Круговоротные процессы в боисфере

Введение

Начнем с того, что же такое биосфера. Биосфера – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются деятельностью живых организмов. Верхняя граница охватывает часть атмосферы до высоты 20-25 км, нижняя граница захватывает часть литосферы на суше 2-3 км и 1-2 км ниже дна океана. Таким образом, биосфера охватывает часть атмосферы, часть литосферы и всю гидросферу. В биосфере Земли происходит постоянный процесс движения и перераспределения вещества. В ней осуществляется массовый перенос твердых, жидких и газообразных тел при различных температурах и давлениях. В ходе различных химических и физических процессов осуществляются так называемые круговороты вещества, различные как по протяженности во времени, так и по степени охвата оболочек земного шара и прилегающей к нему атмосферы.

Из почти 100 химических элементов, которые встречаются в природной среде, почти 40 необходимы для функционирования живых организмов. Из этих химических элементов N(азот), C(углерод), H(водород), O(кислород), P(фосфор), S(сера) относятся к главным биогенам, которые требуются в значимых объемах. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом, «заряжаются» энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопительную энергию во внешнюю среду.

Круговорот углерода

Углерод является одним из самых, наверное, часто упоминаемых химических элементов в природе при рассмотрении геологических, биологических, а в последнее время и технических проблем. Углерод встречается на нашей планете в чрезвычайно разнообразных соединениях, начиная с нахождения в виде чистого углерода (графит, уголь и т.д.) вплоть до органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента – диоксид углерода (углекислый газ CO₂₎. В ходе фотосинтеза атомы углерода этого соединения включаются в состав глюкозы и других органических соединений, из которых построены все растительные ткани. Далее они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых существ экосистемы. При переходе с одного трофического уровня на другой часть содержащих атомы углерода молекул расщепляется в процессе клеточного дыхания для получения энергии. При этом атомы углерода вновь поступают в окружающую среду в составе углекислого газа.

После завершения жизненного цикла — гибели (смерти) организма его ткани подвергаются биологическому разложению под воздействием редуцентов, что также приводит к поступлению диоксида углерода в атмосферу. Этот процесс приурочен к почвенным горизонтам и определяет сущность почвенного дыхания.

Другим процессом, движущим углерод, является образование гумуса с помощью сапрофагов и последующую минерализацию вещества под действием грибов и бактерий. Это весьма медленный процесс, скорость которого обусловлена количеством кислорода, химическим составом почвы, ее температурой. При недостатке кислорода и высокой кислотности происходит накопление углерода в торфе. Аналогичные процессы в отдаленные геологические эпохи сформировали залежи угля и нефти, что останавливало процесс круговорота углерода.

Если все процессы жизнедеятельности протекают в гидросфере, то происходит аналогичная приостановка в результате связывания углерода в кальците (СаСО₃), входящим в состав коралловых, ракушечных известняков, мела и др. Это самая глубокая консервация углерода, освобождение которого возможно лишь при регрессии моря и дальнейшем выщелачивании карбонатных пород за счет атмосферных осадков или при биологическом выветривании под действием лишайников, корней растений и микроорганизмов.

Круговорот фосфора

Фосфор один из достаточно широко распространенных химических элементов, входящих в состав различных, в том числе и породообразующих минералов, формирующих ряд горных пород. В процессе выветривания этих пород в значительных количествах фосфор поступает в биогеоценозы, а также за счет выщелачивания атмосферными осадками и в конечном счете накапливается в гидросфере. Во всех случаях фосфор оказывается в пищевых системах, но его подготовка не является простой. Фосфор же необходим организмам для построения генов и молекул соединений, переносящих энергию внутри клеток.

В минералах фосфор содержится в форме неорганического фосфата-иона (РО³₄). Фосфаты обладают растворимостью, но не образуют газообразных форм, т. е. нелетучи. Растения способны к поглощению фосфата из водного раствора для включения их в состав различных органических соединений. В растениях фосфор выступает уже в форме так называемого органического фосфата. В этой форме он уже способен к движению по пищевым цепям и к его передаче организмам экосистем. При каждом переходе от одного трофического уровня к другому достаточное количество фосфоросодержащего соединения для получения организмом энергии подвергается окислению при клеточном дыхании. В этом случае фосфор может оказаться только в составе мочи или ее аналогов и быть выведенным за пределы организма в окружающую среду, где собственно может начать дальнейший цикл через поглощение растениями.

