В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется круговорот углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы и других веществ.

Углекислый газ поглощается растениями, продуцентами и в процессе фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы.

Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя CO 2 , который поступает в атмосферу. Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются микроорганизмами-редуцентами. CO 2 выделяется в атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических соединений.

В процессе круговорота углерода в биосфере образуются энергетические ресурсы: нефть, каменный уголь, горючие газы, торф и древесина.

При разложении растений и животных азот выделяется в виде аммиака. Нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в соли азотистой и азотной кислот, которые усваиваются растениями. Некоторые азотфиксирующие бактерии способны усваивать атмосферный азот. Так замыкается круговорот азота в природе.

В результате круговорота веществ в биосфере происходит непрерывная биогенная миграция элементов: необходимые для жизни растений и животных химические элементы переходят из среды в организм, при разложении организмов эти элементы снова возвращаются в среду, откуда поступают в организм.

Основа биосферы - круговорот органического вещества, осуществляющийся при участии всех организмов, населяющих биосферу, получила название биотического круговорота.

В закономерностях биотического круговорота заключена основа длительного существования и развития жизни на Земле.

Человек - элемент биосферы и как составная часть биомассы Земли на протяжении всей эволюции находился и находится в непосредственной зависимости от окружающей природы.

С развитием высшей нервной деятельности человек сам становится мощным фактором среды (антропогенный фактор) в дальнейшей эволюции на Земле.

Влияние человека на природу двоякое - положительное и отрицательное. Деятельность человека часто приводит к нарушению природных закономерностей.

Доля массы человечества в биосфере невелика, но деятельность его грандиозна, в настоящее время она стала силой, изменяющей процессы в биосфере.

В. И. Вернадский утверждает, что биосфера закономерно перейдет в ноосферу (от гр. «ноос» - разум» + гр. «сфера» - шар).

По В. И. Вернадскому, ноосфера - это биосфера, преобразованная трудом человека и измененная научной мыслью.

В настоящее время наступил такой период, когда человек должен планировать свою хозяйственную деятельность так, чтобы она не нарушала сложившиеся в гигантской экосистеме, какой является биосфера, закономерности, не способствовала сокращению биомассы.

Содержание статьи

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДЕ – КРУГОВОРОТ И МИГРАЦИЯ. Между литосферой , гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние. Круговорот элементов имел место в течение всей истории Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет.

Гигантские массы химических веществ переносятся водами Мирового океана. В первую очередь это относится к растворенным газам – диоксиду углерода, кислороду, азоту. Холодная вода высоких широт растворяет газы атмосферы. Поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она их выделяет, так как растворимость газов при нагревании уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при смене теплых и холодных сезонов года.

Огромное влияние на природные циклы некоторых элементов оказало появление жизни на планете. Это, в первую очередь, относится к круговороту главных элементов органического вещества – углерода, водорода и кислорода, а также таких жизненно важных элементов как азот , сера и фосфор . Живые организмы оказывают влияние и на круговорот многих металлических элементов. Несмотря на то, что суммарная масса живых организмов Земли меньше массы земной коры в миллионы раз, растения и животные играют важнейшую роль в перемещении химических элементов.

Деятельность человека также оказывает влияние на круговорот элементов. Особенно заметным оно стало в последнее столетие. При рассмотрении химических аспектов глобальных изменений в круговоротах химических элементов следует учитывать не только изменения в природных круговоротах за счет добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в результате обычных циклических и/или вызванных человеком воздействий, но и поступление в окружающую среду химических веществ, ранее не существовавших в природе. Рассмотрим несколько наиболее важных примеров циклического перемещения и миграции химических элементов.

Углерод

– основной элемент жизни – содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных водах Земли углерод находится в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат-иона НСО 3 – , карбонат иона СО 3 2– и растворенного диоксида углерода СО 2 . Большое количество углерода сосредоточено в виде органических соединений в животных и растениях. Много «неживого» органического вещества имеется в почве. Углерод литосферы содержится также в карбонатных минералах (известняк, доломит, мел, мрамор). Часть углерода входит в состав нефти, каменного угля и природного газа.

Связующим звеном в природном круговороте углерода является диоксид углерода (рис. 1).

Рис. 1. УПРОЩЕННАЯ СХЕМА глобального цикла углерода. Числа в рамках отражают размеры резервуаров в миллиардах тонн – гигатоннах (Гт). Стрелки показывают потоки, а связанные с ними числа выражены в Гт/год.

Самыми крупными резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше. Однако бoльшая часть этого вещества не взаимодействует с атмосферой, а подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах. Поэтому эти резервуары играют лишь второстепенную роль в сравнительно быстром цикле углерода, протекающем с участием атмосферы. Следующим по величине резервуаром является морская вода. Но и здесь глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода, не взаимодействует с атмосферой так быстро, как их поверхность. Самыми маленькими резервуарами являются биосфера суши и атмосфера. Именно небольшой размер последнего резервуара делает его чувствительным даже к незначительным изменениям процентного содержания углерода в других (больших) резервуарах, например, при сжигании ископаемых топлив.

