Круговорот фосфора

СОДЕРЖАНИЕ

1. Роль человеческого фактора в решении проблем экологии

2. Составьте схему круговорота и покажите перемещение фосфорсодержащих соединений

Список литературы

1. Роль человеческого фактора в решении проблем экологии

В настоящее время стихийное развитие взаимоотношений с природой представляет опасность для существования не только отдельных объектов, территорий, стран и т. п., но и для всего человечества.

Это объясняется тем, что человек тесно связан с живой природой происхождением, материальными и духовными потребностями, но, в отличие от других организмов, эти связи достигли таких масштабов и форм, что это может привести (и уже приводит!) к практически полному вовлечению живого покрова планеты (биосферы) в жизнеобеспечение современного общества, что поставило человечество на грань экологической катастрофы.

Остановить стихийное развитие событий помогут лишь знания о том, как ими управлять и, в случае с экологией, эти знания должны «овладеть массами», по крайней мере, большей частью общества, что возможно лишь через всеобщее экологическое образование людей, начиная со школьной скамьи и заканчивая вузом.

Экологические знания необходимы каждому человеку, чтобы сбылась мечта многих поколений мыслителей о создании достойной человека среды, для чего надо построить прекрасные города, развить настолько совершенные производительные силы, которые смогли бы обеспечить гармоник) человека и природы. Но эта гармония невозможна, если люди враждебно настроены друг к другу и, тем более; если идут войны» что, к сожалению» имеет место. Как справедливо отметил американский эколог Б. Коммоиер в начале 70-х гг., «поиски истоков любой проблемы, связанной с окружающей средой, приводят к неоспоримой истине, что коренная причина кризиса заключена не в том, как люди взаимодействуют с природой, а в том, как они взаимодействуют друг с другом... и что, наконец, миру между людьми и природой должен предшествовать мир между людьми».

Таким образом, экологические знания позволяют осознать всю пагубность войны и распрей между людьми, ведь за этим кроется не просто гибель отдельных людей и даже цивилизаций, но это приведет к всеобщей экологической катастрофе, к гибели всего человечества. Значит, важнейшее из экологических условий выживания человека и всего живого — это мирная жизнь на Земле. Именно к этому должен и будет стремиться экологически образованный человек.

Но было бы несправедливо строить всю экологию «вокруг» только человека. Да и собственно экология, как мы уже показали выше, возникла для решения задач изучения взаимодействия всего живого с неживой природой и организмов между собой. Человек — тоже такой же организм, и изоляция его от животных и растений дикой природы существенно сказывается на его здоровье. Домашние животные и растения не могут полностью заменить дикую природу. Изменение, а тем более уничтожение этой природной среды, влечет за собой пагубные последствия для жизни человека. Экологические знания позволяют ему убедиться в этом и принимать правильное решение с целью охраны природы, в том числе и на бытовом уровне. Они позволяют ему понять, что человек и природа — единое целое и представления о господстве его над природой довольно призрачны и примитивны.

Экологически образованный человек не допустит стихийного отношения к окружающей его среде жизни. Он будет бороться против экологического варварства, а если в нашей стране таких людей станет большинство, то они обеспечат нормальную жизнь своим потомкам, решительно став на защиту дикой природы от алчного наступления «дикой» цивилизации, преобразуя и совершенствуя саму цивилизацию, находя наилучшие «экологически чистые» варианты взаимоотношения природы и общества.

В истории формирования природоохранной концепции можно выделить несколько последовательных этапов: видовая и заповедная охрана природы — поресурсная охрана — охрана при­роды — рациональное использование природных ресурсов — ох­рана среды обитания человека — охрана окружающей природ­ной среды. Соответственно расширялось и углублялось само понятие природоохранной деятельности.

Охрана природы — совокупность государственных и общественных мероприятий, направленных на сохранение атмосферы, растительности и животного мира, почв, вод и земных недр.

Интенсивная эксплуатация природных богатств привела к необходимости нового вида природоохранной деятельности — рационального использования природных ресурсов, при котором требования охраны включаются в сам процесс хозяйственной деятельности по использованию природных ресурсов.

На рубеже 50-х гг. XX в. возникает еще одна форма охраны — охрана среды обитания человека. Это понятие, близкое по смыслу к охране природы, в центр внимания ставит человека, сохранение и формирование таких природных условий, которые наиболее благоприятны для его жизни, здоровья и благосостояния.

