У біосфері, як і в кожній екосистемі, постійно здійснюється кругообіг вуглецю, азоту, водню, кисню, фосфору, сірки та інших речовин.

Вуглекислий газ поглинається рослинами, продуцентами і в процесі фотосинтезу перетворюється на вуглеводи, білки, ліпіди та інші органічні сполуки. Ці речовини з їжею використовують тварини-консументи.

Поруч із цим у природі відбувається зворотний процес. Всі живі організми дихають, виділяючи CO 2 який надходить в атмосферу. Мертві рослинні та тваринні залишки та екскременти тварин розкладаються мікроорганізмами-редуцентами. CO2 виділяється в атмосферу. Частина вуглецю накопичується у ґрунті у вигляді органічних сполук.

У процесі кругообігу вуглецю в біосфері утворюються енергетичні ресурси: нафта, кам'яне вугілля, горючі гази, торф та деревина.

При розкладанні рослин та тварин азот виділяється у вигляді аміаку. Нітрифікуючі бактерії перетворюють аміак на солі азотистої та азотної кислот, які засвоюються рослинами. Деякі азотфіксуючі бактерії здатні засвоювати атмосферний азот. Так замикається кругообіг азоту в природі.

В результаті кругообігу речовин у біосфері відбувається безперервна біогенна міграція елементів: необхідні для життя рослин і тварин хімічні елементи переходять із середовища в організм, при розкладанні організмів ці елементи знову повертаються в середу, звідки надходять до організму.

Основа біосфери - кругообіг органічної речовини, що здійснюється за участю всіх організмів, що населяють біосферу, отримала назву біотичного круговороту.

У закономірностях біотичного круговороту полягає основа тривалого існування та розвитку життя Землі.

Людина - елемент біосфери і як складова частина біомаси Землі протягом усієї еволюції знаходилася і перебуває у безпосередній залежності від навколишньої природи.

З розвитком вищої нервової діяльності людина сама стає сильним чинником середовища (антропогенний чинник) у подальшій еволюції Землі.

Вплив людини на природу подвійний - позитивний і негативний. Діяльність людини часто спричиняє порушення природних закономірностей.

Частка маси людства у біосфері невелика, але діяльність його грандіозна, нині вона стала силою, що змінює процеси у біосфері.

В. І. Вернадський стверджує, що біосфера закономірно перейде в ноосферу (від гр. "ноос" - розум" + гр. "сфера" - куля).

За В. І. Вернадським, ноосфера - це біосфера, перетворена працею людини та змінена науковою думкою.

В даний час настав такий період, коли людина повинна планувати свою господарську діяльність так, щоб вона не порушувала сформовані в гігантській екосистемі, якою є біосфера, закономірності, не сприяла скороченню біомаси.

Зміст статті

ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ У ПРИРОДІ – КРУГОВОРОТ І МІГРАЦІЯ.Між літосферою, гідросферою, атмосферою та живими організмами Землі постійно відбувається обмін хімічними елементами. Цей процес має циклічний характер: перемістившись із однієї сфери до іншої, елементи знову повертаються в початковий стан. Кругообіг елементів мав місце протягом усієї історії Землі, що налічує 4,5 млрд. років.

Гігантські маси хімічних речовин переносяться водами Світового океану. Насамперед це стосується розчинених газів – діоксиду вуглецю, кисню, азоту. Холодна вода високих широт розчиняє гази атмосфери. Поступая з океанічними течіями в тропічний пояс, їх виділяє, оскільки розчинність газів при нагріванні зменшується. Поглинання та виділення газів відбувається також при зміні теплих та холодних сезонів року.

Величезне впливом геть природні цикли деяких елементів справила поява життя планети. Це, в першу чергу, відноситься до кругообігу головних елементів органічної речовини – вуглецю, водню та кисню, а також таких життєво важливих елементів як азот, сірка та фосфор. Живі організми впливають і кругообіг багатьох металевих елементів. Незважаючи на те, що сумарна маса живих організмів Землі менша за масу земної кори в мільйони разів, рослини і тварини відіграють найважливішу роль у переміщенні хімічних елементів.

Діяльність людини також впливає на кругообіг елементів. Особливо помітним воно стало останнім століттям. При розгляді хімічних аспектів глобальних змін у кругообігах хімічних елементів слід враховувати не тільки зміни в природних кругообігах за рахунок додавання або видалення присутніх у них хімічних речовин в результаті звичайних циклічних та/або викликаних людиною впливів, а й надходження в навколишнє середовище хімічних речовин, раніше не існували у природі. Розглянемо кілька найважливіших прикладів циклічного переміщення і міграції хімічних елементів.

Вуглець

- Основний елемент життя - міститься в атмосфері у вигляді діоксиду вуглецю. В океані та прісних водах Землі вуглець знаходиться у двох головних формах: у складі органічної речовини та у складі взаємопов'язаних неорганічних частинок: гідрокарбонат-іона НСО 3 – , карбонат іона СО 3 2 – та розчиненого діоксиду вуглецю СО 2 . Велика кількість вуглецю зосереджена у вигляді органічних сполук у тварин та рослинах. Багато «неживої» органічної речовини є у ґрунті. Вуглець літосфери міститься також у карбонатних мінералах (вапняк, доломіт, крейда, мармур). Частина вуглецю входить до складу нафти, кам'яного вугілля та природного газу.

Сполучною ланкою в природному кругообігу вуглецю є діоксид вуглецю (рис. 1).

Мал. 1. СПРОЩЕНА СХЕМАглобального циклу вуглецю. Числа у межах відображають розміри резервуарів у мільярдах тонн – гігатонах (Гт). Стрілки показують потоки, а пов'язані з ними числа виражені Гт/рік.

