БОЛЬШОЙ И МАЛЫЙ БИОГЕННЫЕ КРУГОВОРОТЫ

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ, большой, или биосферный (охватывающий всю биосферу), малый, или биологический (внутри экосистемы).

Биосферному круговороту веществ предшествовал геологический, связанный с образованием и разрушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения - обломочного материала и химических элементов. Значительную роль в этих процессах играли и играют термические свойства поверхности суши и воды: поглощение и отражением солнечных лучей, тепло проводимость и теплоемкость. Вода больше поглощает солнечной энергии, а поверхность суши в одних и тех же широтах больше нагревается. Неустойчивый гидротермический режим поверхности Земли вместе с планетарной системой циркуляции атмосферы обуславливал геологический круговорот веществ, которые на начальном этапе развития Земли, был связан с формированием континентов, океанов и современной геосферы. О геологическом проявлении его говорит и перенесение воздушными массами продуктов выветривания, а водой - растворенных в ней минеральных соединений. Со становлением биосферы большой круговорот включились продукты жизнедеятельности организмов. В результате он приобрел новые черты: стал начальным этапом биосферного перемещения вещества. Именно он поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Большой круговорот в биосфере характеризуется двумя важнейшими моментами:

1. Осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли.

2. Представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

На современно этапе развития человека в результате большого круговорота на большие расстояния перемещаются загрязняющие вещества: оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси.

Малый, или биологический, круговорот вещества развертывается на фоне большого, геологического, охватывающего биосферу в целом. Он происходит внутри экосистем, но не замкнут, что связано м поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - созидания органического вещества и разрушения. Начальный этап возникновения органического вещества обусловлен фотосинтезом зеленных растений, то есть образованием этого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием лучистой энергии Солнца. Растения извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, кальций, калий, магний, алюминий, медь и другие элементы. Растительноядные животные поглощают уже соединения этих элементов в виде пищи растительного происхождения. Хищники питаются растительноядными животными, потребляют пищу более сложного состава, включая белки, жиры, аминокислоты и другие. В процессе разрушения микроорганизмами органического вещества отмерших растений и остатков животных в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениями и начинается следующий виток биологического круговорота.

В отличии от большого круговорота малый имеет различную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты.

Отдельные циклические процессы, слагающие общий круговорот вещества в биосфере, не является полностью обратимыми. Одна часть веществ в повторяющихся процессах превращения и миграции рассеивается или связывается в новых системах, другая возвращается в круговорот, но уже с новыми качественными и количественными признаками. Часть веществ может также извлекаться из круговорота, перемещаясь вследствие физико-геологических процессов в низшие слои литосферы или рассеиваться в космическом пространстве.

Продолжительность циклов круговорота тех или иных веществ различна. Время, достаточное для полного оборота углекислого газа атмосферы через фотосинтез, составляют около 300 лет, кислорода - 2000-2500.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека: круговорот углерода, серы и азота (их оксиды главные загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты - загрязнители воды и суши). Большое значение имеют круговороты токсичных элементов - ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина). Кроме того, из большого круговорота в биологический поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и т.д.), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ

Круговорот углерода

В общем виде можно представить как процесс освобождения и связывания диоксида углерода (СО2), включая его растворения в воде океанов.

В атмосфере - 0,034% углекислого газа и 0,00016% в форме метана, а земной коре - 0,35% и в живом веществе около 18%. Он вовлекает в цепь непрерывных реакций и биохимических круговоротов, соединяясь с большинством элементов самыми разнообразными способами.

Предполагается, что углерод распределен в довольно тонком слое земной коры, в атмосфере - в виде диоксида и оксида углерода, а также животной и растительной биомассе. Основные запасы углерода в минералах и горных породах (в известяке и доломитах, в основном в форме карбонатов (СаСО ) и гидрокарбонатов (Са(НСО 0 ), представляет собой растворенные и нерастворенные донные отложения в Мировом океане, накопившиеся за миллионы лет. Углекислый газ, содержащийся в воздухе и растворенные в воде, составляет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содержание СО2 в атмосфере меньше 1%. Особенно нестабильно и подвержено сезонным изменениям. В настоящее время наблюдается его увеличение, связанное с антропогенным фактором.

Постепенно растет (на 1-2% ежегодно) содержание в атмосфере метана и оксида углерода. Мировой океан содержит более 98% общего запаса СО2 атмосферы и гидросферы.

Цикл биологического круговорота углерода не замкнут. Углерод не выход из него на довольно длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапропелей, гумуса и других органических осадков. В разных циклах биологического круговорота участвует около 98-99% ассимилированного углерода.

