Круговорот веществ в биосфере

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Российский государственный  профессионально-педагогический университет»

Инженерно-педагогический институт

Кафедра общей  химии

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Экология»

Вариант №10 (11,54,71)

                   Исполнитель:

                   Студентка группы ЗТГ-518   Л.Н.Большедворова

                   Руководитель:

Екатеринбург 2013

1. Круговорот веществ в биосфере.

Круговорот  веществ - многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. В зависимости от движущей силы внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ  в природе) - круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

К эндогенным процессам  относятся: тектонические движения, землетрясения, магматизм, матаморфизм. Эти процессы происходят под влиянием внутренней энергии Земли.

Экзогенные  процессы включают выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. Эти процессы протекают под влиянием внешней энергии Солнца.

Эндогенные  и экзогенные процессы противоположны по своему действию. Первые ведут к  образованию крупных форм рельефа, вторые - к их сглаживанию.

Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные. В  подвижных зонах земной коры они погружаются вглубь Земли. Там под влиянием высоких температур и давлений они переплавляются и образуют магму, которая, поднимаясь на поверхность и застывая, образует магматические породы.

Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

Биологический круговорот - круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. В отличие от большого геологического малый биологический круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез.

В биогеохимических круговоротах следует различать  две части:

1. Резервный фонд - это часть вещества, не связанная с живыми организмами;

2. Обменный фонд - значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом  между организмами и их непосредственным  окружением.

В зависимости  от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:

1. Круговороты  газового типа с резервным  фондом веществ в атмосфере  и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота);

2. Круговороты  осадочного типа с резервным  фондом  в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа).

Круговороты газового типа более совершенны, так как  обладают большим обменным фондом, а значит способны к быстрой саморегуляции.

Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более  инертны, так как основная масса  вещества содержится в резервном фонде земной коры в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путём извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.

Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.

С появлением человека возник антропогенный круговорот - круговорот веществ, движущей силой  которого является деятельность человека. В нём можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей.

Геологический и биологический круговороты  в значительной степени замкнуты, антропогенный - нет. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды - основным причинам всех экологических проблем человечества.

1. Значение круговоротов в биосфере

Наиболее значимыми для функционирования биосферы являются круговороты основных элементов, входящих в состав живого вещества: углерода, кислорода, азота, фосфора и серы, поскольку они являются компонентами для построения основных молекул живого вещества – углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом и одновременно поддерживают жизнедеятельность самих живых организмов. В процессе фотосинтеза за год зелёными растениями потребляется 480 млрд. т вещества, выделяется в атмосферу 250 млрд. т свободного кислорода. При этом создаётся 240 млрд. т живого вещества, а в круговорот вовлекается 1 млрд. т азота, 260 млн. т фосфора, 200 млн. т серы и т.п.

За время существования  биосферы свободный кислород атмосферы  обновлялся не менее миллиона раз, а воды Мирового океана прошли через биогенный цикл не менее 300 раз.

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность. 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 и угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далёкие 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 превращается 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.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием  карбонатной системы в различных водоёмах, где СО2 переходит в Н2СО3, НСО31-, СО32-. Затем с помощью растворённого в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов СаСО3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует ещё 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 СО2. 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.

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 определённого уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

Азот. Основная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78 % состоит из одноимённого газа (N2). Однако растения не могут усваивать его непосредственно; для этого азот должен входить в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NH3-). К счастью, некоторые бактерии и ряд сине-зелёных водорослей способны превращать газообразный азот в аммонийную форму в ходе так называемой азотфиксации. Важнейшую роль среди азотфиксирующих организмов играют бактерии, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых другим организмам экосистемы.

Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в среду главным  образом в аммонийной форме. Некоторые  бактерии могут переводить ее в нитратную форму. Важно то, что обе эти формы могут усваиваться любыми растениями. В результате азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку другие почвенные бактерии постепенно превращают нитраты снова в газообразный азот. Правда, часть его окисляется в воздухе во время грозовых разрядов и поступает в почву с дождевой водой, но таким способом его фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.