Найбільшими резервуарами вуглецю є морські відкладення та осадові породи на суші. Однак більша частина цієї речовини не взаємодіє з атмосферою, а піддається кругообігу через тверду частину Землі в геологічних часових масштабах. Тому ці резервуари грають лише другорядну роль порівняно швидкому циклі вуглецю, що протікає за участю атмосфери. Наступним за величиною резервуаром є морська вода. Але і тут глибинна частина океанів, де міститься основна кількість вуглецю, не взаємодіє з атмосферою так швидко, як їхня поверхня. Найменшими резервуарами є біосфера суші та атмосфера. Саме невеликий розмір останнього резервуара робить його чутливим навіть до незначних змін відсоткового вмісту вуглецю в інших (великих) резервуарах, наприклад, при спалюванні палива.

Сучасний глобальний цикл вуглецю складається із двох менших циклів. Перший полягає у зв'язуванні діоксиду вуглецю під час фотосинтезу і новому освіті його у процесі життєдіяльності рослин і тварин, і навіть під час розкладання органічних залишків. Другий цикл обумовлений взаємодією діоксиду вуглецю атмосфери та природних вод:

СО 2 + Н 2 Про 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

Останнім століттям у вуглецевий цикл істотні зміни внесла господарська діяльність людини. Спалювання викопного палива – вугілля, нафти та газу – призвело до збільшення надходження діоксиду вуглецю в атмосферу. Це не дуже впливає на розподіл мас вуглецю між оболонками Землі, але може мати серйозні наслідки через посилення парникового ефекту.

Кисень

Землі міститься, переважно, в літосфері як діоксиду кремнію і силікатів. Крім того, кисень є у складі води, що утворює гідросферу. В атмосфері кисень знаходиться у молекулярному вигляді. Він є продуктом процесів життєдіяльності рослин і водночас однією з основних умов життя на Землі. Утворення вільного кисню пов'язане зі світловою енергією Сонця. Вихідною сировиною для утворення кисню є вода. Майже весь вільний кисень на Землі – результат реакції фотосинтезу органічної речовини з води та діоксиду вуглецю. Деяка кількість кисню утворюється під час розкладання води у верхніх шарах атмосфери. Кисень входить до складу багатьох органічних сполук. Між живими організмами та атмосферою відбувається постійний обмін киснем.

Незважаючи на виділення кисню зеленими рослинами, його вміст у атмосфері не збільшується. Одночасно з фотосинтезом відбувається розкладання органічної речовини, при цьому поглинається практично весь кисень, що виділився. Частина кисню витрачається на окиснення неорганічних речовин. Незначна кількість атмосферного кисню бере участь у циклі утворення та руйнування озону.

Водень

Землі перебуває, переважно, в гидросфере у складі води. Зміст його в літосфері та атмосфері порівняно невеликий. Він також входить до складу органічних речовин. Величезні маси водню, поруч із киснем, беруть участь у кругообігу води – одному з найпотужніших циклічних процесів планети.

Особливістю водню є його здатність (поряд з гелієм) йти з поля тяжіння Землі завдяки своїй малій атомній масі. Ці втрати компенсуються виділенням водню з мантії. Молекулярний водень надходить у атмосферу Землі внаслідок вулканічної діяльності, його виділяють також деякі бактерії. Після появи на планеті живих організмів водень почав зв'язуватися в органічній речовині.

Азот,

внаслідок виняткової міцності молекули N 2 майже повністю зосереджений в атмосфері. Частина газоподібного азоту розчинена в природних водах, які містять і розчинені азотовмісні органічні речовини та неорганічні іони: катіон амонію, нітрит-іон та нітрат-іон. Оскільки азот не утворює нерозчинних солей, він лише в окремих випадках накопичується в літосфері. Так, у американській пустелі Атакама є скупчення нітрату натрію, який, незважаючи на високу розчинність у воді, зберігається завдяки виключно сухому клімату.

Слово «азот» буквально означає «неживий», оскільки він не підтримує дихання. Однак цей елемент є обов'язковою складовою білків. Тому азот у значній кількості міститься в живих організмах та «мертвій» органічній речовині. Азот безперервно переміщається між атмосферою, океаном, живими організмами та ґрунтом.

В атмосфері під дією електричних розрядів азот переходить спочатку в монооксид азоту, а потім у діоксид азоту. Волога повітря та кисень перетворюють діоксид азоту на азотну кислоту.

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

Сполуки азоту легко розчиняються в атмосферних опадах і потрапляють на поверхню Землі.

Велике значення у зв'язуванні атмосферного азоту має життєдіяльність бульбочкових бактерій, що живуть на коренях бобових рослин. Ферменти цих бактерій перетворюють молекулярний азот на сполуки, які потім засвоюються рослинами. З рослин пов'язаний азот надходить у організми тварин, переважно, як амінокислот і білків. Після загибелі живих організмів органічні речовини перетворюються на неорганічні сполуки, які знову засвоюються рослинами. Частина азоту в ґрунтах перетворюється на молекулярний азот і перетворюється на атмосферу. Молекулярний азот утворюється також за повного окислення органічних речовин.

З'єднання азоту потрапляють у повітря з викидами промислових підприємств і транспорту, а природні води – з побутовими і промисловими відходами.

Занадто велика кількість розчинних сполук азоту в ґрунті призводить до зростання їх вмісту в продуктах харчування та питній воді, це може спричинити серйозні захворювання. З'єднання азоту накопичуються у водоймах і викликають заростання озер та водосховищ. Поки що подібні явища спостерігаються лише окремих районах, де у довкілля потрапляє багато сполук азоту. У цілому ж природа поки що справляється з тією кількістю зв'язаного азоту, що виробляється людиною.

