Опасность применения избыточных количеств минеральных удобрений. Нитраты в продуктах питания и воде

Вариант 29

1. Опасность применения избыточных  количеств минеральных удобрений.  Нитраты в продуктах питания  и воде.          3

2.  Эволюция планеты, возникновение  жизни на земле.

        3 . Задание

Тепло подземных вод  используют:

1. Опасность применения избыточных количеств минеральных удобрений. Нитраты в продуктах питания и воде.

     К минеральным удобрениям относятся неорганические химические соединения, применяемые в сельском хозяйстве в целях повышения плодородия почв. Различают макро- и микроудобрения. Минеральные макроудобрения - вещества, в состав которых входят основные элементы, повышающие плодородие (азот, фосфор, калий). Соответственно макроудобрения делятся на азотные, фосфатные, калийные и комплексные. Группа азотных удобрений включает аммиачные (аммиачная вода), аммонийные (аммония сульфат), нитратные (калийная, натриевая и кальциевая селитра), аммонийно-нитратные (аммиачная селитра) и амидные (карбамид, мочевина) удобрения. В группу фосфатных удобрений входят простой и двойной суперфосфаты, преципитат, основные шлаки и др. К группе калийных удобрений относится калийная соль (калия хлорид), калий-магнезиальное удобрение, калийно-аммиачная селитра.

     Современная технология применения минеральных удобрений предотвращает их максимальное накопление фитомассой сельскохозяйственных растений. Значительная часть удобрений вымывается в подземные воды, мигрирует с поверхностным стоком, разлагается в почве, образуя летучие продукты, поступающие в приземный слой атмосферного воздуха.    Без внесения в почву минеральных удобрений невозможно представить себе современное сельское хозяйство. По сути, это единственный способ увеличить плодородие земли, который могут позволить себе производители. Применение минеральных удобрений в сельском хозяйстве направлено на повышение содержания в почве элементов питания растений для повышения урожайности.    После снятия урожая почва нуждается в восстановлении плодородия. Но   чрезмерное использование удобрений приносит вред. При  увеличении дозы удобрений урожайность сначала быстро растет, но затем прирост становится все  меньше и наступает момент, когда дальнейшее увеличение дозы удобрений не дает никакого прироста урожайности, а в избыточной дозе минеральные вещества могут оказаться для растений токсичными. Этот так называемый закон предельной урожайности, как считает   французский эколог Ф. Рамад, неизвестен большинству людей, занимающихся   сельским хозяйством, а производители удобрений о нем умышленно умалчивают.   Лишними оказываются питательные вещества не только сверх этой предельной   дозы, но и значительная часть тех, которые вносятся сверх некоторой   оптимальной дозы. Ведь тот факт, что прирост урожайности резко   уменьшается, говорит о том, что растения не усваивают излишков питательных   веществ. Удобрения вносят в количествах, не сбалансированных с потребляемым растениями, поэтому они становятся мощным источником загрязнения почв, сельскохозяйственной продукции, пойменных грунтовых вод, а также естественных водоемов, рек и атмосферы.   

    При нерациональном применении удобрений окружающая среда загрязняется   азотом, фосфором и калием.

     При многолетнем применении больших доз фосфорных удобрений в почве могут   накапливаться содержащиеся в них в небольших количествах тяжелые металлы: уран, торий и их дочерние продукты радиоактивного распада. Во избежание   возможности вовлечения в биологический круговорот токсических и   радиоактивных элементов применение фосфорных удобрений должно находиться   под постоянным контролем.

   Излишние азотные   удобрения, а они по массе преобладают по сравнению с калийными и   фосфорными, в почве распадаются, и газообразный азот выделяется в атмосферу.

   Кроме нарушения  структуры и обеднения почв, избыток  нитратов и фосфатов   приводит  к серьезному ухудшению качества  продуктов питания людей. Часть   нитратов и фосфатов, особенно  когда имеется их избыток, включается  в ткани  растений в виде свободных ионов нитратов и фосфатов. Некоторые растения   (например, шпинат, салат) способны накапливать нитраты в больших  количествах. Съев 250 граммов салата, выращенного на переудобренной  грядке, можно получить дозу нитратов, эквивалентную 0,7 грамма аммиачной селитры. В кишечном тракте нитраты превращаются в ядовитые нитриты,  которые в дальнейшем могут образовать нитрозамины - вещества, обладающие  сильными канцерогенными свойствами. Кроме того, в крови нитриты окисляют  гемоглобин и лишают его способности связывать кислород, необходимый для  живой ткани. В результате возникает особый вид малокровия -   метгемоглобинемия.

