Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Круговорот веществ в биосфере

Жизнь на Земле продолжается уже около 4 млрд. лет, осуществляясь как постоянный круговорот веществ, поддерживаемый потоком солнечной энергии. Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ:

- геологический или большой, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и в его основе лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места планеты в другое;

- биологический или малый, который заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов создания органического вещества и его разрушения.

Оба круговорота взаимосвязаны: малый является частью большого.

Геологический (большой) круговорот - это обмен химических элементов между океаном и сушей в результате разрушения изверженных горных пород, растворения их в воде, физико-химических превращений и образования минералов при испарении воды. Он существовал и до появления жизни на Земле, его поддерживают энергия Солнца и сила земного тяготения. Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет - горные породы разрушаются, выветриваются, продукты выветривания сносятся потоками воды в Мировой океан, образуют напластования, возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь.

Этот круговорот характеризуется двумя важными моментами:

- осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;

- представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

С появлением биосферы, геологический круговорот, не прекратив своего существования, приобрел новые черты: он стал начальным этапом биосферного перемещения вещества. Именно он поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Биологический (малый) круговорот - это циркуляция веществ между растениями, животными, микроорганизмами и почвой. Основа его - фотосинтез, т.е. превращение зелеными растениями и особыми микроорганизмами (фотоавтотрофами) лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ.

Малый круговорот развёртывается на фоне большого круговорота. Он происходит внутри экосистем, но не замкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот. По этой причине иногда говорят не о биологическом круговороте, а об обмене веществ и потоке энергии в экосистемах и отдельных организмах. С этой точки зрения биосферу можно рассматривать как геосферу, трансформирующуюкосмическое излучение в другие виды энергии (химическую, тепловую).

В отличие от большого круговорота, малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты. Живые организмы создают в биосфере круговорот важнейших биогенных элементов: макробиогенных - С, Н, О, N, Р, К, Са, Mg, S и микробиогенных Fе, Mn, Сu, Zn, В, Na, Mo, CI, V, Со, которые попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю. Именно фотосинтез обусловил появление на Земле кислорода, защитного озонового слоя и условий для биологической эволюции. В результате фотосинтеза ежегодно образуется 145 млрд. т кислорода, более 100 млрд. т органических веществ и усваивается около 200 млрд. т углекислого газа. С появлением жизни на Земле химические элементы беспрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и опять - во внешнюю среду, образуя биогеохимические циклы.

В биогеохимических круговоротах выделяют две части:

- резервный фонд – это большая часть медленно движущихся веществ, как правило, абиотическая часть, не связанная с живым веществом;

- обменный фонд – это меньшая часть, но более активная, которая связана прямым обменом между организмами.

Благодаря наличию большого резервного фонда круговороты могут саморегулироваться, а наличие большого активного фонда снижает степень антропогенной нагрузки.

До некоторой степени условно все циклы можно разделить на две группы:

- цикл веществ в газообразном состоянии с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (С, Н, О2, N2);

- осадочные циклы с резервным фондом в литосфере, стрелка этих циклов направлена вниз (Р, S2).

Основными биосферными циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и остальных биогенных элементов.

4.2.1. Круговорот углерода

Углерод встречается в биосфере в свободном состоянии в виде алмаза, графита, и в связанном состоянии в виде углекислого и угарного газов, карбонатов, угля, нефти, битумов и т.д.). Углерод – обязательный химический элемент органических веществ, то есть является одним из самых важных биогенных элементов (углерод в теле человека содержится в количестве 19,4 % по массе). В состав воздуха углерод входит в виде углекислого газа в незначительном количестве – 0,03 %, но роль его огромна. Атмосферный углерод в виде углекислого газа фиксируется продуцентами, которые переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков. Кроме того, растения и животные на каждом трофическом уровне при дыхании выделяют CO2 в атмосферу (как конечный продукт обмена). Движение углерода по пищевой цепи продолжается до тех пор, пока он в виде CO2 не возвратится в атмосферу в результате дыхания или в результате гибели организмов. Мертвая органика разлагается микроорганизмами почвы, в результате углерод мертвых тканей окисляется до CO2 и выделяется в атмосферу. Процесс выделения углекислого газа из почвы называется почвенным дыханием. Другая, более сложная часть круговорота углерода, протекает в Мировом океане, который в 50–60 раз больше поглощает углерода, чем наземные экосистемы. Холодные воды Мирового океана, поглощая двуокись углерода, растворяют его в воде, при этом образуются угольная кислота, карбонатные и бикарбонатные ионы. Существует и обратный процесс, в результате которого часть углерода в составе CO2 возвращается в атмосферу. Другая часть, содержащаяся в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Цикл углерода замкнут не полностью и на суше. Углерод может выходить из него на длительное время в виде залежей каменного угля, торфа, гумуса и др. Углерод выключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот в результате стагнации. Стагнация (лат. стагнум – стоячая вода) – это естественная блокировка круговорота какого-либо вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, которые содержат до 500 млрд. т этого элемента. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, газа, нефти и вырубка лесов) приводит к увеличению содержания CO2 в атмосфере и развитию парникового эффекта (рис. 6).