Современный глобальный цикл углерода состоит из двух меньших циклов. Первый из них заключается в связывании диоксида углерода в ходе фотосинтеза и новом образовании его в процессе жизнедеятельности растений и животных, а также при разложении органических остатков. Второй цикл обусловлен взаимодействием диоксида углерода атмосферы и природных вод:

СО 2 + Н 2 О Н 2 СО 3

Н 2 СО 3 НСО 3 – + Н +

НСО 3 – СО 3 2– + Н +

СО 3 2– + Са 2+ = СаСО 3 Ї

В последнее столетие в углеродный цикл существенные изменения внесла хозяйственная деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива – угля, нефти и газа – привело к увеличению поступления диоксида углерода в атмосферу. Это не очень сильно влияет на распределение масс углерода между оболочками Земли, но может иметь серьезные последствия из-за усиления парникового эффекта.

Кислород

на Земле содержится, в основном, в литосфере в виде диоксида кремния и силикатов. Кроме того, кислород есть в составе воды, образующей гидросферу. В атмосфере кислород находится в молекулярном виде. Он является продуктом процессов жизнедеятельности растений и в то же время одним из основных условий существования жизни на Земле. Образование свободного кислорода связано со световой энергией Солнца. Исходным сырьем для образования кислорода служит вода. Почти весь свободный кислород на Земле – это результат реакции фотосинтеза органического вещества из воды и диоксида углерода. Некоторое количество кислорода образуется при разложении воды в верхних слоях атмосферы. Кислород входит в состав многих органических соединений. Между живыми организмами и атмосферой происходит постоянный обмен кислородом.

Несмотря на выделение кислорода зелеными растениями, его содержание в атмосфере не увеличивается. Одновременно с фотосинтезом происходит разложение органического вещества, при этом поглощается практически весь выделившийся кислород. Часть кислорода расходуется на окисление неорганических веществ. Незначительное количество атмосферного кислорода участвует в цикле образования и разрушения озона.

Водород

на Земле находится, преимущественно, в гидросфере в составе воды. Содержание его в литосфере и атмосфере сравнительно невелико. Он входит также в состав органических веществ. Огромные массы водорода, наряду с кислородом, участвуют в круговороте воды – одном из наиболее мощных циклических процессов на планете.

Особенностью водорода является его способность (наряду с гелием) уходить из поля тяготения Земли благодаря своей малой атомной массе. Эти потери компенсируются выделением водорода из мантии. Молекулярный водород поступает в атмосферу Земли в результате вулканической деятельности, его выделяют также некоторые бактерии. После появления на нашей планете живых организмов водород стал связываться в органическом веществе.

Азот,

вследствие исключительной прочности молекулы N 2 , почти полностью сосредоточен в атмосфере. Часть газообразного азота растворена в природных водах, которые содержат и растворенные азотсодержащие органические вещества и неорганические ионы: катион аммония, нитрит-ион и нитрат-ион. Поскольку азот не образует нерастворимых солей, он только в редких случаях накапливается в литосфере. Так, в южноамериканской пустыне Атакама есть скопления нитрата натрия, который, несмотря на высокую растворимость в воде, сохраняется благодаря исключительно сухому климату.

Слово «азот» буквально означает «безжизненный», поскольку он не поддерживает дыхание. Однако этот элемент является обязательной составной частью белков. Поэтому азот в значительном количестве содержится в живых организмах и «мертвом» органическом веществе. Азот непрерывно перемещается между атмосферой, океаном, живыми организмами и почвой.

В атмосфере под действием электрических разрядов азот переходит сначала в монооксид азота, а затем в диоксид азота. Влага воздуха и кислород превращают диоксид азота в азотную кислоту

4NO 2 + 2H 2 O + O 2 = 4HNO 3

Соединения азота легко растворяются в атмосферных осадках и попадают на поверхность Земли.

Большое значение в связывании атмосферного азота имеет жизнедеятельность клубеньковых бактерий, обитающих на корнях бобовых растений. Ферменты этих бактерий превращают молекулярный азот в соединения, которые затем усваиваются растениями. Из растений связанный азот поступает в организмы животных, в основном, в виде аминокислот и белков. После гибели живых организмов органические вещества превращаются в неорганические соединения, снова усваиваемые растениями. Часть азота в почвах превращается в молекулярный азот и переходит в атмосферу. Молекулярный азот образуется также при полном окислении органических веществ.

Соединения азота попадают в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, а в природные воды – с бытовыми и промышленными отходами.

Слишком большое количество растворимых соединений азота в почве приводит к росту их содержания в продуктах питания и питьевой воде, это может стать причиной серьезных заболеваний. Соединения азота накапливаются в водоемах и вызывают зарастание озер и водохранилищ. Пока подобные явления наблюдаются лишь в отдельных районах, где в окружающую среду попадает много соединений азота. В целом же природа пока справляется с тем количеством связанного азота, которое производится человеком.

Сера

содержится в атмосфере в небольших количествах, в основном, в виде сероводорода и диоксида серы. Довольно много этого элемента (в виде сульфат-ионов) находится в гидросфере. В литосфере сера встречается в виде простого вещества (самородная сера) и в составе многочисленных минералов – сульфидов и сульфатов металлов. Кроме того, соединения серы есть в углях, сланцах, нефти, природном газе. Сера входит в состав многих белков, поэтому она всегда содержится в организмах животных и растений.

