Тема 10.

Біогеохімічні кругообіги хімічних елементів та їх порушення внаслідок антропогенної діяльності.

· Кругообіг хімічних елементів.

· Міграція хімічних елементів.

· Біогеохімічні цикли хімічних елементів та їх зміна під впливом антропогенного фактора.

Основні терміни теми: механічна, фізична, хімічна, біологічна та техногенна міграція хімічних елементів, геологічний, біологічний та біогенний (біогеоценотичний, геохімічний, біогеохімічний) кругообіги хімічних елементів, біогеохімічні цикли.

Атоми хімічних елементів проходять постійні перетворення, які полягають в утворенні кристалічних ришіток первинних мінералів, їх наступному руйнуванні з вивільненням хімічних елементів і утворенні з них нових сполук мінералів (вторинних), а також різних органо-мінеральних комплексів.

При вивільнені з кристалічних решіток мінералів хімічні елементи переносяться у просторі, тобто мігрують. Прицес міграції – основний механізм, в результаті якого хімічні елементи включаються в кругообіг речовин.

Виділяють 5 типів міграції елементів:

1. Механічний – перенесення хімічних елементів у складі мінералів, гірських порід, органічних решток без зміни хімічного складу. Це зміщення по схилу гори, перенесення водними потоками.

2. Водний – міграція хімічних елементів у розчиненому стані у вигляді істинних, колоїдних та іонних розчинів.

3. Повітряний – перенесення газів, вулканічного попелу, пилу, аерозолей повітряними потоками, хімічних елементів вологою, солей вітром.

4. Біогенний – участь хімічних елементів у малому біологічному кругообігу.

5. Техногенний – переміщення хімічних елементів в будь-якому вигляді в результаті діяльності людини (перекачування води, газів, транспортування вугілля, нафти, руд, деревини тощо).

Залежно від ступеня участі живої речовини кругообіги хімічних елементів поділяють на:

- геологічний (вплив живої речовини відсутній);

- біологічний (розглядається у рамках окремих живих організмів і обумовлюється міграцією хімічних елементів у вигляді різних сполук віл олних органів до інших);

- біогенний, який поділяють на біогеоценотичний – кругообіг хімічних елементів на рівні біогеоценозу, геохімічний – кругообіг на рівні геохімічних ландшафтів, біогеохімічний – кругообіг елементів, який розглядається в рамках біосфери.

За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі пов’язані єдином циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг хімічних елементів, рушійною силою якого є тектонічні процеси та сонячна енергія, отримав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер. Тривалість його існування – близько 4 млр. років. Потужність великого (геологічного) кругообігу речовин в атмосфері, гідросфері та літосфері оцінюється в 2 · 10¹⁶ тонн/рік.

Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міграції хімічних елементів – біогенної. За рахунок біологічної міграції на великий кругообіг (геологічний) наклався малий (біологічний) кругообіг речовин. У малому біологічному кругообігу переміщуються в основному вуглець, кисень, азот та фосфор. Зараз обидва кругообіги протікають одночасно та тісно зв’язані між собою. Геологічний і біологічний кругообіги речовин разом склали біогеохімічний кругообіг, з’єднавши в ньому величезну потужність геологічного і надзвичайні швидкість та активність біологічного. Біогеохімічний кругообіг формувався впродовж 1,5-2 млр років, потім стабілізувався і суттєво не змінювався останні 2 млрд років.

У біогеохімічних кругообігах беруть участь три компоненти:

1. Жива речовина – рослини, тварини, мікроорганізми.

2. Біогенна речовина – грунтовий гумус.

3. Біокосна речовина – мінеральні сполуки, створені живою речовиною.

Функції живої речовини в кругообігу:

· газообмін;

· окислення;

· відновлення;

· концентрація та акумуляція хімічних елементів;

· синтез та розкладання.

Всі ці процеси супроводжуються втратою та вивільненням енергії.

Біогеохімічні цикли (БГХЦ) – це циклічне поетапне перетворення речовин та зміна потоків енергії з просторовим масоперенесенням, яке здійснюється завдяки сумісній абіотичній і біотичній трансформації речовин.

Залежно від агрегатного стану, хімічної природи сполук окремого хімічного елемента, їх розчинності, здатності накопичуватися в організмі, поглинатися грунтовим вбирним космплексом тощо переважає той чи інший тип міграції, тобто кожний геохімічний цикл має свої особливості.

Виділяють три рівня біогеохімічних циклів, які дозволяють виявляти роль і частку участі різних організмів у кругообігу хімічних елементів:

· БГХЦ на рівні мікробних популяцій;

· БГХЦ на рівні низчих безхребетних організмів грунту та водойм;

· БГХЦ в наземних лісових чи трав’янистих біогеоценозів.

Всі організми у процесі життєдіяльності поглинають речовини навколишнього середовища. Кожний вид організмів переробляє їх по-своєму і повертає у навколишнє середовище уже в іншій формі. Продукти життєдіяльності одних організмів використовуються іншими організмами. І з рештою у єдиний ланцюг втягуються всі види. В наслідок цього одна і та ж речовина багаторазово використовується для побудови живої матерії.

Тварини і людина для свого існування споживають кисень і органічні речовини, які синтезовані рослинами. Зелені рослини в процесі фотосинтезу використовують вуглекислий газ, який видихають живі організми. Бактерії і гриби розкладають органічні речовини. Всі живі істоти втягуються у кругообіг речовин у природі. Продукти життєдіяльності одних необхідні для існування інших. Створюється нерозривна єдність всієї живої і неживої природи.

Таким чином, постійно здійснюваний процес переходу хімічних елементів із одних сполук в інші, із складу земної кори у живі організми, потім розщеплення їх на неорганічні сполуки і хімічні елементи і знову перехід до складу земної кори називається кругообігом речовин і енергії.

Великий і малий кругообіги речовин (насамперед води, вуглецю, азоту, фосфору, сірки, калію, магнію, кальцію) – життєво важливі процеси біосфери, мільйони років не порушувалися, доки діяльність людини не набула сили планетарного характеру. За останні сто років, особливо в останні десятиріччя XX ст., антропогенна діяльність призвела до значних порушень кругообігу речовин у біосфері, розвитку глобальної екологічної кризи. Саме діяльність людини значно прискорила процеси вивітрювання гірських порід, зумовила накопичення в атмосфері такої кількості газів, яка призвела до розвитку негативних кліматичних змін (парниковий ефект), появи азонових дір та кислотних дощів, деградації грунтів через надмірне накопичення в них токсичних хімічних сполук. Внаслідок збільшення в природних водах, повітрі й грунтах концентрації важких металів, нафтопродуктів, пестицидів деградують й гинуть екосистеми, уповільнюються процеси колообігу речовин у біологічному циклі, частішають спалахи “цвітіння” вод внаслідок масового розмноження мікроскопічних водоростей не тільки ставків. Водосховищ, а й Світового океану, що сильно пригнічує розвиток консументів і призводить до порушень функціонування екосистем. Людина продукує також у величезних кількостях речовини, які не можуть бути залучені до біологічного кругообігу (пластмаси, поліетилен тощо), оскільки не розкладуються редуцентами.

Біогеохімічні цикли основних елементів-біофілів.