    Хотя овощи  редко бывают источником острой  интоксикации, они составляют более  70% от нитратов, поступающих в  человеческий организм. Цветная капуста, шпинат, листовая капуста, брокколи, корнеплоды содержат больше нитратов, чем другие продукты. Остальные нитраты в обычном питании поступают из питьевой воды (около 21%) и из мяса и мясных продуктов (около 6%) в виде нитрата натрия, который используется в качестве консерванта и красителя.

      Может образоваться избыточная концентрация нитратов в водных системах, что ведет к гибели рыбы. Основным источником нитратов в воде является поверхностный сток с сельскохозяйственных полей, с избытком удобренных нитратами. Нитраты могут являться побочным продуктом септических систем. Нитраты в питьевой воде представляет непосредственную угрозу для маленьких детей. Кипячение воды, загрязненной нитратами увеличивает концентрацию нитратов, и она более опасна.

   Поступление в открытые (поверхностные) водоемы минеральных удобрений, содержащих азот и фосфор, обусловливает их эвтрофикацию (способствует размножению микрофитов и водных растений), стимулирует "цветение" водоемов, ухудшает органолептические свойства воды, разрушает водные биоценозы, нарушает процессы самоочищения водоемов и препятствует использованию их в качестве источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения.

   Значительную роль в загрязнении почвы играют фосфатные удобрения. Поглощенные почвой фосфаты малоподвижны и лишь 2% их вымывается из пахотного слоя. Поэтому при чрезмерном применении фосфатных удобрений в почве накапливается Р205 в таком количестве, которое способно тормозить процессы ее самоочищения. Кроме того, фосфаты с поверхностным стоком могут попадать в открытые водоемы и вызывать их эвтрофикацию. Гигиеническое значение имеет тот факт, что фосфатные удобрения содержат примеси фторсодержащих соединений (от 0,2 до 4%), железа, стронция, селена, мышьяка (не менее 0,006%), тяжелых металлов (не менее 0,008%), в том числе кадмия (10-30 мг/кг), радионуклидов (урана, тория). Поэтому при несоблюдении гигиенических норм их применения они загрязняют почву, растения, воду подземных и поверхностных водоемов. Калий, входящий в состав калийных удобрений, мигрирует из почвы в контактирующие среды чрезвычайно медленно, не оказывая негативного воздействия на почвенный биоценоз и способность почвы к самоочищению. Вместе с калийными удобрениями в почву поступают хлорида анионы. Накопление значительных количеств калия в почве может вызвать нарушение соотношения между калием и натрием в питьевой воде, пищевых продуктах и отрицательно повлиять на здоровье человека - вызвать нарушение деятельности сердечно-сосудистой системы.

Минеральные микроудобрения вносят в почву в относительно небольших количествах (в 10-100 раз меньше, чем макроудобрений) для повышения ее плодородия. В их состав входят разнообразные микроэлементы. Самыми распространенными являются борные (0,5-1 кг/га), молибденовые, медные (10-15 кг/га), марганцевые (3-5 кг/га), цинковые (3-5 кг/га), кобальтовые (0,1-0,2 кг/га) и полимикроудобрения (ПМУ-7, ПМУ-8 и др.) При превышении норм расхода микроудобрений микроэлементы могут накапливаться в почве и растениях в избыточных количествах, оказывая отрицательное влияние на здоровье населения. В состав микроудобрений входит довольно много свинца (от 0,3 до 1%), иногда - кадмия и мышьяка. Таким образом, при нерациональном использовании микроудобрений существует реальная угроза загрязнения почвы тяжелыми металлами.

   Предельно  допустимые количества (ПДК) нитратов для человека, по рекомендации ВАО, не должны превышать 500 мг N - NO₃^- в сутки. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) допускает содержание нитратов в продуктах до 300 мг на 1 кг сырого вещества.

