Рис. 21.1. Колообіг Карбону в природі

У більшості стабільних екосистем процеси фіксації та вивільнення вуглекислого газу збалансовані. Виняток становлять ті екосистеми, у яких біомаса в певний спосіб вилучається з колообігу. Насамперед, це відбувається в морських екосистемах, у яких мертві рештки опускаються на дно, де гниття сповільнене через низькі температури та малий уміст кисню. Серед наземних екосистем подібне є характерним, наприклад, для боліт. У результаті частина Карбону постійно вилучається з циклу й захоронюється у вигляді паливних копалин (торфу, вугілля, природного газу, нафти) чи осадових порід, утворених, здебільшого, карбонатами (СО32-).

А от ліси, попри те що поглинають десятки гігатонн вуглекислого газу на рік, приблизно стільки ж виділяють назад до атмосфери. Це в жодному разі не означає, що ліси некорисні для планети та їх вирубування ні до чого поганого не призводить. Річ у тім, що до складу дерев входить величезна кількість Карбону, який унаслідок використання деревини швидко повертається назад до колообігу у вигляді вуглекислого газу (докладніше про вплив діяльності людини на атмосферу йтиметься в § 24). Активне використання енергії паливних копалин шляхом їх спалювання на підприємствах чи в транспортній галузі задля отримання енергії також спричиняє збільшення вмісту СО2 в атмосфері. Вуглекислий газ слугує, так би мовити, атмосферним теплоізолятором для планети, оскільки розсіює й не пропускає теплове (інфрачервоне) випромінювання від її поверхні назад до космосу. Тому збільшення кількості СО2 в атмосфері спричиняє зростання середньої температури, зміни клімату та численні стихійні лиха.

Рушійна сила колообігу Оксигену — процеси дихання й фотосинтезу

Оксиген поряд із Карбоном входить до складу більшості органічних сполук організмів. Утім його вагома частка міститься в літосфері у вигляді кремнезему (SiO2), оксидів металів та оксигеновмісних солей. Рослини засвоюють Оксиген літосфери, поглинувши нітрати, сульфати й фосфати з ґрунту.

Іншим резервуаром Оксигену є атмосфера, де він міститься, здебільшого, у вигляді молекул кисню й вуглекислого газу. Рослини поглинають вуглекислий газ у процесі фотосинтезу. Також під час нього вони поглинають атоми Оксигену молекул води. Унаслідок фотосинтезу Оксиген накопичується в органічних речовинах організмів, а також вивільняється до атмосфери у вигляді кисню.

Оксиген органічних речовин передається харчовими ланцюгами й потрапляє до відмерлих решток або використовується для отримання енергії під час дихання. Й аеробне дихання, і гниття органіки відмерлих решток потребують кисню з атмосфери. Під час цих процесів атоми Оксигену кисню переходять до води й вуглекислого газу, які потрапляють у довкілля. Отже, завдяки процесам фотосинтезу й дихання виникає внутрішній колообіг Оксигену (як і Карбону) між біосферою й атмосферою (рис. 21.2).

Частина атомів Оксигену, що містяться в організмах, переходять до літосфери у вигляді осадових порід (наприклад, вапняку): здебільшого, це черепашки молюсків і морських одноклітинних організмів. І, зрештою, існує безпосередній зв'язок між атмосферою й літосферою, бо процеси окиснення деяких речовин відбуваються на поверхні ґрунту. Отже, за аналогією до колообігу Карбону атмосфера, гідросфера та літосфера пов'язані в біогеохімічному циклі Оксигену завдяки діяльності організмів.

Рис. 21.2. Колообіг Оксигену в природі

Не варто забувати, що так було не завжди. Оксиген у формі кисню з'явився в атмосфері близько 2,5 млрд років тому завдяки діяльності фотосинтетичних бактерій. Це докорінно змінило всю біосферу, спричинивши кисневу катастрофу, у якій загинула більшість анаеробних організмів. І з того часу хімічні сполуки, що контактують із повітрям, окиснюються (наприклад, залізо іржавіє), бо через наявність у нашій атмосфері кисню вона має окисний характер. Але кисень в атмосфері сприяв і активізації життя: навчившись ним дихати, живі істоти почали видобувати набагато більше енергії з поживних речовин, ніж окиснюючи їжу без нього. Як і вогонь перед предками людей, «спалювання» поживних речовин у кисні відкрило перед живим світом нові можливості й сприяло появі багатоклітинних організмів та освоєнню життям суходолу.

