Раздел 6 учение о биосфере

Биогеохимические циклы основных химических элементов в биосфере

Биогеохимические циклы- это круговые движения хими­ческих элементов между организмами и природной средой. Общая схема круговорота биогенного вещества:а) фотосинтез органи­ческих веществ; б) их использование живыми организмами, в) ре­дукция (возвращение) органических веществ в неорганические.

В процессе фотосинтеза органических веществ и роста тка­ней растений, т.е. жизнедеятельности продуцентов, используются энергия Солнца, вода и минеральные вещества: соединения углеро­да, азота, фосфора, кальция, натрия, калия и других элементов. Часть биомассы продуцентов, вода, кислород, некоторые мине­ральные вещества обеспечивают жизнедеятельность консументов 1 порядка - травоядных животных. Последние, вместе с рядом не­органических веществ - источник жизни консументов 2 порядка -хищников. После гибели живых организмов их органические веще­ства попадают обратно в природную среду. Здесь они претерпева­ют различные превращения, перемещения и в итоге с помощью ре­дуцентов минерализируются. Биогеохимические циклы носят кру­говой, примерно на 99% замкнутый характер. Иными словами они почти не имеют отходов. Один процент - это соединения углерода в земной коре (известняк, нефть, уголь), дополнительный кислород в воздухе.

Круговорот азота

Океан воздуха, окружающий Землю, со­держит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: полу­чение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез ок­сидов азота в атмосфере грозовыми разрядами - 7,6; фиксирование атмосферного азота микроорганизмами - 30, бобовыми - 14, сине-зелеными водорослями - 10; синтез азотных удобрений челове­ком - 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нит­ратов используется растениями для синтеза протеинов, являющих­ся составной частью всех клеток растительных и животных орга­низмов. Содержание азота в тканях около 3%. Протеины при отми­рании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты. Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется. Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с уча­стием бактерий (реакция нитрификации). Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца. Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ. Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нит­рификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в жи­вотные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СОг, НгО, NH3. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде раствори­мых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенси­руются соединениями азота из вулканических газов.

Денитрификация - это процесс освобождения связанного азота посредством его восстановления с участием бактерий денит-рификаторов. Денитрификация идет в анаэробных условиях, т.е. в отсутст­вие кислорода как на суше (43 млрд т/год), так и в море (40 млрд т/год) с образованием 83 млрд т азота в год. На суше бактерии ак­тивны в почвах, богатых соединениями азота и углерода, особенно в навозе.

Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации (83 млрд т/год), в биосфере идет его накопление в количестве около 92 - 83 = 9 млрд т/год. Причина излишка - производство человеком избыточного количества азотных удобрений. Таким образом, кру­говорот азота нарушен на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами. Человечество ожидают новые ослож­нения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих от­бросов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.

Раздел 6 учение о биосфере - student2.ru

Рисунок 18 – Круговорот азота

Круговорот кислорода

Запасы кислорода в биосфере очень большие, примерно 50% ее массы. В ней он самый распространен­ный элемент. Основное количество связанного кислорода прихо­дится на гидросферу и литосферу. В песке его около 53%, глине -56%, воде - 89%. Свободный кислород содержится в атмосфере в количестве 1 200 000 млрд т, что составляет лишь 0,01% его обще­го количества. Большая часть атмосферного кислорода - продукт фотосинтеза растений.

Схема круговорота кислорода: а) генерация растениями в процессе фотосинтеза (около 16 млрд т/год); б) потребление живы­ми организмами при дыхании; в) расход на окисление биогенного вещества.

Раздел 6 учение о биосфере - student2.ru

Рисунок 19 – Круговорот кислорода

Для высших форм жизни (растения, животные) пригодно аэробное дыхание - прямое окисление кислородом органики. Большое количество энергии, которая выделяется при дыха­нии и окислении веществ в организме с участием кислорода, идет на поддержание жизнедеятельности высших организмов, которая требует значительных энергетических затрат, например, при пере­мещениях. Для низших организмов большое выделение тепла опас­но. Они приспособились проводить окисление органики в анаэроб­ных условиях (без О2) с помощью ферментов (см. выше).

Скорость круговорота кислорода в биосфере в нашу эпоху составляет около 2500 лет. Небольшая часть кислорода постепенно уходит в осадочные породы: карбонаты, сульфаты. Однако эти процессы идут весьма медленно и в целом не влияют на главный круговорот атмосферно­го кислорода. Опасность представляет антропогенный фактор. Так, за последние 100 лет человеком при сжигании топлива изъято из атмосферы около 250 млрд т кислорода и добавлено около 380 млрд т СО2. Ежегодный прирост расхода кислорода человеком око­ло 5%.