Охрана окружающей природной среды — новая форма во взаимодействии человека и природы, рожденная в современных условиях, она представляет систему государственных и общественных мер (технологических, экономических, административно-правовых, просветительных, международных), направленных на гармоничное взаимодействие общества и природы, сохранение и воспроизводство действующих экологических сообществ и природных ресурсов во имя живущих и будущих поколений.

В последние годы все чаще используется термин «защита окружающей природной среды». Очень близок по содержанию и объему к этому понятию принятый рядом авторов термин «охрана биосферы». Охрана биосферы — это система мероприятий, проводимых на национальном и международном уровнях и направленных на устранение нежелательного антропогенного или стихийного влияния на функционально взаимосвязанные блоки биосферы (атмосферу, гидросферу, почвенный покров, литосферу, сферу органической жизни), на поддержание выработавшейся эволюционно ее организованности и обеспечения нормального функционирования.

Охрана окружающей природной среды тесно связана с природопользованием — одним из разделов прикладной экологии. Природопользование — общественно-производственная деятельность, направленная на удовлетворение материальных и культурных потребностей общества путем использования различных видов природных ресурсов и природных условий. По Н, Ф. Реймерсу (1992), природопользование включает в себя: а) охрану, возобновление и воспроизводство природных ресурсов, их извлечение и переработку; б) использование и охрану природных условий среды жизни человека; в) сохранение, восстановление и рациональное изменение экологического равновесия природных систем; г) регуляцию воспроизводства человека и численности людей.

Природопользование может быть нерациональным и рациональным. Нерациональное природопользование не обеспечивает сохранение природно-ресурсного потенциала, ведет к оскудению и ухудшению качества природной среды, сопровождается загрязнением и истощением природных систем, нарушением экологического равновесия и разрушением экосистем. Рациональное природопользование означает комплексное научно-обоснованное использование природных богатств, при котором достигается максимально возможное сохранение природно-ресурсного потенциала, при минимальном нарушении способности экосистем к саморегуляции и самовосстановлению.

По Ю. Одуму (1975), рациональное природопользование преследует двоякую цель:

- обеспечить такое состояние окружающей среды, при котором она смогла бы удовлетворить наряду с материальными потребностями запросы эстетики и отдыха;

- обеспечить возможность непрерывного получения урожая полезных растений, производства животных и различных материалов путем установления сбалансированного цикла использования и возобновления.

В нынешний, современный этап развития проблемы охраны окружающей природной среды рождается новое понятие — экологическая безопасность, под которым понимается состояние защищенности жизненно важных экологических интересов человека и прежде всего его прав на благоприятную окружающую природную среду.

Научной основой всех мероприятий по обеспечению экологической безопасности населения и рациональному природопользованию служит теоретическая экология, важнейшие принципы которой ориентированы на поддержание гомеостаза экосистем и на сохранение экзистенционного потенциала.

Нерациональное природопользование, в конечном счете, ведет к экологическому кризису, а экологически сбалансированное природопользование создает предпосылки для выхода из него.

Выход из глобального экологического кризиса — важнейшая научная и практическая проблема современности. Над ее решением работают тысячи ученых, политиков, специалистов-практиков во всех странах мира. Задача заключается в разработке комплекса надежных антикризисных мер, позволяющих активно противодействовать дальнейшей деградации природ­ной среды и выйти на устойчивое развитие общества. Попытки решения этой проблемы только одними какими-либо средствами, например технологическими (очистные сооружения, безотходные технологии и т. д.), принципиально неверны и не приведут к необходимым результатам. Преодоление экологического кризиса возможно лишь при условии гармоничного развития природы и человека, снятии антагонизма между ними. Это достижимо лишь на основе реализации «триединства естественной природы, общества и природы очеловеченной» (Жданов, 1995), на путях устойчивого развития общества (конференция ООН, Рио-де-Жанейро, 1992 г.), комплексного подхода к решению природоохранных проблем.

Наиболее общим принципом, или правилом охраны окружающей среды, необходимо считать следующий (Реймерс, 1994): глобальный исходный природно-ресурсный потенциал в ходе исторического развития непрерывно истощается, что требует от человечества научно-технического совершенствования, направленного на более широкое и полное использование этого потенциала.

Из этого закона следует другой основополагающий принцип охраны природы и среды жизни: «экологичное — эконо­мично», т. е. чем рачительнее подход к природным ресурсам и среде обитания, тем меньше требуется энергетических и других затрат. Воспроизводство природно-ресурсного потенциала и усилия на его воплощение должны быть сопоставимы с эко­номическими результатами эксплуатации природы.

