Нарушение круговорота веществ. Эвтрофикация
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ГОРНОГО ДЕЛА И ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
Тема: Нарушение круговорота веществ. Эвтрофикация
Выполнила: студентка 3 курса
Проверила:
Минск 2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Нарушение круговорота веществ
1.1 Круговорот веществ в биосфере и экосистемах
1.2 Круговорот углерода
1.3 Круговорот азота
1.4 Круговорот серы
1.5 Круговорот фосфора
1.6 Круговорот воды
2 Эвтрофикация
2.1 Эвтрофикация воды в реках и озерах
Заключение
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Жизнь на планете развивается в условиях практически постоянного количества вещества. Любой организм как открытая система существует в потоке вещества. Например, организм человека обновляет практически все вещество в среднем за семь лет. Это происходит благодаря гармонично сочетающимся процессам созидания и разрушения более элементарных форм жизни, образующих его. Сырье для внутреннего созидания мы получаем в основном с пищей. Отработанное вещество удаляется из организма в окружающую среду.
Особенность биосферы как организма, в том, что не существует сколько-нибудь существенного потока вещества из космоса или из недр Земли в биосферу и наоборот. Поэтому основные потоки вещества в биосфере организуются посредством круговоротов веществ.
Круговорот веществ на Земле, повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Эти процессы имеют определённое поступательное движение, т. к. при так называемых циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ.
Следует отметить, что человек (со своими научно - техническим прогрессом) занимает главное, основополагающее место в круговороте веществ биосферы. С момента появления человека биосфера вынуждена подстраиваться под все возникающие потребности человечества.
Далее рассмотрим каждые круговороты веществ в отдельности и их непосредственное нарушение.
1 НАРУШЕНИЕ КРУГОВОРОТА ВЕЩЕСТВ
1.1 Круговорот
веществ в биосфере и
Круговорот веществ в природе представляет собой совокупность повторяющихся процессов превращения или перемещения веществ, имеющую более или менее выраженный циклический характер.
Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
На рисунке 1.1 представлен большой круговорот веществ.
Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило, животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.
На рисунке 1.2 представлен малый круговорот веществ.
Рис.1.2 – Малый круговорот веществ.
Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.
Рассмотрим круговороты веществ в отдельности.
1.2 Круговорот углерода
Углерод является одним из самых необходимых для жизни компонентов. В состав органического вещества он включается в процессе фотосинтеза. Затем основная его масса поступает в пищевые цепи животных и накапливается в их телах в виде различного рода углеводов.
Главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа СО2. Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Однако человек в последнее время достаточно успешно разрабатывает эти захоронения, возвращая в круговорот жизни углерод и другие важные для жизни элементы, накопленные за миллионы лет. Хотя это приводит к ряду отрицательных для нас последствий, но как знать, может быть, именно эту миссию мы должны были выполнить для биосферы.
Например, известно, что увеличение содержания СО2 и понижение содержания О2 в атмосфере приводит к усилению фотосинтеза. Может быть, после того, как мы очистим планету от современных форм жизни (в том числе и от своего присутствия на ней), начнется бурный этап развития новых более совершенных форм, которые сейчас не могут выдержать конкуренции. Ведь была же когда-то эпоха анаэробной жизни на земле. «Неприятным» продуктом их жизнедеятельности был кислород, накопление которого практически погубило эту форму жизни. Теперь ее следы можно обнаружить лишь в недрах болот, да в глубоководных впадинах. Но зато было дано начало новым более совершенным аэробным организмам, которые научились «нейтрализовывать» кислород и даже использовать его химическую активность для получения свободной энергии.
На рисунке 1.2 представлен круговорот углерода.
Рис.1.2 - Круговорот углерода
Содержащийся в атмосфере углерод в процессе фотосинтеза вводится в органическое вещество растений, а далее — в цепи питания. Высвобождение углерода из органического вещества совершается в процессе дыхания организмов. Большая масса углерода высвобождается из мертвого органического вещества организма-миредуцентами. Нарушение циклов углерода связано с высвобождением его из геологических структур и в результате изменения площадей и производительности растительных сообществ . Часть углерода накапливается в атмосфере в форме углекислого газа и метана, создавая парниковый эффект.