 

Рис. 6. Влияние парниковых газов на тепловой баланс Земли

(по Л. И. Цветковой и др., 1999)

 

Все виды солнечного излучения достигают поверхности Земли и нагревают ее. Часть тепловой энергии, отражаясь от поверхности Земли должна уходить в космическое пространство, но эта энергия интенсивно поглощается парниковыми газами. Основным парниковым газом является углекислый газ, он задерживает от 50–65 % энергии; метан – около 20 %; оксиды азота – не более 5 %; озон, фреоны и другие газы – 10–25 %. Вследствие парникового эффекта за последние 100 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 20 %, при этом средняя температура у поверхности Земли увеличилась на 0,5–0,6 оС. Как показывают компьютерные модели, во второй половине ХХI столетия температура может повыситься на 1–3,5 оС, при чем повышение будет неравномерное, если на экваторе оно составит около 1–2 оС, то на полюсах может достичь 6–8 оС. Большинство ученых указывают на то, что столь значительное повышение средней температуры у поверхности Земли изменит погоду, климат и приведет к следующим негативным последствиям:

- затопление прибрежных зон океанов и морей, при этом целые государства уйдут под воду, множество беженцев мигрируют вглубь материков;

- таяние ледников в горах, в результате изменение режима рек и внутренних морей, что также отразится на жизни населения, проживающего вдоль этих водоемов;

- таяние ледников Гренландии, Арктики, Антарктики приведет к изменению альбедо (от лат. albus – светлый) Земли, т.е. отражательной способности Земли (отношение светового потока, отраженного Землей, обратно в космическое пространство, к поступающей энергии) и повлияет на процессы тепломассопереноса в атмосфере и океане;

- воздействие указанных выше факторов изменит циркуляцию воздушных потоков в атмосфере, изменит режим осадков, что приведет к увеличению существующих пустынь и появлению новых;

- отдельные виды и целые экосистемы могут исчезнуть, так как не смогут адаптироваться в короткие сроки к повышению температуры;

- повышение температуры Мирового океана приведет к переходу от поглощения углекислого газа из стратосферу океаном к его выделению, что еще в большей степени разбалансирует климат на наше планете.

Вместе с тем глобальное потепление может иметь и положительнее моменты как в целом по планете, так и для отдельных регионов:

- исследования показали, что при повышении концентрации углекислого газа в атмосфере в два раза урожайность большинства сельскохозяйственных культур возрастет на 30 %;

- для России предполагаемое потепление в ближайшие 100 лет будет иметь больше преимуществ, чем негативных последствий. Например, зона рискованного земледелия отодвинется на 500-1000 км на север. Судоходство по Северному морскому пути не будет сопровождаться ледоколами в течение всего сезона, так как увеличение средней приземной температуры на 1-3,5 0С означает увеличение средней температуры на полюсах на 6-8 0С.

Для того чтобы уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу, необходимо значительно сократить количество углеродосодержащего топлива.

В июне 1988 года в Торонто состоялась международная конференция, которая рекомендовала сократить выбросы CO2 в атмосферу к 2005 году на 20 %, используя альтернативные источники энергии.

В 1992 году конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро приняла конвенцию об изменении климата, по которой необходимо было стабилизировать к 2000 году выбросы парниковых газов на уровне 1990 года.

В декабре 1997 года состоялась Киотская международная конференция, в итоговом документе которой предусматривалось общее сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов на 5,2 %. К 2008-2012 гг. страны Европейского союза должны сократить выбросы парниковых газов на 8 % от уровня 1990 г., США – на 7 %, Япония, Канада – на 6 %. Россия до 2012 г. может производить выбросы на уровне 1990 г. из-за сокращения промышленного производства. По протоколу возможна торговля квотами на эмиссию парниковых газов, особенно тех стран, которые сохранили огромные лесные массивы. Основные «поставщики» CO2 в атмосферу, США и Китай, не ратифицировали протокол конференции.

4.2.2. Круговорот азота

Круговорот азота - один из самых сложных, но одновременно и один из самых идеальных круговоротов. Азот является жизненно важным элементом, входит в состав белков и нуклеиновых кислот.

