Естественные биогеохимические циклы и их техногенные изменения

Цикличность космических процессов (вращение звезд, Солнца и др.) обусловливает цикличность ряда процессов, протекающих на Земле. Один из таких процессов известен как биогеохимический цикл (круговорот) элементов (БГХЦ), входящих в состав биосферы.

Такой цикл включает движение химических элементов, в том числе основных элементов, формирующих живое вещество планеты, из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. В каждом цикле (круговороте) выделяют две части, называемые "фондами":

1) резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, преимущественно компоненты небиологического происхождения;

2) подвижный, или обменный фонд - меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен веществ между организмами и их непосредственным окружением.

Если использовать временную характеристику биогеохимических циклов, то следует говорить о долговременных и кратковременных циклах. Для биосферы в целом БГХЦ подразделяется на круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

В биогенном цикле можно выделить отдельные составляющие, или циклы: геологические, геохимические, биологические, биохимические и т.д.

Геологические циклы являются главными двигателями развития Земли и отражают совокупность (эндогенных -внутренних и экзогенных - поверхностных) геологических процессов в земной коре, обусловливающих образование, преобразование и перемещение в них вещества и энергии, формирование различных генетических типов пород, их распределение и формы залегания, и т. д.

Геологические циклы состоят из ряда субциклов, важнейшими из которых являются: петрологические (определяющие породообразование), тектонические (объясняющие последовательность процессов превращения океанической земной коры в континентальную), гидрологические (учитывающие водные объекты), геохимические (характеризующие состав и миграцию химических элементов), геоморфологические (отображающие особенности изменения рельефа) и пр.

В результате геологических циклов осуществляется круговорот веществ на планете. Выветриваясь и разрушаясь, горные породы сносятся с поверхности суши в прилегающие моря и океаны со скоростью около 1,5 м в 1000 лет. Экзогенный (поверхностный) круговорот веществ является очень мощным, так как он осуществляется под воздействием солнечной энергии, гравитации, а также биологических процессов.

Если анализировать биогеохимические циклы, в них можно выделить так называемые элементарные потоки. Примерами элементарных потоков могут быть: круговороты воды, углерода, азота, других химических элементов в пределах одного или между несколькими пространственными элементами экосферы; для биосферы - циклы синтеза, разрушения, углефикации и консервации органического вещества, жизненные циклы; газообмен между различными геосферами Земли; товарные потоки каких-то определенных предметов или материальные потоки в техносфере.

Представление В.И.Вернадского о биогеохимических циклах как основе организованности биосферы в настоящее время углублено и расширено до представления о технобиогеохимических циклах (ТБГХЦ) как основе организованности экосферы и антропосферы в целом.

Вовлечение того или иного химического элемента в ТБГХ-потоки определяется рядом факторов, в том числе химическими свойствами элементов, в частности степенью растворимости образуемых ими соединений.

Масса химических элементов, включенная в ТБГХЦ, приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Масса химических элементов, ежегодно вовлекаемая в основные технобиогеохимические потоки суши экосферы Земли

Общая масса элемента, т/год	Речной сток	Биологическая продукция	Мировая добыча	Сжигание горючих ископаемых
n*10 ¹¹	—	О	—	—
n*10 ¹⁰	—	С, N, Н	—	О
n*10 ⁹	—	Са, К, Si	С	С
n*10 ⁸	С, Са, Mg, Na, S	P, Mg, Na, Al, S	Fе	Al, О, Н
n*10⁷	К, N, Fe	Cl, Mn, Sr	К, Na, S, О	Fе, Са, S, N
n*10⁶	Sr, Al, Ba	Zn, Ti, B, Cr, Cu, Br	О, CI, P, Cu, Zn, Mn, Pb, F, А1, Cr, Ba, Mg	К, Sr, Ti, Na, Mg, Ba
n*10⁵	Zn, Вг, В, P, Ti, Mn, Ni, Cu, As, Zr	Ni, J, Ba, Ge, V, Ga, Rb, Mo, Co	Ti, Ni, B, Sn, Br	P, Hg, Cr, Cu, Zn, Mo, Li, B, Co, Ba, Ge, Be, U, Pb, La, Zr, As, Mn, V, Rb
n*10⁴	Y, Pb, Li, Co, Cr, Mo, U, Rb	Rb, Li, Pb, F, Zr, Sn, Y, Cs, Sc, Be	Hg, As, Co, Mo, U, Ag, Cd, Sb, W	Pb, J, Y, Ga, Sc, Bi, W, Hg
n*10 ³	Ag, Са, V	Ag, Ли, U, 111, Ni, As	Li, V, Se, J, Ag, Zr, Bi, Au, Be, Sr, Nb	Ag, Cd
n*10 ²	Th	—	Ge	Au
n*10	—	Cd	Y, Cs, Ga, In, Th	—
n	—	Hg	—	—

Живые организмы являются в целом очень мощным регулятором потоков вещества на земной поверхности, избирательно удерживая те или иные элементы в биологическом круговороте. Ежегодно в биологический круговорот вовлекается азота в 6...20 раз, фосфора в 3...30 раз больше, чем в геологический, в то же время серы, наоборот, в геологический цикл вовлекается в 2...4 раза больше, чем в биологический.

Судьба того или иного элемента в конкретных экосистемах определяется в конечном счете комплексом параметров, зависящих от химических свойств элемента, его земного кларка (среднего содержания химического элемента в земной коре), роли элемента в ТБГХ-процессах в экосфере (биофильности - необходимости участия этих элементов в построении живой материи, технофильности - включения элементов в производственные процессы, геохимической активности), соотношения биологического, техногенного и геологического циклов этого элемента. Баланс элемента в экосистеме может быть как положительным (прогрессивная аккумуляция), гак и отрицательным (прогрессивное рассеяние).

Цикл свинца в окружающей среде представлен на рис. 3.11.

Технобиогеохимический цикл свинца в окружающей среде

Рис. 3.11. Технобиогеохимический цикл свинца в окружающей среде:
1 - загрязнение воды в трубах, изготовленных из свинца; 2 - употребление людьми загрязненной питьевой воды; 3 - проникновение синица в воду в результате атмосферных процессов; 4 - горнодобывающие процессы; 5 - производство чушкового свинца; 6 - поглощение свинца корневой системой растений; 7 - загрязнение воздуха в процессе выплавки свинца; 8 - употребление в пищу растений, содержащих свинец; 9 - осаждение свинца из воздуха; 10 - загрязнение воздуха свинцом в процессе работы автомобильных двигателей; 11- употребление животными в пищу загрязненной растительности; 12 - животные, употребляемые в пищу человеком; 13 - поглощение детьми свинца, содержащегося в красках; 14 - попадание свинцовой глазури в пищевые продукты

ТБГХ-потоки, формирующие структуру экосферы, приводят к существенному перераспределению вещества на земной поверхности, создают дифференциацию пространственных элементов экосферы.

В этом глобальном миграционном процессе возникают зоны концентрации тех или иных веществ и, наоборот, зоны обеднения - различные геохимические провинции.

Скорость движения веществ, их подвижность в общем ТБГХ-потоке зависит как от свойств самих веществ, так и от свойств среды потока, т. е. от его термодинамических и физико-химических характеристик на всем пути потока. Первые приводят к образованию участков с резким изменением условий миграции, уменьшению подвижности веществ и элементов и их накоплению на этих участках. Такие аномалии называются геохимическими барьерами.