На рисунке 1.3 представлена схема парникового эффекта.
Рис.1.3 - Схема парникового эффекта
1.3 Круговорот азота
Азот входит в состав аминокислот, являющихся основным строительным материалом для белков. Хотя азот требуется в меньших количествах, чем, например, углерод, тем не менее, дефицит азота отрицательно сказывается на продуктивности живых организмов.
Основным источником азота является атмосфера, откуда в почву, а затем в растения азот попадает, только в форме нитратов, которые являются результатом деятельности организмов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов), а также электрических разрядов (молний) и других физических процессов. Остальные соединения азота не усваиваются растениями.
Второй источник азота для растений – результат разложения органики, в частности белков. При этом, в начале образуется аммиак, который преобразуется бактериями-нитрификаторами в нитраты и нитриты.
Возвращение азота в атмосферу происходит в результате деятельности бактерий-денитрификаторов, разлагающих нитраты до свободного азота и кислорода.
Значительная часть азота, попадая в океан (в основном со сточными континентальными водами), частично используется водной растительностью, а затем по пищевым цепям через животных возвращается на сушу. Небольшая часть азота выпадает из круговорота, уходя в осадочные соединения. Однако эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами, а также с индустриальными выбросами. Если бы наша цивилизация достигла такой технической мощи, что смогла бы блокировать все вулканы на Земле (я не сомневаюсь, что подобные проекты обязательно возникли бы), то при этом из-за прекращения поступлений углерода, азота и других веществ, от голода могло бы погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений вулканов.
Антропогенный азот поступает в природу в основном в форме азотных удобрений. Их количество примерно равно природной фиксации азота в атмосфере, но ниже биологической фиксации.
В природных экосистемах порядка 20 % азота — это новый азот, полученный из атмосферы путем азотофиксации. Остальные 80 % возвращаются в круговорот вследствие разложения органики. В агросистемах из азота, поступившего на поля с удобрениями, очень небольшая часть используется повторно, большая же часть теряется с собираемым урожаем, а также в результате выщелачивания (выноса водой) и денитрификации.
Лишь прокариоты, безъядерные, самые примитивные микроорганизмы могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы. Когда эти микроорганизмы образуют взаимовыгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота значительно усиливается. Растения представляют бактериям подходящее местообитание (корневые клубеньки), защищают микробы от излишков кислорода и поставляют им необходимую высококачественную энергию. За это растение получает легкоусвояемый фиксированный азот. Мечта современных специалистов по генной инженерии — создать самоудобряющиеся сорта зерновых культур, которые имели бы на корнях клубеньки с азотофиксирующими бактериями, аналогичные клубенькам на корнях бобовых растений. Полагают, что это позволило бы совершить существенный прорыв в сельском хозяйстве. Однако как знать, не нарушит ли подобное увеличение природной фиксации свободного азота того хрупкого баланса притока и оттока азота в атмосфере, который обеспечивает стабильность концентрации азота в воздухе, которым мы дышим.
На рисунке 1.3 представлен круговорот азота.
Рис.1.3- Круговорот азота
1.4 Круговорот серы
Сера является элементом, необходимым для синтеза многих белков. Для биосистем требуется очень мало серы.
Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву. Сульфат SO4 аналогично нитрату и фосфату — основная доступная форма серы, которая восстанавливается растениями и включается в белки. Затем она проходит по пищевым цепям экосистем и возвращается в круговорот с экскрементами животных.
Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов), вулканы, разложение органики и распад серосодержащих руд и минералов.
На рисунке 1.4 представлен круговорот серы.
Рис.1.4 – Круговорот серы
1.5 Круговорот фосфора
Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), выполняющих в биосистемах функции, связанные с записью, хранением и чтением информации о строении организма. Фосфор — достаточно редкий элемент. Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем относительное содержание его в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы. То есть дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды.
Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями. Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты. Однако добыча и переработка фосфатов создает серьезные проблемы с загрязнением окружающей среды.
На рисунке 1.5 представлен круговорот фосфора.
Рис.1.5- Круговорот фосфора
1.6 Круговорот воды
Около трети, поступающей, на Землю энергии Солнца затрачивается на приведение в движение круговорота воды. Море теряет из-за испарения воды больше, чем получает с осадками. На суше ситуация противоположная. То есть значительная часть осадков, поддерживающих экосистемы суши, приходит к нам с моря.
