Структура и основные циклы биохимических круговоротов

Круговорот и биогеохимические циклы веществ

Структура и основные циклы биохимических круговоротов

  • Объясните смысл геологического круговорота на примере круговорота воды.
  • Как происходит биологический круговорот?
  • В чем заключается закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского?
  • Что такое резервный и обменный фонды природного круговорота? В чем различие между ними?

Земля как живой суперорганизм

*Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, на Земле постоянно должен происходить круговорот биологически важных веществ, т. е. после использования они должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму. Этот переход биологически важных веществ может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце.

Ученый В. Р. Вильямс считает, что солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ – геологический, или большой, круговорот и биологический, малый, круговорот.

Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды. На Землю от Солнца ежегодно поступает 5,24ґ1024 Дж излучаемой энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками.

На суше, наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда – снова в океан (перенося при этом определенное количество минеральных соединений).

Это и обусловливает большой круговорот в биосфере, основанный на том, что суммарное испарение воды с Земли компенсируется выпадением осадков.

**С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического вещества, биологический (малый) круговорот.

Круговорот воды как пример геологического круговорота
(по Х. Пенмэну)

По мере развития живой материи из геологического круговорота постоянно извлекается все больше элементов, которые вступают в новый, биологический круговорот.

В отличие от простого переноса минеральных веществ в большом круговороте, как в виде растворов, так и в виде механических осадков, в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. В противоположность геологическому, биологический круговорот обладает ничтожной энергией.

На создание органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1-0,2% всей поступающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот – до 50%). Несмотря на это, энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию первичной продукции.


Биологический круговорот

С появлением на Земле живой материи химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды
в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция веществ по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом.

Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.

***Биогенная миграция вещества – одна из форм всеобщей миграции элементов в природе.

Под биогенной геохимической миграцией следует понимать миграцию органического и косного вещества, участвующего в росте и развитии живых организмов и производимого последними в результате сложных биохимических и биогеохимических процессов. В.И. Вернадский сформулировал закон биогенной миграции атомов в следующем виде:

Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом (тем, которое населяет биосферу в настоящее время, и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории).

Человек воздействует прежде всего на биосферу и ее живое население, поэтому он тем самым изменяет условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для глубоких химических перемен. Таким образом, процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека, и при глобальном масштабе практически неуправляемым.

С точки зрения планетарного круговорота вещества, наиболее важным являются почвенно-ландшафтный, гидросферный и глубинный (внутриземной) циклы.

В первом из них осуществляется извлечение химических элементов из горных пород, воды, воздуха, разложение органического вещества, поглощение и синтез различных органических и органо-минеральных соединений. В гидросферном цикле главную роль играют состав воды и биологическая активность живых организмов.

Биопродуцирование вещества здесь осуществляется при господствующем участии фитои зоопланктона. В глубинном цикле биогенной миграции наиболее важная роль принадлежит деятельности анаэробных микроорганизмов.

****Процессы, происходящие в различных оболочках Земли, находятся в состоянии динамического равновесия, и изменение хода какого-либо из них влечет за собой бесконечные цепочки подчас необратимых явлений. В каждом природном круговороте целесообразно различать две части, или два “фонда”:

  • резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном неорганической природы;
  • подвижный, или обменный, фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой.

Обменный фонд образуется за счет веществ, которые возвращаются в круговорот либо за счет первичной экскреции (от лат. excretum – выделенное) животными, либо при разложении детрита микроорганизмами.

Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:

      • круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;
      • осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Источник: http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/0aa16c08-ad07-4cf2-b53b-047d0bf26d18/Metod_mat/help/sin_eco/str20.htm

Структура и основные циклы биогеохимических круговоротов

Структура и основные циклы биохимических круговоротов

Чтобы биосфера продолжала свое существование, и на Земле не прекращалось развитие жизни, должны происходить непрерывные химические превращения ее живого вещества. Академик В.Р. Вильямс указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.

Из-за геологических изменений Земли часть веществ может исключаться из круговорота. Например, такие биогенные осадки, как каменный уголь, нефть на многие тысячелетия консервируются в толще Земли, но в принципе не исключено их повторное включение в биосферный круговорот.

Малый (биологический) и большой (геологический) круговорот веществ, а также круговорот воды, азота, углекислого газа, как главных компонентов атмосферы, и круговорот серы, фосфора, углерода, как жизненно важных веществ биосферы.

Круговорот веществ – многоразовое участие веществ в природных процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в биосферу планеты, при непрерывном притоке энергии.

Малый (биологический) кругооборот имеет место в пределах малых экосистем, большой (геологический) кругооборот – в пределах планеты между океанами и континентами и длится сотни миллионов лет.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций биогеохимическим циклом.

Во время круговорота происходит циркуляция веществ между воздухом, почвой, водой, растениями, животными и микроорганизмами, когда минеральные вещества, необходимые для жизни, поглощаются, трансформируются, поступают из окружающей природной среды в состав растений, а затем через пищевые цепочки в виде органических веществ – к животным и далее снова в окружающую природную среду (почву, воду, воздух) в виде неорганических соединений. Важную роль в круговороте веществ, а точнее химических элементов, играют живые организмы. Благодаря большому запасу в атмосфере и гидросфере большого резервного фонда углерода, азота, кислорода, серы, фосфора круговороты могут достаточно быстро саморегулироваться.

Круговорот воды. Постоянный перенос воды происходит с одного места в другое в масштабе всей планеты, главным образом между океаном и сушей. Он осуществляется в основном непосредственно за счет энергии Солнца, однако живые организмы оказывают на него важное регулирующее воздействие.

В процессе переноса воды часто происходит изменение агрегатного состояния последней (превращение жидкой воды в твердую, парообразную, и наоборот), что позволяет поддерживать равновесие между суммарным испарением и выпадением осадков на планете.

Подсчитано, что с поверхности Земли за одну мину испаряется около одного миллиона тонн воды и сколько же выпадает обратно в виде осадков.

Общий объем воды, поступивший из атмосферы на поверхность Земли, составляет за год около 500 тыс. км3 и такое же количество испаряющийся воды. При этом на континентах выпадает в год 109 тыс. км3, а испаряется 72 тыс. км3. Разница в37 тыс. км3 и есть значение полного поверхностного речного стока.

С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (441 тыс. км3), чем выпадает осадков (411 тыс. км3). Разница восполняется речным стоком.

Часть испарившейся воды с поверхности океана переносится с атмосферными потоками, выпадает в виде осадков над сушей и поступает обратно в океан с поверхностным стоком и через грунтовые воды.

Вода, доступная для наземных организмов составляет около сотой доли процента от ее общего количества. Тем не мене количество воды, входящее в годовую продукцию фотосинтезирующих организмов составляет, по данным академика А.П. Виноградова, 830 млрд. т. При этом лишь малая часть воды, проходящая через растения, разлагается.

Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей – важнейшее звено в поддержании жизни земных организмов и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой материей. Одновременно вода в геологическом круговороте – величайшая трансформирующая сила, которая способствует постепенному разрушению литосферы, переносу ее составных частей в глубины морей и океанов.