Круговорот углерода

Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО3. Лишь около 10 000 млрд т углерода находит­ся в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). В неживой орга­нике углерода: в океане - 3000 млрд т, в почве - 700 млрд т. Со­держание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения - 450, поверхностные слои моря - 500, фито-, зоопланктон и рыбы - 10-20. В атмосфере воздуха в виде СО2 - около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО2 воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

Раздел 6 учение о биосфере - student2.ru

Рисунок 20 – Круговорот углерода

В процессе фотосинтеза СО2 превращается в сахара, жиры и другие вещества. Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыха­ния животных и растений (около 10 млрд т), разложения организ­мов в почве (в виде СО2, углеводородов, меркаптанов; около 25 млрд т). Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмо­сферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.; 5 млрд т) и природный его диоксид - при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускают­ся на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбо­натные осадочные породы, а неразложившееся органическое веще­ство - ископаемое углеродное топливо. Обмен СО2 воздуха с поверхностными морскими водами составляет: растворение в воде -100 млрд т, выделение из воды - 97 млрд т.

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организма­ми: а) потребление СО2 в процессе фотосинтеза органических ве­ществ, б) выделение СО2 при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма. Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет -средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СОг на суше и основным хранилищем биологически связанного уг­лерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топ­ливо, что исключает углерод из оборота на длительное время -миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО2 в резуль­тате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.

Задание

Сжигание ископаемого топлива (80%) и истребление обширных лесных массивов (30 %) привели к тому, что большое количество ранее изолированного углерода было выброшено на протяжении 20 и начала 21 веков в атмосферу в виде диоксида углерода. Это, как полагают ученые, усиливает парниковый эффект.

Один из возможных способов решения проблемы парникового эффекта – засадить большие площади поверхности Земли лесом. Деревья поглощают диоксид углерода и переводят его в древесину, уменьшая его концентрацию в атмосфере.

Задача

На заводе по производству оборудования для легкой промышленности, ежегодно выбрасывалось в атмосферу 190 т/год углерода в виде его диоксида. Руководство завода полагает, что посадки однолетней сосны, высаженные в 1994 году, за 20 лет смогут фиксировать количество углерода, которое было выброшено заводом в атмосферу за этот промежуток времени.

Рассчитать

1. Какую площадь необходимо отвести заводу под посадки сосны, чтобы к концу 20-летнего периода суммарное количество диоксида углерода, выброшенного в атмосферу, стало равным нулю.

2. Сколько деревьев необходимо приобрести заводу, если площадь занимаемая одной сосной составляет 25 м2.

3. На сколько надо уменьшить выброс углерода. Если площадь посадок сосны составляет 6 га.

Таблица 4 - Справочные данные по фиксации углерода соснами в зависимости от возраста, т/га*год

Возраст дерева, лет Фиксация углерода, (ФС)
0,2
7,0
14,0
21,0

Вариант 1

ОАО «Оргсинтез» выбрасывает в атмосферу 500 т/год углерода.

Рассчитать

1. Какую площадь необходимо отвести заводу под посадки сосны, чтобы к концу 10-летнего периода суммарное количество диоксида углерода, выброшенного в атмосферу, стало равным нулю.

2. Сколько деревьев необходимо приобрести заводу, если площадь занимаемая одной сосной составляет 10 м2.

3. На сколько надо уменьшить выброс углерода. Если площадь посадок сосны составляет 8 га.

Вариант 2

ОАО «Химпром» выбрасывает в атмосферу 800 т/год углерода.

Рассчитать

1. Какую площадь необходимо отвести заводу под посадки сосны, чтобы к концу 15-летнего периода суммарное количество диоксида углерода, выброшенного в атмосферу, стало равным нулю.

2. Сколько деревьев необходимо приобрести заводу, если площадь занимаемая одной сосной составляет 10 м2.

3. На сколько надо уменьшить выброс углерода. Если площадь посадок сосны составляет 11 га.

Круговорот воды

Воды на Земле много - 1,5 млрд км3, но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды - 29 млн км3 (75%) - находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около 13 млн км3 - в атмосфере, 1 млн км3 - в живых организмах. Лишь все­го 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км3 , представляют объем еже­годно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40-45 тыс. км3 ): а) испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца; б) перенос паров воды с воздушными массами; в) выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега; г) поглощение воды растениями и почвой, д) сток воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны. Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Зем­ле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды - основы жизни, но и тепла, поглощающегося при ис­парении воды и выделяющегося при ее конденсации.