Необходимо остановиться более подробно на различиях в круговоротах фосфора и углерода. Углерод в виде диоксида углерода поступает в виде газа в атмосферу, где свободно распространяется повсеместно воздушными потоками вплоть до нового усвоения растениями. Фосфор же не образует аналогичной газовой формы, и свободного возврата его в экосистему нет. Жидкие же соединения фосфора поступают в водоемы, где они активно насыщают (вплоть до перенасыщения) водные экосистемы. Из водоема фосфор не может возвратиться на сушу, за исключением небольшого количества в виде помета рыбоядных птиц, который откладывается на побережье, например залежи гуано на побережье Перу, фосфаты откладываются на дне водоемов. Возвращаются на сушу фосфоросодержащие горные породы вместе с процессами регрессии моря и при орогенезе.

Как считает Б. Небел, фосфат и аналогичные минеральные биогены, находящиеся в почве, циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их «отходы» жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Это характерно для всех естественных экосистем (Б. Небел, 1993).

Круговорот кислорода

Биохимический цикл — планетарный процесс, который является объединяющим элементом для атмосферы, гидросферы и литосферы. В атмосфере преобладающей формой кислорода является молекула О₂, но так как отмечали мы уже выше имеется еще О₃-озон и О-атомарный кислород. Кислород в свободной форме является как продуктом жизнедеятельности, так и элементом, поддерживающим жизнь. В.И. Вернадский писал: «Жизнь, создающая в земной коре свободный кислород, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил».

Круговорот кислорода в биосфере представляет собой сумму весьма сложных процессов, так как кислород входит в состав многих различных органических и неорганических соединений. Однако главным является обмен между атмосферой и живыми организмами. Процесс фотосинтеза продуцирует кислород, а процессы разложения его связывают. Незначительное количество кислорода образуется в процессе диссоциации молекул воды и озона в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетовой радиации. Значительная часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и т. п.

Круговорот азота

Круговорот азота сложнее, чем круговороты углерода и фосфора, поскольку включает и газовую, и минеральную фазы. Основная часть атомов азота находится в воздухе, который на 78 % состоит из одноименного газа. Но растения не могут усваивать газообразный азот непосредственно из воздуха, для включения в органический синтез азот должен входить в состав ионов аммония или нитрата. Азот воздуха был бы потерян для биогеохимического круговорота, если бы на Земле не существовало организмов, способных превращать газоообразный азот в аммонийную форму в ходе азотофиксации (нитрификсации). Важнейшую роль среди азотофиксирующих организмов играют бактерии рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений (так называемые клубеньковые бактерии), и ряд сине-зеленых водорослей (цианобактерии). Клубеньковые бактерии являют собой один из ярких примеров мутуализма - тесной взаимосвязи двух организмов, выгодной для обоих. Растения обеспечивают бактерий местом обитания и питательными веществами (сахарами), получая от них взамен доступную форму азота. По пищевым цепям входящий в состав органических молекул азот передается от бобовых другим организмам экосистемы. Когда в процессе клеточного дыхания содержащие азот органические вещества расщепляются, азот выделяется в окружающую среду главным образом в аммонийной форме.

Некоторые бактерии в процессе нитрификации могут переводить аммонийную форму в нитратную, но и нитратные, и аммонийные формы в равной степени могут усваиваться любыми растениями, в результате чего азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация азота обратима, поскольку другие почвенные бактерии в процессе денитрификации постепенно превращают нитраты снова в газообразный азот. Следует отметить, что часть газообразного азота окисляется в воздухе во время грозовых разрядов и поступает в почву с дождевой водой, но таким способом фиксируется в десять раз меньше азота, чем в ходе бактериальной нитрификации.

