Имя материала: Основы биогеохимии

Автор: В.В.ДОБРОВОЛЬСКИЙ

2.3. биологический круговорот химических элементов

 

Живое вещество постоянно находится в состоянии самообновления. Возобновляются отмирающие клетки и ткани; одни поколения организмов сменяются другими. Жизнь циклична по своей природе. Цикличность процесса жизни особенно наглядно проявляется в динамике высших растений, образующих основную массу живого вещества Ежегодное отмирание и возобновление растительности сопровождается циклической миграцией огромных масс химических элементов. Наиболее важной стороной геохимической деятельности растений является синтезирование органического вещества и вследствие этого перераспределение газов на поверхности Земли. Одновременно в миграцию вовлекаются многочисленные химические элементы из почвы, остающиеся после сжигания в составе золы Циклическая миграция зольных элементов в системе почва — растения, открытая Ю.Либихом, получила название биологического круговорота.

Годовой прирост растительного покрова Мировой суши до нарушения его человеком оценивается в 172×109 т сухого органического вещества. Исходя из имеющихся данных, можно определить количество главных элементов, ежегодно захватываемых наземной растительностью. Среднепланетарные показатели нивелируют значительные колебания концентрации, которые обнаруживаются в многообразных растительных объектах. Цель таких расчетов — оценить порядок масс разных химических элементов, вовлекаемых в годовой глобальный биологический цикл. Результаты приведены в табл. 2.4 в двух вариантах: в расчете на суммарную площадь суши (за исключением площадей, занятых ледниками, абсолютными пустынями и внутриконтинентальными водами) и на площадь в 1 км2 этой территории.

Общая масса зольных элементов, ежегодно вовлекаемая в биологический круговорот на суше, составляет около 8 млрд т. Это в несколько раз превышает величину ионного стока с континентов или массу продуктов извержений всех вулканов мира на протяжении года. Биологический круговорот кальция и калия на суше превышает 1 млрд т каждого, кремния, фосфора, серы, магния, натрия, хлора измеряется сотнями миллионов тонн в год.

Значительная часть данных о содержании рассеянных химических элементов в растениях относится к их ежегодно возобновляемым и отмирающим органам: надземной части травянистых растений, молодым побегам, листьям и хвое деревьев и кустарников

Таблица 2.4

Захват и интенсивность биологического поглощения главных

химических элементов растительностью Мировой суши

 

 

 

 

Химический элемент

Концентрация в сухой фитомассе, \% (по X Боуэну, 1966)

Захват приростом растительности

Коэффициент биологического поглощения

на всей площади суши, 1 10s т/год

на 1 км2, т/год

N

2,00

3450 (2587)

28,78(21,5)

Са

1,80

3105(2329)

25,9(19,4)

14,4

К

1,40

2415(1801)

20,1 (15,0)

10,4

Si

0,50

862 (840)

7,2 (7,0)

0,3

S

0,34

586 (440)

4,9 (3,6)

170,0

Mg

0,32

552(414)

4,6 (3,5)

5,3

P

0,23

397 (297)

3,3(2,5)

57,3

С1

0,20

345(259)

2,9(2,1)

235,3

Na

0,12

207(145)

1,7(1,2)

1,0

А1

0,05

86 (65)

0,7 (0,5)

0,1

Fe

0,02

34(26)

0,3 (0,2)

0.1

 

Примечание В скобках указана масса элементов, захватываемая природной растительностью, уменьшенной на 25 \% под воздействием хозяйственной деятельности людей

 

Вместе с тем из-за нестандартизованных приемов отбора проб и подготовки их к анализу, разных методов анализа обширная аналитическая информация с трудом поддается обобщению, поэтому средние значения концентраций рассеянных элементов в ежегодном приросте растительности континентов следует рассматривать как ориентировочные, которые должны в дальнейшем корректироваться. Приведенные в табл. 2.5 данные отражают уровень знаний о содержании рассеянных элементов в приросте растительности Мировой суши и могут использоваться для теоретических расчетов и эколого-биогеохимических прогнозов.