Колообіг Нітрогену неможливий без бактерій

Нітроген — один із найважливіших хімічних елементів, що входять до складу організмів. Він є необхідним компонентом як носіїв спадковості — нуклеїнових кислот, так і білкових каталізаторів — ферментів, а також багатьох інших сполук, наприклад хлорофілу чи гему в гемоглобіні. Повітря, яким ми дихаємо, на 78 % складається з азоту. Але він не може бути використаний організмами тому, що хімічний зв'язок у молекулі N2 дуже міцний, і щоб розірвати його, необхідна велика кількість енергії.

У промисловості для того, щоб розірвати зв'язки в цій молекулі, наприклад, для виробництва амоніаку, потрібні висока температура, тиск і каталізатор. У природі з цим завданням можуть упоратися лише деякі ґрунтові мікроорганізми — азотфіксувальні бактерії. Вони переводять атмосферний азот (N2) у доступну для засвоєння рослинами форму амоніаку (NH3). Багато азотфіксувальних бактерій існують у симбіозі з рослинами. Деякі, наприклад, формують бульбочки на корінні представників родини Бобові (гороху, квасолі та інших рослин), але є й азотфіксатори, що вільно живуть у ґрунті (рис. 21.3).

Загалом більшість ключових етапів колообігу Нітрогену (рис. 21.4) у природі пов'язані з діяльністю бактерій. Нітрифікувальні бактерії трансформують амоніак, що утворюється азотфіксувальними бактеріями, на нітрити (NO2-) та нітрати (NO3-), які рослини можуть використовувати для синтезу нітрогеновмісних органічних сполук. Тварини отримують сполуки Нітрогену, поїдаючи рослини чи інших тварин. Таким чином Нітроген транспортується екосистемою в складі органічних речовин завдяки трофічним ланцюгам.

Рис. 21.3. Бульбочки азотфіксувальних бактерій на корінні сої

А. Зовнішній вигляд. Б. Поперечний переріз кореневої бульбочки. Видно рослинні клітини, наповнені бактеріями-симбіонтами (фіолетові крапки).

Рис. 21.4. Колообіг Нітрогену в природі

Зрештою, Нітроген із органічних сполук мертвих організмів чи відходів життєдіяльності повертається у довкілля. Складні органічні сполуки решток у процесі амоніфікації розпадаються з утворенням амоніаку. З другого боку, частина нітратів і нітритів піддається денітрифікації з утворенням молекулярного азоту й газоподібних оксидів Нітрогену (N2O, NO), які повертаються до атмосфери. Обидва процеси здійснюють ґрунтові бактерії.

Кількість Нітрогену, що зв'язується ґрунтовими мікроорганізмами, уже давно не забезпечує потреб аграрної промисловості. На сьогодні внесення до ґрунту нітрогеновмісних добрив є необхідною умовою існування сільського господарства, а їхнє виробництво поглинає понад 80 млн тонн атмосферного азоту на рік. Для порівняння: ґрунтові бактерії зв'язують на рік близько 100 млн тонн азоту. Однак надмірне застосування добрив спричинило появу нових проблем, пов'язаних із забрудненням довкілля. Одна з них виникає при змиванні азотних добрив в озера та інші водойми. Унаслідок цього виникає евтрофікація, про яку йшлося в § 19.

Іншим шляхом потрапляння Нітрогену до ґрунту є випадання його із кислотними опадами. Оксиди Нітрогену, що утворюються як викиди промисловості й транспорту1, потрапляють до атмосфери, де, взаємодіючи з водою, утворюють нітритну (HNO2) і нітратну кислоти (HNO3) (рис. 21.5). Разом із дощем вони потрапляють у землю, спричиняючи закислення ґрунту й води, що негативно відбивається на чисельності рослин в екосистемах (докладніше про кислотні опади читайте в § 24).

1 Частина оксидів Нітрогену утворюється також при взаємодії кисню й азоту в атмосфері під час блискавки.