Круговорот углерода. Это один из важнейших круговоротов веществ в биосфере. Изменения глобального масштаба в круговороте углерода, связанные с человеческой деятельностью, приводят к неблагоприятным для биосферы последствиям.

С углеродом непосредственно связано содержание кислорода в атмосфере и его круговорот в биосфере. Углерод участвует в большом и малом круговоротах. Его соединения в биосфере постоянно возникают, испытывают превращения и разлагаются.

Основной путь миграции углерода – от углекислого газа атмосферы в живое вещество из живого вещества в углекислый газ атмосферы. При этом часть его выходит из круговорота, оставаясь в почве или откладываясь в осадочных породах. Круговорот углерода контролирует содержание кислорода в атмосфере.

Освобожденный кислород при фотосинтезе почти полностью используется при дыхании организмов и минерализации отмершей органической массы, а также частично консервируется в литосфере. Только незначительная часть его (0,04 %) пополняет содержание кислорода в атмосфере.

Расход кислорода на сжигание топлива в 100-200 раз превышает его поступления в атмосферу в результате фотосинтеза. На сжигание топлива используется кислород, уже накопленный атмосферой, и ежегодное его уменьшение происходит примерно на одну десятитысячную часть его массы в атмосфере.

Поэтому полное сжигание углеродного топлива уменьшит содержание кислорода в атмосфере на долю процента. Значительные изменения массы кислорода могут быть только за очень длительные промежутки времени, измеряемые миллионами лет. По этой причине наибольшую вероятную опасность для биосферы представляет нарушение круговорота углерода.

Круговорот азота. Азот, как углерод и большинство других химических элементов, участвует в большом и малом круговоротах веществ. Его круговорот – один из наиболее сложных в биосфере. Азот – незаменимый биогенный элемент, поскольку он входит в состав белков и нуклеиновых кислот.

Источник азота в биологическом круговороте – нитраты и нитриты, которые поглощаются растениями из почвы и воды. Частично азот поступает из атмосферы в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время грозы.

У растений нет способности извлекать азот непосредственно из воздушной среды, хотя в атмосфере его содержится около 80 %. Существует несколько видов бактерий и сине-зеленых водорослей, которые способствуют фиксировать азот атмосферы.

В результате их деятельности, а также благодаря разложению органических остатков в почве растения-автотрофы получают возможность усваивать необходимый азот.

Фиксированный азот почвы не только поглощается корневыми системами растений. Часть его соединений выносится в реки, а из них в моря и океаны. В поверхностных слоях воды азот потребляется растительными микроорганизмами.

Потеря азота восполняется новыми поступлениями из суши, в результате вертикального перемешивания воды, выпадения аммиака из атмосферы и разложения остатков растений и животных в поверхностных слоях воды.

При естественном ходе круговорота эти процессы не вызывают резких колебаний содержания азота в воде морей и океанов за исключением зон переноса его из суши.

Антропогенные нарушения круговорота азота в биосфере связаны со сжиганием топлива в двигателях наземного и воздушного транспорта, на тепловых электростанциях, теплоэнергетических установках, а также с промышленной фиксацией азота – производством удобрений.

Проблема нарушения круговорота азота в биосфере и на конкретных территориях дискутируется долгие годы, однако интенсификация сельского хозяйства, развитие химической промышленности, теплоэнергетики и транспорта делают ее все более трудноразрешимой.

Круговорот фосфора. Биологическое значение фосфора в жизни организмов исключительно велико: его соединения входят в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем переноса энергии, мозга и костной ткани.

Как углерод и азот, фосфор участвует в биологическом и геологическом круговороте веществ. Резервуаром фосфора в биологическом круговороте служит не атмосфера, а литосфера, точнее фосфоросодержащие горные породы, прежде всего апатиты.

В процессе их выветривания

Из почвы фосфор извлекается в виде растворимых фосфатов, с растительной пищей фосфор потребляют животные. В результате фосфаты попадают в почвы, в большом количестве выносятся в моря, откладываясь в мелководных осадках и рассеиваясь на больших глубинах.

В результате бактериальных преобразований в почве органический фосфор растительного опада, отмерших животных и их выделений трансформируются в фосфаты.

Фосфатразрушающие бактерии продолжают биологический круговорот фосфора, в итоге приводя к поступлению ионов фосфора в водную среду.

Круговорот фосфора в биосфере оказался резко нарушенным в результате широкого применения фосфорных удобрений в сельском хозяйстве, получение в промышленных масштабах многочисленных фосфорсодержащих препаратов, используемых в быту и т.д.

В результате произошло перераспределение содержания фосфатов на суше и в гидросфере.

В зонах концентрации населения, сельского хозяйства наблюдается аномально высокая, малообратимая аккумуляция органических соединений фосфора, в то время как большая часть углерода и азота в газообразном виде рассеивается в атмосфере.

Круговорот серы. Сера имеет важное биологическое значение, поскольку в составе широко распространенных в живой природе аминокислот, белков и других сложных органических соединений она содержится во всех организмах.

В большом, геологическом, круговороте сера переносится с океана на материки с атмосферными осадками и возвращается в океан со стоками. Одновременно ее запасы в атмосфере пополняются за счет вулканической деятельности, добычи полезных ископаемых и других источников.

В малом кругообороте сульфаты поглощаются растениями и входят в состав аминокислот, белков и эфирных масел. Поедая растения, серу получают животные. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, который в дальнейшем окисляется или до элементарной серы или до сульфатов.

В первом случае формируются месторождения серы, во втором – залежи гипса. Гипс может подвергаться разрушению, и сера в таком случае возобновляет свой круговорот.

Круговорот серы также подвергается нарушению в результате промышленного загрязнения атмосферы. Основной дополнительный поставщик серы в большой круговорот – теплоэнергетические установки, транспорт, которые при сжигании топлива выбрасывают сернистый газ.

Экологическая опасность сернистого ангидрида состоит в том, что он, окисляясь, образует серный ангидрид, который соединяясь с водными парами в атмосфере, превращается в аэрозоли соляной кислоты.

Продолжительность всего цикла – от момента естественных или техногенных выбросов сернистого ангидрида до удаления из атмосферы паров серной кислоты составляет 5 – 14 суток. С воздушными потоками аэрозоли серной кислоты мигрируют на значительные расстояния, иногда на сотни километров, и выпадают в виде «кислотных» дождей.

Многочисленные реки и озера, в результате выпадения «кислотных» дождей подвержены загрязнению серными и азотистыми соединениями. Испытывают воздействие «кислотных» дождей и лесные массивы умеренной зоны.

Во всех рассматриваемых случаях круговорота обнаруживаются явные глобальные изменения в биосфере вследствие деятельности человека. Однако их региональное проявление неоднородно.

Пока нет всеобъемлющей научной концепции, которая позволила бы оценить масштабы этого разрушения.