Таким образом, все естественные экосистемы зависят от азотфиксирующих организмов, поэтому крайне важна роль бактерий в клубеньках бобовых растений. Это семейство включает огромное число представителей – от клевера до тропических деревьев и пустынных кустарников. В каждой крупной наземной экосистеме -–от дождевых экваториальных лесов до тундры – есть характерные для неё виды бобовых. Интересно отметить, что бобовые обычно первыми заселяют гари – на них процесс реколонизации идёт значительно медленнее из-за недостатка в почве доступного азота. В водных экосистемах круговорот азота выглядит сходным образом, но здесь в роли основных азотфиксаторов выступают сине-зелёные водоросли.

Люди научились создавать  искусственные экосистемы, выращивая  урожаи кукурузы, пшеницы и других зерновых культур без участия  бобовых. При этом азот воздуха фиксируется на химических заводах. Искусственно полученные аммоний и нитрат представляют собой основные ингредиенты минеральных удобрений. Однако их высокая цена вынуждает специалистов реконструировать естественные условия, чередуя в севообороте бобовые и остальные культуры.

Фосфор. Этот элемент входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона (РО43-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают фосфат-ион 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 её аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.

 У фосфора нет газовой  фазы и, следовательно, нет  «свободного возврата» в атмосферу.  Попадая в водоёмы, 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.

Сера.  Сера является важным составным элементом живого вещества. Большая часть её в живых организмах находится в виде органических соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ, 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 FeS2 , пирронита Fe7S8, халькопирита FeCuS2, 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 её органические соединения.

В связи с  окислением сульфидных минералов в  процессе выветривания сера в виде сульфат-иона переносится природными водами в Мировой океан, где SO42-занимает второе место по распространению после хлора. Сера поглощается морскими организмами, которые богаче её неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные организмы.

Отметим одну важную особенность малых круговоротов. Применительно к ним понятие  круговорота достаточно условно, поскольку природные круговороты не являются замкнутыми. Не всё образуемое при разложении органики неорганическое вещество снова используется живыми организмами. Неиспользуемая его часть образует, в частности, осадочные породы, как в океане, так и на суше, включаясь в большой геологический круговорот. Вещества «не теряются» для биосферы в целом, но уходят из малого круговорота.

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 водоёмы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Кроме того, в круговороте воды участвуют ювенальные (подземные) воды, извергаемые вулканами и гейзерами, воды поверхностного стока (реки, озера, ледники), а также испарение влаги с поверхности растений (транспирация). 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 атмосферу. Вода – важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растений в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.

В целом для  всего земного шара существует один источник притока воды – атмосферные осадки и один источник расхода – испарение, составляющие 1030 мм/год.

Наиболее замедленной  частью круговорота воды является деятельность полярных ледников (активность водообмена - 8000 лет). Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги (активность - 10 дней) отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней.

2. Понятие загрязнения окружающей среды.

  Загрязнение окружающей среды - ущерб, наносимый природе, среде обитания вредными веществами, выбросами, отходами.

  На  всех  стадиях развития человек влиял  на окружающую его природную  среду, использовал ее богатства  приспосабливал ее под себя, видоизменял.  И если на ранних этапах  воздействие носило незначительный  и очаговый характер, то с развитием науки и техники оно возросло до ужасающих пределов.

  Окружающая  природная среда (ОПС) - это вся  земная природа, окружающая человека, где естественные факторы функционируют  в органическом единстве с  продуктами человеческого труда.

  Загрязнение окружающей среды – это привнесение в окружающую среду новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов, не характерных для неё.

  Законом  «Об охране окружающей среды» (10.01.2002) определено, что загрязнение  окружающей среды - это поступление в окружающую среду вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду.

