектонические движения могут привести к медленному подъему на поверхность

богатых фосфором глубоководных осадочных пород, и через десятки и сотни миллионов лет фосфор может быть опять вовлечен в биологический круговорот.

Впочве и природных водах фосфор всегда находится

вдефиците, соотношение содержания фосфора и азота в природных водах составляет в среднем 1:23 (реках и

ручьях — 1:28), в биомассе - 1:16. По этой причине по­ стоянно ограничивается биологическая продуктивность Земли. К тому же возвращение части фосфора из океана на сушу птицами и с выловленной рыбой явно уступает выносу его в гидросферу. Фосфор —наиболее слабое зве­ но в жизненной цепи, которая обеспечивает существова­ ние человека, и в этом плане положение может стать весьма угрожающим.

В XX веке круговорот фосфора в биосфере оказался резко нарушенным. Причины этого следующие: произ­ водство фосфорных удобрений и их широкое применение в сельском хозяйстве; получение в промышленных масштабах многочисленных фосфорсодержащих препа­ ратов, используемых в быту, земледелии и т.д.; произ­ водство огромных ресурсов продовольствия и кормов, развитие рыбного промысла, добыча морских моллюсков и водорослей. В результате произошли перераспределе­ ние содержания фосфатов на суше и в гидросфере, нерав­ номерная фосфатизация суши. В зонах концентрации населения, сельского хозяйства наблюдается аномально высокая, малообратимая аккумуляция органических со­ единений фосфора, в то время как большая часть угле­ рода и азота в газообразном виде рассеивается в атмосфе­ ре. Эрозия почв, смыв удобрений, органических отбро­ сов и экскрементов, сбросы каналйзационных вод приво­ дят к сильнейшему фосфорному загрязнению рек и озер. Многие водоемы Европы и Америки уже отравлены из­ быточными концентрациями азота и фосфора. Наряду с фосфатизацией почв продолжается процесс фосфатизации рек и водоемов суши, вод дельт и эстуариев.

Круговорот серы. Сера имеет важное биологическое значение, поскольку в составе широко распространенных в живой природе аминокислот, белков и других сложных органических соединений она содержится во всех орга­ низмах. Так, ее массовая доля в пересчете на сухое веще­ ство в наземных растениях равна 0,3 %, у наземных жи-