Трудность заключается в том, что нет возможности определить показатели природных условий «чистой» биосферы и допустимого уровня ее загрязнения, а все составляющие ее компоненты чрезвычайно мобильны и изменчивы.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/11_75669_struktura-i-osnovnie-tsikli-biogeohimicheskih-krugovorotov.html

Научная электронная библиотека Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Структура и основные циклы биохимических круговоротов

Все вещества на планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ: большой (геологический, биосферный) и малый (биологический).

Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Этот круговорот в системе «магматические породы – осадочные породы – метаморфические породы (преобразование температурой и давлением) – магматические породы» происходит за счёт глубинных (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов, происходящих, соответственно в глубинах Земли и на её поверхности (рис. 27).

Но большой круговорот – это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу.

Влага, испарившаяся с поверхности океана (на это тратится 50 % солнечной энергии), частью переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, а часть осадков выпадает на ту же самую водную поверхность океана. В круговороте участвует более 500 тыс.

км3 воды. Играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учётом транспирации воды растениями и поглощения её в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

Рис. 27. Геологический (большой) круговорот веществ

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его – в образовании живого вещества из неорганического в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения (рис. 28).

Рис. 28. Биологический круговорот веществ

Этот круговорот для жизни биосферы – главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на Земле, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвергаются легкоподвижные вещества – газы и природные воды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Значительно медленнее совершает круговорот материал литосферы.

В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего большого круговорота веществ на Земле, и все они тесно связаны между собой.

Живое вещество биосферы в этом круговороте выполняет огромную работу по перераспределению химических элементов, беспрерывно циркулирующих в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и снова во внешнюю среду.

Обмен веществом и энергией, осуществляющийся между разными структурными частями биосферы и обусловленный жизнедеятельностью организмов, называется биогеохимическим циклом.

Все биогеохимические циклы составляют современную динамическую основу существования жизни, они взаимосвязаны, и каждый из них играет свойственную ему роль в эволюции биосферы. Продолжительность циклов круговорота тех или иных веществ различна.

Время, достаточное для полного оборота всего углекислого газа атмосферы через фотосинтез, составляет около 300 лет; кислорода атмосферы через фотосинтез – 2000–2500 лет; азота атмосферы через биологическую фиксацию, окисление электрическими разрядами – примерно 100 млн.

лет; воды через испарение – около 1 млн. лет.

В большом и малом круговоротах участвуют множество химических элементов и их соединений. Но важнейшими из них являются круговороты биогенных элементов – кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы.

Большое значение имеют круговороты токсических элементов – ртути и свинца.

Кроме того, из большого круговорота в биологический поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.).

В экосистемах очень важна роль биогеохимических циклов. Биогенные элементы – С, О2, N2, Р, S, СО2, Н2О и другие – в отличие от энергии удерживаются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду.

Наиболее важные для жизни химические элементы, необходимые в больших количествах, называются макроэлементами (С, О, Н, N, P, S, Ca, Mg, K, Na).

Элементы, необходимые для жизни в малых или следовых количествах – микроэлементы (Fe, Cu, Zn, Cl).

В каждом круговороте различают два фонда: резервный, включающий большую массу движущихся веществ, в основном небиологических компонентов, и подвижный, или обменный, фонд – по характеру более активный, но менее продолжительный, отличительной особенностью которого является быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

Биогеохимические циклы можно подразделять на два типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан),

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, 30–40 необходимы для живых организмов. Человек уникален не только тем, что его организм нуждается в 40 элементах, но и тем, что в своей деятельности использует почти все другие имеющиеся в природе элементы.

Круговорот азота. Азот составляет около 80 % атмосферного воздуха и является крупнейшим резервуаром и предохранительным клапаном атмосферы. Однако большинство организмов не могут усваивать азот из воздуха. Между тем азот участвует в построении всех белков и нуклеиновых кислот.

Усваивать азот из воздуха способны только некоторые организмы – бактерии, которые существуют в симбиозе с бобовыми растениями (горох, фасоль, соя). Они поселяются на корнях бобовых растений, образуя клубеньки, в которых и происходит химическая фиксация азота.

Азот могут усваивать также сине-зеленые водоросли, называемые цианобактериями. Они образуют симбиоз с плавающим папоротником, который растет на заливаемых водой рисовых полях и до высадки рассады риса удобряет эти поля азотом.

Первый этап фиксации атмосферного азота приводит к образованию аммиака и называется аммонификацией (рис. 29).

Аммиак используется растениями для синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Второй этап фиксации азота микроорганизмами – нитрификация, при этом образовавшийся аммиак преобразуется в соли азотной кислоты – нитраты. Нитраты усваиваются корнями растений и транспортируются в листья, где происходит синтез белков.

Процесс разложения белков, осуществляемый особой группой бактерий, называется денитрификацией. Распад идет сначала с образованием нитратов, потом аммиака и, наконец, молекулярного азота. азота в живых тканях составляет около 3 % его содержания в обменных фондах экосистем. Общее время круговорота азота – примерно 100 лет.

Роль бактерий в цикле азота такова, что, если будет уничтожено только двенадцать их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится.

Рис. 29. Основные биохимические этапы круговорота азота

Круговорот углерода. Круговороты углекислоты и воды в глобальном масштабе – самые важные для человечества биогеохимические круговороты.

В круговороте СО2 атмосферный фонд невелик по сравнению с запасами углерода в океанах, ископаемом топливе и других резервуарах земной коры (рис. 30).

До наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Но в XX в. содержание СО2 постоянно растет в результате новых техногенных поступлений (сжигание горючих ископаемых, деградация почвенного слоя, сведение лесов и т.д.).

В 1800 г. в атмосфере Земли содержалось 0,29 % СО2; в 1958 – 0,315 %, а к 1980 г. его содержание выросло до 0,335 %.

Если концентрация СО2 вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться в середине XXI в., то температура поверхности Земли и нижних слоев атмосферы в среднем повысится на 3°.

В результате подъем уровня моря и перераспределение осадков могут погубить сельское хозяйство.

Круговорот воды. Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека – по весу 60 %, а в растительном организме достигает 95 %.

На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу.

Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны (рис. 31).

Рис. 30. Круговорот углерода

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса:

– перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25 % общей суммы осадков, это – физическое испарение;

– транспирация – биологическое испарение воды растениями, но не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т.е. экосистемная. Растения, потребляя около 40 % общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

– инфильтрация – просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллодоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

– сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Рис. 31. Круговорот воды

Отличие циклов углерода и азота от круговорота воды состоит в том, что в экосистемах два названных элемента накапливаются и связываются, а вода проходит через экосистемы почти без потерь. Биосфера ежегодно использует на формирование биомассы 1 % воды, выпавшей в виде осадков.

Круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных биогенных компонентов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, систем аккумуляции и переноса энергии, костной ткани и дентина. Круговорот фосфора всецело связан с деятельностью организмов.

В отличие от азота и углерода резервуаром фосфора служат не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Круговорот фосфора – типичный пример осадочного цикла.

Сера не является лимитирующим биогеном, так как ее природные ресурсы достаточно велики. Она, как и фосфор, имеет основной резервный фонд в породах и почве, но, кроме того, имеет резервный фонд и в атмосфере. В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.