1. Химическое загрязнение

Проникновение в окружающую среду химических веществ, отсутствующих в этой среде ранее или изменяющих естественную концентрацию до уровня, превышающего обычную норму, относят к химическому (материальному) загрязнению. Химическими (ингредиентами) загрязнителями являются различные газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу, гидросферу и вступающие во взаимодействие с окружающей средой — сюда входит загрязнение тяжелыми металлами (свинцом, ртутью, кадмием и др.), пестицидами, отдельными простыми и сложными химическими веществами, кислотами, щелочами, диоксидом серы, эмульсий и других.

    Сейчас  наиболее сильно загрязняет воздух  промышленное производство. Источники:  теплоэлектростанции; металлургические  предприятия, особенно цветной  металлургии, которые выбрасывают  в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы.

Пример

Магнитогорск  включен в список городов России с выбросами вредных веществ  более 200 тыс.т/год (после Норильска, Кривого Рога, Москвы, Темиртау - всего 84 города); город является зоной чрезвычайной экологической ситуации (в 1996 году было присвоено Министерством природы Российской Федерации).

На территории города зафиксированы выбросы вредных  веществ, класс опасности которых имеет от 3 до 1.

ПДК воздуха. Наблюдения за состояние атмосферного воздуха  проводят в  Магнитогорске на 5 стационарных постах лаборатории мониторинга.  Уровень загрязнения воздуха  в марте месяце оставался по-прежнему высоким. В целом по городу превышение ПДК среднемесячных норм было зафиксировано: по пыли - в 1,3 раза, по оксиду углерода - в 1,3 раза, по диоксиду азота - в 2,6 раза (в разных районах города были дни, когда ПДК были превышены в 4-5 раз), по сероуглероду - в 3,2 раза, по аммиаку - в 1,5 раза, по бенз(а)пирену - в 4,5 раза.

2. Физическое загрязнение

Физическое (энергетическое) загрязнение связано с изменением физических параметров среды: температуры - тепловое загрязнение; волновых параметров - световое, шумовое, электромагнитные загрязнения; радиационных параметров - радиационное, радиоактивное загрязнения.

Пример

Радиационное  загрязнение в результате аварий на АЭС.

К наиболее тяжелым  радиационным авариям на АЭС, сопровождаемым выбросом урана и продуктов его  деления за пределы санитарно-защитной зоны и радиоактивным загрязнением окружающей среды, относятся т.н. запроектные аварии, обусловленные разгерметизацией первого контура реактора. Характерный пример такого типа аварий - авария реактора РБМК-1000 на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года.

3. Биологическое загрязнение

 Биологическое  загрязнение связано с внесением  в окружающую среду и размножением  в ней нежелательных для человека  организмов, проникновением или  внесением в природные экосистемы  чуждых данным сообществам видов  организмов. Из трех сфер обитания жизни на Земле воздуха, воды и почты – наиболее подвержена биологическому загрязнению гидросфера. Биогенное загрязнение воды вызывает усиленное развитие фитопланктона, приводящее к тому, что вода начинает «цвести». Под «цветением» воды понимают интенсивное развитие водорослей, в результате чего микроскопические организмы из-за своей массовости становятся видимыми и придают воде различную окраску.

  Пример

Напр., проникновение  возбудителя голландской болезни  вяза (Graphium ulmi) в вязовые леса Руси привело к фактически полному их исчезновению. Классическим примером биологического загрязнения, когда биологическими загрязнителями становятся адвентивные (заносные) животные, представляет натурализация кролика в Австралии и ее последствия. В течение второй половины XX в. в результате интродукции, проводимой в лесном хозяйстве, в пойменные леса рек бассейнов Волги и Урала стал энергично внедряться клен ясенелистный (Acer negundo). Во многих регионах европейской части Руси лесные опушки и поляны интенсивно заселяет борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi), хотя изначально это растение было завезено из Кавказа для внедрения в сельскохозяйственное создание. Интродукция люпина многолистного, проводимая для возвышения продуктивности сельскохозяйственных земель, привела к его безбрежному распространению и снижению видового разнообразия естественных сообществ. Ощутимый ущерб лесному хозяйству наносят такие биологические загрязнители, как инвазионные виды насекомых-фитофагов. В искусственных экосистемах (напр. в агробиоценозах) биологическими загрязнителями могут стать рудеральные растения.

