Referatik - Предметы - Экология - Биогеохимические циклы

Національний Університет “Києво-Могилянська Академія”. Миколаївська філія. Департамент екології Перевірила: викладач Мітрясова О.П. Миколаїв-2000. Сторінки: 1. Біогеохімічні кругообіги.................................................................. ..........3. 2. Кругообіг речовин у біосфері.................................................................... 4. 3. Кругообіг вуглецю..................................................................... .................5. 4. Кругообіг кисня....................................................................... ....................8. 5. Кругообіг азоту....................................................................... .....................9. 6. Кругообіг фосфору….................................................................... ............11. 7. Кругообіг сірки....................................................................... ...................12. 8. Кругообіг води…....................................................................... ................15. 9. Антропогенний вплив на навколишнє середовище................................16. 10. Використана література.................................................................. .........18. 1. Біогеохімічні кругообіги. На відміну від енергії, котра використовувалася організмом, перетворилась у тепло і втрачається для екосистеми, речовини циркулюють у біосфері, що і називається біогеохімічними круговоротами. З 90 з зайвим елементів, що зустрічаються в природі, близько 40 потрібні живим організмам. Найбільш важливі для них і потрібні у великих кількостях: вуглець, водород, кисень, азот. Кисень надходить у атмосферу в результаті фотосинтезу та витрачується організмами при диханні. Азот витягається з атмосфери завдяки діяльності азотофиксирующих бактерій і повертається до неї іншими бактеріями. Кругообіг елементів і речовин здійснюються за рахунок саморегулюючихся процесів, в яких беруть участь всі складові екосистем. Ці процеси є безвідхоними. В природі немає нічого даремного або шкідливого, навіть від вулканічних виверження є користь, бо з вулканічними газами в повітря надходять потрібні елементи, наприклад, азот. Існує закон глобального замикання біогеохімічного кругообігу в біосфері, діючий на всіх етапах її розвитку, як і правило збільшення замкнутости біогеохімічного кругообіга в ході сукцесії. В процесі еволюції біосфери збільшується роль біологічного компоненту в замиканні біогеохімічного кругообіга. Ще більшу роль в біогеохімічному кругообігу виявляє людина. Але її роль здійснюється в протилежному напрямку. Людина порушує кругообіг речовин, який вже склався, і в цьому виявляється його геологічна сила, руйнівна по відношенню до біосфери на сьогодняшній день. Коли 2 млрд. років тому на Землі з'явилося життя, атмосфера складалася з вулканічних газів. В ній було багато вуглекислого газу та мало кисня ( якщо взагалі був), і перші організми були анаеробними. Так як продукція в середньому перевершувала дихання, за геологічний час в атмосфері накопичувався кисень і та зменшувався вміст вуглекислого газу. Нині вміст вуглекислого газу в атмосфері збільшується в результаті спалювання великих кількостей горючих копалин і зменшення поглинаючої спроможності 'зеленого поясу'. Останнє є результатом зменшення кількості самих зелених рослин, а також пов'язане з тим, що пил та інші забруднюючі частки в атмосфері відбивають ті промені, що надходять до атмосфери. В результаті антропогенної діяльності ступінь замкненості біогеохімічних кругообігів зменшується. Хоча вона досить висока (для різноманітних елементів і речовин вона не однакова), але тим не менше не абсолютна, що і показує приклад виникнення кисневої атмосфери. Інакше неможлива була б еволюція (найвища ступінь замкненості біогеохімічних кругообігів спостерігається в тропічних екосистемах – найбільш давніх і консервативних). Таким чином, слід казати не про зміну людиною того, що не повинно змінюватися, а скоріше про вплив людини на швидкість та напрямок змін та на поширення їх границь, що порушує правило міри перетворення природи. Останнє формулюється таким чином: в ході експлуатації природних систем не можна перевищувати деякі межі, що дозволять цим системам зберігати властивості самопідтримки. Порушення міри як в сторону збільшення, так і в сторону зменшення призводить до негативних результатів. Наприклад, надлишок вносимих добрив настільки ж шкідливий, як і їх недолік. Це почуття міри загублене сучасною людиною, яка вважає, що в біосфері їй всі дозволене. Нідії на подолання екологічних труднощів пов'язують із розробкою і введенням до експлуатації замкнутих технологічних циклів. Створені людиною цикли перетворення матеріалів вважається бажаним робити так, щоб вони були подібним природним циклам кругообіга речовин. Тоді водночас вирішувалися би проблеми забезпечення людства невчерпними ресурсами і проблема охорони природного середовища від забруднення, оскільки нині лише 1 - 2% ваги природних ресурсів утилізується в кінцевому продукті. Теоретичні замкнуті цикли перетворення речовини можливі. Проте повна і остаточна перебудова індустрії по принципу кругообіга речовини в природі нереальна. Хоча б тимчасове порушення замкненості технологічного циклу практичні неминуче, наприклад, при створенні синтетичного матеріалу з новими, невідомими природі властивостями. Така речовина спочатку всебічно апробується на практиці, і лише потім можуть бути розроблені способи його розкладення з метою запровадження складових частин у біогеохімічні кругообіги. 2. Кругообіг речовин в біосфері. Процеси фотосинтезу органічної речовини з неорганічних компонентів триває мільйони років і за такий час хімічні елементи повинні були перейти з однієї форми в іншу. Однак цього не відбувається завдяки їх кругообігу в біосфері. Щорічно фотосинтезуючі організми засвоюють майже 350 млрд т вуглекислого газу, виділяють до атмосфери біля 250 млрд т кисня і розщіплюють 140 млрд т води, утворюючи понад 230 млрд т органічної речовини (в перерахунку на суху вагу). Величезні кількості води проходять через рослини та водорості в процесі забезпечення транспортної функції та випаровування. Це призводить до того, що вода поверхневого шару океану фільтрується планктоном за 40 днів, а вся інша вода океану – приблизно за рік. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлюється за декілька сотен років, а кисень за декілька тисяч років. Щорічно фотосинтезом до кругообігу включається 6 млрд т азоту, 210 млрд т фосфору та велика кількість інших елементів (калій, натрий, кальцій, магний, сірка, залізо та ін.). Існування цих кругообігів придає екосистемі певну тривалість. Розрізняють два основних кругообіга: великий (геологічний) і малий (біотичний). Великій кругообіг, триває мільйони років і полягає в тому, що гірські породи підлягають руйнуванню, а продукти вивітрювання (в тому числі розчинні у воді поживні речовини) сносятся потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу із опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і подняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу і процес починається знов. Малий кругообіг (частина великого) відбувається на рівні екосистеми і полягає в тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і на життєві процеси як самих цих рослин, так і інших організмів (як правило тварин), що з’їдають ці рослини (консументи). Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черві) знов розлагаются до мінеральних компонентів, доступних рослинам і що втягуються ними у потоки речовини. Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні та тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій називається біогеохімічним циклом. У такі цикли втягнуті практично всі хімічні елементи і насамперед ті, що беруть участь в побудові живої клітини. Так, тіло людини складається з кисня (62.8%), вуглецю (19.37%), водорода (9.31%), азоту (5.14%), кальцію (1.38%), фосфору (0.64%) та ще приблизно з 30 елементів. 3. Кругообіг вуглецю. Самий інтенсивний біогеохімічний цикл – кругообіг вуглецю. В природі вуглець існує в двох основних формах – в карбонатах (вапняках) та вуглекислому газі. Вміст останнього в 50 раз більше, ніж в атмосфері. Вуглець бере участь в утворенні вуглеводів, жирів, білків та нуклеїнових кислот. Основна маса акумульована в карбонатах на дні океану (1016 т), в кристалічних породах (1016 т), кам'яному вугіллі та нафті (1016 т) і бере участь в великому циклі кругообіга. Основна ланка великого кругообігу вуглецю - взаємозв'язок процесів фотосинтезу і аеробного дихання (мал. 1). Інша ланка великого циклу кругообіга вуглецю уявляє собою анаеробне дихання (без доступу кисня); різноманітні види анаеробних бактерій перетворюють органічні сполуки в метан та інші речовини (наприклад, в болотних екосистемах, на смітниках відходів). В малому циклі кругообіга бере участь вуглець, що міститься в рослинних тканинах (около 1011 т) та тканинах тваринних (около 109 т). Більш докладна схема кругообігу представлена на мал. 2. Спалювання і Тепло Тепло вивітрювання Мал. 1. Кругообіг углерода в процесах фотосинтеза і аеробного дихання. Розчинюється в дощовій воді Мал. 2. Колообіг вуглеця. За останні 200 років відбулися значні зміни в континентальних екосистемах в результаті збільшуючогося антропогенного впливу. Коли землі, зайняті лісами та трав’янистими спільнотами, пертворюються в сільськогосподарські угіддя, органічна речовина, тобто жива речовина рослин і мертва органічна речовина грунтів, окислюється і потрапляє до атмосфери у вигляді [pic]. Деяка кількість елементарного вуглеця може також захоронюватись в грунті у вигляді древесного вугілля (як продукт, що залишився від спалювання лісу) і, таким чином, вилучається зі швидкого обігу в вуглецевому циклі. Вміст вуглецю в різних компонентах екосистем змінюється, оскільки поновлення органічної речовини залежить від географічної широти та типа рослинності. Були проведені численні дослідження, що мали своєю метою розв'язати існуючу невизначеність в оцінці змін запасів вуглецю в континентальних екосистемах. Базуючись на даних цих досліджень, можна прийти до висновку, що надходження до атмосфери з 1860 по 1990 рік склало [pic] г С і що в 1990 році біотичний викид вуглецю був рівний [pic] г С /рік. Крім того, можливий вплив зростаючих атмосферних концентрацій та викидів забруднюючих речовин, таких як [pic] і [pic], на інтенсивність фотосинтезу органічної речовини континентальних екосистем. По видимому, інтенсивність фотосинтезу зростає із збільшенням концентрації в атмосфері. Найбільш імовірно, що це зростання характерне для сільськогосподарських культур, а в природних континентальних еко-системах підвищення ефективності використання води могло б призвести до прискорення утворення органічної речовини. 4. Колообіг кисня. В кількісному відношенні головною складовою живої матерії є кисень, кругообіг якого ускладнений його здатністю вступати в різні хімічні реакції, головним чином реакції окислення. В результаті виникає безліч локальних циклів, що відбуваються між атмосферою, гідросферою та літосферою, які в свою чергу можуть бути порушені антропогенним фактором. Кисень, що міститься в атмосфері і в поверхевих мінералах (осадові кальцити, залізні руди), має биогенное походження і повинно розглядатися як продукт фотосинтезу. Цей процес протилежний процесу споживання кисня при диханні, який супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисня із водородом (отщепленим від субстрата) та утворенням води. В деякому відношенні кругообіг кисня нагадує зворотний кругообіг вуглекислого газу. В основному він відбувається між атмосферою та живими організмами. Споживання атмосферного кисня та його відшкодування рослинами в процесі фотосинтезу здійснюється досить швидко. Розрахунки показують, що для повного поновлення всього атмосферного кисня вимагається біля двох тисяч років. З іншого боку, для того, щоб всі молекули води гідросфери були підвержені фотолизу і знов синтезовані живими організмами, необхідно два мільйони років. Більша частина кисня, що виробляється на протязі геологічних епох, не залишалася в атмосфері, а фіксувалася літосферою у вигляді карбонатів, сульфатів, оксидів заліза, і її маса складає 5,9*1016 т. Маса кисня, що циркулює в біосфері у вигляді газу або сульфатів, розчинених в океанських та континентальних водах, в декілька разів менша (0,4*1016 т). Відзначимо, що, починаючи з певної концентрації, кисень дуже токсичний для клітин і тканин (навіть у аеробних організмів). А живий анаеробний організм не може витримати ( це було доведене ще в минулому сторіччі Л. Пастером) концентрацію кисня, що перевищує атмосферну на 1%. 5. Кругообіг азоту. Газоподібний азот виникає в результаті реакції окислення аміаку, який утворюється при виверженні вулканів та розкладені біологічних відходів: 4 NH3 + 3 O2 ( 2 N2 + 6 H2O. Кругообіг азоту – один з самих складних, але водночас самих ідеальних кругообігів. Незважючи на те, що азот складає біля 80% атмосферного повітря, в більшості випадків він не може бути безпосередньо використаний рослинами, так як вони не засвоюють газоподібний азот. Втручання живих істот у кругообіг азоту підпорядковане суворій иєрархії: лише певні категорії організмів можуть виявляти вплив на окремі фази цього циклу. Газоподібний азот беззупинно надходить до атмосфери в результаті роботи деяких бактерій, тоді як інші бактерії – фіксатори (разом з синьо-зеленими водоростями) постійно поглинають його, преобразуючи в нітрати. Неорганічним шляхом нітрати утворюються й в атмосфері в результаті електричних розрядів під час гроз. Найбільш активні споживачі азоту – бактерії на кореневій системі рослин сімейства бобових. Кожному виду цих рослин притаманні свої особливі бактерії, що перетворюють азот в нітрати. В процесі біологічного циклу нітрат – іони (NO3-) та іони амонію (NH4+), поглинаємі рослинами з грунтової вологи, перетворюються у білки, нуклеїнові кислоти і так далі. Потім утворяться відходи у вигляді загиблих організмів, що є об'єктами життєдіяльності інших бактерій та грибів, перетворюючих їх в аміак. Так виникає новий цикл кругообіга. Існують організми, здатні перетворювати аміак у нітріти, нітрати і в газоподібний азот. Основні ланки кругообіга азоту в біосфері представлені схемою на мал. 3. Біологічна активність організмів доповнюється промисловими засобами отримання азотомістящих органічних та неорганічних речовин, багато з яких застосовуються в якості добрив для підвищення продуктивності та росту рослин. Антропогенний вплив на кругообіг азоту визначається наступними процесами: 1. Спалювання палива призводить до утворення оксида азоту, а після цього до реакцій: 2NO + O2 ( 2NO2 , 4NO2 + 2H2O.+ O2 ( 4HNO3, сприяючи випаданню кислотних дощів; 2. В результаті впливу деяких бактерій на добрива і відходи тваринництва утворюється оксид азото – один з компонентів, утворюючих парниковий ефект; 3. Видобуток корисних копалин, містящих нітрат – іони і іони аммонія, для виробництва мінеральних добрив; 4. При збиранні врожая з почви виносяться нітрат – іони і іони аммонія; 5. Стоки з полей, ферм та каналізацій збільшують кількість нітрат – іонів і іонів аммонія в водных екосистемах, що присорює рост водоростей і інших рослин; при розкладанні яких розходується кислород, що в кінцевому рахунку призводить до загибелі риб. Блискавки Денітрифіцируючі Азотофіксуючі бактерії бактерії Синьо – зелені Бактерії Опади водорості Бактерії Бактерії Бактерії Мал. 3. Кругообіг азоту. 6. Кругообіг фосфору. Фосфор – один з основних компонентів (головним чином у вигляді [pic]) живої речовини і входить у склад нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), кліточних мембран, аденозінтрифосфата (АТФ) и аденозіндифосфата (АДФ), жирів, кісток і зубів. Кругообіг фосфора, як і інших біогенних елементів, відбувається по великому и малому циклам. Запасы фосфора, доступні живим істотам, повністю сконцентровані в літосфері. Основні джерела неорганічного фосфора – виверження вулканів або осадові породи. В земній корі вміст фосфора не перевищує 1%, що лімітуює продуктивність екосистем. З пород земної кори неорганічний фосфор залучається в циркуляцію континентальними водами. Він поглинається рослинами, которі при його участі синтезують різні органічні сполуки і таким чином включаються в трофічні ланцюги. Потім органічні фосфаты разом з трупами, відходами та виділеннями живих істот повертаються в землю, де знов підвергаються впливу мікроорганізмів і претворюються в мінеральні форми, які використовуються зеленими рослинами. В екосистемі океана фосфор приноситься текучими водами, що сприяє розвитку фітопланктона і живих організмів. В наземних системах кругообіг фосфора проходить в оптимальних природніх умовах із мінімумом втрат. В океані справа відбувається інакше. Це пов’язано з постійним осіданням (седиментацією) органіческих речовин. Осівший на невеликій глибині органічний фосфор повертається в кругообіг. Фосфати, відкладені на великих морських глибинах не приймають участь в малому кругообігу. Однак тектонічні рухи сприяють підйому осадових порід на поверхню. Таким чином фосфор повільно переміщується з фосфатних родовищ на суші і мілководних океанічних осадів до живих організмів назад (мал. 4). Запаси фосфору на землі малі. Тому вважається, що фосфор – основний фактор, лімітуючий зростання первинної продукції біосфери. Вважають навіть, що фосфор – головний регулятор всіх інших біогеохімічних циклів, це – найбільш слабка ланка в життєвому ланцюзі, що забезпечує існування людини. Антропогенний вплив на круговорот фосфору полягає в наступному: 1. Видобуток великих кількостей фосфатних руд для мінеральних добрив та миючих засобів призводить до зменшення кількість фосфору в біотичному кругообігу; 2. Стоки з полів, ферм та комунальні відходи призводять до збільшення фосфат – іонів у водосховищах, до різкого зростання водних рослин і порушення рівноваги в водних екосистемах. 7. Кругообіг сірки. З природних джерел сірка потрапляє до атмосфери у вигляді сірководня, диоксида сірки і часток сульфатних солей (мал. 5). Біля однієї третини сполук сірки і 99% диоксида сірки – антропогенного походження. В атмосфері протікають реакції, що призводять до кислотних опадів: 2SO2 + O2 ( 2SO3 , SO3 + H2O ( H2SO4 . Розробка Кістки і зуби надр Вищєла- Сток і чування ерозія Відходи Вищєлачування і ерозія Розкладення Відходи і розкладення Птахи, які живляться рибою Кістки та зуби Випадання з кругообіга Мал. 4. Кругообіг фосфора. + O2 Атмосфера + Н2О + NH3 * * ** ** Мал. 5. Кругообіг сірки. 8. Кругообіг води. Вода, як і повітря – основний компонент, необхідний для життя. В кількісному співвідношенні це найбільш розповсюджена неорганічна складова живої матерії. Насіння рослин, в яких вміст води не перевищує 10%, відноситься до форм уповільненого життя. Таке ж явище (ангідробіоз) спостерігається у деяких видів тварин, які при несприятливих зовнішніх умовах можуть втрачати велику частину води в своїх тканинах. Вода в трьох агрегатних станах присутня в усіх складових біосфери: атмосфері, гідросфері та літосфері. Якщо воду, яка знаходиться в різних гидрогеологічних формах, рівномірно розподілити по відповідним областям земної кулі, то утворяться шари такої товщини: для Світового океану 2700 м, для льодовиків 100 м, для підземних вод 15 м, для поверхневих прісних вод 0.4 м, для атмосферної вологи 0.03 м. Основну роль в циркуляції та біогеохімічному кругообігу води відіграє атмосферна волога, незважючи на відносно малу товщину її шару. Атмосферна волога розподілена по Землі нерівномірно, що обумовлює великі розбіжності в кількості опадів в різних районах біосфери. Середній вміст водянї пари в атмосфері змінюється в залежності від географічної широти. Наприклад, на Північному полюсі воно рівно 2.5 мм (в стовпі повітря із поперечним перетином 1 см2), на екваторі - 45 мм. Вода, випавша на сушу, після цього витрачається на просочування (або інфільтрацію), випаровування та сток. Просочування особливо важливо для наземних екосистем, бо сприяє постачанню грунтів водою. В процесі інфільтрації вода надходить у водоносні горизонти та підземні ріки. Випаровування з поверхні грунту також відіграє важливу роль у водному режимі місцевості, але більш значну кількість води виділяють самі рослини своїм листям. Причому кількість води, що виділяється рослинами, тим більше, чим краще вони нею постачаються. Рослини, що виробляють одну тону рослинної маси, поглинають як мінімум 100 т води. Головну роль в круговороті води на континентах відіграє сумарне випаровування (дерева і грунт). Остання складова кругообігу води на суші – сток. Поверхневий сток та ресурси підземних водоносних шарів забезпечують живлення водних потоків. Разом з тим при зменшенні щільності рослинного покрову сток стає основною причиною ерозії грунту. Як вже відмічалося, вода бере участь і в біологічному циклі, являючись джерелом кисня та водорода. Однак фотоліз її при фотосинтезі не відіграє суттєвої ролі в процесі кругообіга. 9. Антропогений вплив на навколишнє середовище. Проблеми народонаселення та ресурсів біосфери тісно пов'язані з реакціями навколишнього природного середовища на антропогенний вплив. Природний екологічно сбалансирований стан навколишнього середовища зазвичай називають нормальним. Цей стан, при якому окремі групи організмів біосфери взаємодіють один з іншим та з абіотичним середовищем без порушення рівноваги кругообігів речовин та потоків енергії в межах певного геологічного періоду, обумовлене нормальним протіканням природних процесів в всій геосфері. Природні процеси можуть мати катастрофічний характер, наприклад виверження вулканів, землетрус, повінь, що, однак, також складає 'норму' природи. Ці та інші природні процеси поступово, із геологічною швидкістю, еволюціонують і в той же час на протязі тысячорічч (протягом одного геологічного періоду) залишаються в сбалансированному стані. При цьому протікають малий (біологічний) та великій (геологічний) кругообіги речовин та встановлюються енергетичні баланси між різноманітними геосферами і космосом, що поєднує природу в єдине ціле. Кругообіги речовин та енергії в біосфері характеризуються певними кількісними параметрами, які специфичні для даного геологічного періоду і для кожного елементу земної поверхні у відповідності з їхньою географією. Зазвичай в якості основних параметрів, що характеризують стан навколишнього природного середовища, виділяють наступні: 1. Энергетичний: Е = Е0 + (Е, де Е0 – запас енергії в системі у момент часу t0; (Е - енергетичний баланс системи за час (t, тобто в період від t = t0 до t = t0 + (t . 2. Водний: W = W0 + (W, де W0 – запас води в системі у момент часу t0; (W – водний баланс системи за час (t, тобто в період від t = t0 до t = t0 + (t . 3. Біологічний:

Украинский Зеленый Портал Рефератик создан с целью поуляризации украинской культуры и облегчения поиска учебных материалов для украинских школьников, а также студентов и аспирантов украинских ВУЗов. Все материалы, опубликованные на сайте взяты из открытых источников. Однако, следует помнить, что тексты, опубликованных работ в первую очередь принадлежат их авторам. Используя материалы, размещенные на сайте, пожалуйста, давайте ссылку на название публикации и ее автора.

Биогеохимические циклы - Экология - Скачать бесплатно