), в растворах – в форме иона (SО42), в газообразной фазе – в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (SО2). В морской среде сульфат-ион является основной доступной формой серы для автотрофов.

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, окисляется, и возникшие сульфаты поглощаются растениями из почвенных растворов – так продолжается круговорот. Круговорот серы является ключевым при продуцировании и разложении (Ю. Одум, 1986).

Например, при образовании сульфидов железа растворим фосфор и доступен организмам.

Однако круговорот серы может быть нарушен вмешательством человека: сернистый газ (SО2), являющийся продуктом сжигания топлива, нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Из сказанного ясно, что биогеохимические циклы легко нарушаются человеком и становятся ациклическими. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы циклические биогеохимические процессы не превратить в ациклические.

Источник: https://monographies.ru/ru/book/section?id=10411

Структура и основные циклы биохимических круговоротов углерода

Структура и основные циклы биохимических круговоротов

Оставьте заявку
на Реферат Получите бесплатную консультацию по

написанию

Сделайте заказ и скачайте

результат на сайте

  • Часть работы
  • Список литературы
  • Вопросы/Ответы

Введение 31. Круговорот углерода в биосфере 42. Роль живого вещества в биогеохимическом круговороте углерода 73. Роль человека в круговороте углерода 11Заключение 19Литература 20 Фрагмент для ознакомления

Мировое сообщество предпринимает усилия для предотвращения глобальной катастрофы, связанной с потеплением. С 1988 года действует Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), цель работы которой – сбор актуальной информации и выработка предложений по изменениям климата.

В ее составе работают 2500 ведущих ученых и экспертов, осуществляясбор и анализ научной информации, их выводы стимулируют разработкускоординированного и юридически обоснованного подхода. МГЭИК — межправительственный орган, он открыт для всех странООН.

Занимается разработкой методологии и принципов для подготовки национальных кадастров парниковых газов; обзором и оценкоймировой научной, технической и социально-экономической литературы по вопросам изменения климата.

В докладе МГЭИК (2014) отмечается, что для ограничения роста потепления до 2°С, необходимо снизить удельный выбросСО2 при производстве электроэнергии до уровня ниже 100 г СО2/кВт-ч, а к 2100 г. – до нуля, стремясь к тому, чтобы к концу века мировая энергетика стала совершенно «чистой».

При этом следует найти оптимум междуразвитием возобновляемыми источниками энергии (с нулевыми выбросами) и применением технологийсжигания ископаемого топлива с улавливанием и захоронением СО2.1992 г. в Рио-де-Жанейро была подписана Рамочная конвенция ООН по вопросам изменения климата. В декабре 1997 г. в г.

Киото был одобрен так называемый Киотский протокол, в соответствии с которым намечено снижение выбросов парниковых газов, в первую очередь СО2, на 5 % относительно уровня 1990 г. Как закономерное продолжение деятельности по внедрению Монреальского Протокола и Киотского Протокола, принята Хиогская Рамочная Программа Действий на 2005-2015 гг.

, адаптированная 168 странами на Всемирной конференции по уменьшению опасности стихийных бедствий (Кобе, Япония). В документе содержатся рекомендации эффективного содействия уменьшению опасности стихийных бедствий, вызванных климатическими явлениями.

В декабре 2009 года в столице Дании – Копенгагене проходила 15-я климатическая конференция ООН (саммит руководителей 193 государств мира – участников конвенции ООН), посвященная проблемам «глобального изменения» климата на нашей планете.Эффективным путем, способным повернуть вспять процесс глобального потепления, является восстановление устойчивости атмосферных процессов.

Средства и цели для преодоления этих препятствий определены; их можно достигнуть, если все страны и народы мира объединят для этого свои усилия. В дополнение к существующим видам деятельности, предусмотренным Конвенцией об изменении климата и Киотским протоколом, в них могут участвовать отдельные лица, муниципалитеты, неправительственные организации и прочие.

Так, в рамках одной их программ 2007 года ООН организовала кампанию посадки миллиарда деревьев во всем мире для смягчения воздействия пагубных последствий, связанных с накоплением в атмосфере углекислого газа. Таким образом, на изменение климата влияет ряд факторов, среди них можно выделить следующие антропогенные факторы: 1.

Изменение альбедо и других свойствземной поверхности, обусловленное сельскохозяйственной и промышленной деятельностью человека.2. Изменение мутности атмосферы и режима облакообразования вследствие внесения большого количества аэрозолей присельскохозяйственной и промышленной деятельности.3. Увеличение количества углекислогогаза в атмосфере за счет сжигания углеводородного сырья.

Однако СО2 – далеко не самый мощный по своему парниковому воздействию газ. Водяной пар превосходит углекислый газ по способности удерживать в низких слоях атмосферы инфракрасное излучение в 12 раз, а метан (СН4) — примерно в 16 раз. Поэтому нельзя полагать, что макроклиматические условия на Земле будут зависеть в основном от концентрации углекислого газа в атмосфере.

Следует упомянуть о том, что ряд исследователей высказывает скептицизм относительно искусственного ограничения выбросов углекислого газа и однозначно негативного отношения к потеплению климата, по следующим соображениям: – увеличение количества углекислогогаза в атмосфере благоприятно для растительности Земли в целом, поскольку этот газявляется «лимитирующим фактором» жизни на планете.

Как показано множествомопытов, увеличение количества углекислого газа сопровождается существенным по-вышением урожайности сельхозкультур.- общее потепление и увеличениевлажности атмосферы благоприятны длямногих холодных и (или) засушливых регионов и целых стран, включая Россию.

Таким образом, антропогенная деятельность, связанная с потреблением ископаемого топлива, оказывает большое влияние на круговорот углерода, и вносит определенный вклад в глобальное изменение климата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕТаким образом, биогеохимический круговорот углерода – основы всего живого, обеспечивается двумя глобальными процессами – обменом углекислого газа между атмосферой и гидросферой с переносом его масс из полярных областей к экватору и ассимиляцией/диссимиляцией углекислоты в процессе жизнедеятельности организмов.

Круговорот углерода с участием живого вещества – сложный, многоступенчатый процесс, в нем задействованы все трофические уровни, он осуществляется благодаря структурной и функциональной организованности экосистем, и обеспечивается постоянным притоком солнечной энергии, необходимой для фотосинтеза.

В последнее время антропогенная деятельность приобрела глобальные масштабы, и человек оказывает существенное влияние на биогеохимический цикл углерода. Извлекая и сжигая органическое топливо, он вновь включает в круговорот запасы углерода, при этом в атмосферу выбрасываются миллиарды тонн углекислого газа, усиливая парниковый эффект и приводя к глобальному потеплению.