Выделяясь из глубин Земли, газообразные соединения серы (преимущественно диоксид серы и сероводород) растворяются в подземных водах. Здесь они образуют малорастворимые сульфиды (главным образом пирит – дисульфид железа FeS 2) и сульфаты (в частности, сульфат кальция CaSO 4). Образуется также самородная сера:

2H 2 S + SO 2 = 3S + 2H 2 O

Газообразные соединения серы попадают в почву, атмосферу и Мировой океан, где их поглощают серные бактерии. Поглощение соединений серы бактериями происходит и в почве.

Малорастворимые сульфиды, содержащиеся в горных породах, в результате жизнедеятельности некоторых бактерий частично окисляются, превращаясь в легко растворимые сульфаты:

FeS + 2O 2 = FeSO 4

Водорастворимые сульфаты выносятся с поверхности суши с речным стоком, поставляя сульфат-ионы в Мировой океан.

В результате активного связывания серы в земной коре, гидросфере и живых организмах, содержание сероводорода и диоксида серы в атмосфере мало и непостоянно. Под действием кислорода и озона эти вещества постепенно превращаются в серную кислоту:

2SO 2 + О 2 2SО 3

SO 2 + О 3 = SО 3 + О 2

SО 3 + H 2 О = H 2 SO 4

H 2 S + 2О 3 = H 2 SO 4 + О 2

Серная кислота возвращается на землю с атмосферными осадками

Хозяйственная деятельность людей приводит к увеличению содержания соединений серы в атмосфере и гидросфере. В результате изменений в методах животноводства и земледелия (выпас, вспашка, мелиорация) увеличились выбросы серосодержащих соединений в виде пыли. Еще больше серы попадает в атмосферу в форме диоксида серы при обжиге сульфидных руд. Это, в свою очередь, вызывает увеличение потока серы, попадающей из атмосферы в океаны и на поверхность суши. Природные воды загрязняются также удобрениями с полей и стоками промышленных предприятий.

Таким образом, человеческая деятельность существенно изменила круговорот серы между атмосферой, океанами и поверхностью суши. Эти изменения сильнее, чем воздействие человека на цикл углерода. Как и в случае глобального цикла углерода, техногенные выбросы серы в окружающую среду мало влияют на распределение масс этого элемента на поверхности Земли. Однако повышенное содержание серы в промышленных и бытовых отходах создают опасность для жизни на обширных территориях. Массированный выброс диоксида серы в атмосферу порождает кислотные дожди, которые могут выпадать далеко за пределами индустриальных районов. Загрязнение природных вод растворимыми соединениями серы несет угрозу живым организмам внутренних водоемов и прибрежных областей морей.

Фосфор

содержится в земной коре и живых организмах в небольших количествах; тем не менее, он имеет очень большое значение для растений и животных. Без этого элемента невозможен синтез белков. Кроме того, фосфор входит в состав костей и зубов. Именно недостаточное количество фосфора чаще всего ограничивает рост массы живого вещества. Значительная часть фосфора содержится в почвах. Фосфор образует многочисленные минералы (например, фосфориты), однако они не часто встречаются в горных породах в больших количествах. В атмосфере фосфор практически отсутствует.

В природных водах фосфор присутствует в составе органических соединений и взвешенных твердых частиц. Лишь небольшая его часть находится в растворе в виде ортофосфат-иона РО 4 3– и гидроортофосфат-иона НРО 4 2– .

В океане «органический» фосфор многократно переходит от одного живого организма к другому и медленно накапливается в донных отложениях в виде малорастворимых фосфатов. Эти потери фосфора компенсируются только из одного источника – выветривающихся горных пород суши, куда они попадают со дна океанов в результате длительных геологических процессов.

Деятельность человека нарушила природный круговорот фосфора. Соединения фосфора используются для производства удобрений и моющих средств. Это приводит к загрязнению водоемов соединениями фосфора. В таких условиях фосфор перестает быть элементом, ограничивающим рост массы живых существ, особенно водорослей и других водных растений.

Натрий

– один из главных элементов, аккумулированных в земной коре в процессе ее выплавления. Он легко освобождается из структур силикатов при выветривании кристаллических пород. Катион Na + переносится с континентальным стоком в океан. С «солеными ветрами» натрий частично возвращается на сушу. Существенно меньшее количество элемента выносится с поверхности суши в океан с ветровой пылью.

Натрий постоянно присутствует в почвах. Он принимает активное участие в засолении почв, в которых образует соли с хлорид- и сульфат-ионами.

В организмах соли натрия играют существенную роль. Хлорид натрия является обязательным компонентом жидких тканей животных и клеточного сока растений, поэтому он в больших количествах поглощается растительными и особенно животными организмами. Из растительных остатков соли натрия легко выщелачиваются. Натрий активно адсорбируется осадками морей, поэтому большая его масса содержится в осадочной оболочке.

Хлор,

в отличие от натрия, содержится в гранитном слое в небольших количествах. Он вовлекается в круговорот не за счет разрушения горных пород, а благодаря процессам дегазации мантии и выносу вулканических газов.

Этот элемент перемещается между оболочками Земли параллельно с натрием. Он аккумулируется в океанской воде в форме хлорид-ионов. Значительные массы хлора, так же как и натрия, многие миллионы лет мигрируют с поверхности суши в Мировой океан. Вторая особенность глобального геохимического цикла хлора, выраженная еще более сильно, чем в цикле натрия – активная миграция в атмосфере в составе аэрозолей и возврат значительных масс этого элемента на сушу. На территориях, где отсутствуют стоки, хлор вместе с натрием накапливается в почве и замкнутых водоемах.