Сірка

міститься в атмосфері в невеликих кількостях, в основному у вигляді сірководню та діоксиду сірки. Досить багато цього елемента (у вигляді сульфат-іонів) знаходиться у гідросфері. У літосфері сірка зустрічається у вигляді простої речовини (самородна сірка) та у складі численних мінералів – сульфідів та сульфатів металів. Крім того, сполуки сірки є у вугіллі, сланцях, нафті, природному газі. Сірка входить до складу багатьох білків, тому вона завжди міститься в організмах тварин та рослин.

Виділяючись із глибин Землі, газоподібні сполуки сірки (переважно діоксид сірки та сірководень) розчиняються у підземних водах. Тут вони утворюють малорозчинні сульфіди (головним чином пірит – дисульфід заліза FeS 2) та сульфати (зокрема, сульфат кальцію CaSO 4). Утворюється також самородна сірка:

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

Газоподібні сполуки сірки потрапляють у ґрунт, атмосферу та Світовий океан, де їх поглинають сірчані бактерії. Поглинання сполук сірки бактеріями відбувається у грунті.

Малорозчинні сульфіди, що містяться в гірських породах, внаслідок життєдіяльності деяких бактерій частково окислюються, перетворюючись на легко розчинні сульфати:

FeS + 2O 2 = FeSO 4

Водорозчинні сульфати виносяться з поверхні суші з річковим стоком, поставляючи сульфат-іони у Світовий океан.

Внаслідок активного зв'язування сірки в земній корі, гідросфері та живих організмах, вміст сірководню та діоксиду сірки в атмосфері мало та непостійно. Під дією кисню та озону ці речовини поступово перетворюються на сірчану 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

Сірчана кислота повертається на землю з атмосферними опадами

Господарська діяльність людей призводить до збільшення вмісту сполук сірки в атмосфері та гідросфері. В результаті змін у методах тваринництва та землеробства (випас, оранка, меліорація) збільшилися викиди сірковмісних сполук у вигляді пилу. Ще більше сірки потрапляє в атмосферу у формі діоксиду сірки при випаленні сульфідних руд. Це, своєю чергою, викликає збільшення потоку сірки, що потрапляє з атмосфери в океани і поверхню суші. Природні води забруднюються також добривами з полів та стоками промислових підприємств.

Таким чином, людська діяльність суттєво змінила кругообіг сірки між атмосферою, океанами та поверхнею суші. Ці зміни сильніші, ніж вплив людини на цикл вуглецю. Як і у випадку глобального циклу вуглецю, техногенні викиди сірки в довкілля мало впливають на розподіл мас цього елемента на Землі. Однак підвищений вміст сірки у промислових та побутових відходах створюють небезпеку для життя на великих територіях. Масований викид діоксиду сірки в атмосферу породжує кислотні дощі, які можуть випадати далеко за межами індустріальних районів. Забруднення природних вод розчинними сполуками сірки несе загрозу живим організмам внутрішніх водойм та прибережних областей морів.

Фосфор

міститься у земній корі та живих організмах у невеликих кількостях; тим не менш, він має дуже велике значення для рослин та тварин. Без цього неможливий синтез білків. Крім того, фосфор входить до складу кісток та зубів. Саме недостатня кількість фосфору найчастіше обмежує зростання маси живої речовини. Значна частина фосфору міститься у ґрунтах. Фосфор утворює численні мінерали (наприклад, фосфорити), проте де вони часто зустрічаються у гірських породах у великих кількостях. У атмосфері фосфор практично відсутня.

У природних водах фосфор є у складі органічних сполук і зважених твердих частинок. Лише невелика його частина знаходиться в розчині у вигляді ортофосфат-іону РО 4 3-і гідроортофосфат-іону НРО 4 2-.

В океані "органічний" фосфор багаторазово переходить від одного живого організму до іншого і повільно накопичується в донних відкладах у вигляді малорозчинних фосфатів. Ці втрати фосфору компенсуються лише з одного джерела – гірських порід суші, що вивітрюються, куди вони потрапляють з дна океанів в результаті тривалих геологічних процесів.

Діяльність людини порушила природний кругообіг фосфору. Сполуки фосфору використовуються для виробництва добрив та миючих засобів. Це призводить до забруднення водойм сполук фосфору. У таких умовах фосфор перестає бути елементом, що обмежує зростання маси живих істот, особливо водоростей та інших водних рослин.

Натрій

– один із головних елементів, акумульованих у земній корі у процесі її виплавлення. Він легко звільняється із структур силікатів при вивітрюванні кристалічних порід. Катіон Na+ переноситься з континентальним стоком в океан. Із «солоними вітрами» натрій частково повертається на сушу. Істотно менша кількість елемента виноситься з поверхні суші до океану з вітровим пилом.

Натрій постійно присутній у ґрунтах. Він бере активну участь у засоленні грунтів, у яких утворює солі з хлорид- та сульфат-іонами.

У організмах солі натрію грають істотну роль. Хлорид натрію є обов'язковим компонентом рідких тканин тварин та клітинного соку рослин, тому він у великих кількостях поглинається рослинними та особливо тваринними організмами. З рослинних залишків солі натрію легко вилуговуються. Натрій активно адсорбується опадами морів, тому велика його маса міститься в осадовій оболонці.

Хлор,

на відміну від натрію, міститься у гранітному шарі у невеликих кількостях. Він залучається до кругообігу не за рахунок руйнування гірських порід, а завдяки процесам дегазації мантії та винесення вулканічних газів.

Цей елемент переміщається між оболонками Землі паралельно із натрієм. Він акумулюється в океанській воді у формі хлорид-іонів. Значні маси хлору, як і і натрію, багато мільйонів років мігрують із поверхні суші у Світовий океан. Друга особливість глобального геохімічного циклу хлору, виражена значно більше, ніж у циклі натрію – активна міграція у атмосфері у складі аерозолів і повернення значних мас цього елемента на сушу. На територіях, де відсутні стоки, хлор разом із натрієм накопичується у ґрунті та замкнутих водоймах.