Проблема снижения выбросов парниковых газов является одной из актуальнейших глобальных экологических проблем, на решение которой направлены усилия многих стран. ЛитератураАкимова Т.А., Кузьмин A.П., Хаскин В.В. Экология. Природа – Человек – Техника: Учебник для вузов. / — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 343 с.Байрамова Лале А. К вопросу об изменениях климата в глобальном масштабе // AustrianJournalofTechnicalandNaturalSciences. – 2015. – №1-2 – С.94-97.Власова О. С. Экология : учебное пособие. – Волгоград :ВолгГАСУ, 2014. – 104 с.Диневич Л. К вопросу об изменении климата / Л. Диневич [и др.] // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 2. – С. 60-63.Кокорин А.О. Изменение климата: обзор Пятого оценочного доклада МГЭИК. — М.: Всемирный фонддикой природы (WWF), 2014. — 80 с.Миркин Б. М., Наумова Л. Г. Краткий курс общей экологии. Часть II: Экология экосистем и биосферы: Учебник. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2011. – 180 с.Общая экология : [учебное пособие для вузов по экологическим и гидрометеорологическим специальностям] / В. В. Дроздов ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Рос.гос. гидрометеорол. ун-т. – Санкт-Петербург : РГГМУ, 2011. – 411 с.Общая экология : краткий курс лекций / Ю.Ю. Ложкина, И.С. Семина, Г.М.Кабанова. – Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2015. – 222 с. Хохлова О.Н. Введение в химическую экологию. Часть I. Химия окружающей среды: Учебное пособие. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 2008. – 68 с.Канило П. М. Глобальное потепление климата и автотранспорт / П.М. Канило, В.В. Соловей, Н.В. Внукова // Вестник ХНАДУ. – 2011. – №53. – С.103-110.

1. Акимова Т.А., Кузьмин A.П., Хаскин В.В. Экология. Природа – Человек – Техника: Учебник для вузов. / — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 343 с.2. Байрамова Лале А. К вопросу об изменениях климата в глобальном масштабе // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – 2015. – №1-2 – С.94-97.3. Власова О. С. Экология : учебное пособие. – Волгоград : ВолгГАСУ, 2014. – 104 с.4. Диневич Л. К вопросу об изменении климата / Л. Диневич [и др.] // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 2. – С. 60-63.5. Кокорин А.О. Изменение климата: обзор Пятого оценочного доклада МГЭИК. — М.: Всемирный фонд дикой природы (WWF), 2014. — 80 с.6. Миркин Б. М., Наумова Л. Г. Краткий курс общей экологии. Часть II: Экология экосистем и биосферы: Учебник. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2011. – 180 с.7. Общая экология : [учебное пособие для вузов по экологическим и гидрометеорологическим специальностям] / В. В. Дроздов ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Рос. гос. гидрометеорол. ун-т. – Санкт-Петербург : РГГМУ, 2011. – 411 с.8. Общая экология : краткий курс лекций / Ю.Ю. Ложкина, И.С. Семина, Г.М.Кабанова. – Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2015. – 222 с. 9. Хохлова О.Н. Введение в химическую экологию. Часть I. Химия окружающей среды: Учебное пособие. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 2008. – 68 с.10. Канило П. М. Глобальное потепление климата и автотранспорт / П.М. Канило, В.В. Соловей, Н.В. Внукова // Вестник ХНАДУ. – 2011. – №53. – С.103-110.

Министерство образования РОССИЙСКОЙ федерации.

Балтийский Федеральный Университет им. I. Kant.

Реферат по Экологии,

на тему:

“Круговорот веществ в природе”

Реферат подготовлен

Студент 4-го:

Санихин A. A.

Калининград 2011

Введение

1. Биогеохимические круговороты

2. Круговорот веществ в биосфере

3. Круговорот углерода

4. Цепь кислорода

5. Цикл азота

6. Круговорот фосфора

7. Круговорот серы

8. Круговорот воды

9. Человека, влияние на окружающую среду,

Вывод

Используемая литература

Введение

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического циркуляции веществ. Выделяют 2 основных движения большой или геологический и малый, или химически.

Большой контур длится миллионы лет. Он состоит в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты разрушения сносятся потоками воды в мировой океан или частично возвращаются на сушу, вместе с осадками. Процессы опускания материков и поднятия морского дна в течение длительного времени приводят к возвращению на землю этих веществ. И процессы начинаются снова.

Маленький контур, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод накапливается в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы.

Продукты разложения микрофлоры в почве, вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям, и снова вовлекаются в поток вещества.

Цепь химических продуктов неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и химических реакций называется биохимическим жизни.

Круговорот веществ на Земле (C. v.) – повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.

Эти процессы имеют определенное поступательное движение, потому что в так называемые циклические трансформации в природе не происходит полного повторения циклов, всегда есть определенные изменения в количестве и составе образующихся веществ.

Около 5 млрд. лет назад произошла дифференциация вещества Земли, разделение его на ряд концентрических оболочек, или геосфер: атмосферу, гидросферу, земную кору, гранитную, базальтовую и др. оболочки, отличающиеся друг от друга характерным химическим составом, физическими и термодинамическими свойствами.

Источник: https://myknow.ru/351190/

Структура и основные циклы биохимических круговоротов

Структура и основные циклы биохимических круговоротов

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Так как Земля есть конечное физическое тело, то любые химические элементы (в чистом виде или в виде соединений) также физически конечны.

За миллионы лет их ассимиляции фотосинтетиками, т.е. превращения в более сложные вещества, они должны, казалось бы, быть давно исчерпанными, полностью связанными в мертвой органике, превратиться в косную материю.

Однако этого не происходит.

Чтобы биосфера продолжала существовать и на Земле не прекращалось развитие жизни, должны происходить непрерывные химические превращения ее живого вещества. Иными словами, вещества после использования одними организмами должны переходить в усвояемую для других организмов форму.

Такая циклическая миграция веществ и химических элементов может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце. Академик В.Р.

Вильямс указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного — это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.

Из-за геологических изменений лика Земли часть вещества биосферы может исключаться из этого круговорота. Например, такие биогенные осадки, как каменный уголь, нефть на многие тысячелетия консервируются в толще земной коры, но в принципе не исключено их повторное включение в биосферный круговорот.

Круговорот веществ— это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере, в том числе и тех их слоях, которые входят в биосферу планеты. При этом выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биологический и биогеохимический).

Большой круговоротдлится сотни миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан.

Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами.

Крупные, но медленно протекающие геотектонические изменения (опускание материков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов) приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс повторяется.

Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы, его амплитуда захватывает слои земной коры далеко за пределами биосферы. И, самое главное, в процессах указанного круговорота живые организмы играют второстепенную роль.

Напротив, биологический круговоротвещества проходит в границах обитаемой биосферы и воплощает в себе уникальные свойства живого вещества планеты.

Будучи частью большого, малый круговорот осуществляется на уровне биогеоценоза, он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов-консументов.

Продукты разложения органического вещества почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, моллюски, черви, насекомые, простейшие и др.) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются ими в поток вещества.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом.

Его часто называют большим биосферным кругом, имея в виду безостановочный планетарный процесс перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы.

Биогеохимические круговороты в биосфере подразделяют на: 1) круговороты газового типас резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров) и 2) круговороты осадочного типас менее обширными резервуарами в земной коре (фосфора, кальция, железа).

