Биогеохимические циклы химических элементов — сопряженно протекающие на земной поверхности под влиянием солнечной энергии циклические процессы биотической и абиотической трансформации соединений химических элементов, составляющие единый круговорот этих элементов.
Химическое загрязнение биосферы какими-либо веществами нарушает сбалансированные потоки этих веществ в экосистеме, что вызывает негативную реакцию живых организмов, которые в свою очередь утрачивают способность выполнять свою функцию по обеспечению биогеохимического круговорота этих веществ.
Углерод, азот, сера входят в состав и минеральных, и органических соединений биосферы. Это важнейшие биогенные элементы, определяющие состояние живых организмов, обеспечивающие жизнь на планете. С другой стороны, они доминируют в составе поллютантов, поступающих из различных техногенных источников во все возрастающих количествах. Антропогенное поступление соединений этих элементов в биосферу нарушает биогеохимические циклы этих элементов, и это опасно для биосферы.
Биогеохимический цикл углерода и его антропогенное нарушение. Углерод — элемент наиболее активно участвующий и в геологическом, и в биологическом круговороте, трансформация его соединений тесно связана с жизнедеятельностью организмов. Цикл углерода составляют два главнейших процесса: фиксация СO2 из атмосферы и выделением СO2 в атмосферу. Биологическое поглощение СO2 из атмосферы осуществляется за счет солнечной энергии преимущественно высшими растениями в ходе фотосинтеза. Затрачивается СO2 на создание первичной органической продукции, и его значительная часть оказывается в составе растений и животных. Пополняется запас СO2 в атмосфере при дыхании растений, животных, при жизнедеятельности редуцентов органического вещества в почве, а также за счет разложения органических остатков микроорганизмами после отмирания живых организмов. Образовавшийся СO2 вновь вовлекается в биогенный круговорот. Основная часть углерода в органической форме закрепляется в почве в форме гумуса, в отложениях торфа, нефти, газа, угля, находящихся в ископаемом состоянии. Аккумуляция углерода происходит также в форме карбонатов.
Процессы поглощения и выделения СO2 осуществляются живыми организмами и проходят с участием кислорода: продуктом фотосинтеза является кислород, поступающий в атмосферу; из атмосферы кислород потребляется микроорганизмами, осуществляющими минерализацию органических веществ. Процессы эти имеют глобальное биосферное значение.
Для существования живых организмов важен газовый баланс углерода в атмосфере. Нарушение цикла углерода опасно для живых организмов. Но это нарушение уже происходит. Количество сжигаемого топлива растет, увеличивается и количество СO2 в атмосфере, которое полностью зеленые растения усвоить не в состоянии, особенно на фоне глобальной деградации лесов.
Биогеохимический цикл азота и его антропогенное нарушение. Азот присутствует во всех природных средах в форме органических и минеральных соединений. В воздухе атмосферы он преобладает (80%). Органические соединения азота (белки, аминокислоты) присутствуют в телах животных и растениях, минеральные соединения (нитрат, нитрит, аммонийные ионы) — в воде. В форме и органических и минеральных соединений азот находится в почве. Круговорот азота, как и углерода, совершается и по большому и по малому циклам (в геологическом и биологическом круговороте).
Азотфиксация молекулярного азота атмосферы почвенными микроорганизмами — важнейший процесс, сопоставимый по значению и масштабу с фотосинтезом. Усвоенный в ходе этого процесса азот переходит в состав органических соединений, преимущественно белков. После отмирания и распада микробных клеток он используется растениями.