Хлор має важливе фізіологічне значення. Він міститься в живих організмах у вигляді хлороводневої кислоти, її солей (переважно хлориду натрію). Тому значні маси хлору, поряд із натрієм, беруть участь у біологічному кругообігу.

Кальцій

належить до основних елементів земної кори. Зміст цього елемента зменшується від глибин Землі до гранітного шару літосфери. Кальцій у земній корі утворює численні мінерали. При вивітрюванні силікатів звільняється велика кількість елемента. Його водорозчинні сполуки, переважно гідрокарбонат, надходять у природні води і мігрують із нею океан. Хоча цей процес розвивається протягом понад 2 млрд. років, концентрація елемента в океанічній воді лише в 30 разів більша, ніж у річкових водах. Це зумовлено низькою розчинністю карбонату кальцію, а головне – активним поглинанням елемента планктонними організмами та виведенням його в осад. Дані процеси сприяють накопиченню кальцію у складі потужних товщ вапняків, доломітів, вапняних глин.

Кальцій відіграє у фізіології організмів. У рослинах він бере участь у вуглеводному та азотному обміні, тваринам він необхідний для побудови кісткового скелета. Кальцій бере участь у багатьох інших біохімічних процесах.

Таким чином, для процесів глобального масообміну кальцію головне значення мають біологічний кругообіг та водна міграція іону у системі суша – океан.

Калій

разом з іншими лужними та лужноземельними хімічними елементами акумулювався в земній корі в процесі її виплавлення. Калій входить до складу найпоширеніших силікатів. За її руйнації цей елемент, переважно, перетворюється на глинисті мінерали. Водночас він частково вивільняється та залучається до водної міграції. Іони калію активно абсорбуються дисперсною мінеральною речовиною, а також поглинаються вищими рослинами, тому калій міцніше утримується в межах суходолу, ніж кальцій та натрій. В океан кілька калію виноситься у вигляді іонів, проте велика маса елемента переноситься у формі суспензій глинистих частинок. Калій активно мігрує у системі поверхню океану – атмосфера – поверхню океану у складі аерозолів.

Цей елемент відіграє важливу роль у житті рослин та тварин. Він бере участь у фотосинтезі, впливає на обмін речовин, частково зберігається у мертвій органічній речовині.

Широке використання мінеральних добрив поки що не помітно впливає на кругообіг калію, проте міграція його сильно зросла в результаті ерозії грунтів.

Кремній

- Другий (після кисню) по масі елемент земної кори. Він інтенсивно накопичувався у речовині літосфери у його виплавлення. Кремній у вигляді високодисперсного кремнезему (SiO 2 ) повсюдно міститься у природних водах і використовується багатьма морськими організмами для побудови скелета. Біологічний кругообіг кремнію в океані обумовлений переважно життєдіяльністю діатомових і радіолярієвих планктонних водоростей і подальшим розчиненням їх скелетів.

Для водної міграції кремнію характерний переважний рух від суші до океану, який не компенсується у зворотному напрямку. Значна кількість кремнію переміщається у вигляді розчинних сполук, проте у складі уламкового матеріалу його виноситься набагато більше. .

Свинець

накопичується в земній корі не тільки за рахунок виплавлення його з речовини мантії, а й внаслідок радіоактивного розпаду ізотопів урану (238 U, 235 U) та торію (232 Th). При вивітрюванні гірських порід катіони свинцю вивільняються, більша частина їх сорбується високодисперсними глинистими частинками та гідроксидами заліза, а менша надходить у ґрунтові води. У складі суспензій, а також у вигляді органічних сполук, простих і комплексних іонів свинець виноситься з річковим стоком і осаджується переважно у дельтах та вузькій прибережній смузі шельфу. Невелика кількість свинцю, що потрапляє в океан, випадає в осад завдяки біофільтрації морської води організмами планктону. Таким чином, Світовий океан є глобальним акумулятором розчинних форм свинцю.

На суші свинець поглинається рослинами. Під час лісових пожеж значні маси елемента надходять до атмосфери (у вигляді диму). Крім того, свинець міститься у високодисперсному мінеральному пилу. «Час життя» аерозолів, що містять свинець, становить близько 7 діб.

Річний видобуток свинцю значно перевищує і винесення розчинних форм, і річне захоплення рослинністю цього елемента. Техногенне розсіювання свинцю, на відміну від розсіювання газоподібних речовин, не поширюється на великі простори, а зосереджується, в основному, вздовж автомагістралей, це пов'язано з використанням тетраетилсвинцю як антидетонатор автомобільних бензинів.

Цинк

зазвичай супроводжує свинцю в земній корі, проте біосферна геохімія цих елементів суттєво відрізняється. На відміну від свинцю, цинк – один із головних мікроелементів, він входить до складу багатьох ферментів, бере участь у синтезі рибонуклеїнових кислот та хлорофілу. Велика частина цинку в рослинах пов'язана з тканинами, що легко руйнуються, і швидко видаляється з рослинних залишків (на відміну від свинцю, який міцно фіксований в рослинних залишках). Водорозчинні форми цинку становлять дуже невелику частину загальної маси металу, проте вони активно залучаються у водну міграцію. Цинк бере активну участь у масообміні між сушею і атмосферою. З атмосферними опадами на поверхню суходолу водорозчинних форм цинку випадає значно більше, ніж захоплюється вітром в атмосферу у вигляді мінерального пилу.

З наведених прикладів кругообігів та міграції різних елементів видно, що глобальна система циклічної міграції хімічних елементів має високу здатність до саморегуляції, при цьому величезну роль у кругообігу хімічних елементів грає біосфера.