Круговорот воды.Постоянный перенос воды происходит с одного места в другое в масштабе всей планеты, главным образом между океаном и сушей. Он осуществляется в основном непосредственно за счет энергии Солнца, однако живые организмы оказывают на него важное регулирующее воздействие.

В процессе переноса воды часто происходит изменение агрегатного состояния последней (превращение жидкой воды в твердую, парообразную, и наоборот), что позволяет поддерживать равновесие между суммарным испарением и выпадением осадков на планете.

Испаряясь, вода с содержащимися в ней некоторыми веществами воздушными течениями переносится на десятки, сотни и тысячи километров.

Выпадая в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их минералы доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой, после чего уходит вместе с растворенными частицами в океаны и моря.

Подсчитано, что с поверхности Земли только за 1 минуту испаряется около одного миллиарда тонн воды и столько же выпадает обратно в виде осадков. Общий объем воды, поступающей из атмосферы на поверхность Земли, составляет за год около 500 тыс. км3 и таково же количество испаряющейся воды (рис. 57).

Рис. 57. Общая схема круговорота воды (по Ф. Рамаду, 1981)

Примечание: цифры – толщина слоя в метрах

При этом на континентах выпадает за год 109 тыс. км3, а испаряется 72 тыс. км3. Разница в 37 тыс. км3 и есть значение полного поверхностного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (448 тыс.

км3), чем выпадает осадков (441 тыс. км3). Разница восполняется стоком речных вод.

«Лишняя» испарившаяся вода переносится с атмосферными потоками, выпадает в виде осадков над сушей и поступает обратно в океаны с поверхностным стоком и через грунтовые воды.

Вода, доступная для наземных организмов, составляет всего около сотой доли процента от ее общего количества, в то время как вода океанов могла бы покрыть всю планету слоем в 2700 м, вода рек и озер — в 0,4 м, вода атмосферного пара — в 3 см.

Всей воды, содержащейся в телах живых организмов, хватило бы лишь на то, чтобы покрыть Землю слоем в 1 мм. Тем не менее количество воды, входящее в годовую продукцию фотосинтезирующих организмов, составляет, по данным академика А. П. Виноградова, более 830 млрд т.

При этом лишь малая часть воды, проходящей через тела растений, разлагается в результате фотолиза на кислород, выделяемый в атмосферу, и водород, включаемый в состав органических веществ.

Существенно больше растения расходуют на транспирацию, поглощая воду из почвы и испаряя в атмосферу надземными частями, прежде всего листьями.

Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей — важнейшее звено в поддержании жизни земных организмов и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой материей. Одновременно вода в геологическом круговороте — величайшая трансформирующая сила, которая способствует постепенному разрушению литосферы, переносу ее составных частей в глубины морей и океанов.

Круговорот углеродагораздо в большей степени, чем круговорот воды, зависит от деятельности живых организмов. Диоксид углерода атмосферы ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и включается в состав органических веществ (рис. 58).

В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в организме, вновь переходит в атмосферу в виде СО2.

Эти два процесса полностью уравновешены: лишь около 1 % углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа и удаляется из круговорота.

Рис. 58. Круговорот углерода (по И.П. Герасимову, 1980)

Удивительный факт: всего за 7 – 8 лет живые организмы пропускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере. Под считано, что все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд т диоксида углерода (86 млрд т углерода).

При этом годичный круговорот массы углерода на суше определяется как массой составляющих его звеньев биосферы, так и количеством углерода, захватываемого каждым звеном. Согласно А.М. Алпатьеву (1983 г.

): суммарный захват в результате фотосинтеза — 60 ·109 т/год; возврат от дыхания в процессе разложения органического вещества — 48 ·109 т/год; поступление в гумосферу и консервация в многолетних фитоценозах — 10 ·109т/год; поступление от сжигания топлива — около 5 ·109 т.

Намного большее количество углерода, чем в атмосфере, содержится в растворенном виде в морях и океанах (в виде СО2 угольной кислоты Н2СО3 и ее ионов).

Этот углерод также доступен для усвоения живыми организмами и расходуется как в процессе фотосинтеза, так и на образование скелетов организмов, включающих карбонат кальция.

Благодаря различным биологическим и химическим процессам между океанами и атмосферой идет интенсивный обмен углеродом, причем заметное количество его (3 млрд т) ежегодно выводится из круговорота и осаждается в виде малорастворимых карбонатов (солей угольной кислоты) в океанах.

Суммарное количество диоксида углерода в атмосфере планеты составляет не менее 2,3 ·102 т, в то время как содержание его в Мировом океане оценивается в 1,3 · 102 т.

В литосфере в связанном состоянии находится 2 ·1017 т диоксида углерода. Значительное количество диоксида углерода содержится и в живом веществе биосферы (около 1,5 ·1012 т, т.е. почти столько, сколько во всей атмосфере).

Диоксид углерода атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

Круговорот азота.Хотя атмосфера содержит огромный запас азота (3,8 ·1015 т), Мировой океан — 2 ·1013 т, однако атмосферный азот в форме N2 не может быть напрямую использован большинством живых организмов.

При осуществлении круговорота соединений азота главную роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы, которые способствуют биологической фиксации азота воздуха, т.е. переводят его в усвояемую для живых организмов форму.

Азотфиксирующие организмы суши ежегодно улавливают около 4,4 ·1010 т азота, а в водной среде ежегодная биологическая фиксация его составляет 1,0 ·1015 т.

В то же время содержание азота в наземных организмах составляет 1,22 ·1010 т, а в донных организмах — всего 0,025 ·1010 т (в 50 раз меньше). В целом в биосфере ежегодная фиксация азота из воздуха составляет в среднем 140 – 700 мг/м2.

В основном это биологическая фиксация и лишь небольшое количество азота (в умеренных областях не более 35 мг/м2) фиксируется в результате электрических разрядов и фотохимических процессов.

Возвращение азота в атмосферу происходит вследствие денитрификации, которая осуществляется как при участии бактерий, так и в ходе химических реакций без участия организмов.

Другие этапы круговорота также во многом зависят от деятельности бактерий, которые переводят азот из одних форм в другие.

Важнейший из этапов — разложение тел отмерших организмов, в результате чего восполняется фонд неорганических соединений азота, доступных для использования растениями.

Круговорот азота в большинстве сообществ замкнутый, лишь небольшие количества этого элемента выносятся из наземных сообществ со стоком. Однако в масштабах всей биосферы реки выносят в океан около 30 млн т азота в год.

Круговорот кислородаявляется планетарным процессом, связывающим атмосферу и гидросферу с земной корой.

Основными узловыми звеньями его являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе, последующие затраты на дыхание, протекание реакций окисления органических остатков и неорганических веществ (например, сжигание топлива) и других химических преобразований.

Они способствуют образованию таких окисленных соединений, как диоксид углерода, вода, после чего указанные вещества вовлекаются в новый цикл фотосинтетических превращений. Подсчитано, что весь кислород атмосферы проходит через живое вещество Земли за 2 тысячи лет.

