Біогеохімічні цикли: структура, загальна характеристика, цикли вуглецю, азоту, кисню, сірки

Індекс групи ___________________

Орловський Олександр Володимирович

м. Бровари Київської області

вул. Київська 300в кв. 51

Приватний підприємець

Контрольна робота

з Основ екології «Біогеохімічні цикли: структура, загальна характеристика, цикли вуглецю, азоту, кисню, сірки».

Викладач: професор Падун Алла Олексіївна

Київ 2006р.

Зміст:

 

Поняття біогеохімічного циклу. 3

Кругообіг речовин в біосфері 4

Кругообіг вуглецю.. 5

Кругообіг кисню.. 8

Кругообіг азоту. 9

Кругообіг сірки. 10

Перелік використаної літератури. 12

                        Поняття біогеохімічного циклу

На відміну від енергії, котра використовувалася організмом, перетворилась у тепло і втрачається для екосистеми, речовини циркулюють у біосфері, що і називається біогеохімічними круговоротами або циклами. З 90 з зайвим елементів, що зустрічаються в природі, близько 40 потрібні живим організмам. Найбільш важливі для них і потрібні у великих кількостях: вуглець, водень, кисень, азот та сірка. Кисень надходить у атмосферу в результаті фотосинтезу та витрачується організмами при диханні. Азот вилучається з атмосфери завдяки діяльності азотофіксуючих бактерій і повертається до неї іншими бактеріями.

Кругообіг елементів і речовин здійснюються за рахунок саморегулюючих процесів, в яких беруть участь всі складові екосистем. Ці процеси є безвідходними. В природі немає нічого даремного або шкідливого, навіть від вулканічних вивержень є користь, бо з вулканічними газами в повітря надходять потрібні елементи, наприклад, азот. Існує закон глобального замикання біогеохімічного кругообігу в біосфері, діючий на всіх етапах її розвитку. В процесі еволюції біосфери збільшується роль біологічного компоненту в замиканні біогеохімічного кругообігу. Ще більшу роль в біогеохімічному кругообігу відіграє людина. Але її роль здійснюється в протилежному напрямку. Людина порушує кругообіг речовин, який вже склався, і в цьому виявляється її геологічна сила, руйнівна по відношенню до біосфери на сьогоднішній день.

 Кругообіг речовин в біосфері

Процеси фотосинтезу органічної речовини з неорганічних компонентів триває мільйони років і за такий час хімічні елементи повинні були перейти з однієї форми в іншу. Однак цього не відбувається завдяки їх кругообігу в біосфері. Щорічно фотосинтезуючі організми засвоюють майже 350 млрд. т. вуглекислого газу, виділяють до атмосфери біля 250 млрд. т. кисню і розщеплюють 140 млрд. т води, утворюючи понад 230 млрд. т органічної речовини (в перерахунку на суху вагу).

 Величезні кількості води проходять через рослини та водорості в процесі забезпечення транспортної функції та випаровування. Це призводить до того, що вода поверхневого шару океану фільтрується планктоном за 40 днів, а вся інша вода океану – приблизно за рік. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлюється за декілька сотень років, а кисень за декілька тисяч років. Щорічно фотосинтезом до кругообігу включається 6 млрд. т азоту, 210 млрд. т фосфору та велика кількість інших елементів (калій, натрій, кальцій, магній, сірка, залізо та ін.). Існування цих кругообігів придає екосистемі певну тривалість.

Розрізняють два основних кругообігу: великий (геологічний) і малий (біотичний).

Великій кругообіг, триває мільйони років і полягає в тому, що гірські породи підлягають руйнуванню, а продукти вивітрювання (в тому числі розчинні у воді поживні речовини) зносяться потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу із опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і підняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу і процес починається знов.