У той самий час господарська діяльність людини викликає деформацію природних циклів масообміну та, отже, зміна складу довкілля. Ці зміни відбуваються значно швидше, ніж відбуваються процеси генетичної адаптації організмів та видоутворення. Найчастіше господарські дії настільки непродумані чи недосконалі, що створюють гостру екологічну небезпеку. Вивчення процесів масообміну, що пов'язують у єдине ціле всі оболонки Землі, має допомогти у створенні системи контролю за еколого-геохімічним станом довкілля та розроблення науково обґрунтованого прогнозу екологічних наслідків господарських дій та нових технологій.

Олена Савінкіна

Слайд 2

Мета та завдання проекту. Мета: Завдання: Розглянути кругообіги речовин та взаємодію їх між собою. 1) Вивчити літературу на цю тему. 2) Вивчити круговороти хімічних елеїентів та їх взаємозв'язок. 3) Розглянути антропогенний вплив на круговороти речовин у природі.

Слайд 3

Слайд 4

Введення. Кругообіг речовин у природі - найважливіше екологічне поняття, що відображає природну закономірність розподілу та перетворення речовин у біосфері. За допомогою цього поняття формуються уявлення про циклічні процеси в природі, механізми їх перебігу та значущість існування життя на Землі.

Слайд 5

Глава I. Кругообіги хімічних елементів у природі. Головна функція біосфери полягає у забезпеченні круговороту хімічних елементів, що виражається у циркуляції речовин між атмосферою, ґрунтом, гідросферою та живими організмами.

Слайд 6

1.1. Кругообіг азоту. Основне сховище азоту-атмосфера, де він існує у вигляді простої речовини N2, яка хімічно інертна. Лише під час гроз або в результаті діяльності бактерій, що нітрифікують, вільні азот перетворюється на пов'язаний. У зв'язаній формі (NH4+) він потрапляє у ґрунт чи океан, де його негайно поглащають рослини. Коли вони відмирають, азот повертається у ґрунт чи океан, після чого знову досить швидко погладжується рослинами.

Слайд 7

Схема кругообігу азоту в природі.

Слайд 8

1.2. Кругообіг вуглецю. Подібно до інших елементів, атоми вуглецю в природі не утримуються постійно в тому самому з'єднанні, а переходять з одних речовин в інші. Через війну процесу життєдіяльності зелених рослин – фотосинтезу – вуглець з атмосфери, де він міститься у складі оксиду вуглецю (IV), перетворюється на рослини. Так утворюються в природі кисень у вільному стані та органічні речовини рослин, які служать їжею тваринам. Вуглець при цьому переходить в організм тварин, у ньому знову перетворюється на оксид вуглецю (IV) і повертається через органи дихання в атмосферу. Зв'язується оксид вуглецю (IV) також у процесі вивітрювання мінералів та гірських порід, а повертається в атмосферу вулканічними та мінеральними джерелами.

Слайд 9

Схема кругообігу вуглецю в природі.

Слайд 10

Кругообіг фосфору. 1.3. Кругообіг фосфору трохи простіше кругообігу азоту, оскільки фосфор зустрічається лише в небагатьох хімічних формах: цей елемент циркулює, поступово переходячи з органічних сполук у фосфат, які можуть засвоюватися рослинами. Але, на відміну азоту, резервним фондом фосфору служить не атмосфера, а гірські породи та інші відкладення, що утворилися в минулі геологічні епохи. Ці породи поступово піддаються ерозії, вивільняючи фосфати в екосистемах. Велика кількість фосфору потрапляє у море і там відкладається. Саме тому повернення фосфору у вир не відшкодовує його втрат. Кругообіг фосфору так само важливий для живих організмів, як і кругообіг азоту.

Слайд 11

Схема круговороту фосфору у природі.

Слайд 12

Розділ II. Антропогенний вплив на круговороти хімічних елементів у природі. Виробнича діяльність людини вносить у кругообіг речовин додаткові потоки токсичних елементів. Міграція цих елементів у ґрунт і річки підвищує ймовірність їхнього контакту з живими організмами. Так, у багатьох кругообігах беруть участь мікроорганізми. В одних випадках вони перетворюють нерозчинні хімічні сполуки на розчинні, багато з яких отруйні. В інших їхня діяльність пригнічується (іноді повністю) через забруднення природного середовища. І те, й інше порушує стабільність біохімічних циклів. Цикли кисню, вуглецю, азоту легко відновлюються рахунок механізму саморегуляції (завдяки наявності великих атмосферних чи океанічних фондів вони швидко заповнюють втрати речовин). До другого типу відносять осадові цикли (кругообіги сірки, фосфору, заліза). Вони легко порушуються і важко відновлюються, тому що основна маса речовини зосереджена в відносно малоактивному і малорухливому фонді в земній корі. Антропогенний вплив на круговороти полягає в тому, що людина, використовуючи у своїй діяльності майже всі наявні в природі елементи, значною мірою прискорює рух багатьох речовин і тим самим порушує циклічність кругообігів. Таким чином, кругообіг речовин виходять з рівноваги в тому випадку, якщо хімічні елементи або накопичуються в екосистемі, або видаляються з неї. Тому природоохоронні заходи повинні сприяти поверненню речовин до їх кругообігу.

Слайд 13

Висновок. У цьому роботі ми дали поняття круговороту хімічних елементів у природі. За допомогою цього поняття сформували уявлення про циклічні процеси в природі, механізми їх перебігу та значущість для існування життя на Землі. Кругообіги хімічних елементів становлять особливе значення для формування та розвитку життя. Також дали оцінку впливу людини на різні колообіги. Таким чином, втручання людини неблаготворно впливає на круговороти хімічних елементів у природі. Нині існує безліч природоохоронних законів. Усі вони спрямовані захист природи від шкідливого втручання людини, тобто збереження кругообігів хімічних елементів у природі.

Слайд 14

Дякую за увагу!