Круговорот серы

Это один из главных биогенов, который попадает в почвенные горизонты в результате естественного разложения отдельных горных пород, содержащих такие минералы, как пирит — серный колчедан (FeS₂), медный колчедан (CuFeS₂) и при разложении органических веществ, преимущественно растительного происхождения. Из почвы по корневым системам сера поступает в растения, где синтезируются серосодержащие аминокислоты — цистин, цистеин, метионин. Для процессов жизнедеятельности сера необходима животным в значительных количествах, попадает она к ним с пищей.

Из органических соединений сера поступает в почву при разложе- нии преимущественно растительных остатков микроорганизмами. Сера органического происхождения восстанавливается в сероводород (H₂S), минеральную серу или окисляется в сульфаты, которые вновь могут быть поглощены корнями растений, т. е. вновь поступает в биологический круговорот.

Круговорот воды

В данном случае речь идет не об отдельном биогене, а о соединении двух важнейших биогенов водорода (Н) и кислорода (О), т. е. воды, значимость которой для жизни на Земле абсолютна. Круговорот воды представляет собой процесс непрерывного, взаимосвязанного перемещения воды в глобальных масштабах. Круговорот воды осуществляется под влиянием солнечной энергии, гравитации, жизнедеятельности организмов. В целом для планеты главным источником прихода воды служат атмосферные осадки, а расхода — испарение, которые сбалансировано составляют 525 тыс. км³или 1030 мм в год.

В процессе круговорота воды можно выделить так называемые малый и большой. При малом круговороте вода, испарившаяся с поверхности океана, вновь возвращается в него в виде атмосферных осадков. При большом круговороте часть испарившейся с водной поверхности влаги выпадает не только на океан, но и на сушу, где питает реки и другие водоемы, но в конечном счете с подземным или поверхностным стоком возвращается в океан.

Выше были рассмотрены аспекты водного баланса гидросферы. Необходимо отметить, что наибольшей активностью в водообмене обладают речные воды (обновляются каждые 11 дней) против, например, воды полярных ледников (обмен совершается за 8000 лет). Речная вода в естественных условиях практически всегда пресная и служит для потребления многими живыми организмами. По мнению многих ученых, круговорот воды представляет собой глобальный гигантский опреснитель воды.

Значимую роль в процессе круговорота воды играет эвапотранспирация, которая представляет собой количество влаги, переходящее в атмосферу в результате транспирации зеленых растений и испарения с поверхности почвы, т. е. суммарное испарение (принято измерять его в мм рт. ст.). Транспирацией именуют испарение воды зелеными частями растений, причем она испаряется со всей наружной и всех внутренних поверхностей растений, соприкасающихся с воздухом. Общая транспирация зависит от многих экологических факторов (освещенность, сухость воздуха, ветер, рельеф и др.). Наибольшей транспирацией характеризуются болотные и плавающие растения (рогоз, частуха, рдест—до 4000 мг/дм²»ч). Из наземных растений сильнее всего транспирируют травянистые растения солнечных местообитаний—до 2500 мг/дм²»ч; кустарники в тундре дают всего 150 мг/дм²-ч; а тропические деревья в лесах области туманов лишь до 120 мг/дм².ч. У вечнозеленых хвойных пород игольчатая хвоя в передней части устьичного аппарата имеет высокую пробку, которая служит дополнительным препятствием для транспирации. У пустынных растений транспирация служит единственным способом зашиты организма от летальных последствий воздействий высоких температур.

Проведенные специалистами ФРГ количественные оценки роли эвапотранспирации в круговороте воды показали следующее: при средней годовой норме осадков 771 мм в море с подземным и поверхностным стоком поступает менее их половины—367 мм, а оставшиеся 404 мм эвапотранспирируются. Шведские ученые установили, что 1 га елового леса за 1 год транспирирует при сухой почве до 2100 м³ воды. Величина эвапотранспирации для растительных формаций средней Европы составляет до 7000 т на 1та в год. Отдельные виды древесных пород с успехом могут использоваться для осушения болот. Классическим примером может служить осушение Колхидских болот в Грузии посадками эвкалиптов.