Огромную роль в круговороте углерода играют зеленные растения. В процессе фотосинтеза диоксид углерода из атмосферы ассимилируется растениями и превращается в углеводы. В процессе же дыхания происходит обратный процесс: углерод органический соединений превращается в газ.

Круговорот атома углерода в биосфере:

Извержение вулкана--- атмосфера (СО2) --- фотосинтез ( в растениях) ---восстановленная химическая форма.

Ежегодна наземные растения связывают около 18 миллиардов тонн углерода, растения морей - 25 миллиардов тонн. Еще одним мощным утилизатором углерода является морские организмы, которые используют его для формирования своих скелетов.

В воде СО2 растворяется в 25 раз лучше кислорода. От его соединения в воде зависит количество растворенных гидрокарбонатов, то есть жесткость воды. Если соединение СО2 в воде уменьшается, то выпадает осадок нерастворимого карбоната, который будет растворен при восстановлении равновесия между СО2 и гидрокарбонатов.

Круговорот кислорода

В цикл вовлечено большое представительство органического и неорганического мира, а также Н2 и Н2О, растворяющегося кило рода. Кислород циркулирует в океане, биосфере и осадочных породах. Его соединения зависит от его растворяемости на поверхности и от интенсивности фотосинтеза водорослей.

В процессе сгорания топлива образуется довольно большое количество воды, которая в конечном счете потребляется растениями и разлагается в процессе фотосинтеза на атомарный водород и кислород. Высвободившийся кислород снова поступает в атмосферу и используется для создания органического вещества.

Итак, главным производителем животворного кислорода являются зеленые вещества растительности. Они единственные естественные накопители космической солнечной энергии. Главный потребители - живые организмы: человек, животные, почвенные организмы и сами растения, которые используют кислород в процессе дыхания. В наше время кислород используется на обеспечение промышленного производства, хозяйственной деятельности и средств коммуникации.

Одной из самых негативных сторон современной цивилизации является то, что темпы хозяйственной деятельности человека увеличиваются, а зеленные площади Земли уменьшаются. Вырубаются тропические леса, которые являются поставщиками кислорода. Исчезают лесные территории. Они вырубаются со скоростью 23 га в минуту, а каждый га тропического леса производит 28 тонн кислорода.

Взрослое дерево за сутки производит 180 литров кислорода, а взрослый человек потребляет в количестве 360 литров (ничего не делая), и до 00-900 литров, когда работает.

Таким образом общественная деятельность человека значительно влияет на современный круговорот кислорода.

Круговорот азота

Азот важный строительный материал для белков, нуклеиновых кислот и других соединений. Он соединяется в биогенных ископаемых (уголь, нефть, битум, торф). В почве всего от 0,2 до 0,5%. В атмосфере - миллионы тонн (находятся в молекулярном состоянии). Элементом жизни он становиться только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Он находится в атмосфере, так как большинство организмов не способны ассимилировать его (78%).

Азот в почву поступает:

1. С дождевыми водами

2. С вулканическими извержениями

3. Биологическая фиксация газообразного азота из атмосферы клубеньковыми бактериями и цианобактериями.

4. В результате разложения органических соединений - естественным путем.

5. Разложение азотосодержащего удобрения (30%).

Растительность извлекает азот из почвы с помощью живущих в клубеньках азотофиксирующих бактерий ( арахис, соя, чечевица и другие). Азот усваивается в виде нитритов и нитратов. Затем он передается по пищевым путям. А когда после отмирания организмов их остатки разлагаются бактериями, азот частично переходит в почву в виде солей, частично - в атмосферу в молекулярной форме. Небольшая часть азота снова переводится в аммиак и нитраты и может быть усвоена растениями.

В атмосферу азот поступает благодаря деятельности почвенных и водных бактерий, которые разрушают нитраты - процесс динитрификации. Из атмосферы группы микроорганизмов - азотофиксирующими бактериями.

Круговорот фосфора

Фосфор входит в состав тканей мозга, скелета, панцирей животных, невозможен синтез белка.

Среднее содержание фосфора в земной коре - 0,09%. Основные запасы - горный породы, донные отложения морей и океанов, гумус горизонтальных наземных и подводных почв.

В почве - 0,1-0,2% Р2О5 . Растениям доступно 10-20%, малодоступно 50-60% и практически недоступно 20-40%. Притока из атмосферы нет. Ощущается дефицит фосфора, поэтому соединения фосфора являются важнейшим минеральным удобрением. Дефицит фосфора объясняется низкой физиологической доступностью его нерастворимых соединений и особенно необратимой фиксацией в почве самого фосфора. Более всего доступен растениям фосфор органических соединений и гумуса.