Еще одно важнейшее экологическое правило — все компоненты природной среды — атмосферный воздух, воды, почву и др. — охранять надо не по отдельности, а в целом, как единые природные экосистемы биосферы. Только при таком экологическом подходе, возможно, обеспечить сохранение ландшафтов, недр, генофонда животных и растений.

Согласно закону Российской Федерации об охране окружающей среды (1991) основными принципами охраны окружающей среды являются следующие:

- приоритет охраны жизни и здоровья человека;

- научно-обоснованное сочетание экологических и экономических интересов;

- рациональное и неистощительное использование природных ресурсов;

- платность природопользования.

2. Составьте схему круговорота и покажите перемещение фосфорсодержащих соединений

Составьте пояснительный текст к схеме и дайте ответы на вопросы:

1. Какой фазы не существует в круговороте фосфора?

2. Где фосфор может накапливаться?

3. Почему фосфорные соединения могут возвращаться в растения?

Фосфор – необходимый компонент нуклеиновых кислот, белков, АТФ и ряда других жизненно важных органических веществ. Кроме того, фосфат входит в состав зубной эмали и фосфолипидов мембран. Это сравнительно мало распространённый элемент, и, подобно азоту и калию, он часто бывает фактором, лимитирующим продуктивность экосистем. Форма, в которой элемент поглощается растениями: фосфат РО₄^3- и ортофосфат Н₂РО₄^-. Круговорот фосфора показан на рис.1; он не сложен, так как в природе нет газообразных соединений этого элемента. Значительная часть фосфора рано или

Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные породы (например, апатиты) или осадочные породы (например, фосфориты). Минеральный фосфор – редкий элемент в биосфере, в земной коре его содержание не превышает 1 %, что является основным фактором, лимитирующим продуктивность многих экосистем. Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Он попадает в экосистемы суши и поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения, и таким образом включается в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные ортофосфаты, готовые к употреблению растениями и другими автотрофами.

В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на различных уровнях пищевых цепей пресноводных или морских водоёмов. Во всех водных экосистемах фосфор встречается в четырёх формах, соответственно нерастворимых или растворимых:

Замечено, что в водах умеренных широт в зимнее время возрастает содержание растворённых минеральных фосфатов. Максимального значения концентрация достигает весной, в то время года, когда биосфера особенно сильно в них нуждается (подобные изменения концентраций во времени касаются и растворенных в воде нитратов). Фосфор, накопленный в отложениях на мелководьях, например в иле, высвобождается, когда в зимнее время среда становится анаэробной (почти полная остановка процесса синтеза). Таким образом, естественные условия, способствующие выбыванию серы из круговорота при её восстановлении в присутствии железа, обеспечивают высвобождение фосфатов.

Если проследить все превращения фосфора в масштабе биосферы, то заметим, что его круговорот не замыкается.

Действительно, если в наземных экосистемах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь на выщелачивание^[1], то в океане дело обстоит далеко не так. Это связано с беспрестанной седиментацией органического вещества и, в частности, обогащенных фосфором трупов рыб, фрагменты которых, не использованные в пищу детритофагами и деструкторами, постоянно накапливаются на дне морей. Органический фосфор, осевший на небольшой глубине приливно – отливных и неритических зон, может быть возвращен в круговорот после минерализации, однако это не распространяется на отложения на дне глубоководных зон, которые занимают 85 % общей площади океанов. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, выключаются из биосферы и не могут больше участвовать в круговороте. Конечно, как заметил Ковда (1968 г.), элементы биогеохимического осадочного круговорота не могут накапливаться до бесконечности на дне океана. Тектонические движения способствуют медленному подъему к поверхности осадочных пород, накопленных на дне геосинклиналей. Таким образом, замкнутый цикл осадочных элементов имеет продолжительность, измеряемую геологическими периодами, т.е. десятками и сотнями миллионов лет.

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно отметить, что он полностью не замкнут. Действительно, происходит частичное поступление фосфора из океана на сушу, которое осуществляется главным образом птицами, питающимися рыбой. Перуанские залежи гуано свидетельствуют о крупномасштабности этого явления в некоторых районах земного шара. Вылавливая морских животных, человек тоже участвует в этом процессе. Однако количество фосфора, ежегодно поступающее на сушу благодаря рыболовству, довольно незначительно, около 60 000 т (Hutchinson, 1957 г.), и явно уступает выносу фосфора в гидросферу при выщелачивании растворимых фосфатных удобрений, вносимых в агроэкосистемы, который достигает многих миллионов тонн в год.

