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.
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.