Хлор имеет важное физиологическое значение. Он содержится в живых организмах в виде хлороводородной кислоты, ее солей (преимущественно хлорида натрия). Поэтому значительные массы хлора, наряду с натрием, участвуют в биологическом круговороте.

Кальций

относится к главным элементам земной коры. Содержание этого элемента уменьшается от глубин Земли к гранитному слою литосферы. Кальций в земной коре образует многочисленные минералы. При выветривании силикатов освобождается большое количество этого элемента. Его водорастворимые соединения, главным образом гидрокарбонат, поступают в природные воды и мигрируют с ними в океан. Хотя этот процесс развивается на протяжении более 2 млрд. лет, концентрация элемента в океанической воде всего лишь в 30 раз больше, чем в речных водах. Это обусловлено низкой растворимостью карбоната кальция, а главное – активным поглощением элемента планктонными организмами и выведением его в осадок. Данные процессы способствуют накоплению кальция в составе мощных толщ известняков, доломитов, известковых глин.

Кальций играет важную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, животным он необходим для построения костного скелета. Кальций участвует и во многих других биохимических процессах.

Таким образом, для процессов глобального массообмена кальция главное значение имеют биологический круговорот и водная миграция иона в системе суша – океан.

Калий

вместе с другими щелочными и щелочно-земельными химическими элементами аккумулировался в земной коре в процессе ее выплавления. Калий входит в состав наиболее распространенных силикатов. При их разрушении этот элемент, в основном, переходит в глинистые минералы. В то же время он частично высвобождается и вовлекается в водную миграцию. Ионы калия активно абсорбируются дисперсным минеральным веществом, а также поглощаются высшими растениями, поэтому калий более прочно удерживается в пределах суши, чем кальций и натрий. В океан некоторое количество калия выносится в виде ионов, однако большая масса элемента переносится в форме взвесей глинистых частиц. Калий активно мигрирует в системе поверхность океана – атмосфера – поверхность океана в составе аэрозолей.

Этот элемент играет важную роль в жизни растений и животных. Он принимает участие в фотосинтезе, влияет на обмен веществ, частично сохраняется в мертвом органическом веществе.

Широкое использование минеральных удобрений пока не оказывает заметного влияние на круговорот калия, однако миграция его сильно возросла в результате эрозии почв.

Кремний

– второй (после кислорода) по массе элемент земной коры. Он интенсивно накапливался в веществе литосферы в процессах его выплавления. Кремний в виде высокодисперсного кремнезема (SiO 2) повсеместно содержится в природных водах и используется многими морскими организмами для построения скелета. Биологический круговорот кремния в океане обусловлен преимущественно жизнедеятельностью диатомовых и радиоляриевых планктонных водорослей и последующим растворением их скелетов.

Для водной миграции кремния характерно преобладающее движение от суши к океану, которое не компенсируется в обратном направлении. Значительное количество кремния перемещается в виде растворимых соединений, однако в составе обломочного материала его выносится во много раз больше. .

Свинец

накапливается в земной коре не только за счет выплавления его из вещества мантии, но и в результате радиоактивного распада изотопов урана (238 U, 235 U) и тория (232 Th). При выветривании горных пород катионы свинца высвобождаются, большая часть их сорбируется высокодисперсными глинистыми частицами и гидроксидами железа, а меньшая поступает в грунтовые воды. В составе взвесей, а также в виде органических соединений, простых и комплексных ионов свинец выносится с речным стоком и осаждается преимущественно в дельтах и узкой прибрежной полосе шельфа. Небольшое количество свинца, попадающее в океан, выпадает в осадок благодаря биофильтрации морской воды организмами планктона. Таким образом, Мировой океан – глобальный аккумулятор растворимых форм свинца.

На суше свинец поглощается растениями. Во время лесных пожаров значительные массы элемента поступают в атмосферу (в виде дыма). Кроме того, свинец содержится в высокодисперсной минеральной пыли. «Время жизни» свинецсодержащих аэрозолей составляет около 7 суток.

Годовая добыча свинца значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью этого элемента. Техногенное рассеяние свинца, в отличие от рассеяния газообразных веществ, не распространяется на большие пространства, а сосредотачивается, в основном, вдоль автомагистралей, это связано с использованием тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора автомобильных бензинов.

Цинк

обычно сопутствует свинцу в земной коре, однако биосферная геохимия этих элементов существенно различается. В отличие от свинца, цинк – один из главных микроэлементов, он входит в состав многих ферментов, участвует в синтезе рибонуклеиновых кислот и хлорофилла. Большая часть цинка в растениях связана с легко разрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков (в отличие от свинца, который прочно фиксирован в растительных остатках). Водорастворимые формы цинка составляют очень небольшую часть от общей массы металла, однако они активно вовлекаются в водную миграцию. Цинк активно участвует в массообмене между сушей и атмосферой. С атмосферными осадками на поверхность суши водорорастворимых форм цинка выпадает значительно больше, чем захватывается ветром в атмосферу в виде минеральной пыли.