 Малий кругообіг (частина великого) відбувається на рівні екосистеми і полягає в тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і на життєві процеси як самих цих рослин, так і інших організмів (як правило тварин), що з’їдають ці рослини. Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черві) знов розкладаються до мінеральних компонентів, доступних рослинам і що втягуються ними у потоки речовини. Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні та тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій називається біогеохімічним циклом. У такі цикли втягнуті практично всі хімічні елементи і насамперед ті, що беруть участь в побудові живої клітини. Так, тіло людини складається з кисню (62.8%), вуглецю (19.37%), водню (9.31%), азоту (5.14%), кальцію (1.38%), фосфору (0.64%) та ще приблизно з 30 елементів.

Кругообіг вуглецю

Самий інтенсивний біогеохімічний цикл – кругообіг вуглецю. В природі вуглець існує в двох основних формах – в карбонатах (вапняках) та вуглекислому газі. Вуглець бере участь в утворенні вуглеводів, жирів, білків та нуклеїнових кислот. Основна маса акумульована в карбонатах на дні океану (10¹⁶ т), в кристалічних породах (10¹⁶ т), кам'яному вугіллі та нафті (10¹⁶ т) що беруть участь в великому циклі. Основна ланка великого кругообігу вуглецю - взаємозв'язок процесів фотосинтезу і аеробного дихання (мал. 1). Інша ланка великого циклу кругообігу вуглецю уявляє собою анаеробне дихання (без доступу кисню); різноманітні види анаеробних бактерій перетворюють органічні сполуки в метан та інші речовини (наприклад, в болотних екосистемах, на смітниках відходів). В малому циклі кругообігу бере участь вуглець, що міститься в рослинних тканинах та тканинах тваринних. Більш докладна схема кругообігу представлена на мал.2.

	Енергія сонця

Спалювання і Тепло Тепло

вивітрювання

Мал. 1. Кругообіг вуглецю в процесах фотосинтезу і аеробного дихання.

Розчинюється

в дощовій

 воді

 

Мал. 2. Кругообіг вуглецю.

Кругообіг кисню

В кількісному відношенні головною складовою живої матерії є кисень, кругообіг якого ускладнений його здатністю вступати в різні хімічні реакції, головним чином реакції окислення. В результаті виникає безліч локальних циклів, що відбуваються між атмосферою, гідросферою та літосферою, які в свою чергу можуть бути порушені антропогенним фактором. Кисень, що міститься в атмосфері і в поверхневих мінералах (осадові кальцити, залізні руди), має біогенне походження і повинен розглядатися як продукт фотосинтезу. Цей процес протилежний процесу споживання кисню при диханні, який супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисню із воднем та утворенням води. В деякому відношенні кругообіг кисню нагадує зворотний кругообіг вуглекислого газу. В основному він відбувається між атмосферою та живими організмами. Споживання атмосферного кисню та його відновлення рослинами в процесі фотосинтезу здійснюється досить швидко. Розрахунки показують, що для повного поновлення всього атмосферного кисню вимагається біля двох тисяч років. З іншого боку, для того, щоб всі молекули води гідросфери були підвержені фотолізу і знов синтезовані живими організмами, необхідно два мільйони років. Більша частина кисню, що виробляється на протязі геологічних епох, не залишалася в атмосфері, а фіксувалася літосферою у вигляді карбонатів, сульфатів, оксидів заліза, і її маса складає 5,9*10¹⁶ т. Маса кисню, що циркулює в біосфері у вигляді газу або сульфатів, розчинених в океанських та континентальних водах, в декілька разів менша (0,4*10¹⁶ т).

 Відзначимо, що, починаючи з певної концентрації, кисень дуже токсичний для клітин і тканин (навіть у аеробних організмів). А живий анаеробний організм не може витримати ( це було доведене ще в минулому сторіччі Л. Пастером) концентрацію кисню, що перевищує атмосферну на 1%.

Кругообіг азоту

Газоподібний азот виникає в результаті реакції окислення аміаку, який утворюється при виверженні вулканів та розкладені біологічних відходів: 4 NH₃ + 3 O₂ ® 2 N₂ + 6 H₂O.

