Биогеофизические круговороты веществ в природе

Биогеофизические круговороты веществ в природе

План:

1. Круговорот воды.

2. Круговорот углерода.

3. Круговорот кислорода.

4. Круговорот азота.

5. Круговорот фосфора.

6. Круговорот серы.

Круговорот воды. Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с

поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и,

рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках,

озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она

только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех

выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же

наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как

большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за

счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть

два пути. Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в

результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или

поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и

подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и

грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих

водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и

недостатки в качестве источника питьевой воды.

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности

земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и

биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного

состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с

поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение

осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной

пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится

значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает

обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь

возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой

круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он,

взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает

воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды

и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые

воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят

минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.

Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность

полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние

ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги

отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней.

Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и

опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального

процесса динамики вод на земном шаре.

Круговорот углерода. Углерод в биосфере часто представлен наиболее

подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты

биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой

дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями.

Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с

образованием органических веществ и в последующем захоронении их в

литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики,

осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов

лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не

использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и

постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в

породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и

давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и

уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и

условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это

ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в

определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс

в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие

источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития

цивилизации.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной

системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-.

Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит

осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные

толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует

еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы

поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть

его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных

на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием

CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое

сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания

углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства

и транспорта.

Круговорот кислорода. Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы

происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их

остатками после гибели.

В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота.

Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула

О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во

множество химических соединений минерального и органического миров.

Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным

продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество

отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и

гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время,

когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и

оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого

кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

Круговорот азота. . При гниении органических веществ значительная

часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием

живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную

кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами,

например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:

2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н

Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном

виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических

веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того, существуют

бактерии, которые при .недостаточном доступе воздуха могут отнимать

кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота.

Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к тому, что часть

азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в

недоступную (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входивший

в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его

постепенно выделяется в свободном виде.

Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы

привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не

существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам

относятся, прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды, при

которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с

водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим

источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность

так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот.

Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений из семейства

бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему они

и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот,

клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения,

в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота.

Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части

растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения,

возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений.

Круговорот фосфора. Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих

энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде

неорганического фосфатиона (PO43-). Фосфаты растворимы в воде, но не

летучи. Растения поглощают PO43- из водного раствора и включают фосфор в

состав различных органических соединений, где он выступает в форме так

называемого органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от

растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика

вероятность окисления содержащего фосфор соединения в процессе клеточного

дыхания для получения организмом энергии. Когда это происходит, фосфат в

составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего

снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.

В отличие, например, от углекислого газа, который, где бы он ни

выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками пока

снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно,

нет "свободного возврата" в атмосферу. Попадая в водоемы, фосфор насыщает,

а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-

то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая

часть общего количества, оказывающаяся к тому же вблизи побережья.

Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью

воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение

миллионов лет.

Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в

экосистеме лишь в том случае, если содержащие их "отходы" жизнедеятельности

откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных

экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их функционирование

вмешивается человек, он нарушает естественный круговорот, перевозя,

например, урожай вместе с накопленными из почвы биогенами на большие

расстояния к потребителям.

Круговорот серы. Сера является важным составным элементом живого вещества.

Большая часть ее в живых организмах находится в виде органических

соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически

активных веществ: витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве

катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и

активизирующих некоторые ферменты.

Сера представляет собой исключительно активный химический элемент

биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от

окислительно-восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в

земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше

420 минералов.

В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных

минералов: пирита , пирронита , халькопирита , в осадочных породах

содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях - в виде примесей

серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится

преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические

соединения.

В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера

в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан. Сера

поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими

соединениями, чем пресноводные и наземные.

-----------------------

[pic]

Фотосинтез, органическое вещество растений

Органическое вещество животных

Органическое вещество почв

Свет

Углерод

Вулканическая деятельность

Океан

Известняки, коралловые рифы и др.

Захоронение (уход в геологию)

Высвобождение углерода человеком

[pic]

Органический азот растений и животных (NH2)

Аммонификация

Мочевина

CO(NH2)2

Аммиак

(NH3)

Ион аммония

(NH4)

Закись азота

(N2O)

Нитрификация

Нитриты

(NO2)

Свободный азот

Нитрификация

Нитраты

(NO3)

Азотофиксирующие организмы

Продукция растений и животных

Фосфат - ионы

(PO4)

Фосфор в организмах

Ассимиляция

Минерализация органических веществ

Фосфаты

Фосфатредуцирующие

бактерии

Водные экосистемы

Тела организмов

Осадки (уход в геологию)

Высвобождение человеком (удобрения), вынос животными