Из приведенных примеров круговоротов и миграции различных элементов видно, что глобальная система циклической миграции химических элементов обладает высокой способностью к саморегуляции, при этом огромную роль в круговороте химических элементов играет биосфера.

В то же время хозяйственная деятельность человека вызывает деформацию природных циклов массообмена и, следовательно, изменение состава окружающей среды. Эти изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы генетической адаптации организмов и видообразования. Зачастую хозяйственные действия настолько непродуманны или несовершенны, что создают острую экологическую опасность. Изучение процессов массообмена, связывающих в единое целое все оболочки Земли, должно помочь в создании системы контроля за эколого-геохимическим состоянием окружающей среды и разработке научно обоснованного прогноза экологических последствий хозяйственных действий и новых технологий.

Елена Савинкина

Слайд 2

Цель и задачи проекта. Цель: Задачи: Рассмотреть круговороты веществ и взаимодействие их между собой. 1) Изучить литературу по данной теме. 2) Изучить круговороты химических элеиентов и их взаимосвязь. 3) Рассмотреть антропогенное влияние на круговороты веществ в природе.

Слайд 3

Слайд 4

Введение. Круговорот веществ в природе - важнейшее экологическое понятие, отражающее природную закономерность распределения и превращения веществ в биосфере. С помощью этого понятия формируются представления о циклических процессах в природе, механизмах их протекания и значимости существования жизни на Земле.

Слайд 5

Глава I. Круговороты химических элементов в природе. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Слайд 6

1.1. Круговорот азота. Основное хранилище азота-атмосфера, где он существует в виде простого вещества N2, которое химически инертно. Лишь во время гроз или в результате деятельности нитрифицирующих бактерий свободны азот превращается в связанный. В связанной форме (NH4+) он попадает в почву или океан, где его немедленно поглащают растения. Когда они отмирают, азот возвращается в почву или океан, после чего снова довольно быстро поглащается растениями.

Слайд 7

Схема круговорота азота в природе.

Слайд 8

1.2. Круговорот углерода. Подобно другим элементам, атомы углерода в природе не удерживаются постоянно в одном и том же соединении, а переходят из одних веществ в другие. В результате процесса жизнедеятельности зелёных растений – фотосинтеза – углерод из атмосферы, в которой он содержится в составе оксида углерода (IV), переходит в растения. Так образуются в природе кислород в свободном состоянии и органические вещества растений, которые служат пищей животным. Углерод при этом переходит в организм животных, в нём вновь превращается в оксид углерода (IV) и возвращается через органы дыхания в атмосферу. Связывается оксид углерода (IV) также в процессе выветривания минералов и горных пород, а возвращается в атмосферу вулканическими и минеральными источниками.

Слайд 9

Схема круговорота углерода в природе.

Слайд 10

Круговорот фосфора. 1.3. Круговорот фосфора несколько проще круговорота азота, поскольку фосфор встречается лишь в немногих химических формах: этот элемент циркулирует,постепенно переходя из органических соединений в фосфат которые могут усваиваться растениями. Но, в отличае от азота, резервным фондом фосфора служит не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Эти породы постепенно подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. Большое количество фосфора попадает в море и там отлагается. Именно поэтому возвращение фосфора в круговорот не возмещает его потерь. Круговорот фосфора так же важен для живых организмов, как и круговорот азота.Этот элемент-один из главных компонентов нуклеиновых кислот,клеточных мембран, систем переноса энергии, костной ткани и дентина.

Слайд 11

Схема круговорота фосфора в природе.

Слайд 12

Глава II. Антропогенное влияние на круговороты химических элементов в природе. Производственная деятельность человека вносит в круговороты веществ дополнительные потоки токсичных элементов. Миграция этих элементов в почву и реки повышает вероятность их контакта с живыми организмами. Так, во многих круговоротах участвуют микроорганизмы. В одних случаях они превращают нерастворимые химические соединения в растворимые, многие из которых ядовиты. В других их деятельность подавляется (иногда полностью) из-за загрязнения природной среды. И то и другое нарушает стабильность биохимических циклов. Циклы кислорода, углерода, азота легко восстанавливаются за счёт механизма саморегуляции (благодаря наличию крупных атмосферных или океанических фондов они быстро восполняют потери веществ). Ко второму типу относят осадочные циклы (круговороты серы, фосфора, железа). Они легко нарушаются и с трудом восстанавливаются, потому что основная масса вещества сосредоточенна в относительно малоактивном и малоподвижном фонде в земной коре. Антропогенное влияние на круговороты заключается в том, что человек, используя в своей деятельности почти все имеющиеся в природе элементы, в значительной степени ускоряет движение многих веществ и тем самым нарушает цикличность круговоротов. Таким образом, круговороты веществ выходят из равновесия в том случае, если химические элементы либо накапливаются в экосистеме, либо удаляются из неё. Потому природоохранные мероприятия должны способствовать возвращению веществ в их круговороты.

Слайд 13

Заключение. В данной работе мы дали понятие круговорота химических элементов в природе. С помощью этого понятия сформировали представление о циклических процессах в природе, механизмах их протекания и значимости для существования жизни на Земле. Круговороты химических элементов представляют особое значение для формирования и развития жизни. Также дали оценку влиянию человека на различные круговороты. Таким образом, вмешательство человека неблаготворно влияет на круговороты химических элементов в природе. В наше время существует множество природоохранных законов. Все они направлены на защиту природы от вредного вмешательства человека, т.е на сохранение круговоротов химических элементов в природе.