Как следует из приведенных данных, растительность поглощает рассеянные элементы не пропорционально их содержанию в земной коре. Г.Хатчинсон (1943) высказал предположение, что аккумуляция элементов в растениях определяется величиной ионных отенциалов элементов. Ионный потенциал, равный отношению аряда (валентности) иона к его радиусу, характеризует плотность заряда на поверхности иона и степень его гидратируемости, или растворимости в воде. Согласно Г.Хатчинсону элементы с низкими ионными потенциалами, образующие хорошо растворимые катионы, и с высокими потенциалами, образующие хорошо растворимые анионы, легко поглощаются растениями. Углубленное изучение проблемы показало, что легкорастворимые соединения могут легко поступать в растения, но их закрепление в фитомассе прямо не зависит от величины ионного потенциала.

Таблица 2.5

Концентрация рассеянных элементов в ежегодном

приросте растительности суши

 

Химический элемент

 

Средняя концентрация, мкг/г

в золе

в сухой фитомассе

в живой фитомассе

Мn

4100

205,0

82,0

Zn

600

30,0

12,0

Sr

700

35,0

14,0

Ti

650

32,5

13,0

В

500

25,0

10,0

Ва

450

22,5

9,0

Сu

160

8,0

3,2

Zr

150

7,5

3,0

Rb

100

5,0

3,0

Br

80

4,0

1,6

F

70

3,5

1,4

N1

40

2,0

0,8

Cr

35

1,8

0,7

V

30

1,5

0,6

Li

30

1,5

0,6

Pb

25

1,25

0,5

Co

10

0,5

0,2

La

15

0,8

0,3

Y

15

0,8

0,3

Mo

10

0,5

0,2

I

6

0,3

0,12

Sn

5

0,25

0,10

As

3

0,12

0,06

Cs

3

0,12

0,06

Be

2

0,10

0,04

Se

1

0,05

0,02

Ga

1

0,05

0,02

Cd

0,7

0,035

0,014

Ag

0,6

0,03

0,012

U

0,4

0,02

0,008

Hg

0,25

0,012

0,005

 

«Геохимический отбор» элементов растительностью суши обусловлен многими факторами. Один из наиболее важных — способность элементов к образованию стойких комплексных органических соединений. Щелочные металлы наименее склонны к этому. Они находятся в растениях главным образом в форме простых ионов, их концентрации в клетках растений и водном растворе внешней среды очень близки. Тяжелые металлы, наоборот, легко образуют прочные комплексные соединения и поэтому могут относительно накапливаться в клетках. Следовательно, присутствие ионов легкорастворимых соединений в клеточном соке еще не означает, что эти ионы концентрируются растением. Избирательная аккумуляция определенных рассеянных элементов происходит в растительных клетках благодаря комплексообразованию. Эти микроэлементы накапливаются не клеткой вообще, а ее определенными компонентами. Установлено, что концентрация хрома в нуклеопротеидах семян выше примерно в 100 раз, чем в общей массе растительной клетки, меди в пластоцианине — в 800 раз, а кобальта в витамине В12 — в десятки тысяч раз (Бойченко Е.А., 1974).

Для живого вещества океана характерны иные закономерности биологического круговорота элементов, чем на суше. Как отмечено выше, биомасса Мирового океана значительно меньше биомассы суши. Преобладающую часть первично синтезируемого органического вещества океана обеспечивает фитопланктон, сухая масса которого составляет около 3,4×109 т. В то же время благодаря быстрой воспроизводимости планктонных организмов скорость биологического круговорота в океане намного больше, чем на суше. Преобладающая часть солнечной энергии проникает в морскую воду до глубины 100 м; в этих пределах сосредоточена основная масса планктона. Поверхностный слой океана — область его наибольшей биогенной насыщенности и интенсивности биогеохимических процессов. Оборот вещества фитопланктона происходит в течение суток (Добродеев О.П., Суетова И.А., 1976), что обусловлено низкой концентрацией многих элементов в поверхностном слое океана.