Однако немалый вклад в круговорот воды вносит и растительность данной конкретной местности, особенно в областях, находящихся в глубине континента, или же «экранированных» от моря грядой гор. Дело в том, что вода, поступающая в растения из почвы, почти полностью (97-99 %) испаряется через листья. Это называется транспирацией. Испарение охлаждает листья и способствует движению в растениях биогенных элементов. Одновременно это поддерживает локальные круговороты воды, позволяющие растительному миру успешно существовать даже если «дожди с моря» достаточно редки.
На рисунке 1.6 представлен круговорот воды.
Рис.1.6- Круговорот воды
2 ЭВТРОФИКАЦИЯ
Эвтрофикация, или эвтрофирование,
- процесс обогащения водоемов питательными
веществами, особенно азотом и фосфором,
главным образом биогенного происхождения.
В результате происходит постепенное
зарастание озера и превращение его в
болото, заполненное илом и разлагающимися
растительными остатками, которое, в конце
концов, полностью высыхает. В естественных
условиях этот процесс занимает десятки
тысяч лет, однако в результате антропогенного
загрязнения протекает очень быстро. Так,
например, в маленьких прудах и озерах
под влиянием человека он завершается
всего за нескольких десятилетий.
Эвтрофикация усиливается, когда рост растений в водоеме стимулируется азотом и фосфором, содержащимися в насыщенных удобрениями стоках с сельскохозяйственных угодий, в чистящих и моющих средствах и других отходах. Воды озера, принимающего эти стоки, представляют собой плодородную среду, в которой происходит бурный рост водных растений, захватывающих пространство, в котором обычно обитают рыбы. Водоросли и другие растения, отмирая, падают на дно и разлагаются аэробными бактериями, потребляющими для этого кислород, что приводит к замору рыбы. Озеро заполняется плавающими и прикрепленными водорослями и другими водными растениями, а также питающимися ими мелкими животными.
Эвтрофикация представляет особую проблему для прибрежных и внутренних вод, где разрастание водорослей может привести к сокращению концентрации растворенного в воде кислорода, что оказывает отрицательное влияние на состояние растений, рыб и других аквабионтов. Эти водоросли зачастую являются токсичными для животных и людей. Чрезмерное поступление соединений азота на поверхность земли может привести к увеличению концентрации нитратов в подземных водах, что делает эти воды непригодными для использования для питьевых целей.
На рисунке 2.1 представлена эвтрофикация.
Рис.2.1 – Эвтрофикация
В упрощённом виде процесс эвтрофирования имеет следующие базовые стадии:
в верхнем слое воды происходит концентрация биогенных веществ, что провоцирует активное развитие микрофлоры (прежде всего, фитопланктона, также водорослей-обрастателей) в этой зоне и увеличение массы питающегося фитопланктоном зоопланктона. Подобный рост снижает прозрачность воды, глубина проникновения лучей солнца уменьшается, в результате недостатка света начинается гибель придонных растений. Процесс отмирания донных водных растений влечёт за собой гибель прочих организмов, которым эти растения формируют местообитание или для которых они являются вышестоящим звеном в пищевой цепи.
от температурного режима верхнего слоя воды зависит активность увеличения биомассы растений (особенно водорослей). В ночное время фотосинтез в этих растениях не происходит, но активный процесс дыхания продолжается. Летом, в предутренние часы тёплых дней, содержание кислорода в верхних горизонтах воды падает и наблюдается гибель аэробных организмов, населяющих эти горизонты и требовательных к содержанию кислорода (так называемый «летний замор»).
отмершие организмы падают на дно водоёма и разлагаются аэробными бактериями. Однако, страдающая от гипоксии донная растительность уже не в состоянии обеспечивать производство кислорода в должной мере. А если учесть, что общая биопродуктивность эвтрофного водоема увеличивается, нарастает дисбаланс между производством и потреблением кислорода в придонных горизонтах. Усугубившийся дефицит кислорода ведёт к гибели требовательной к кислороду донной и придонной фауны. Схожее явление наблюдается зимой в мелководных замкнутых водоёмах — т.н. «зимний замор».