Таким образом, в естественных условиях механизм возвращения фосфора из океанов на сушу совершенно не способен компенсировать потери этого элемента на седиментацию. К тому же человек ускоряет эту естественную тенденцию, внося в обрабатываемые земли удобрения, богатые фосфором.

Поскольку на Земле запасы фосфора – элемента, важного для функционирования экосистем, малы, то любые воздействия человека на биогеохимический круговорот фосфора имеет ряд отрицательных последствий.

Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов; содержание его в земной коре составляет около 0.1% (масс.). Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии в природе не встречается.

Из природных соединений фосфора самым важным является ортофосфат кальция, который в виде минерала фосфорита иногда образует большие залежи.

Богатейшие месторождения фосфоритов находятся в Южном Казахстане в горах Каратау.

Фосфор, как и азот, необходим для всех живых существ, так как он входит в состав некоторых белков как растительного, так и животного происхождения. В растениях фосфор содержится главным образом в белках семян, в животных организмах - в белках молока, крови, мозговой и нервной тканей. В виде кислотного остатка фосфорной кислоты фосфор входит в состав нуклеиновых кислот - сложных органических полимерных соединений, принимающих непосредственное участие в процессах передачи наследственных свойств живой клетки.

Сырьем для получения фосфора и его соединений служат фосфориты и апатиты. Природный фосфорит или апатит измельчают, смешивают с песком и углем и накаливают в печах с помощью электрического тока без доступа воздуха всех живых организмах. Основной источник его - горные породы (главным образом изверженые). Среднее содержание фосфора в земной коре 0,085%. Представлен он в основном апатитом и фторапатитом. В осадочных породах это обычно вивианит, вавелит, фосфорит. С образованием биосферы высвобождение фосфора из горных пород усилилось, в результате произошло значительное перераспределение его. Все живое вещество планеты (в среднем) содержит фосфора 0,07%, т.е. немногим менее, чем в литосфере.

Источником фосфора в биосфере главным образом являются апатиты, встречающиеся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы усваивают фосфор из почв, водных растворов.

Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, и других органически соединений. Особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для образования богатых фосфором пород, которые в свою очередь служат источником фосфора в биогенном цикле.

Деятельность человека в настоящее время направлена на увеличение содержания фосфора в окружающей среде. Это явление В.А.Ковда назвал фосфатизацией суши. Она происходит за счёт вылова продуктов моря, богатых фосфором, и главным образом в результате извлечения фосфора из агроруд для производства фосфорных удобрений, различных фосфорсодержащих препаратов. Фосфатизация суши происходит неравномерно. Наиболее сильно она проявляется в промышленно развитых районах, характеризующихся большой плотностью населения. В отличие от них выделяются районы, где происходит, наоборот, дефосфатизация.

Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основные источники неорганического фосфора – изверженные или осадочные породы. В земной коре содержание фосфора не превышает 1%, что лимитирует продуктивность экосистем. Из пород земной коры неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию континентальными водами. Он поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.

В экосистеме океана фосфор приносится текучими водами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов.

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ.

Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот.

Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности.

Таким образом, фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно.

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор – основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор – главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это – наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.

Список литературы

1.   Бернард Н. Наука об окружающей среде. - М.: Мир, 1993

2.   Болбас М.М. Основы промышленной экологии. Москва: Высшая школа, 1993

3.   Бринчук В.А. Экологическое право. – М.: Просвещение, 1996

4.   Владимиров А.М. и др. Охрана окружающей среды. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат 1991

5.   Комягин В.М. Экология и промышленность. - М., Наука, 1998

6.   Коцубинский А.О. Проблемы производства. - М., Наука, 2001

7.   Ливчак И.Ф., Воронов Ю.В. Охрана окружающей среды. - М., Наука, 2000

8.   Петров В.В. Экологическое право России. - М.: Просвещение, 1996

9.   Радзевич Н.Н., Пашканг К.В. Охрана и преобразование природы. – М.: Просвещение, 1986

10.      Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. СПб., Знание, 1999

11.      Экология, окружающая среда и человек/под ред. Ю.В.Новикова. Издательско-торговый дом «Гранд», Москва, 1998

[1] Окаменение скелетов позвоночных на суше – явление довольно редкое, и влияние его на круговорот фосфора не заслуживает внимание.