Азотсодержащие органические соединения под влиянием микроорганизмов подвергаются аммонификации (минерализации), в ходе которой образуется аммиак. Он подвергается различным превращениям: адсорбируется почвенными частицами, потребляется почвенными микроорганизмами, выделяется в атмосферу. Чрезвычайно важен процесс нитрификации — окисление аммиака микроорганизмами до нитратов. Последние усваиваются высшими растениями, закрепляются микроорганизмами, частично вымываются. Часть нитратов микроорганизмами почвы подвергается денитрификации, т. е. восстановлению до нитритов и далее до молекулярного азота. Молекулярный азот возвращается в атмосферу. Процесс денитрификации по масштабам сопоставим с азотфиксацией. Ежегодное поступление в атмосферу 270—330 млн т N2 обеспечивает баланс азота в атмосфере. Огромные количества техногенного азота в нитратной форме поступают в атмосферу преимущественно с отходами энергетики и автотранспорта. Они нарушают сбалансированные потоки азота в биосфере.
Биогеохимический цикл серы и его антропогенное нарушение. Основная часть серы на земной поверхности находится в форме минеральных соединений (в окисленной, восстановленной форме, реже в свободной). Растения и микроорганизмы усваивают сульфаты из почвы, переводят ее в восстановленное состояние, в котором она оказывается в составе органических соединений (белки, аминокислоты) живых организмов. После отмирания живых организмов происходит микробная минерализация серусодержащих органических веществ. Состав образующихся при этом продуктов зависит от обстановки. В аэробных условиях идут окислительные процессы с образованием окисленных соединений серы и сульфатов, в анаэробных — восстановление с образованием сероводорода и соединений типа меркаптанов. Окисление сероводорода и других продуктов осуществляют тоже микроорганизмы, специфические для аэробных и анаэробных условий.
Нарушение цикла серы происходит за счет техногенного поступления ее преимущественно в форме диоксида — газа, образующегося при различных производственных процессах, главным образом при сжигании топлива.
Биогеохимические циклы микроэлементов (тяжелых металлов и металлоидов) и их антропогенное нарушение. Металлы в земной коре присутствуют преимущественно в составе различных минералов в соответствии со свойствами металлов и условиями формирования содержащих их минералов и пород. Собственные минералы микроэлементов в почвах или отсутствуют, или присутствуют в микроколичествах. В почве они образуют систему соединений, взаимосвязанных с соединениями типоморфных элементов. Среди них есть соединения, прочносвязанные с минеральной частью почвы (это первичные и вторичные алюмосиликаты, несиликатные соединения железа, алюминия, марганца, труднорастворимые соли, в том числе карбонаты), с органическими компонентами (органические остатки и продукты их трансформации, гумусовые вещества), с органоминеральными соединениями. Подвижные соединения микроэлементов присутствуют в почвенном растворе, в почвенном воздухе. Важны потенциально подвижные соединения, присутствующие в составе твердых фаз, но находящиеся в динамическом равновесии с почвенным раствором, среди которых велика роль органо-минеральных соединений. Важное значение имеют соединения микроэлементов, аккумулированные микроорганизмами.
Все соединения микроэлементов находятся в состоянии динамического равновесия. Находящиеся в растворе металлы могут вымываться, усваиваться растениями (частично удаляться с урожаем), потребляться микроорганизмами, закрепляться минералами и органическими веществами. Запас их может пополняться за счет разрушения носителей более прочно удерживаемых форм. Микроэлементы, удерживаемые растениями, микроорганизмами, органическими веществами могут освобождаться за счет их минерализации и менять форму своего присутствия в почве.
Поступившие из техногенных источников загрязняющие почву металлы и металлоиды пополняют в основном запас менее прочно удерживаемых почвенными компонентами соединений. Это приводит к нарушению биогеохимического цикла этих элементов. Формы проявления последствий этого явления различны. Рост в разы или в десятки раз количества подвижных соединений металлов ведет к увеличению их водной и биогенной миграции. Эти же соединения в загрязненных почвах оказывают токсическое действие на почвенную биоту, прежде всего на микроорганизмы, которые активны в минерализации металлсодержащих органических веществ. Свойства самих органических веществ почвы вследствие их взаимодействия с металлами меняются, в результате чего меняется их способность удерживать микроэлементы.