Применение избыточных минеральных удобрений может иметь следующие негативные последствия:

- изменение свойств почв при длительном внесении удобрений;

- внесение больших количеств азотных удобрений приводит к загрязнению почв, сельскохозяйственной продукции и пресных вод нитратами, а атмосферы - оксидами азота. Все сказанное касается и фосфорных удобрений;

- минеральные удобрения служат источником загрязнения почв тяжелыми металлами. Наиболее загрязнены тяжелыми металлами фосфорные удобрения. Кроме того, фосфорные удобрения являются источником загрязнения другими токсичными элементами - фтором, мышьяком, естественными радионуклеидами (ураном, торием, радием). Существенное количество тяжелых металлов попадает в почвы и с органическими удобрениями (торфом, навозом), за счет высоких доз (по сравнению с минеральными) внесения.

2.  Эволюция планеты, возникновение жизни на земле.                               

Жизнь возникла на нашей  планете около 3,5 млрд. лет назад. Этому предшествовала очень длительная абиогенная (небиологическая) молекулярная эволюция. Современная наука полностью опровергла все мифы о внезапном «чудесном» появлении жизни. Несостоятельными оказались и теории о заносе жизни из космоса. Сейчас уже можно представить те условия, при которых на Земле стало реальным возникновение жизни. Наиболее широкое признание получила гипотеза происхождения жизни А. И. Опарина — Д. Б. С. Холдейна (1924 — 1927). Согласно этой гипотезе, ныне дополненной, сложный процесс возникновения жизни происходил следующим образом. На раскаленной (до 1000 °С) планете, какой была Земля, все элементы находились в атомарном состоянии и при охлаждении постепенно перераспределились соответственно плотности: самые тяжелые — внутрь, наиболее легкие (азот, водород, углерод) — на поверхность. Так образовалась первичная атмосфера, состоявшая из газов. В ее составе не было свободного кислорода, так как он соединялся с металлами и другими способными к окислению элементами. Свободный водород и его газообразные соединения с азотом, углеродом и кислородом (водяные пары) создали восстановительный характер среды, что послужило одной из предпосылок образования молекул органических веществ небиологическим путем. Дальнейшее охлаждение привело к конденсации водяных паров; на поверхность Земли начали низвергаться горячие дожди, образуя огромные водные пространства. В воде были растворены аммиак, диоксид углерода, метан, синильная кислота. В атмосфере под действием ультрафиолетовых лучей Солнца и грозовых разрядов происходило образование более сложных органических веществ, которые с дождями также попадали в водоемы. В их числе — органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная), аденозинфосфатные соединения. С частыми извержениями вулканов, в том числе подводных, на поверхность выносились (и выносятся сейчас) такие сложные соединения, как различные аминокислоты (их абиогенный синтез осуществляется при температуре около 1000 °С), азотистые основания, аминосахара и другие неорганические вещества. Карбиды (соединения металлов с углеродом), также извергавшиеся в большом количестве, в горячей воде образовывали углеводороды. Восстановительный характер атмосферы Земли, активная вулканическая деятельность, грозовые разряды, мощное ультрафиолетовое излучение, не задерживаемое озоновым экраном, высокая температура — вот те условия, которые обеспечили абиогенное возникновение органических соединений и положили начало химической эволюции, приведшей впоследствии к возникновению живых организмов. В настоящее время экспериментально подтвержден абиогенный синтез даже таких веществ, как белки. Теплые воды первичного океана были благоприятной средой для химических реакций между растворенными здесь органическими и неорганическими веществами, низкомолекулярные органические вещества превращались в более сложные высокомолекулярные. В течение миллионов лет возникали и разрушались бесчисленные варианты органических соединений. Шло постепенное накопление их в водах первичного океана. Дальнейший этап в развитии органических веществ — образование коацерватных капель. В водном растворе органические молекулы всегда окружены поляризованной водной оболочкой. Толщина ее зависит от величины заряда молекулы, концентрации солей окружающего раствора, температуры и других факторов. Молекулы, окруженные такими оболочками, могут объединяться, образуя коацерваты — многомолекулярные группы с единой оболочкой, которые уже не смешиваются с окружающим раствором. Коацерватные капли представляют собой высокомолекулярные образования, в том числе белковые и полинуклеотидные, обособившиеся из раствора в виде коллоидных частиц. Исследования А. И. Опарина показали, что коацерватные капли способны адсорбировать (поглощать) из окружающего раствора отдельные вещества и увеличиваться в размерах. В коацерватах осуществлялись простейшие реакции синтеза и распада веществ, продукты которого выделялись наружу. Эти процессы можно сравнить с процессами питания, роста, выделения. Таким образом, адсорбционная способность, присущая коацерватам, стала, по-видимому, начальным этапом обмена веществ в них. Возник один из самых существенных признаков жизни — обмен веществ. В коацерватных каплях, содержавших полинуклеотидные цепочки, при адсорбции мононуклеотидов происходил неферментативный синтез комплементарных, полинуклеотидов, т. е. матричный синтез, столь характерный для живых систем. Формировалась способность к самовоспроизведению.