Несмотря на небольшую фитомассу (сравнительно с сушей), в результате быстрой воспроизводимости планктонных организмов годовая продукция фотосинтеза Мирового океана весьма велика и близка к фитомассе суши. Это обеспечивается максимально возможным использованием элементов питания, находящихся в небольшом количестве. По этой причине большая часть растворенных в воде химических элементов, необходимых для морских организмов (азот, фосфор, кремний, микроэлементы), захватывается и в значительной мере не выпускается из системы биологического круговорота. На рис. 2.2 показана схема биологического круговорота кремния в планктонном слое океана и его частичный выход из этого цикла в воду и осадок на дно. За счет выходящих из круговорота масс элементов их концентрация ниже планктонного слоя возрастает. В слое до 100 м глубиной почти вся масса кремния связана в организмах и в свободном состоянии (в растворе) он практически отсутствует.

Приспособившиеся на протяжении геологического времени к дефициту многих элементов в среде обитания морские организмы, очевидно, не имеют механизмов, препятствующих поступлению рассеянных элементов, и активно поглощают их, в том числе токсичные. Концентрация этих элементов постепенно возрастает в трофических цепях, достигая опасных для человека значений в конечных членах цепи и некоторых организмах-фильтраторах. Известны случаи отравления людей рыбой, моллюсками и другими морскими продуктами при загрязнении морской воды неочищенными производственными стоками.

 

              

 

Рис. 2.2. Схема биологического круговорота кремния в море

    (по Р.А.Хорну, 1972)

 

Интенсивность биологического поглощения. Захват рассеянных элементов растительностью знаменует их вовлечение в особую форму движения — биологическую миграцию. Учитывая неодинаковое физиологическое значение разных элементов, можно предположить, что интенсивность их вовлечения в этот процесс также неодинакова. Сведения об относительном содержании (концентрации) элементов в живом веществе сами по себе не дают возможности судить об интенсивности их биологического поглощения. Действительно, какой элемент сильнее поглощается растительностью суши: титан, содержание которого в сухой фитомассе 32,5×10-4 \%, или молибден, которого всего 0,5× 10-4 \%?

Чтобы оценить интенсивность биологического поглощения элемента, надо сравнить его содержание в растениях и источнике, откуда этот элемент поступает. В глобальном плане источником как титана, так и молибдена служит земная кора. Следовательно, необходимо численно сравнить кларки этих металлов в фитомассе и земной коре. Такой подход практически одновременно и независимо друг от друга был применен Б. Б. Шлыковым (1945), С.Тиссеном (1942) и Г.Хатчинсоном (1943). Два последних исследователя в своих расчетах использовали данные по содержанию элементов в сухом органическом веществе. Это не совсем верно, так как концентрацию элемента в минеральной массе земной коры правильнее сопоставлять с его концентрацией в минеральной части растений, т.е. в золе. Исходя из этого, Б.Б.Полынов предложил характеризовать интенсивность биологического поглощения химического элемента частным от деления его содержания в золе и горных породах. Этот параметр А.И.Перельман (1975) назвал коэффициентом биологического поглощения К6. Расчеты коэффициентов показывают, что молибден в несколько десятков раз интенсивнее аккумулируется растительностью, чем титан.

Глобальные значения К6 растительности континентов приведены в табл. 2.6. Они иллюстрируют значительную дифференциацию рассеянных элементов в процессе их вовлечения в биологи-ескую миграцию. Интенсивность поглощения растительностью меняется в пределах трех математических порядков. При расчетах использованы данные табл. 2.5 и средние содержания элементов в гранитном слое континентов (см. табл. 1.1).

Таблица 2.6

Интенсивность биологического поглощения и ежегодный захват

рассеянных элементов растительностью суши

 

Химический элемент

Коэффициент биологического поглощения

Захват годовым приростом фитомассы

 

 

 

 

на всей площади суши, тыс. т

на 1 км2, кг

Мn

6,86

41 400,0

345,00

Zn

11,76

5160,0

43,00

Sr

3,04

6020,0

50,10

Ti

0,20

5590,0

46,60