Круговорот кислорода есть ярко выраженная активная геохимическая деятельность живого вещества, его ведущая роль в этом циклическом процессе. Ежегодное продуцирование кислорода зеленой растительностью планеты составляет около 300 ·109 т.

При этом почти 3/4 этого количества выделяется растительностью суши и лишь немногим более четверти — фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Кислорода в газовой оболочке Земли около 1,2 ·105 т; подсчитано, что такое количество фотосинтезирующие организмы могли бы выработать за 4 тыс. лет.

В океане содержание свободного кислорода намного меньше: от 2,7 до 10,9 ·1012 т (согласно А. Д. Добровольскому, 1980 г.).

Помимо вышеупомянутых основных элементов, которые принимают участие в биологическом круговороте веществ, важную роль играют также калий, фосфор, сера, натрий и некоторые другие элементы, входящие в состав питания растений. В той или иной степени все элементы таблицы Д. И. Менделеева вовлечены в биологический круговорот.

Следует в то же время уточнить, что термин «круговорот веществ» употребляется в переносном смысле. Истинный круговорот совершают элементы: углерод, кислород, водород, азот и др.

На каждом этапе круговорота они входят в состав различных соединений — простых (вода) или сложнейших (живой белок), а иногда выступают и в свободном состоянии.

Поэтому более точно было бы говорить о круговороте элементов,а не о круговороте веществ.

Правомочен и другой вопрос: почему энергия течет в одном направлении, а вещество «вращается» на месте, ведь известно, что материя неотделима от энергии? Это кажущееся противоречие объясняется тем, что в определении «неотделимость» материя понимается в самом широком, философском смысле слова.

Солнечная энергия приходит на Землю как бы в безвещественном виде, хотя в общем смысле она материальна (Солнце, излучая энергию, теряет многие миллиарды тонн своей массы). Попав на планету и приведя в движение, образно говоря, «жернова биосферы», энергия как бы стекает в форме теплового излучения.

При этом тепло – непревратимая далее энергия – переходит с вовлеченного в круговорот вещества в окружающую среду и навсегда покидает живую оболочку планеты.

Биогеохимические функции живого вещества в биосфере развиваются в соответствии со следующими принципами:

1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному проявлению. Жизнь стремится заполнить в максимальном объёме пригодное для него пространство. Мы можем наблюдать это, например, на свежей насыпи, когда её осваивают растения. Когда сукцессия доходит до предельного насыщения ценоза, процесс замедляется, но продолжает идти в эволюционном плане.

2. Эволюция видов идёт в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов в ней. Этот принцип важен для понимания истории жизни, а при переводе на язык практики он означает увеличение продуктивности растений и животных.

3. В течении всего геологического времени заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества, которое существовало в тот или иной момент. Этот принцип важен для понимания современных проблем биосферы.

Живое вещество, достигшее качественно новой высшей формы развития – формы человеческого общества, получило возможность существования на всём пространстве земной поверхности.

При этом отношение человеческого общества с биосферой также должны перейти в новую форму, биосфера стала превращаться в ноосферу.

Вопросы для повторения

1.Что изучает наука экология?

2.Опишите сходство и отличие экосистемы и биогеоценоза.

3.Дайте определение биоценоза и биотопа.

4.Опишите схему биоценоза.

5.В чем заключается биотическая структура экосистем?

6.Как осуществляется поток энергии в экосистеме?

7.Как происходит поток солнечной энергии и ее трансформация на Земле?

8.Какие два типа пищевых цепей существует?

9.Опишите пастбищную пищевую цепь.

10.Опишите детритную пищевую цепь.

11.Опишите пирамиды численности, биомассы, энергии.

12.Какие экологические факторы существуют?

13.Опишите формы биотических отношений.

14.Опишите среды обитания живых организмов.

15.Что такое толерантность и каковы ее пределы?

16.В чем заключается закон минимума?

17.Что такое биосфера и какие компоненты в нее входят?

18.Опишите геохимические функции живого вещества.

19. В чем заклю1чается биогенная миграция атомов химических элементов?

20.Опишите структуру и основные циклы биохимических круговоротов.

21.Опишите круговорот воды.

22.Опишите круговорот углерода.

23.Опишите круговорот азота.

24.Опишите круговорот кислорода.

РАЗДЕЛ VIII

ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Дата добавления: 2016-10-06; просмотров: 702 | Нарушение авторских прав

Рекомендуемый контект:

Похожая информация:

Поиск на сайте:

Источник: https://lektsii.org/7-10591.html

Биогеохимические циклы. круговорот веществ в биосфере

Структура и основные циклы биохимических круговоротов

Лекция 7.

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ.

Круговорот веществ в природе: малый и большой круговорот. Круговорот углерода, кислорода и азота. Биогеохимические циклы фосфора и серы. Круговорот воды в природе. Биогеохимические циклы. Обменный и резервный фонды.Блочная модель круговорота.

Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы являются кругооборот веществ и превращение энергии.

Решающее значение в истории образования биосферы имело появление на Земле растений, которые в процессе фотосинтеза синтезируют органические вещества из и под действием солнечного света.

В результате фотосинтеза ежегодно образуется 100 млрд. тонн органического вещества.

Именно благодаря растениям на Земле получили развитие различные виды животных, и осуществляется обмен веществом и энергией между живой и неживой природой.

Процессы фотосинтеза органических веществ продолжаются сотни миллионов лет. Но поскольку Земля конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически конечны. За миллионы лет они должны, казалось бы, оказаться исчерпанными. Однако этого не происходит. Более того, человек постоянно интенсифицирует этот процесс, повышая продуктивность созданных им экосистем.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического кругооборота веществ. Выделяют 2 основных кругооборота большой или геологический и малый или химический.

Большой кругооборот длится миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан или частично возвращаются на сушу вместе с осадками. Процессы опускания материков и поднятия морского дна в течении длительного времени приводят к возвращению на сушу этих веществ. И процессы начинаются вновь.

Малый кругооборот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы. Продукты распада почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.

Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химической реакций называется биохимическим циклом.

химических элементов в теле человека.

О-62,81%, С-19,37%, H-9,31%, N-5,14%, Ca-1,38%, Р-0,64%, S-0,63%, Na – 0,26%, К-0,22%, CI-0,18%, Mg-0,04%, F-0,009%, Fe 0,005 %, Mn-0,0001%.

Микро и макро элементы.

Человек:

Макро: – С, Н, N, О, S, Р.

Микро: – Cu, Mn, Fe, Zn, Mo, F, I, Se.

Растения:

Микро для фотосинтеза – Mg, Fe, Zn, V, Cl.

Круговорот веществ в биосфере.

Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных биогенных веществ

Биогенные элементы, циркулируя в экосистеме, совершают биогеохимические циклы. Термин «биогеохимический цикл» был впервые предложен .

Биогеохимические циклы в природе замкнуты не полностью, что и привело к биогенному накоплению кислорода, азота, а также различных химических элементов и их соединений на Земле.

Так, в палеозое за счет неполной обратимости цикла углерода накопились его мощные запасы в виде отложений известняка, угля, нефти, газа, торфа и др.

Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых в основном состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции.

1.  Круговорот углерода.

Сложный механизм эволюции на Земле определяется химическим элементом «углерод». Углерод – составная часть скальных пород и в виде СО – часть атмосферного воздуха. Источники СО – вулканы, дыхание, лесные пожары, сжигание топлива, промышленность и др.

Атмосфера интенсивно обменивается СО с мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, т. к. СО хорошо растворяется в воде (чем ниже температура – тем выше растворимость, т. е. СОбольше в низких широтах).

Океан действует как гигантский насос: поглощает СО в холодных областях и частично «выдувает» в тропиках.

Избыточное количество СО в океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Соединяясь с Са, К, Na, образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно.

Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает СО. Умирая, организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Это показывает взаимодействие большого и малого кругооборота веществ.

Углерод С из молекулы СО2 в ходе фотосинтеза включается в состав глюкозы, а затем в состав более сложных соединений, из которых построены растения. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов в экосистеме и возвращаются в окружающую среду в составе СО2.

В круговороте углерода, а точнее – наиболее подвижной его формы – СО2, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы – поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов – возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО2 составляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере).

В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) – консументы (зоопланктон, рыбы) – редуценты (микроорганизмы) – осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества.

Также углерод присутствует в нефти и угле. Сжигая топливо, человек также завершает цикл углерода, содержащегося в топливе – так возникает био- технический кругооборот углерода.

Оставшаяся масса углерода находится в карбонатных отложениях дна океана (1,3-10т), в кристаллических породах (1-10т), в угле и нефти (3,4- 10т). Этот углерод принимает участие в экологическом кругообороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода (5-10т).

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот этого элемента приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере.

Рисунок 1. Круговорот углерода в биосфере.

2.  Круговорот кислорода в биосфере.

Рисунок 2. Круговорот кислорода

Скорость круговорота кислорода – 2 тыс. лет, именно за это время кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле – зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 × 109 т кислорода, в океанах – 414 × 109 т.

Главный потребитель кислорода – животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.

Посчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно рас­ходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фотосинтеза.

Предполагается, что к 2000 г. весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.

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.

Рис 3. Круговорот кислорода в природе.

Вторым по содержанию в атмосфере после азота является кислород, составляющий 20,95% ее по объему.

Гораздо большее его количество находится в связанном состоянии в молекулах воды, в солях, а также в оксидах и других твердых породах земной коры, однако к этому огромному фонду кислорода экосистема не имеет непосредственного доступа.

Время переноса кислорода в атмосфере составляет около 2500 лет, если пренебречь обменом кислорода между атмосферой и поверхностными водами. 

Механизм круговорота кислорода достаточно прост. Полагают, что молекула кислорода (О2) , образующаяся при фотосинтезе, получает один свой атом от диоксида углерода, а другой – от воды; молекула кислорода, потребляемая при дыхании, отдает один свой атом диоксиду углерода, а другой – воде. Таким образом, круговорот кислорода завязан на процессы фотосинтеза и дыхания.

Фотосинтез. 6СО2 + 6Н20 (свет, хлорофилл)= С6Н1206 + 602.

Дыхание. С6Н1206 + 602 = 6СО2 + 6Н20 + энергия.

3.  Круговорот азота

Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Азот входит в состав белков. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом.

И это при этом, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты.

Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.

Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваивается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям.

Азот возвращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только двенадцать их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают американские ученые.

Кругооборот азота несколько сложен, т. к. он включает газообразную и минеральную фазу.

Основная часть азота находится в воздухе (78%). Однако растения не могут усваивать азот непосредственно, а только в виде ионов NH4+ и NO3.

Существуют бактерии и сине-зелёные водоросли, способные превращать газообразный азот в ионы. Важнейшую роль среди азотофиксирующих организмов играют бактерии, живущие на клубеньках бобовых растений. Растения обеспечивают бактерии местообитанием и пищей (сахарами), получая от них взамен доступную форму азота.

По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых к другим организмам экосистемы. Органические соединения азота после гибели организмов при помощи бактерий разлагаются до аммиака и нитратов (NO3 ).

Нитраты частично вновь поглощаются растениями, частично восстанавливаются до N2, вновь поступающего в атмосферу.

Насколько регулярно осуществляется кругооборот любого элемента, зависит продуктивность экосистемы, что важно для с/хозяйства и выращивания лесов. Вмешательство человека нарушает процессы кругооборота. Вырубка леса и сжигание топлива влияет на кругооборот углерода. Считается, что время переноса углерода – 8 лет, N2 – 110 лет, кислорода – 2500 лет.

6 класс Пос…” width=”512″ height=”384″/>

Рисунок 4 Круговорот азота в природе

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, – сера, фосфор, железо и др.

Биогеохимические циклы фосфора и серы, важнейших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде земной коры, в «недоступном» фонде.

Круговорот серы и фосфора – типичный осадочный биогеохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от различного рода воздействий и часть

обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот он может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.

Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде широко известного минерала – апатита.

Общий круговорот фосфора можно разделить на две части – водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка – морских птиц Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море.

Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.

В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв и далее он распространяется по трофической сети. Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами.

Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию.

Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно.

Последнее обстоятельство может привести к истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). Следовательно, надо стремиться избежать этих потерь и не ожидать того времени, когда Земля вернет на сушу «потерянные отложения».

экологическому праву- “Лекции по экологии” / Темы / Бесплатные рефераты” width=”560″ height=”427″/>

Рисунок 5. Круговорот фосфора

Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но в отличие от фосфора имеет резервный фонд и в атмосфере. В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие – окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в растворах – в форме иона (SO42-), в газообразной фазе в виде сероводорода (Н2S) или сернистого газа (SO2). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S2) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продукции и разложения (Ю. Одум, 1986). Например, при образовании сульфидов железа, фосфор переходит в растворимую форму, доступную для организмов.

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H2S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглащаются растениями из поровых растворов почвы – так продолжается круговорот.

Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сернистый газ (SO2­) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Рисунок 6. Круговорот серы

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную серу. В воду попадет фосфор, вызывая эвтрофикацию, азотистые высокотоксичные соединения и др.

Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические процессы превратить в циклические.

Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в природе. Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех уровней, поэтому первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных экосистем.

Круговорот воды в природе.

Вода – необходимое вещество в составе любых живых организмов. Так же как и биогенные элементы, вода в биосфере находится в процессе постоянной циркуляции. Круговорот воды происходит по следующей схеме.

Вода испаряется в атмосферу с водных поверхностей, из почвы, путем транспирации (испарения с поверхности листьев растений).

Поднимаясь в атмосферу и охлаждаясь, водяной пар конденсируется, образуя атмосферную влагу, которая переносится воздушными массами и выпадает вновь на Землю в виде дождя, града или снега. Таким образом, в процессе круговорота вода может переходить из одного агрегатного состояния в другое.

Источник: https://pandia.ru/text/80/343/3358.php

Book for ucheba
Добавить комментарий