Переглянути всі слайди

БІОГЕННИЙ КРУГОВОРІТ

Розглянемо граючі найбільшу роль біосфері круговороти, яких ставляться біогеохімічні цикли вуглецю, азоту, кисню, сірки, фосфору.

Кругообіг вуглецю.Джерела вуглецю в природі настільки ж численні, як і різноманітні. Тим часом тільки вуглекислота, що знаходиться або в газоподібному стані в атмосфері, або в розчиненому стані у воді, є тим джерелом вуглецю, який служить основою для переробки

його в органічну речовину живих істот. Поглинена рослинами у процесі фотосинтезу, вона перетворюється на цукру, а інших процесах біосинтезу перетворюється на протеїни, ліпіди тощо. Ці різні речовини служать вуглеводним харчуванням тваринним та незеленим рослинам. Тварини-сапрофаги та мікроорганізми, що мешкають у ґрунті, перетворюють відмерлі рослини та останки тварин на нову освіту органічної матерії, більш менш потужний шар коричневої або чорної маси - гумус. Швидкість впливу організмів, що розкладають, на гумус далеко не однакова, а ланцюги грибів і бактерій, що призводять до остаточної мінералізації вуглецю, бувають різної довжини. Іноді ланцюг може бути коротким і неповним: органічні залишки накопичуються у формі торфу та утворюють торф'яні болота. У деяких болотах із потужним покривом із сфагнових мохів шар торфу може досягати 20 м і більше. Тут і зупиняється кругообіг вуглецю. Поклади копалин органічних сполук у вигляді кам'яного вугілля та нафти свідчать про стагнацію кругообігу в масштабах геологічного часу (рис. 3).

У воді також відбувається стагнація кругообігу вуглецю, так як вуглекислота накопичується у формі СаСО 3 (крейда, вапняки або корали) хімічного або біогенного походження. Часто ці маси вуглецю залишаються поза кругообігом протягом цілих геологічних періодів, поки СаСО3 у вигляді гірських ланцюгів не підніметься над поверхнею моря. З цього моменту починається надходження вуглецю та кальцію в кругообіг унаслідок вилуговування вапняку атмосферними опадами, під впливом лишайників, а також коріння квіткових рослин. Діяльність людини відіграє велику роль у кругообігу вуглецю. Людство щорічно витрачає близько 6 · 10 9 т вуглецю, що у викопному стані. Якби вуглекислий газ, що утворюється в результаті спалювання, не видалявся з атмосфери, щорічний приріст його вмісту в повітрі становив би 2,3 млн т. За останні 100 років вміст вуглекислого газу зріс з 290 до 320 млн т, причому більше 1/5 цього приросту падає останні десятиліття. Таким чином, загальний приріст вмісту вуглекислого газу в атмосфері становить приблизно лише 1/3 кількості газу, що виділяється при згорянні (по абсолютній масі - 200 10 9 т). Решта частка вуглекислого газу йде на приріст рослинної маси (оскільки відомо, що рослини ростуть швидше, якщо вміст СО2 в атмосфері вище); частина його розчиняється у водах океану. Хоча, за деякими підрахунками, біомаса суші протягом останніх 100 років могла зрости на 15 · 10 9 т, проте прямих доказів цього немає.

Інтенсивність діяльності все зростає. Підвищується рік у рік і швидкість споживання горючих копалин. Через 15 років вміст СО 2 в атмосфері збільшиться з 320 до 375 -

400 млн т. Зростання вмісту СО 2 в атмосфері з неминучістю призведе до підвищення температури поверхні Землі, а отже, танення льодовиків, підвищення рівня океану та інших настільки ж серйозних наслідків. Тому перед людством стоїть завдання пошуку таких енергетичних джерел та технологічних процесів, при яких вміст вуглекислого газу в повітрі не зростатиме з такою значною швидкістю. Відомо також, що вирубування лісів, використання земель під дороги та будівлі зменшують площу зеленого покриву Землі та знижують темпи асиміляції. При використанні природних фітоценозів та заміні їх культурними слід мати на увазі необхідність збереження загального рівня фотосинтезу, а ще краще – забезпечити його піднесення.

Кругообіг азоту- Складний процес. Хоча у складі атмосфери частку азоту припадає 70%, щодо його фіксації необхідно,

щоб він був у вигляді певних хімічних сполук. Шляхи фіксації азоту дуже різноманітні (рис. 4). Зв'язування азоту відбувається в процесі вулканічної діяльності при грозових розрядах в атмосфері, коли має місце її іонізація, в момент згоряння метеоритів. Однак незрівнянно велика роль у процесі фіксації азоту належить мікроорганізмам, як вільно живуть, так і живуть на коренях в особливих бульбах, а іноді і на листі деяких рослин.

Величезний резервуар вільного молекулярного азоту атмосфери не використовується вищими рослинами безпосередньо, оскільки руйнування міцних зв'язків між атомами в молекулі N 2 потрібно багато енергії. Тільки 0,001% азоту біосфери пов'язана у біомасі та метаболітах організмів. Переведення молекулярного азоту в пов'язаний стан здійснюється в природі азотфіксуючими мікроорганізмами, що утворюють з нього сполуки з аміногрупою NH 2 - основним продуктом азотфіксації, який і включається в біогенний кругообіг усіма іншими організмами: мікробами, рослинами, грибами, тваринами. Надалі багаті азотом сполуки (аміак, іони амонію, амінокислоти) окислюються у воді і в ґрунтах нітрито- і нітратоутворюючими бактеріями до оксидів азоту NO 2 і NO 3 , a на останньому етапі кругообігу ці оксиди перетворюються денітрифікуючими бактеріями. атмосферу. Щорічно бактерії переводять у зв'язану форму не менше 1 млрд т азоту, тоді як кількість зв'язаного азоту у мінеральних добривах не перевищує 90 млн т на рік.