Биогеохимическая деятельность человека

Обязательно следует отметить, что описанные выше биогеохимические круговороты рассмотрены только с позиций первых четырех биогеохимических функций живого вещества, формируемых В. И. Вернадским, т. е. газовой, концентрационной, окислительно-восстановительной и биохимической функций. Однако пятая биогеохимическая функция живого вещества - биогеохимическая деятельность человечества - занимает особое место в истории земного шара и привносит особые, не присущие ранее черты в круговороты веществ и химических элементов, в том числе в круговорот углерода, фосфора, азота.

Наиболее важной и интересной особенностью круговорота углерода, существующей в условиях активной антропогенной деятельности, является возврат в круговорот атомов углерода, "выпавших" из него в более ранние геологические периоды. До достижения баланса между образованием органического вещества и его распада значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась в виде детрита и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит под действием высоких температуры и давления превращался в нефть, природный газ, уголь, причем конечный продукт напрямую зависел от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в земле.

В настоящее время человек в огромных количествах добывает это ископаемое топливо для обеспечения энергетических потребностей современного уровня индустриализации общества. Сжигая это топливо, человек в определенной мере завершает, а следовательно, и начинает новый цикл круговорота углерода. Таким образом, на круговорот углерода человек влияет путем увеличения содержания в биосфере доступного для биогеохимического круговорота углерода. Влияние на круговорот фосфора характеризуется наличием нескольких различных механизмов.
Во-первых, условно выделяемой экосистеме человека, в отличие от естественных природных экосистем, присуща более значительная миграция биогенов: урожай вместе с извлеченными из почвы биогенами перевозится к потребителям на большое расстояние. Тем самым содержание фосфора в агроэкосистемах на момент сбора урожая резко снижается.
Во-вторых, фосфор, содержащийся в отходах жизнедеятельности человека, полностью исключается из круговорота почвенных экосистем и дополнительно перенасыщает водные экосистемы, т. к. именно там заканчивается в типичном случае локализация. В-третьих, фосфор, связанный в костях человека, возвращается в естественные экосистемы крайне редко, т. к. и при захоронении тел на кладбищах, и при кремации вовлечение фосфора в биогеохимический круговорот минимально, поскольку наблюдается разобщение мест, где концентрация фосфора велика, и мест поглощения данного элемента. Следовательно, на первый взгляд, кажется, что влияние человека на круговорот фосфора выражается в снижении его количества, доступного для биогеохимического круговорота, но это не совсем верно, поскольку человек в ходе агротехнической деятельности вносит в почву химически синтезированные фосфорсодержащие удобрения. Однако вследствие невозможности точно установить степень антропогенного снижения количества фосфора, доступного для биогеохимического круговорота, а также вероятности заведомо избыточного внесения фосфорсодержащих удобрений, невозможно соблюдение не только географического, но и количественного баланса. Как видим, влияние человека на круговорот фосфора проявляется в основном в возникновении биогеографического и количественного дисбаланса, доступного для биогеохимического круговорота фосфора. Для анализа антропогенного влияния на круговорот азота необходимо вспомнить, что все естественные экосистемы зависят от азотфиксирующих организмов, поэтому крайне важна роль симбиотических бактерий бобовых растений. Это семейство очень многочисленно, и в каждой естественной наземной экосистеме есть характерные для нее виды бобовых. Бобовые первые заселяют горы, без них реколонизация идет значительно медленнее из-за недостатка в почве доступного азота. Но такая закономерность наблюдается только в природных экосистемах, в то время как антропогенным агроэкосистемам она не свойственна.
            Агрокультуры в основном являются монокультурами, и за исключением агрокультур бобовых, азотфиксирующие клубень 0ковые бактерии в них отсутствуют. Реконструкция естественных условий возможна и заключается в севообороте бобовых и других культур, но этот метод не всегда экономически выгоден, а потому используется редко и в основном охватывает только небольшие сельскохозяйственные угодья фермерского типа. В остальных же случаях человек выращивает урожаи монокультур при помощи внесения в почву химически синтезированных азотсодержащих удобрений. Следовательно, налицо следующие отклонения от естественного круговорота азота: снижение клубеньковой азотфиксации за счет снижения площадей произрастания дикорастущих бобовых растений и внесение в почву химически синтезированных азотсодержащих удобрений, т. е., как и в отношении круговорота фосфора, антропогенное влияние на круговорот азота сводится к возникновению биогеографического и количественного дисбаланса Невозможно точно сказать, является ли описанное выше вмешательство человека противоречащим первому принципу функционирования экосистем или нет. С одной стороны, вмешательство человека нарушает нормальный ход биогеохимических круговоротов: количество углекислого газа, выделяющегося в атмосферу из-за сжигания углеродистого топлива, фотосинтеза, особенно в связи со снижением плотности растительного покрова планеты, и избытки углекислого газа оказывают ряд негативных эффектов по отношению к биосфере Земли; водные экосистемы планеты нарушаются (и даже разрушаются) из-за избыточного поступления в них фосфатов; от дисбаланса круговорота азота страдают как водные, так и наземные экосистемы. С другой же стороны, существует вероятность нормализации этих процессов, поскольку все они в какой-то мере укладываются в рамки нормальных биогеохимических круговоротов.
           Но существует и такая деятельность человека, которая однозначно нарушает принципы устойчивости экосистем. Примером такой деятельности является привнесение в биосферу множества используемых в промышленности техногенных веществ, таких, как ртуть, ДДТ и многое другое. В отсутствие круговоротов этих веществ происходит, с одной стороны - истощение ресурсов, а с другой - загрязнение окружающей среды. Многие из них токсичны, склонны к биоаккумуляции, поэтому часто последствия привнесения их в биосферу невозможно даже предугадать, как, например, невозможно было предугадать массовую гибель птиц на "птичьих базарах" островов Тихого и Атлантического океанов после опыления полей США ДДТ - дихлордифенилтрихлорэтаном, первым широко использовавшимся инсектицидом из класса хлоруглеводородов, который, аккумулировавшись в результате прохождения по пищевым цепям, вызвал повышенную хрупкость скорлупы птичьих яиц, а следовательно - многолетнее уменьшение численности птенцов и уменьшение популяций.