Рост коацерватных капель за счет поглощения веществ извне  приводил к диспропорции между массой капли и силами сцепления между  ее молекулами. Капля распадалась на несколько более мелких. Этот процесс стал необходимой предпосылкой для возникновения размножения. Однако в современном понимании размножение — это процесс, посредством которого организмы воспроизводят себе подобных. При распадении же коацервата «дочерние» капли могли оказаться очень различными по химическому составу. Многие из них распадались дальше и погибали, некоторые снова росли. В составе коацерватных капель возникали все новые и новые комбинации веществ.

Наибольшие шансы на сохранение имели капли, содержавшие белок, способный по своей химической природе к ферментативной активности, и полинуклеотиды. Белки-ферменты участвовали не только в обмене веществ, но и в редупликации нуклеиновых кислот. Сохранение в нуклеиновых кислотах, способных к редупликации, информации об «удачных» комбинациях аминокислот обеспечивало стабильность состава белков при распаде капель. Таким образом, появился процесс самовоспроизведения — необходимое свойство живого. Завершился последний этап химической эволюции материи, возникли живые системы. Развитие живых систем шло в результате биологической эволюции. При редупликации полинуклеотидных молекул в некоторых случаях происходили «ошибки» — мутации: новая молекула не вполне точно копировала исходную. В дальнейшем эта измененная молекула копировалась. Частота мутаций резко повышалась под воздействием излучений, особенно ионизирующих. С момента возникновения простейшие организмы попадали под действие естественного отбора, который и обеспечивал их приспособленность к условиям существования. Случайно приобретенные в результате наследственных изменений полезные признаки закреплялись отбором. По-видимому, именно так из первичных коацерватов сформировались клетки: образовались наружная мембрана, обладающая свойством избирательной проницаемости, цитоплазма, ядро; шла эволюция биохимических процессов. Первичные организмы использовали для питания готовые органические вещества, т. е. были анаэробными гетеротрофами. В условиях увеличения их численности при уменьшении запасов органических веществ в первичном океане у некоторых организмов появилась и закрепилась способность к самостоятельному синтезу органических веществ из неорганических за счет энергии простейших реакций окисления и восстановления. Возник хемосинтез. Хемосинтезирующие бактерии были первыми автотрофными организмами. Первичные микроорганизмы постепенно сокращали исходные запасы водорода, аммиака, метана, сероводорода. Так, серные бактерии окисляли сероводород вулканического происхождения, а водородные — молекулярный атмосферный водород.

Следующий важный этап биологической  эволюции — создание пигментных систем для использования световой энергии  — возникновение фотосинтеза. Первыми  организмами, использующими свет как  источник энергии для синтеза  органических веществ, были бактерии (типа пурпурных и зеленых серобактерий) и цианеи (синезеленые). Последние в качестве источника водорода использовали воду, и в атмосферу начал выделяться свободный кислород, что явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания, которое почти в 20 раз эффективнее бескислородного анаэробного окисления. Аэробное окисление (важнейший шаг в эволюции) постепенно вытесняет неэкономичное анаэробное.

По геологическим данным, уже 2,7 млрд. лет назад в атмосфере  в небольшом количестве имелся свободный кислород. По мере накопления кислорода в верхних слоях атмосферы часть его превращалась в озон, способный интенсивно поглощать ультрафиолетовое и ионизирующее излучение Солнца, — сформировался «озоновый экран». Жизнь, которая первоначально была возможна только в океане, под защитой воды, вышла на сушу и распространилась по всей поверхности Земли.

Следующая после возникновения  одноклеточных ступень эволюции заключалась в образовании и прогрессивном развитии многоклеточного организма.

Одновременно совершенствуются способы полового размножения — от наружного оплодотворения к внутреннему, от свободной инкубации яиц вне материнского организма к живорождению.

Финалом в эволюции многоклеточной организации животных было появление  организмов с поведением «разумного типа». Сюда относятся животные с высокоразвитой условно-рефлекторной деятельностью, способные передавать информацию следующему поколению не только через наследственность, но и надгаметным способом (например, передача опыта молодняку посредством обучения). Заключительным этапом в эволюции централизованно-дифференцированной стадии стало возникновение человека.