Азотфіксуючі організми на коренях рослин представлені бактеріями, рідше грибами. Бульби з азотфіксуючими організмами розвиваються на корінні представників сімейства бобових та інших рослин різної систематичної приналежності. Вихід фіксованого азоту для бульбочкових бактерій, які живуть на коренях бобових, нерідко становить 350 кг/га на рік, тобто. приблизно в 100 разів вище, ніж для вільноживучих азотфіксуючих організмів.

Ймовірно, найбільшим втручанням людини у кругообіг речовин у природі є промислова фіксація азоту. За даними К. Делвіча (1972), промисловість щорічно фіксує азоту стільки ж, скільки його фіксували живі організми до запровадження сучасної агротехніки.

Кругообіг кисню.Безсумнівно, більшість кисню атмосфери має біогенне походження, лише мала його частка виникла результаті фотолізу (розкладання води на кисень і водень енергією світла). Роль живих істот та органічної речовини у виникненні вуглекислого газу атмосфери також безперечна. Можна з певністю стверджувати, що життя, що виникло

Мал. 4. Оцінка кількості фіксованого азоту, що втрачається і набуває біосфери в різних процесах (П.Дювіньо, М.Танг, 1968). За рік у біосферу надходить майже 92 млн. т фіксованого азоту (не заштриховані стовпчики), повертається в атмосферу в результаті денітрифікації приблизно 83 млн. т (заштриховані стовпчики). "Зниклі" близько 9 млн т, мабуть, відкладаються щорічно в біосфері у ґрунті, підземних водах, озерах, річках та океані

Землі, поступово призвела до появи сучасного складу атмосфери, що й підтримується діяльністю живих істот. У кількісному відношенні кисень - головна складова живої матерії. Якщо враховувати воду, що міститься в тканинах, то, наприклад, тіло людини містить 62,8% кисню та 19,4% вуглецю. Якщо розглядати біосферу загалом, цей елемент у порівнянні з вуглецем та воднем є основним серед простих речовин.

Кругообіг кисню дуже ускладнений здатністю елемента утворювати численні хімічні сполуки, які у різних формах. В результаті виникає безліч епіциклів, що відбуваються між літосферою та атмосферою, або між гідросферою та двома цими середовищами.

Кисень, що міститься в атмосфері та численних поверхневих мінералах (осадові кальцити, залізні руди), має біогенне походження. Величезні післякембрійські відкладення оксидів заліза свідчать про велику активність примітивних організмів, які іноді пов'язували весь вільний кисень гідросфери у своїй біомасі та метаболітах. Формування в атмосфері озонного екрану, здатного затримувати найбільш небезпечну ультрафіолетову радіацію, почалося з досягнення киснем концентрації приблизно 1 % його сучасного змісту. Після цього автотрофні організми-еукаріоти змогли розвиватися у верхніх шарах води (там, де сонячний потік був найпотужнішим), що збільшило інтенсивність фотосинтезу та, відповідно, продукцію кисню.

Споживання атмосферного кисню та її відшкодування первинними продуцентами здійснюється досить швидко. Підраховано, що для відновлення всього атмосферного кисню потрібно 2 тис. років. Зате необхідно 2 млн років, щоб усі молекули води гідросфери були піддані фотолізу та знову синтезовані живими організмами. Що стосується атмосферного вуглекислого газу, то його повний кругообіг відбувається дуже швидко, так як потрібно лише 300 років для його повного відновлення. Більшість кисню, вироблюваного протягом геологічних епох, залишалася у атмосфері, а фіксувалася в літосфері як карбонатів, сульфатів, оксидів заліза тощо. Ця маса становить 590 · 10 14 т проти 39 · 10 14 т кисню, що циркулює у біосфері у вигляді газу або сульфатів, розчинених в океанічних та континентальних водах.

Кругообіг сірки.Переважна частина кругообігу цього елемента має осадову природу і відбувається у грунті та воді при існуванні численних газоподібних сполук сірки, таких, як сірководень та діоксид сірки.

Основне джерело сірки, доступне живим істотам, – всілякі сульфати. Хороша розчинність у воді багатьох сульфатів

полегшує доступ неорганічної сірки до екосистем. Поглинаючи сульфати, рослини їх відновлюють і виробляють сірковмісні амінокислоти (метіонін, цистеїн, цистин).

Різні органічні залишки в біоценозі розкладаються гетеротрофними бактеріями, які зрештою утворюють сірководень із сульфопротеїнів, що містяться в ґрунті.

Чорні мули, які в природних умовах зустрічаються на дні деяких морів (наприклад, Чорного), озер, а також у різних прісноводних континентальних водоймах після забруднення їх людиною, багаті на організми, що сіророзкладають, функціонують в анаеробних умовах. Деякі різновиди бактерій, наприклад Beggiatoa,можуть відновлювати сірководень до елементарної сірки. Однак існують бактерії, здатні знову окислити сірководень до сульфатів, що збільшує запас сірки, доступної продуцентам.

Остання фаза кругообігу сірки повністю осадова. Вона полягає у випаданні осад цього елемента в анаеробних умовах у присутності заліза. Різні етапи цього процесу, особливо оборотні, надалі дозволяють використовувати запаси осадових порід.

Таким чином, остання фаза кругообігу сірки закінчується повільним і поступовим накопиченням її в глибоко залягають осадових породах.

Кругообіг фосфору.Цей елемент є однією з основних складових живої речовини, в якій міститься в досить великій кількості.