Заключение

          Одно из замечательных открытий геохимии заключается в установлении того, что движение многих химических элементов осуществляется в виде круговых процессов - круговоротов. Именно эти элементы слагают земную кору, жидкую и газовую оболочки нашей планеты. Их круговороты могут происходить на ограниченном пространстве и на протяжении небольших отрезков времени, а может охватывать всю наружную часть планеты и огромные периоды. При этом малые круговороты входят в более крупные, которые в своей совокупности складываются в колоссальные биогеохимические круговороты. Они тесно связаны с окружающей средой. В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется круговорот углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и других химических элементов. Энергия поступает в экосистемы во время фотосинтеза, а рассеивается главным образом в виде тепла, когда организмы используют ее для своей жизнедеятельности. Вследствие непрерывно происходящих потерь энергии необходимо, чтобы она столь же непрерывно поступала в экосистемы в виде энергии солнечного света. В отличие от этого вода и элементы питания совершают непрерывный круговорот.
           Рассмотренная мною тема является очень актуальной в свете современной экологической ситуации. Вода – это источник жизни на земле. Но, как выясняется не бесконечный. Дело в том, что загрязнение водных ресурсов земли имеет в настоящий момент глобальный характер.
           Очень важно обеспечить природе нормальное функционирование ее базовых циклов обмена веществ.

Список литературы

Потапов А.Д.Экология. 2-е изд.-М.: Высшая школа, 2005
Экология: Учебное пособие/ Под ред. Е.В.Шубиной; Моск.гос.строит.ун-т.-М.:МГСУ,2008г.

Интернет – ресурсы

http://turboreferat.ru/ecology/krugovorot-veshhestv-v-prirode/204635-1023957-page1.html
http://www.r-e-f-e-r.ru/index.php?name=pages&op=view&id=361

Содержание

Введение2

Круговорот углерода2

Круговорот фосфора4

Круговорот кислорода6

Круговорот азота7

Круговорот серы9

Круговорот воды10

Биогеохимическая деятельность человека12

Заключение16

Список литературы17

Круговоротные процессы в боисфере 📙 Реферат → 🆔 130684