Газообразный азот выделяется в результате окисления аммиака, образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:

 

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O.

 

В свободном виде азот составляет 78 % атмосферного воздуха, но является химически инертным газом и поэтому недоступен большинству организмов. Растения усваивают азот лишь после его соединения с кислородом или водородом. Процессы превращения азотсодержащих веществ в форму, пригодную для усвоения высшими растениями, называются нитрификацией. В природных условиях связывание атмосферного азота происходит под действием света и при грозовых разрядах, в результате образуется азотная кислота, которая с осадками попадает в почву:

 

N2+O2 →2NO;

2NO+O2 → 2NO2;

4NO2+2H2O+O2 → 4HNO3.

 

Но при разрядах молний незначительное количество атмосферного азота (4-10 кг/га) вовлекается в круговорот, значительно больше благодаря азотфиксации. Процесс связывания азота осуществляют микроорганизмы азотфиксаторы (метанобразующие и сульфатвосстанавливающие бактерии, грибы, сине-зеленые водоросли, клубеньковые бактерии и др.). Таким путем за год накапливается азота 150-400 кг/га. Однако пресы­щения биосферы связанным азотом не происходит. Азот почвы потребляют растения в виде нитратов, нитритов и солей аммония.

В составе растительных белков его используют животные. Возврат азота в атмосферу осуществляемый бактериями-денитрификаторами, которые разлагают нитраты до нитритов, аммиака и молекулярного азота и кислорода.

Азот может выключаться из круговорота путём аккумуляции в глубоководных осадках океана. Однако это компенсируется выделением его в составе вулканических газов.

Влияние деятельности человека на цикл азота определяется следующими процессами:

- сжигание топлива приводит к образованию оксида азота, что способствует выпадению кислотных дождей;

- в результате воздействия микроорганизмов на удобрения и отходы животноводства образуется закись азота, что способствует усилению парникового эффекта;

- для производства минеральных удобрений возрастает добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат-ионы и ионы аммония;

- при распашке земель примерно в 5 раз снижается активность фиксации азота микроорганизмами и активизируется деятельность разрушающих азотные соединения бактерий. При сборе урожая из почвы выносятся соединения азота. В итоге уменьшается содержание связанного азота в его основном хранилище-почве;

- стоки с полей, ферм и из канализаций увеличивают количество нитрат-ионы и ионы аммония в водных экосистемах, что ускоряет рост водорослей, приводящий к процессу эвтрофикации.

Эвтрофикация (греч. eutrophia - хорошее питание) - это повышение уровня первичной продуктивности водоёмов из-за повышения в них концентрации биогенных веществ, в основном азота и фосфора, поступающих обычно из-за смыва удобрений с полей. Эвтрофикация приводит к «цветению» воды, вызываемому массовым развитием синезелённых и других водорослей, зарастанию прибрежной зоны, к уменьшению прозрачности и содержанию кислорода. Высокая степень эвтрофикации приводит к заморам рыб и других гидробионтов.

4.2.3. Круговорот фосфора

Минеральный фосфор – редкий элемент, содержание его в земной коре не превышает 1 %, что ограничивает продуктивность экосистем. Фосфор является жизненно важным элементом, входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, жиров, костей и зубов. Кроме того, он необходим для построения таких молекул, которые способны аккумулировать все виды энергии и распределять ее в зависимости от потребностей организма. Основным источником неорганического фосфора служат изверженные породы - апатиты и древние осадочные - фосфориты.

Общий круговорот фосфора делится на две части – наземную и морскую, причем основная часть круговорота протекает в океане. В наземных экосистемах фосфор поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические вещества. Далее фосфор передается по пищевой сети. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых организмов возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в ортофосфаты (фосфаты), употребляемые зелеными растениями.

В наземных системах круговорот фосфора происходит с минимальными потерями, в отличие от водных экосистем. В океане большая часть фосфора оседает, уходит на дно, исключается из круговорота и лишь небольшая часть усваивается фитопланктоном. Фитопланктон – основной источник кислорода и органических веществ для других обитателей водной экосистемы, вплоть до морских птиц. Их экскременты (исп. гуано) либо сразу попадают в море, либо в больших количествах скапливаются у берегов, а затем смываются водными потоками в море. Скелеты морских животных, особенно рыб, достигают больших глубин, и заключенный в них фосфор оседает на дно морей и океанов. Возврат фосфора в круговорот в природе происходит медленно, и не компенсирует его потери. Сейчас не происходит поднятия донных отложений на поверхность, лишь спустя миллионы лет геологические процессы смогут поднять океанические отложения фосфатов и вернуть их в круговорот, что делает круговорот фосфора менее замкнутым. Главным отличием рассмотренного круговорота является то, что резервным фондом его является не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.