Слайд 14

Спасибо за внимание!

Посмотреть все слайды

БИОГЕННЫЙ КРУГОВОРОТ

Рассмотрим играющие наибольшую роль в биосфере круговороты, к которым относятся биогеохимические циклы углерода, азота, кислорода, серы, фосфора.

Круговорот углерода. Источники углерода в природе столь же многочисленны, сколь и разнообразны. Между тем только углекислота, находящаяся либо в газообразном состоянии в атмосфере, либо в растворенном состоянии в воде, представляет собой тот источник углерода, который служит основой для переработки

его в органическое вещество живых существ. Поглощенная растениями в процессе фотосинтеза, она превращается в сахара, а в других процессах биосинтеза преобразуется в протеины, липиды и т.д. Эти различные вещества служат углеводным питанием животным и незеленым растениям. Животные-сапрофаги и микроорганизмы, обитающие в почве, превращают отмершие растения и останки животных в новое образование органической материи, более или менее мощный слой коричневой или черной массы - гумус. Скорость воздействия разлагающих организмов на гумус далеко не одинакова, а цепи грибов и бактерий, приводящие к окончательной минерализации углерода, бывают различной длины. Иногда цепь может быть короткой и неполной: органические остатки накапливаются в форме торфа и образуют торфяные болота. В некоторых болотах с мощным покровом из сфагновых мхов слой торфа может достигать 20 м и более. Здесь и приостанавливается круговорот углерода. Залежи ископаемых органических соединений в виде каменного угля и нефти свидетельствуют о стагнации круговорота в масштабах геологического времени (рис. 3).

В воде также происходит стагнация круговорота углерода, так как углекислота накапливается в форме СаСО 3 (мел, известняки или кораллы) химического или биогенного происхождения. Часто эти массы углерода остаются вне круговорота в течение целых геологических периодов, пока СаСО3 в виде горных цепей не поднимется над поверхностью моря. С этого момента начинается поступление углерода и кальция в круговорот вследствие выщелачивания известняка атмосферными осадками, под воздействием лишайников, а также корней цветковых растений. Деятельность человека играет большую роль в круговороте углерода. Человечество ежегодно расходует около 6 · 10 9 т углерода, находящегося в ископаемом состоянии. Если бы образующийся в результате сжигания углекислый газ не удалялся из атмосферы, ежегодный прирост его содержания в воздухе составил бы 2,3 млн т. За последние 100 лет содержание углекислого газа возросло с 290 до 320 млн т, причем более 1/5 этого прироста падает на последние десятилетия. Таким образом, общий прирост содержания углекислого газа в атмосфере составляет примерно лишь 1/3 количества газа, выделяющегося при сгорании (по абсолютной массе - 200 ·10 9 т). Остальная доля углекислого газа уходит на прирост растительной массы (поскольку известно, что растения растут быстрее, если содержание СО2 в атмосфере выше); часть его растворяется в водах океана. Хотя, по некоторым подсчетам, биомасса суши за последние 100 лет могла вырасти на 15 · 10 9 т, однако прямых доказательств этого нет.

Интенсивность деятельности человека все возрастает. Повышается год от года и скорость потребления горючих ископаемых. Через 15 лет содержание СО 2 в атмосфере увеличится с 320 до 375 -

400 млн т. Рост содержания СО 2 в атмосфере с неизбежностью приведет к повышению температуры поверхности Земли, а следовательно, к таянию ледников, повышению уровня океана и другим столь же серьезным последствиям. Поэтому перед человечеством стоит задача поиска таких энергетических источников и технологических процессов, при которых содержание углекислого газа в воздухе не будет расти со столь значительной скоростью. Известно также, что вырубка лесов, использование земель под дороги и строения уменьшают площадь зеленого покрова Земли и снижают темпы ассимиляции. При использовании природных фитоценозов и замене их культурными следует иметь в виду необходимость сохранения общего уровня фотосинтеза, а еще лучше - обеспечить его подъем.

Круговорот азота - сложный процесс. Хотя в составе атмосферы на долю азота приходится 70%, для его фиксации необходимо,

чтобы он находился в виде определенных химических соединений. Пути фиксации азота весьма разнообразны (рис. 4). Связывание азота происходит в процессе вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере, когда имеет место ее ионизация, в момент сгорания метеоритов. Однако несравненно большая роль в процессе фиксации азота принадлежит микроорганизмам, как свободно живущим, так и обитающим на корнях в особых клубеньках, а иногда и на листьях некоторых растений.

Громадный резервуар свободного молекулярного азота атмосферы не используется высшими растениями напрямую, так как для разрушения прочных связей между атомами в молекуле N 2 требуется много энергии. Только 0,001 % азота биосферы связана в биомассе и метаболитах организмов. Перевод молекулярного азота в связанное состояние осуществляется в природе азотфиксирующими микроорганизмами, образующими из него соединения с аминогруппой NH 2 - основным продуктом азотфиксации, который и включается в биогенный круговорот всеми остальными организмами: микробами, растениями, грибами, животными. В дальнейшем богатые азотом соединения (аммиак, ионы аммония, аминокислоты) окисляются в воде и в почвах нитрито- и нитратообразующими бактериями до оксидов азота NO 2 и NO 3 , a на последнем этапе круговорота эти оксиды превращаются денитрифицирующими бактериями снова в молекулярный азот, поступающий в атмосферу. Ежегодно бактерии переводят в связанную форму не менее 1 млрд т азота, в то время как количество связанного азота в минеральных удобрениях не превышает 90 млн т в год.