в донном грунте, лишенном кислорода, идет анаэробный распад отмерших организмов с образованием таких сильных ядов, как фенолы и сероводород, и столь мощного «парникового газа» (по своему эффекту в этом плане превосходящего углекислый газ в 25 раз), как метан. В результате процесс эвтрофикации уничтожает большую часть видов флоры и фауны водоема, практически полностью разрушая или очень сильно трансформируя его экосистемы, и сильно ухудшает санитарно-гигиенические качества его воды, вплоть до ее полной непригодности для купания и питьевого водоснабжения.
Существует два основных подхода для борьбы с эвтрофикацией:
борьба против ее симптомов: развития водорослей и (или) снижения уровня растворенного кислорода;
устранение ее причины: чрезмерное поступление наносов и биогенов.
Часто используют 1-й способ, но успех сомнителен и дорогостоящий. Например, для устранения нежелательных растений в водоемах успешно применяют гербициды. Еще в 70-х и 80-х годах в пруды и озера сброшены тысячи тонн химикатов, оказалось, что они не всегда помогают. Если сбросить в водоем количество химикатов, достаточное для уничтожения водорослей, то все живое в нем погибнет. Если же понизить концентрацию гербицидов, то в первую очередь, появятся планктонные водоросли. Для поддержания в водоеме содержания растворенного кислорода на достаточно высоком уровне часто используют аэрацию (систему механической подачи воздуха). При аэрации может также сократиться содержание в воде фосфатов, т.к. они переходят в нерастворимую форму. Однако аэрация, особенно крупных водоемов требует значительных энергетических затрат. Поэтому 2-й способ борьбы с эвтрофикацией более эффективен, для него необходимо выявить источники притока наносов и биогенов, а затем применить экономические эффективные методы контроля за ними.
2.1 Эвтрофикация воды в реках и озерах
Эвтрофикация — это составная часть естественного процесса, называемого сукцессией. За несколько тысяч лет озеро может измениться естественным путем и превратиться из олиготрофного в эвтрофное, т.е. состариться. Антропогенная деятельность приводит к аналогичным последствиям всего за несколько десятилетий. Поэтому принято говорить об антропогенной эвтрофикации, противопоставляя ее естественной. Эвтрофикация — хороший пример того, что не все негативные проблемы связаны с промышленным выбросом ядовитых соединений.
Эвтрофикация также является причиной вымывания азота из почвы, что приводит к усилению процессов закисления поверхностных и подземных вод. Озера, подверженные эвтрофикации, называют мертвыми. Строго говоря, это неправильно, т.к. общая биопродуктивность фитопланктона может быть высокой. Такие водоемы не используются для отдыха и не могут служить источником питьевой воды, т.к. клетки водорослей быстро забивают водоочистительные фильтры и придают воде неприятный вкус.
В геологических масштабах времени водоемы постепенно обогащаются биогенами и заполняются поступающими с суши наносами. Таким образом, их эвтрофикация становится составной частью естественного процесса, называемого сукцессией. Люди своей деятельностью значительно ускоряют этот процесс. За несколько десятилетий они приводят к изменениям, которые в природных условиях проходили бы тысячи лет, поэтому разделяют антропогенную и естественную эвтрофикацию.
Эвтрофикация водоемов — это обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона. Результатом является помутнение воды, гибель бентосных растений, снижение концентрации растворенного кислорода, недостаток его для глубоководных рыб и моллюсков. Эвтрофикация может происходить даже в медленно текущих пресных водах. Чем больше органических веществ поступает в озеро, тем больше требуется кислорода для перевода их в неорганические соединения. Поэтому комплексными характеристиками загрязнения воды органическими веществами служит биологическое (БПК) и химическое (ХПК) потребление кислорода. Эвтрофикация представляет собой смену богатой экосистемы, основанной на бентосной растительности, на простую, основанную на фитопланктоне. В геологических масштабах времени водоемы постоянно обогащаются биогенами и заполняются поступающими с суши наносами. За многие столетия в озере накапливаются ил и детрит, постепенно заполняющие первоначально глубокую чашу озера.