3. Защита литосферы.  Меры по защите почв от деградации

Защита почв от прогрессирующей деградации и  необоснованных потерь — наиболее острая экологическая проблема, которая еще далека от своего решения.

В число основных звеньев экологической защиты почв входят:

— защита почв от водной и ветровой эрозии;

— организация  севооборотов и системы обработки  почв с целью повышения их плодородия;

— мелиоративные  мероприятия (борьба с заболачиванием, засолением почв и др.);

— рекультивация  нарушенного почвенного покрова;

— защита почв от загрязнения, а полезной флоры  и фауны — от уничтожения;

— предотвращение необоснованного изъятия земель из сельскохозяйственного оборота.

Защита почв должна осуществляться на основе комплексного подхода к сельскохозяйственным угодьям как сложным природным образованиям (экосистемам) с обязательным учетом региональных особенностей.

Для борьбы с  эрозией почв необходим комплекс мер: землеустроительных (распределение угодий по степени их устойчивости к эрозионным процессам), агротехнических (почвозащитные севообороты, контурная система выращивания сельскохозяйственных культур, при которой задерживается сток, химические средства борьбы и т. д.), лесомелиоративных (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы, лесные насаждения на оврагах, балках и т. д.) и гидротехнических ( каскадные пруды и т. д.).

При этом учитывают, что гидротехнические мероприятия  останавливают развитие эрозии на определенном участке сразу же после их устройства, агротехнические — через несколько лет, а лесомелиоративные — через 10—20 лет после их внедрения.

Для почв, подверженных сильной эрозии, необходим весь комплекс противоэрозионных мер: полосное земледелие, т. е. такая организация территории, при которой прямолинейные контуры полей чередуются с полезащитными лесными полосами, почвозащитные севообороты (для защиты почв от дефляции).

Почва, как и  вся земля в целом, охраняется законом. Землепользователи обязаны  эффективно и рационально использовать земельные богатства, повышать плодородие земельных угодий, не допускать порчу, загрязнение, засорение и истощение земель.

Список литературы

1. Акимова Т.В. Экология. Человек-Экономика-Биота-Среда: Учебник для студентов вузов/ Т.А.Акимова, В.В.Хаскин; 2-е изд., перераб. и дополн.- М.:ЮНИТИ, 2007.- 556 с
2. Экология: Учебник для студентов высш. и сред. учеб. заведений, обуч. по техн. спец. и направлениям/Л.И.Цветкова, М.И.Алексеев, Ф.В.Карамзинов и др.; под общ. ред. Л.И.Цветковой. М.: АСБВ; СПб.: Химиздат, 2008.- 550 с.
3. Экология. Под ред. проф.В.В.Денисова. Ростов-н/Д.: ИКЦ «МарТ», 2009. – 768 с.
4. Акимова Т.В. Экология. Природа-Человек-Техника.: Учебник для студентов техн. направл. и специал. вузов/ Т.А.Акимова, А.П.Кузьмин,  В.В.Хаскин  -  М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2007.- 343 с
5. Бродский А.К. Общая экология: Учебник для студентов вузов. М.: Изд. Центр «Академия», 2007. - 256 с.
6. Воронков Н.А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов. М.: Агар, 2009. – 424 с.
7. Коробкин В.И. Экология: Учебник для студентов вузов/ В.И. Коробкин, Л.В.Передельский. -6-е изд., доп. И перераб.- Ростон н/Д: Феникс, 2007.- 575с.
8. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экорлогия. 2-е изд.Учебник для вузов. М.: Дрофа, 2007. – 624 с.
9. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология: Уч. пособие для стут. химико-технол. и техн. сп. вузов./ Под ред. В.А.Соловьева, Ю.А.Кротова.- 4-е изд., испр. – СПб.: Химия, 2007. -238с.
10. Чернова Н.М. Общая экология: Учебник для студентов педагогических вузов/ Н.М.Чернова, А.М.Былова. - М.: Дрофа, 2008.-416 с.