Ежегодно добывается 1 - 2 млн. т фосфорсодержащих пород с целью использования либо в качестве удобрений, либо в производстве моющих средств. что приводит к отрицательным последствиям: к истощению запасов фосфоритов, апатитов; к эвтрофикации водоемов.

Таким образом, круговорот фосфора является лимитирующим (ограничивающим) все другие круговороты и определяющим стабильность биосферы.

4.2.4. Круговорот серы

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в водных экосистемах – в форме иона (SO42-), в виде газообразных соединений сероводорода (H2S) или сернистого газа (SO2), а также в свободном состоянии – самородная сера. Следовательно, резервный фонд серы находится не только в литосфере, но и в атмосфере в отличие от фосфора. Сера жизненно необходима живым организмам, она входит в состав белков и аминокислот, а у растений, кроме того, – в состав эфирных масел.

Большая часть круговорота серы происходит в почве и в водоемах при участии многочисленных микроорганизмов, которые окисляют сульфидную серу до сульфатной серы, которую и поглощают растения. Поглощая сульфаты, растения восстанавливают их и создают серосодержащие аминокислоты, которые необходимы для построения серосодержащих белков. В процессе разрушения микроорганизмами остатков организмов образуется сероводород, который далее окисляется хемосинтезирующими бактериями либо до элементарной серы, либо до сульфатов, которые доступны продуцентам.

Заключительная стадия круговорота серы полностью осадочная. В почве и глубоководных осадках сульфатная сера может образовывать залежи гипса, а сероводород в присутствии железа – сульфиды железа практически не растворимые в воде. По истечению времени и сульфиды, и гипс вновь подвергнутся разрушению, и сера возобновит свой цикл.

Деятельность человека нарушает круговорот серы тем, что, сжигая большое количество ископаемого топлива – мазута и угля с высоким содержанием серы, увеличивает содержание сернистого газа (SO2) в атмосфере, который, смешиваясь водяным паром, приводит к образованию кислотных дождей (рис. 7).

Рис. 7. Схема образования кислотного дождя

 

Термин "кислотные дожди", обозначающий атмосферные осадки с повышенной кислотностью (рН ниже 5,6) ввёл английский инженер Роберт Смит в 1872 г. в своей книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии».

Проблема кислотных дождей возникла в начале 70-х годов ХХ в.. Первыми эту проблему ощутили страны Скандинавского полуострова, где тысячи озер становились «мертвыми», погибали все представители флоры и фауны из-за закисления воды (рН<5). Затем с этой проблемой столкнулись в США, Канаде, Северной Европе, России, Японии (рис. 8). Кислотные дожди являются трансграничными загрязнениями. Выбрасывают SO2 одни страны, а с проблемой кислотного дождя сталкиваются другие страны, так как процесс образования капелек кислоты во времени очень длительный и воздушные массы могут относить их на сотни километров от источника выбросов. Основным «экспортером» кислотных дождей в 80-х годах стала Великобритания. На территорию России больше в 8 раз поступает сернистого газа, чем выносится с ее территории в другие государства. От кислотных осадков страдают не только озера, но и леса, поля, пастбища. Кислота разъедает исторические памятники, бетонные фундаменты, трубопроводы и усиливает коррозию строительных конструкций из железа и других металлов. Капельки кислоты, содержащиеся в воздухе, негативно воздействуют на человека, вызывая аллергию и бронхит. При вдыхании кислотных частиц с пылью, содержащей тяжелые металлы, возможен рост раковых опухолей.

 

Рис. 8. Средние значения рН=4,1…4,9 осадков в Европе по данным

наблюдений за 1978–1982 гг.

 

Для уменьшения выбросов сернистого газа предпринимаются следующие меры:

- замена угля на низкосернистые виды топлива (газ);

- промывка угля после измельчения;

- химическое удаление серы – десульфурация;

- использование скрубберов – жидких фильтров, пропитанных раствором извести, для газообразных продуктов сгорания;

- сжигание угля в псевдосжиженном слое в смеси с песком и известью, при этом сера соединяется с известью и удаляется с золой.

В 1983 году начала действовать Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на больших расстояниях. В 1985 г. в Хельсинки 20 государств и Канада подписали Протокол о снижении выбросов серы на 30 %. Принятые меры в странах Большой семерки в 1970–1990 гг. позволили снизить выбросы SOх.

В рамках круговорота всех элементов происходит избавление от отходов и получение ресурсов, что является основополагающими факторами, обеспечивающими существование экосистем.

 

 


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Биосфера | Природные ресурсы биосферы и их рациональное использование
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 970; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.049 сек.