Необходимо различать две жизненные формы водных растений:
-бентосную
-фитопланктонную
Бентосные (греч. «бентос» - глубина) растения развиваются прикрепившись или укоренившись на дне. Это все обычные аквариумные виды и морские травы, они выживают в бедной биогенами воде, т.к. получают необходимые элементы (например, азот и фосфор) из донных отложений, но нуждаются в проникновении через толщу воды света (для фотосинтеза).
Фитопланктон состоит из множества видов водорослей, их скоплений или «нитей», которые держатся вблизи поверхности воды или прямо на ней. Высокая численность планктона является причиной помутнения воды, а иногда вода становится даже зеленой. Фитопланктон не связан с дном, поэтому должен получать биогены из воды, а их недостаток тормозит его развитие.
Различают:
- олиготрофные озера (лат. бедные пищей) бедны минеральным азотом и особенно фосфором, встречающимся в виде следов. Благодаря низкой плотности биоценоза в воде присутствует много кислорода (рис. 6.13, а), а содержание СО 2 невелико. Вследствие чего отмечается нерастворимость соединений железа. Вода прозрачная, синего или зеленого цвета. К такому типу относят глубокие озера с песчаными берегами.
Кислород из атмосферы растворяется в воде крайне медленно.
Следовательно, бентосные растения не только обеспечивают пищу и убежище водным животным, но и поддерживают необходимую концентрацию растворенного кислорода на глубине, выделяя его непосредственно в воду. В результате в водоеме, обедненном питательными элементами, может существовать богатый, разнообразный биоценоз из рыб, моллюсков и бентосных растений, которыми они питаются.
- эвтрофные озера (от греч. хорошо и лат. питающегося ) богаты азотом и фосфором. Обилие организмов ведет к истощению кислорода в глубинных слоях воды во время фаз застоя (рис. 6.13, б).
Вода малопрозрачная, от зеленовато-коричневой до коричневой. Для таких озер характерны небольшие глубины, благоприятствующие образованию широких поясов прибрежной растительности.
- дистрофные озера неглубокие с берегами, поросшими торфообразующими растениями. Вода малопрозрачна, окрашена в бурый цвет гуминовыми веществами, кислород в дефиците, реакция воды слабокислая.
Обогащение биогенами. При эрозии и выщелачивании водоем постепенно заполняется наносами и обогащается биогенами, накопление которых способствует развитию фитопланктона, а значит, помутнению воды и затенению бентосной растительности. Кислород, выделяемый планктоном при фотосинтезе, перенасыщает верхний слой воды и улетучивается с ее поверхности. В ясный день легко видеть, как из скоплений нитчатых водорослей всплывают пузырьки кислорода. Жизненный цикл фитопланктона очень короток. Его быстрое размножение компенсируется отмиранием, ведущим к накоплению детрита. Отмерший фитопланктон поступает в глубинную зону, где им питаются редуценты, также потребляющие кислород и снижающие его концентрацию в воде. Когда растворенного кислорода не остается, бактерии - редуценты выживают за счет анаэробного брожения, и так может продолжаться до тех пор, пока есть детрит для питания.
Таким образом, у поверхности количество растворенного кислорода может быть очень высоким из-за фотосинтеза фитопланктона, а на глубине его запасы истощаются редуцентами (рис. 6.13, б).
Фитопланктон переносит усвоенные им биогенные элементы на дно, где по мере разложения детрита они вновь высвобождаются. Восходящие конвективные потоки возвращают биогены к поверхности, и описанный процесс повторяется многократно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, все вещества на планете Земля находятся в процессе круговорота. Выделяют два основных круговорота: географический (большой) и биологический (малый).
Географический круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется биоценозом. Крупные медленные геоктонические изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
- Нарушение липидного обмена. Атеросклероз
- Нарушение межличностной коммуникации в семье
- Нарушение микроциркуляции в очаге воспаления
- Нарушение моторики при заикании
- Нарушение мышления
- Нарушение нанимателем договора
- Нарушение неприкосновенности частной жизни
- Нарушение договора как основание ответственности
- Нарушение желчеобразования у жвачных
- Нарушение земель горными работами
- Нарушение зубной системы у собаки
- Нарушение кровообращения и лимфообращения
- Нарушение круговорота вещевтв человеком
- Нарушение круговорота веществ в природе