1.      Кругообіг азоту – один з самих складних, але водночас самих ідеальних кругообігів. Незважаючи на те, що азот складає біля 80% атмосферного повітря, в більшості випадків він не може бути безпосередньо використаний рослинами, так як вони не засвоюють газоподібний азот. Втручання живих істот у кругообіг азоту підпорядковане суворій ієрархії: лише певні категорії організмів можуть виявляти вплив на окремі фази цього циклу. Газоподібний азот беззупинно надходить до атмосфери в результаті роботи деяких бактерій, тоді як інші бактерії – фіксатори (разом з синьо-зеленими водоростями) постійно поглинають його, перетворюючи в нітрати. Неорганічним шляхом нітрати утворюються й в атмосфері в результаті електричних розрядів під час гроз. Найбільш активні споживачі азоту – бактерії на кореневій системі рослин сімейства бобових. Кожному виду цих рослин притаманні свої особливі бактерії, що перетворюють азот в нітрати. В процесі біологічного циклу нітрат – іони (NO₃^-) та іони амонію (NH₄⁺), що поглинаються рослинами з ґрунтової вологи, перетворюються у білки, нуклеїнові кислоти і так далі. Потім утворяться відходи у вигляді загиблих організмів, що є об'єктами життєдіяльності інших бактерій та грибів, перетворюючих їх в аміак. Так виникає новий цикл кругообігу. Існують організми, здатні перетворювати аміак у нітрити, нітрати і в газоподібний азот. Основні ланки кругообігу азоту в біосфері представлені схемою на мал.3. Біологічна активність організмів доповнюється промисловими засобами отримання азотомістких органічних та неорганічних речовин, багато з яких застосовуються в якості добрив для підвищення продуктивності та росту рослин.

	Оксиди азота (в атмосфері)		Азот (в атмосфері)

Блискавки Денітрофікуючі

Азотофіксуючі бактерії

бактерії

Синьо – зелені

Бактерії Опади водорості

Аміак і іони аммонія (в грунті і воді)

 

Бактерії

Бактерії

Бактерії

Мал. 3. Кругообіг азоту

Кругообіг сірки

З природних джерел сірка потрапляє до атмосфери у вигляді сірководню, двооксиду сірки і часток сульфатних солей (мал. 4). Біля однієї третини сполук сірки і 99% двооксиду сірки – антропогенного походження. В атмосфері протікають реакції, що призводять до кислотних опадів:

2SO₂ + O₂ ® 2SO₃ , SO₃ + H₂O ® H₂SO₄ .

+ O₂

Атмосфера

+ Н₂О

Вулкани і гарячі джерела

+ NH₃

Туман и опади (дощ, сніг)

(NH4 )2SO4

 

* *

H2S

**

**

Мал. 4. Кругообіг сірки

Перелік використаної літератури:

1.   Болин Б. Круговорот углерода. /Биосфера. – М.:Мир, 1972.-С. 91-104.

2.   Бондарев Л.Г. Роль растительности в миграции минеральных веществ в атмосфере. // Природа.,1981, № 3, С.86-90.

3.   Войткевич Г.В. Бактерии и состав атмосферы. – М.: Издательство МГУ, 1984, 272с.

4.   Гаррелс Р.М. Круговорот углерода, кислорода и серы в течении геологического времени. – М.: Наука, 1975 - 48с.

5.   Делвич К. Круговорот азота. /Биосфера. – М.:Мир, 1972.-С. 105-119.

6.   Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учебн. пособие для геогр., биол., геолог., с-х спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1998. –413с.

7.   Добродеев О.П., Суетова И.А. Живое вещество Земли. М.: Издательство МГУ, 1986.

8.   Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. - М.: Наука, 1984.- 199с.

9.   Ковальский В.В. Геохимическая экология. – М.: Наука, 1974.- 289с.

10.            Ковда В.А. Биогеохимические циклы в природе и их нарушение человеком. /Биогеохимические циклы в биосфере. - М.: Наука, 1976. – С.19-35.

11.            Лейн А.Ю., Иванов М.В. Глобальные биогеохимические циклы элементов и влияние на них деятельности человека. //Геохимия. 1976, № 8, С.1252-1277.

12.            Френд Дж.П. Циклы серы в природе. //Химия нижней атмосферы. //Под ред. С.Расула.- М.: Мир, 1976. –С. 223-251.