Азотфиксирующие организмы на корнях растений представлены бактериями, реже грибами. Клубеньки с азотфиксирующими организмами развиваются на корнях представителей семейства бобовых и других растений различной систематической принадлежности. Выход фиксированного азота для клубеньковых бактерий, обитающих на корнях бобовых, составляет нередко 350 кг/га в год, т.е. примерно в 100 раз выше, чем для свободноживущих азотфиксирующих организмов.

Вероятно, самым крупным вмешательством человека в круговорот веществ в природе является промышленная фиксация азота. По данным К. Делвича (1972), промышленность ежегодно фиксирует азота столько же, сколько его фиксировали живые организмы до введения современной агротехники.

Круговорот кислорода. Несомненно, большая часть кислорода атмосферы имеет биогенное происхождение, лишь малая его доля появилась в результате фотолиза (разложения воды на кислород и водород энергией света). Роль живых существ и органического вещества в возникновении углекислого газа атмосферы также бесспорна. Можно с определенностью утверждать, что жизнь, возникшая

Рис. 4. Оценка количества фиксированного азота, теряемого и приобретаемого биосферой в различных процессах (П.Дювиньо, М.Танг, 1968). За год в биосферу поступает почти 92 млн т фиксированного азота (не заштрихованные столбики), возвращается в атмосферу в результате денитрификации примерно 83 млн т (заштрихованные столбики). "Пропавшие" около 9 млн т, видимо, откладываются ежегодно в биосфере в почве, подземных водах, озерах, реках и океане

на Земле, постепенно привела к появлению современного состава атмосферы, который и поддерживается деятельностью живых существ. В количественном отношении кислород - главная составляющая живой материи. Если учитывать воду, содержащуюся в тканях, то, например, тело человека содержит 62,8 % кислорода и 19,4% углерода. Если рассматривать биосферу в целом, этот элемент по сравнению с углеродом и водородом является основным среди простых веществ.

Круговорот кислорода очень усложнен способностью элемента образовывать многочисленные химические соединения, представленные в различных формах. В результате возникает множество эпициклов, происходящих между литосферой и атмосферой, или между гидросферой и двумя этими средами.

Кислород, содержащийся в атмосфере и многочисленных поверхностных минералах (осадочные кальциты, железные руды), имеет биогенное происхождение. Огромные послекембрийские отложения оксидов железа свидетельствуют о большой активности примитивных организмов, которые иногда связывали весь свободный кислород гидросферы в своей биомассе и метаболитах. Формирование в атмосфере озонного экрана, способного задерживать наиболее опасную ультрафиолетовую радиацию, началось с момента достижения кислородом концентрации примерно 1 % его современного содержания. После этого автотрофные организмы-эукариоты смогли развиваться в верхних слоях воды (там, где солнечный поток был наиболее мощным), что увеличило интенсивность фотосинтеза и, соответственно, продукцию кислорода.

Потребление атмосферного кислорода и его возмещение первичными продуцентами осуществляется довольно быстро. Подсчитано, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется 2 тыс. лет. Зато необходимо 2 млн лет, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами. Что касается атмосферного углекислого газа, то его полный круговорот происходит весьма быстро, так как требуется всего лишь 300 лет для его полного возобновления. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась в литосфере в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа и т.д. Эта масса составляет 590 · 10 14 т против 39 · 10 14 т кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворенных в океанических и континентальных водах.

Круговорот серы. Преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде при существовании многочисленных газообразных соединений серы, таких, как сероводород и диоксид серы.

Основной источник серы, доступный живым существам, - всевозможные сульфаты. Хорошая растворимость в воде многих сульфатов

облегчает доступ неорганической серы в экосистемы. Поглощая сульфаты, растения их восстанавливают и вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин).

Всевозможные органические остатки в биоценозе разлагаются гетеротрофными бактериями, которые в конце концов образуют сероводород из сульфопротеинов, содержащихся в почве.

Черные илы, которые в естественных условиях встречаются на дне некоторых морей (например, Черного), озер, а также в различных пресноводных континентальных водоемах после загрязнения их человеком, богаты сероразлагающими организмами, функционирующими в анаэробных условиях. Некоторые разновидности бактерий, например Beggiatoa, могут восстанавливать сероводород до элементарной серы. Однако существуют бактерии, способные опять окислить сероводород до сульфатов, что вновь увеличивает запас серы, доступной продуцентам.

Последняя фаза круговорота серы полностью осадочная. Она заключается в выпадении в осадок этого элемента в анаэробных условиях в присутствии железа. Различные этапы этого процесса, особенно обратимые, в дальнейшем позволяют использовать запасы осадочных пород.

Таким образом, последняя фаза круговорота серы заканчивается медленным и постепенным накоплением ее в глубоко залегающих осадочных породах.

Круговорот фосфора. Этот элемент является одной из основных составляющих живого вещества, в котором он содержится в довольно большом количестве.

Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные (например, апатиты) или осадочные (например, фосфориты) породы. Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, в земной коре его содержание не превышает 1 %, что является основным фактором, лимитирующим продуктивность экосистем. Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Он попадает в наземные экосистемы и поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения, и таким образом включается в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с останками, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные ортофосфаты, готовые к потреблению зелеными растениями и другими автотрофами.

В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на различных уровнях пищевых цепей пресноводных или морских

водоемов Возвращение минеральных фосфатов в воду осуществляется посредством биовосстановителей Во всех водных экосистемах, как и в континентальных, фосфор встречается в четырех формах, соответственно нерастворимых или растворимых

Проследив все превращения фосфора в масштабе биосферы, можно заметить, что его круговорот не замыкается (рис 5) В наземных экосистемах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь на выщелачивание (окаменение скелетов позвоночных на суше - явление довольно редкое, поэтому воздействие его на круговорот фосфора не заслуживает внимания) В океане дело обстоит далеко не так Это связано с беспрестанной седиментацией органических веществ, в частности, обогащенных фосфором останков рыб, фрагменты которых, не использованные в пищу детритофагами и деструкторами, постоянно накапливаются на дне морей Органический фосфор, осевший в приливно-отливной полосе и на мелководьях, может

быть возвращен в круговорот после минерализации, однако это не распространяется на отложения на дне глубоководных зон, которые занимают 85 % общей площади океанов. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, выключаются из биосферы и не могут больше участвовать в круговороте. Конечно, как заметил В.А. Ковда (1968), элементы биогеохимического осадочного круговорота не могут накапливаться до бесконечности на дне океана. Тектонические движения способствуют медленному подъему осадочных пород, накопленных на дне геосинклиналей, к поверхности. Таким образом, замкнутый цикл осадочных элементов имеет продолжительность, измеряемую геологическими периодами, т.е. десятками и сотнями миллионов лет.

В пределах биосферы практически каждый химический элемент проходит через цепочку живых организмов, включается в систему биогеохимических превращений. Так, весь кислород планеты - продукт фотосинтеза – обновляется через каждые 2000 лет, а весь углекислый газ – за 6,3 года. Процесс полной смены вод на Земле (в гидросфере) осуществляется за 2800 лет. Обновление живого вещества биосферы происходит в среднем за 8 лет, при этом фитомассы суши (биомассы наземных растений) – 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон) – 33 дня.

Для синтеза живого вещества необходимо примерно 40 элементов. Наиболее жизненно важными считаются вещества, из которых состоят белковые молекулы – углерод, азот, кислород, фосфор и сера. Другие элементы требуются в меньших количествах, но они также необходимы. Это кальций, железо, калий, магний и др. Все элементы попеременно переходят из живой материи в материю косную (неживую), участвуя в сложных биогеохимических циклах. Последние можно разделить на две группы: круговорот газов, в котором главным резервуаром элементов служит атмосфера (круговорот углерода, азота, кислорода и воды), круговорот осадочный, элементы которого в твердом состоянии находятся в составе осадочных пород (круговорот фосфора, железа, серы). Циклы элементов существенно отличаются от простого физического преобразования энергии, которая, в конце концов, выделяется в виде тепла и никогда потом не используется снова.

3.2.1. Круговорот углерода

Углерод (С) встречается на нашей планете в разнообразных соединениях, начиная с нахождения в виде чистого углерода (уголь, графит и т.д.), вплоть до высокомолекулярных органических соединений. Основой биогенного круговорота этого элемента является неорганическое соединение – диоксид углерода (углекислый газ СО 2), образующееся при разложении угольной кислоты (рис. 3.2).

Единственным источником углерода, используемого растениями для синтеза органических веществ, служит углекислота, входящая в состав атмосферы или находящаяся в растворенном состоянии в воде.

В результате фотосинтеза из диоксида углерода и воды образуются углеводы, и высвобождается кислород, поступающий в атмосферу. Часть образовавшихся углеводов используется самим фотосинтезирующем организмом (зеленым растением) для получения энергии, идущей на рост и развитие, а часть потребляется животными при применении фотосинтетиков в пищу. При этом диоксид углерода уходит в окружающую среду через корни, листья, а также выделяется животными в процессе дыхания. Мертвые животные и растения постепенно разлагаются микроорганизмами почвы, углерод их тканей окисляется снова до углекислоты и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит в океане.

Благодаря фотосинтезу в атмосфере накопилось достаточное количество для процветания белковой жизни свободного кислорода. Фотосинтезирующие зеленые растения и карбонатная система моря эффективно удаляют избыток СО 2 из атмосферы, который может привести к перегреву планеты. Однако возросшее потребление ископаемого топлива, газовые выбросы промышленности, а также снижение поглотительной способности зеленых растений в связи со значительным сокращением лесов и влияние химических загрязнителей на сам процесс фотосинтеза начинают заметно изменять атмосферный фонд круговорота углерода. Продолжительность круговорота углерода равна ~ 300…1000 лет. В настоящее время содержание углекислого газа не уменьшается, т.к. его запасы постоянно пополняются за счет дыхания, брожения и сгорания. Существует реальная опасность того, что в результате развития промышленного производства и нарушения равновесного состояния биосферы содержание СО 2 в атмосфере может вырасти, что приведет к увеличению парникового эффекта и глобальному изменению климата.