В протерозойскую эру (около 1 млрд. лет назад) эволюционный ствол древнейших эукариот разделился на несколько ветвей, от которых возникли многоклеточные растения (зеленые, бурые и красные водоросли), а также грибы. Большинство из первичных растений свободно плавало в морской воде (диатомовые, золотистые водоросли), часть прикреплялась ко дну.

В конце силурийского периода почвообразовательные процессы подготовили возможность выхода растений на сушу (440 млн. лет назад). Среди растений, первыми освоившими сушу, были псилофиты.

От псилофитов возникли другие группы наземных сосудистых растений: плауны, хвощи, папоротники, размножающиеся спорами и предпочитающие водную среду. Примитивные сообщества этих растений широко распространились. В этот же период появились и первые голосеменные, возникшие от древних папоротников и унаследовавшие от них внешний древовидный облик. Переход к размножению семенами имел большое преимущество, так как освободил половой процесс от необходимости водной среды (как это наблюдается еще у современных папоротников). 

Значительного разнообразия достигла наземная флора в каменноугольный период. Среди древовидных широко распространялись плаунообразные (лепидодендроны) и сигилляриевые, достигавшие в высоту 30 м и более. В палеозойских лесах богато были представлены древовидные папоротники и хвощеобразные каламиты. Из первичных голосеменных господствовали разнообразные птеридоспермы и кордаиты, напоминавшие стволами хвойных и имевшие длинные лентовидные листья.

Начавшийся в пермский период расцвет голосеменных, в частности  хвойных, привел к их господству в  мезозойскую эру. К середине пермского периода климат стал засушливее, что во многом отразилось на изменениях в составе флоры. Сошли с арены жизни гигантские папоротники, древовидные плауны, каламиты, и постепенно исчез столь яркий для той эпохи колорит тропических лесов.

В меловой период произошел следующий крупный сдвиг в эволюции растений, — появились цветковые (покрытосеменные). Первые представители покрытосеменных были кустарниками или низкорослыми деревьями с мелкими листьями. Затем довольно быстро цветковые достигли огромного разнообразия форм со значительными размерами и крупными листьями (например, возникли семейства магнолиевых, платановых, лавровых). Опыление насекомыми и внутреннее оплодотворение создали значительные преимущества цветковых над голосеменными, что обеспечило их расцвет в кайнозое. В настоящее время число видов покрытосеменных составляет около 250 тыс., т. е. почти половину всех известных ныне видов растений.

Основные особенности  эволюции растительного мира: 1) Постепенный переход к преобладанию диплоидного поколения над гаплоидным. 2) Независимое половое размножение от капельноводной среды. Мощное развитие спорофита, переход от наружного оплодотворения к внутреннему, возникновение двойного оплодотворения и обеспечение зародыша запасами питательных веществ. 3) В связи с прикрепленным образом жизни на суше растение расчленяется на корень, стебель и лист, развиваются сосудистая проводящая система, опорные и защитные ткани. 4) Совершенствование органов размножения и перекрестного опыления у цветковых в сопряженной эволюции с насекомыми. Развитие зародышевого мешка для защиты растительного эмбриона от неблагоприятных влияний внешней среды. Возникновение разнообразных способов распространения семян и плодов физическими и биотическими факторами.

        3 . Задание

Тепло подземных вод  используют:

Солнечные электростанции используют тепло солнечной энергии, приливные электростанции используют энергию приливов, ветровые электростанции используют энергию ветра, а геотермальные электростанции используют тепло подземных вод. Пример – геотермальные электростанции на Курилах используют тепло многочисленных геотермальных источников.

Литература

1. Вернадский В.И. Биосфера  и ноосфера. – М.: Наука, 1988. 245 с.

2. Елисеева Н.В., Чернышева  Н.В., Имгрунт И.И., Стрельников В.В.  Экология.- Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2004.-196 с.

 3. Николайкин Н.И.  Экология: Учеб. Для вузов /Н.И.Николайкин, Н.Е.Николайкина, О.П.Мелихова. – 3-е изд., стериотип. – М.: Дрофа, 2004. – 624 с.

4. Степановских А.С. Прикладная экология: охрана окружающей среды: Учебник для вузов.- М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003.-751 с.