Живое вещество ненарушенной биосферы и экосистемы суши удерживает огромное количество фосфора. Предположительно, что в лесных подстилках соединяется около 100 кг/га. Гумусная оболочка является и естественным аккумулятором соединений этого элемента. В почве больше, чем в земной коре.

Круговорот серы

Соединения серы участвуют в биохимических процессах живой клетки, формировании химического состава почвы, соединяется в подземных водах.

В земной коре - 0,047% серы. В почвах сульфатов - 0,01- 2-3%. Она образует минералы (сульфиды). Серы много в извергаемых горных породах в виде сульфидных минералов. При их окислении сера в виде иона SO попадает в Мировой океан, где поглощается морскими организмами (моллюсками). Круговорот серы в морской воде осуществляется сульфатредуцирующими бактериями, которые существуют в анаэробных условиях. Она восстанавливают сульфаты морской воды до сероводорода, который поднимается в верхние толщи воды, и окисляется под действием кислорода, а также при участии аэробных сернистых бактерий. После отмирания опускается на дно океана.

На суши сера после отмирания растений переходит в почву, где одни микроорганизмы восстанавливают органическую серу до минеральной, а другие окисляют эту минеральную форму до сульфатов, которые поглощаются корням растений, и сера вовлекается снова в круговорот.

Круговорот воды

До появления биосферы круговорот воды в природе осуществляется только за счет испарения поверхностных вод водоемов и суши.

В этом процессе существует два круговорота: малый (испарившаяся вода проливается над океаном) и большой (облака передвигаются в сторону суши и пролившиеся дожди возвращаются в океан в виде поверхностных и речных стоков). В среднем в год испаряется с поверхности водоемов - 0,5 миллионов куб.м. воды.

Современный круговорот воды осуществляется с участием биосферы и человека. Его цикл: вода, испаренная с поверхности водоемов, почвой, растениями, животными конденсируется, образуя облака, и выпадает в виде осадков. Часть ее попадает в водоемы непосредственно, часть питает подземные воды, часть потребляется животными и растениями, и снова возвращается в Мировой океан уже как продукт жизнедеятельности.

Сравнение 2-х схем показывает насколько усложнилась структура круговорота, включением в него биоценозов и человека. Транспирация, то есть дыхание растений, вносит очень заметный вклад в водный цикл.

Круговорот ртути

Ртуть принадлежит к весьма редким элементам. Она рассеяна в земной коре и только в немногих минералах содержится в концентрированном виде. Ртуть и ее соединения токсичны.

В атмосферу она поступает из гидросферы при испарении, при выделении из киновари, с вулканическими газами и газами из термальных источников. Часть газообразной ртути переходит в твердую фазу и удаляется из воздушной среды. Выпавшая ртуть поглощается почвами и горными пародами. В горючих полезных ископаемых ртуть содержится до 1 мг\кг. В водной массе океанов - 1,6 миллиардов тонн, в донных осадках - 500 миллиардов тонн, в планктоне - 2 миллиарда тонн. На поверхность суши ежегодно выпадает около 100 тысяч тонн.

Ртуть из естественного компонента природной среды, превратилась в один из наиболее опасных для здоровья человека технологических выбросов в биосферу. Они широко применяется в металлургии, химической, микротехнической, электротехнической, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промышленности и используется для производства взрывчатых веществ, лаков и красок, а также в медицине. Промышленные стоки и атмосферные выбросы, наряду с ртутными рудниками, заводами по производству ртути и теплоэнергетическими предприятиями, использующими уголь, нефть и нефтепродукты, являются основными источниками загрязнения биосферы. Кроме того ртуть входит в состав ртутьорганических пестицидов, используемых в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты от вредителей. В организм человека поступает с продуктами питания.

Круговорот свинца

Свинец присутствует практически во всех компонентах природной среды. В земной коре его содержится - 0,0016%, а в атмосфере - 0,0005% мг\куб.м. Важнейшим звеном круговорота свинца является его атмосферно-гидросферный перенос. Большая часть его осаждается с пылью. Растения получают свинец из почвы, воды и атмосферных выпадений, а животные - потребляя растения и воду. В организм человека металл попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основным источником загрязнения биосферы свинцом является бензиновые двигатели, выхлопные газы, которые содержат тетраэтилсвинец, теплоэнергетические предприятия, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленности. Значительное количество свинца вносится в почву вместе со сточными водами, используемыми в качестве удобрения.

При увеличении загрязнения окружающей среды винцом возрастает его отложение в костях, волосах и печени человека. Выводится свинец из организма через почки и кишечник.

Поиск по сайту: