Круговорот кислорода, углерода, азота, фосфора и серы в биосфере - Экология - Скачать бесплатно
Российский Государственный Университет
нефти и газа имени И.М. Губкина
РЕФЕРАТ
На тему:
«Круговорот кислорода, углерода,
азота, фосфора
и серы в биосфере»
Выполнил:
студент группы
АИ-96-7
Гринберг Яков
Москва, 1999
Содержание:
1. Круговорот кислорода
2. Круговорот углерода
3. Круговорот азота
4. Круговорот фосфора
5. Круговорот серы
6. Литература
КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА
Кислород является наиболее распространенным элементом на Земле. В
морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по
весу или 20,93% по объему, а в земной коре 47,2% по весу. Такая
концентрация кислорода в атмосфере поддерживается постоянной благодаря
процессу фотосинтеза. В этом процессе зеленые растения под действием
солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы и кислород.
Главная масса кислорода находится в связанном состоянии; количество
молекулярного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5* 1015 m, что
составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре. В
жизни природы кислород имеет исключительное значение. Кислород и его
соединения незаменимы для поддержания жизни. Они играют важнейшую роль в
процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в состав белков, жиров,
углеводов, из которых «построены» организмы; в человеческом организме,
например, содержится около 65% кислорода. Большинство организмов получают
энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет окисления
тех или иных веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в атмосфере в
результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается кислородом,
выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные горные
выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают
круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником
кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в
верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким
образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода,
поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха.
Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот
элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды.
Круговорот воды (H2O) заключается в испарении воды с поверхности суши и
моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров и
последующее выпадение осадков в виде дождя, снега, града, тумана.
КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА
Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место
среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры.
В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов (наибольшие
месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие
месторождения в ФРГ, Шри-Ланка и СССР). Каменный уголь содержит до 90%
углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие
ископаемые, в карбонатные минералы, например кальцит и доломит, а также в
состав всех биологических веществ. В форме доксида углерода он входит в
состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы.
Углерод имеет исключительное значение для живого вещества (живым
веществом в геологии называют совокупность всех организмов, населяющих
Землю). Из углерода в биосфере создаются миллионы органических соединений.
Углекислота из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными
растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные органические
соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие
микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости
размножения, продуцируют в год около 1,5*1011m углерода в виде органической
массы. Растения частично поедаются животными (при этом образуются пищевые
цепи). В конечном счете, органическая масса в результате дыхания, гниения и
горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля,
гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим другим
соединениям – каменным углям, нефти. В процессах распада органических
веществ, их минерализации, огромную роль играют бактерии (например,
гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые). В активном
круговороте углекислый газ ( живое вещество участвует очень небольшая часть
всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в
виде ископаемых известняков и других пород.
Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное
равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а
затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется
углекислым газом благодаря процессам разложения органических веществ,
карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых
состоят главным образом из паров воды и углекислого газа.
КРУГОВОРОТ АЗОТА
Азот входит в состав земной атмосферы в несвязанном виде в форме
двухатомных молекул. Приблизительно 78% всего объема атмосферы приходится
на долю азота. Кроме того, азот входит в состав растений и животных
организмов в форме белков. Растения синтезируют белки, используя нитраты из
почвы. Нитраты образуются там из атмосферного азота и аммонийных
соединений, имеющихся в почве. Процесс превращения атмосферного азота в
форму, усвояемую растениями и животными, называется связыванием (или
фиксацией) азота.
При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в
них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве
нитрифицирующих 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
денитрифицирующих 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. В основном
используются нитрат кальция Ca(NO3)2, нитрат аммония NH4NO3, нитрат натрия
NANO3, и нитрат калия KNO3. Например, в Таиланде используются листья
лейкаены как органическое удобрение. Лейкаена принадлежит к бобовым
растениям и, как и все они, содержит очень много азота. Поэтому ее можно
использовать вместо химического удобрения.
В последнее время наблюдается повышения содержания нитратов в питьевой
воде, главным образом за счет усилившегося использования искусственных
азотных удобрений в сельском хозяйстве. Хотя сами нитраты не так уж опасны
для взрослых людей, в организме человека они могут превращаться в нитриты.
Кроме того, нитраты и нитриты используются для обработки и консервирования
многих пищевых продуктов, в том числе ветчины, бекона, солонины, а также
некоторых сортов сыра и рыбы. Отдельные ученые полагают, что в организме
человека нитраты могут превращаться в нитрозамины :
Известно, что нитрозамины способны вызывать онкологические
заболевания у животных. Большинство из нас уже подвержено воздействию
нитрозаминов, которые в небольшом количестве находятся в загрязненном
воздухе, сигаретном дыму и некоторых пестицидах. Полагают, что нитрозамины
могут быть причиной 70-90% случаев онкологических заболеваний,
возникновение которых приписывают действию факторов окружающей среды.
КРУГОВОРОТ ФОСФОРА
Источником фосфора биосферы является главным образом апатит,
встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую
роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных
растворов. Усвоение фосфора растениями во многом зависит от кислотности
почвы. Фосфор входит в многочисленные соединения в организмах: белки,
нуклеиновые кислоты, костная ткань, лецитины, фитин и другие соединения;
особенно много фосфора входит в состав костей. Фосфор жизненно необходим
животным в процессах обмена веществ для накопления энергии. С гибелью
организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей. Он концентрируется в
виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия
для создания богатых фосфором пород, которые в свою очередь являются
источником фосфора в биогенном цикле.
Содержание фосфора в земной коре составляет 8*10-20 % (по весу). В
свободном состоянии фосфор в природе не встречается вследствие его легкой
окисляемости. В земной коре он находится в виде минералов (фторапатит,
хлорапатит, вивианит и др.), которые входят в состав природных фосфатов –
апатитов и фосфоритов. Фосфор имеет исключительное значение для жизни
животных и растений.
Так как растения уносят из почвы значительное количество фосфора, а
естественное пополнение фосфорными соединениями почвы крайне незначительно,
то внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших
мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают
приблизительно 125 млн. т. фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на
производство фосфатных удобрений.
КРУГОВОРОТ СЕРЫ
Круговорот серы также тесно связан с живым веществом. Сера в виде SO2,
SO3, H2S и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу. С другой
стороны, в природе в большом количестве известны различные сульфиды
металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере
при участи многочисленных микроорганизмов до сульфатной серы SO42 почв и
водоемов. Сульфаты поглощаются растениями. В организмах сера входит в
состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, - в состав эфирных
масел и т.д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в илах
морей сопровождаются очень сложными превращениями серы. При разрушении
белков при участии микроорганизмов образуется сероводород. Далее
сероводород окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом
процессе участвуют разнообразные микроорганизмы, создающие многочисленные
промежуточные соединения серы. Известны месторождения серы биогенного
происхождения. Сероводород может вновь образовать «вторичные» сульфиды, а
сульфатная сера создает гипс. В свою очередь сульфиды и гипс вновь
подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию.
ЛИТЕРАТУРА:
1. БСЭ, 1953
2. Стадницкий, Родионов. «Экология»
М. Фримантл «Химия в действии»
Г. Рудзидис, Ф.Фельдман Химия 7-11.
-----------------------
[pic]
|