Запаси фосфору, доступні живим істотам, повністю зосереджено літосфері. Основними джерелами неорганічного фосфору є вивержені (наприклад, апатити) або осадові (наприклад, фосфорити) породи. Мінеральний фосфор - рідкісний елемент у біосфері, у земній корі його вміст не перевищує 1%, що є основним фактором, що лімітує продуктивність екосистем. Неорганічний фосфор із порід земної кори залучається до циркуляції вилуговуванням та розчиненням у континентальних водах. Він потрапляє в наземні екосистеми та поглинається рослинами, які за його участю синтезують різні органічні сполуки, і таким чином включається до трофічних ланцюгів. Потім органічні фосфати разом з останками, відходами та виділеннями живих істот повертаються в землю, де знову піддаються впливу мікроорганізмів та перетворюються на мінеральні ортофосфати, готові до споживання зеленими рослинами та іншими автотрофами.

У водні екосистеми фосфор приноситься текучими водами. Річки безперервно збагачують океани фосфатами, що сприяє розвитку фітопланктону та живих організмів, розташованих на різних рівнях харчових ланцюгів прісноводних чи морських.

водойм Повернення мінеральних фосфатів у воду здійснюється за допомогою біовідновлювачів У всіх водних екосистемах, як і в континентальних, фосфор зустрічається в чотирьох формах, відповідно нерозчинних або розчинних

Простеживши всі перетворення фосфору в масштабі біосфери, можна помітити, що його кругообіг не замикається (рис 5) У наземних екосистемах кругообіг фосфору проходить в оптимальних природних умовах з мінімумом втрат на вилуговування кругообіг фосфору не заслуговує на увагу. приливно-відливної смуги і на мілководдях, може

бути повернутий у кругообіг після мінералізації, проте це не поширюється на відкладення на дні глибоководних зон, які займають 85% загальної площі океанів. Фосфати, відкладені великих морських глибинах, вимикаються з біосфери і що неспроможні більше брати участь у кругообігу. Звісно, ​​як зазначив В.А. Ковда (1968), елементи біогеохімічного осадового круговороту що неспроможні накопичуватися до безкінечності дні океану. Тектонічні рухи сприяють повільному підйому осадових порід, накопичених на дні геосинкліналів, до поверхні. Отже, замкнутий цикл осадових елементів має тривалість, вимірювану геологічними періодами, тобто. десятками та сотнями мільйонів років.

У межах біосфери практично кожен хімічний елемент проходить через ланцюжок живих організмів, що входить до системи біогеохімічних перетворень. Так, весь кисень планети - продукт фотосинтезу – оновлюється кожні 2000 років, а весь вуглекислий газ – за 6,3 роки. Процес повної зміни вод Землі (в гідросфері) здійснюється за 2800 років. Оновлення живої речовини біосфери відбувається в середньому за 8 років, при цьому фітомаси суші (біомаси наземних рослин) – 14 років, а для океану, де переважають організми з коротким періодом життя (наприклад, планктон) – 33 дні.

Для синтезу живої речовини потрібно приблизно 40 елементів. Найбільш життєво важливими вважаються речовини, з яких складаються білкові молекули – вуглець, азот, кисень, фосфор та сірка. Інші елементи потрібні в менших кількостях, але вони також потрібні. Це кальцій, залізо, калій, магній та ін. Усі елементи поперемінно переходять із живої матерії в матерію косну (неживу), беручи участь у складних біогеохімічних циклах. Останні можна розділити на дві групи: кругообіг газів, в якому головним резервуаром елементів служить атмосфера (кругообіг вуглецю, азоту, кисню і води), кругообіг осадовий, елементи якого в твердому стані знаходяться в складі осадових порід (кругообіг фосфору, заліза, сірки). Цикли елементів істотно відрізняються від простого фізичного перетворення енергії, яка виділяється у вигляді тепла і ніколи потім не використовується знову.

3.2.1. Кругообіг вуглецю

Вуглець (С) зустрічається на нашій планеті у різноманітних сполуках, починаючи з знаходження у вигляді чистого вуглецю (вугілля, графіт тощо), аж до високомолекулярних органічних сполук. Основою біогенного кругообігу цього елемента є неорганічна сполука – діоксид вуглецю (вуглекислий газ СО 2), що утворюється при розкладанні вугільної кислоти (рис. 3.2).

Єдиним джерелом вуглецю, використовуваного рослинами для синтезу органічних речовин, є вуглекислота, що входить до складу атмосфери або знаходиться в розчиненому стані у воді.

В результаті фотосинтезу з діоксиду вуглецю та води утворюються вуглеводи, і вивільняється кисень, що надходить в атмосферу. Частина вуглеводів, що утворилися, використовується самим фотосинтезуючим організмом (зеленою рослиною) для отримання енергії, що йде на ріст і розвиток, а частина споживається тваринами при застосуванні фотосинтетиків в їжу. При цьому діоксид вуглецю йде в довкілля через коріння, листя, а також виділяється тваринами у процесі дихання. Мертві тварини та рослини поступово розкладаються мікроорганізмами ґрунту, вуглець їх тканин окислюється знову до вуглекислоти та повертається в атмосферу. Аналогічний процес відбувається у океані.

Завдяки фотосинтезу в атмосфері накопичилося достатньо для процвітання білкового життя вільного кисню. Фотосинтезуючі зелені рослини та карбонатна система моря ефективно видаляють надлишок СО 2 з атмосфери, що може призвести до перегріву планети. Однак зростання споживання викопного палива, газові викиди промисловості, а також зниження поглинальної здатності зелених рослин у зв'язку зі значним скороченням лісів і вплив хімічних забруднювачів на сам процес фотосинтезу починають помітно змінювати атмосферний фонд кругообігу вуглецю. Тривалість кругообігу вуглецю дорівнює ~ 300 ... 1000 років. Нині вміст вуглекислого газу зменшується, т.к. його запаси постійно поповнюються за рахунок дихання, бродіння та згоряння. Існує реальна небезпека того, що в результаті розвитку промислового виробництва та порушення рівноважного стану біосфери вміст СО 2 в атмосфері може зрости, що призведе до збільшення парникового ефекту та глобальної зміни клімату.