Круговорот воды в экосистемах. Здесь различают 4 фазы: 1) перехват,т.е. поглощение воды листьями, кроной, до того как она достигнет почвы; 2) эвапотранспирация:(лат. evaporatio - ис­парение, transpirere - испарение растениями) - отдача воды экоси­стемой в атмосферу за счет ее биологического испарения расте­ниями и испарения с поверхности почвы; 3) инфильтрация— про­сачивание воды в почву, затем перенос грунтовых вод и испарение; 4) сток— потеря воды экосистемой за счет ее стока в ручьи, реки и затем в моря, океаны.

Величина эвапотранспирации - это сумма биологической транспирации воды растениями и испарения ее с поверхности поч­вы. В Европе она оценивается как 3-7 тыс. т/га в год, из них около 1 тыс. т/га за год воды испаряется с поверхности почвы.

Велика биологическая транспирации воды растениями, что необходимо для извлечения питательных веществ и поддержания температурного режима тканей. Так, за день одна береза испаряет 75 л воды, бук - 100 л, липа - 200 л, 1 га леса - 50000 л.

Коэффициент транспирации - количество воды, транспирируемое растением в сезон для создания 1 кг сухого вещества. Он весьма велик и составляет от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 тводы.

Пример схемы круговорота воды.Рассмотрим типичное распределение осадков, количество которых составило 770 мм/год.

Эвапотранспирация воды идет в объеме 400 мм/год и слага­ется из следующих видов (мм/год): перехват кронами - 10, транспирация растениями - 290, испарение с поверхности почвы - 100.

Поверхностный сток воды, равный испарению воды с по­верхности моря, составляет 370 мм/год. Его слагаемые (мм/год): подземный сток - 80, физическое испарение - 265, нужды челове­ка-25.

Как видно из примера, растениями транспирируется почти 40% воды [« (290 / 770)-100%]. Однако на формирование биомассы используется лишь около 1% воды [« (10 / 770)-100%]. На бытовые нужды человеком расходуется порядка 3% воды. В отличие от углерода, азота и фосфора вода проходит через экосистемы почти без потерь.

Раздел 6 учение о биосфере - student2.ru

Рисунок 21 – Круговорот воды

Круговорот фосфора

Значение фосфора для биосферы. Фосфор - составная часть важнейших для организмов органических соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав слож­ных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существен­ную роль в дыхании и размножении организмов. При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустой­чивость растений, увеличивается в них содержание ценных ве­ществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фос­фор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кисло­ты - ионов Н2РО4 , НР04 . В почве их образуют три группы ус­вояемых фосфорных соединений: природные, органические и про­мышленные.

В земной коре фосфора довольно много - около 0,1% по мас­се. Разведанные запасы фосфатного сырья составляют около 26 млрд т. Известно примерно 120 фосфорсодержащих минералов: апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния и др. Од­нако все они трудно растворимы в воде и, следовательно, малоэф­фективны. Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования- ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений со­ставляет 20-60%. Промышленность выпускает фосфорные удобре­ния, которые хорошо усваиваются растениями. Это двойной су­перфосфат Са(Н2Р04)2-Н20, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцента­ми); б) потребление животными (консументами), редуцентами; в) дефосфорилирование (процесс отщепления остатка фосфорной кислоты от фосфорсодержащих органических соединений, играющий важную роль в энергетическом обмене клеток) . В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн. т в год. Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложе­ниях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс. т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Счита­ется, что круговорот фосфора - единственный в природе пример простого незамкнутого цикла.

Человек, производя фосфорные во­дорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн. т в год апатита и фосфоритов. При таком рас­ходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

Раздел 6 учение о биосфере - student2.ru

Рисунок 22 – Круговорот фосфора

Круговорот серы

Сера, как и фосфор, имеет огромное биологическое значение, т.к. входит в состав аминокислот, белков и т.д.

Она попадает в биосферу следующими путями:

1. В почву – в результате естественного разложения горных пород (серы колчедан, медный колчедан), а также как продукт разложения органических веществ, в основном растительного происхождения. Через корни сера поступает в растения. Часть серы окисляется до сульфатов, образуя месторождения гипса, который, разрушаясь вступает в новый круговорот серы.

2. В организме животных она содержится в малых количествах и попадает в них с кормом.

3. Вулканы выбрасывают серу в виде серного ангидрида, сернистого газа и элементарной серы.

4. В болотах присутствует большое количество сульфатов, которые переводятся сульфатобактериями в сероводород, поступающий в атмосферу.

5. На дне морей в результате антропогенного загрязнения в анаэробных условиях образуется сероводород, выпадающий в виде осадочных пород в присутствии железа, и медленно накапливается в глубоко лежащих осадочных породах.

Наши рекомендации