Биогеофизические круговороты веществ в природе - Экология - Скачать бесплатно
План:
1. Круговорот воды.
2. Круговорот углерода.
3. Круговорот кислорода.
4. Круговорот азота.
5. Круговорот фосфора.
6. Круговорот серы.
Круговорот воды. Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с
поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и,
рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках,
озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она
только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех
выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же
наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как
большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за
счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть
два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в
результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или
поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и
подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и
грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих
водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и
недостатки в качестве источника питьевой воды.
Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности
земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и
биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного
состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с
поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение
осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной
пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится
значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает
обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь
возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой
круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он,
взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает
воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды
и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые
воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят
минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.
Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность
полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние
ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги
отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней.
Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и
опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального
процесса динамики вод на земном шаре.
Круговорот углерода. Углерод в биосфере часто представлен наиболее
подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты
биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой
дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.
Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями.
Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с
образованием органических веществ и в последующем захоронении их в
литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики,
осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов
лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не
использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и
постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в
породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и
давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и
уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и
условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это
ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в
определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс
в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие
источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития
цивилизации.
По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной
системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-.
Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит
осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные
толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует
еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.
В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы
поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть
его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных
на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием
CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое
сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания
углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства
и транспорта.
Круговорот кислорода. Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы
происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их
остатками после гибели.
В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота.
Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула
О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во
множество химических соединений минерального и органического миров.
Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным
продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество
отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и
гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время,
когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и
оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого
кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.
Круговорот азота. . При гниении органических веществ значительная
часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием
живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную
кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами,
например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:
2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н
Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном
виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических
веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют
бактерии, которые при .недостаточном доступе воздуха могут отнимать
кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота.
Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к тому, что часть
азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в
недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший
в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его
постепенно выделяется в свободном виде.
Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы
привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не
существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам
относятся, прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при
которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с
водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим
источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность
так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот.
Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства
бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему они
и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот,
клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения,
в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.
Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота.
Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части
растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения,
возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.
Круговорот фосфора. Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих
энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде
неорганического фосфатиона (PO43-). Фосфаты растворимы в воде, но не
летучи. Растения поглощают PO43- из водного раствора и включают фосфор в
состав различных органических соединений, где он выступает в форме так
называемого органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от
растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика
вероятность окисления содержащего фосфор соединения в процессе клеточного
дыхания для получения организмом энергии. Когда это происходит, фосфат в
составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего
снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.
В отличие, например, от углекислого газа, который, где бы он ни
выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками пока
снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно,
нет "свободного возврата" в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает,
а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-
то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая
часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья.
Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью
воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение
миллионов лет.
Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в
экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности
откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных
экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их функционирование
вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя,
например, урожай вместе с накопленными из почвы биогенами на большие
расстояния к потребителям.
Круговорот серы. Сера является важным составным элементом живого вещества.
Большая часть ее в живых организмах находится в виде органических
соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически
активных веществ: витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве
катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и
активизирующих некоторые ферменты.
Сера представляет собой исключительно активный химический элемент
биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от
окислительно-восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в
земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше
420 минералов.
В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных
минералов: пирита , пирронита , халькопирита , в осадочных породах
содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях - в виде примесей
серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится
преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические
соединения.
В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера
в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан. Сера
поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими
соединениями, чем пресноводные и наземные.
-----------------------
[pic]
Фотосинтез, органическое вещество растений
Органическое вещество животных
Органическое вещество почв
Свет
Углерод
Вулканическая деятельность
Океан
Известняки, коралловые рифы и др.
Захоронение (уход в геологию)
Высвобождение углерода человеком
[pic]
Органический азот растений и животных (NH2)
Аммонификация
Мочевина
CO(NH2)2
Аммиак
(NH3)
Ион аммония
(NH4)
Закись азота
(N2O)
Нитрификация
Нитриты
(NO2)
Свободный азот
Нитрификация
Нитраты
(NO3)
Азотофиксирующие организмы
Продукция растений и животных
Фосфат - ионы
(PO4)
Фосфор в организмах
Ассимиляция
Минерализация органических веществ
Фосфаты
Фосфатредуцирующие
бактерии
Водные экосистемы
Тела организмов
Осадки (уход в геологию)
Высвобождение человеком (удобрения), вынос животными
|
