Биогеохимический цикл углерода

   Биогеохимический  цикл углерода.

   Содержание  углерода в атмосфере Земли составляет 0,046% в форме двуокиси углерода и 0,00012% в форме метана. Среднее его  содержание в земной коре – 0,35%, а  в живом веществе – около 18% (Виноградов, 1964). С углеродом тесно связан процесс возникновения и развития биосферы, т.к. именно углерод является основой белковой жизни. Благодаря  своей способности образовывать прочные связи между атомами, является основой всех органических соединений.

   Индекс  биогенного обогащения почв по отношению  к земной коре, а растений по отношению  к почвам составляет для углерода 100 и 1000 соответственно (Ковда, 1985).

   Основным  резервуаром углерода в биосфере, из которого этот элемент заимствуется живыми организмами для синтеза  органического вещества, является атмосфера. Углерод содержится в ней, главным  образом, в форме диоксида СО₂. Небольшая доля атмосферного углерода входит в состав других газов – СО и различных углеводородов, в основном метана СН₄. Но они в кислородной атмосфере неустойчивы, и вступают в химические взаимодействия с образованием, в конечном счёте, того же СО₂.

   Из  атмосферы углерод усваивается  автотрофными организмами-продуцентами (растениями, бактериями, цианобионтами) в процессе фотосинтеза, в результате которого, на основе взаимодействия с водой, формируются органические соединения – углеводы. Далее, в результате процессов метаболизма, с участием веществ, поступающих с водными растворами, в организмах синтезируются и более сложные органические вещества. Они не только используются для формирования растительных тканей, но также служат источником питания для организмов, занимающих очередные звенья трофической пирамиды – консументов. Таким образом, по трофическим цепям, углерод переходит в организмы различных животных.

   Возвращение углерода в окружающую среду происходит двумя путями. Во-первых – в процессе дыхания. Суть процессов дыхания  заключается в использовании  организмами окислительных химических реакций, дающих энергию для физиологических  процессов. Окисление органических соединений, для которого используется атмосферный или растворённый в  воде кислород, имеет результатом  разложение сложных органических соединений с образованием СО₂ и Н₂О. В итоге углерод в составе СО₂ возвращается в атмосферу, и одна ветвь круговорота замыкается.

   Второй  путь возвращения углерода – разложение органического вещества. В условиях биосферы процесс этот в основном протекает в кислородной среде, и конечными продуктами разложения являются те же СО₂ и Н₂О. Но большая часть углекислого газа при этом не поступает прямо в атмосферу. Углерод, высвобождающийся при разложении органического вещества, в основном остаётся в растворённой форме в почвенных, грунтовых и поверхностных водах. Или в виде растворённого углекислого газа, или же в составе растворённых карбонатных соединений – в форме ионов НСО₃^- или СО₃^2-. Он может после более или менее продолжительной миграции частично возвращаться в атмосферу, но большая или меньшая его доля всегда осаждается в виде карбонатных солей и связывается в составе литосферы.

   Часть атмосферного углерода непосредственно  поступает из атмосферы в гидросферу, растворяясь в воде. Главным образом, углекислый газ поглощается из атмосферы, растворяясь в водах Мирового Океана. Сюда же поступает и часть  углерода, в тех или иных формах растворённого в водах суши. СО₂, растворённый в морской воде, используется морскими организмами на создание карбонатного скелета (раковины, коралловые постройки, панцири иглокожих и т.д.). Он входит в состав пластов карбонатных пород биогенного происхождения, и на более или менее продолжительное время «выпадает» из биосферного круговорота.

   В бескислородных средах разложение органического вещества также идёт с формированием в качестве конечного продукта углекислого газа. Здесь окисление протекает за счёт кислорода, заимствуемого из минеральных веществ бактериями-хемосинтетиками. Но процесс в этих условиях идёт медленнее, и разложение органического вещества обычно является неполным. В результате существенная часть углерода остаётся в составе не до конца разложившегося органического вещества и накапливается в толще земной коры в битуминозных илах, торфяниках, углях.

   Хранители углерода – это живая биомасса, гумус, известняки и каустобиолиты. Естественными источниками углекислого газа, кроме вулканических эксгаляций, являются процессы разложения органичесекого вещества, дыхание животных и растений, окисление органических веществ в почве и других природных средах. Техногенная углекислота составляет 20х10⁹ т, что пока намного меньше, чем естественное ее поступление в атмосферу. За миллиарды лет с момента появления жизни на Земле весь углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение всего 304 лет живые организмы усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, всего за 4 года может полностью обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за этот срок завершает свой цикл. Цикл углерода, входящего в состав гумуса почв оценивается в 300-400 лет.

   Роль  углерода в биосфере наглядно иллюстрируется схемой его круговорота (рис. 3.5.1).

Рис. 3.5.1. Схема биогеохимического цикла  углерода

   Из  этой схемы наглядно видно, что растения, используя механизм фотосинтеза, выполняют  функцию продуцентов кислорода  и являются основными потребителями  углекислого газа.

   Однако, цикл биологического круговорота углерода не замкнут. Что очень важно, в том числе, и для нас. Этот элемент нередко выводится из геохимического круговорота на длительный срок в виде карбонатных пород, торфов, сапропелей, углей, гумуса. Таким образом, часть углерода всё время выпадает из биологического круговорота, связываясь в литосфере в составе различных горных пород. Почему же тогда не возникает дефицита углерода в атмосфере? Причина в том, что его потеря компенсируется постоянным поступлением СО₂ в атмосферу в результате вулканической деятельности. То есть, в атмосферу постоянно поступают глубинные углекислый газ и окись углерода. Это позволяет поддерживать баланс углерода в биосфере нашей планеты.

   Хозяйственная деятельность человека интенсифицирует  биологический круговорот углерода и может способствовать повышению  первичной, а, следовательно, и вторичной  продуктивности. Но дальнейшая интенсификация техногенных процессов и может  сопровождаться повышением концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Повышение  концентрации углекислоты до 0,07% резко  ухудшает условия дыхания человека и животных. Расчеты показывают, что при условии сохранения современного уровня добычи и использования горючих  ископаемых потребуется чуть больше 200 лет для достижения такой концентрации углекислого газа в атмосфере  Земли. В отдельных крупных городах  эта угроза вполне реальна уже  сейчас.