Круговорот веществ в биосфере

 

Содержание

 

1.	Круговорот  веществ в биосфере	2
2.	Экологизация  животноводческой отрасли сельского  хозяйства	12
3.	Мониторинг  окружающей среды	16
	Список используемой литературы	22
	Приложение  №1	23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Круговорот  веществ в биосфере

 

Биосфера Земли  характеризуется определенным образом  сложившимися круговоротом веществ  и потоком энергии. Круговорот веществ  – многократное участие веществ  в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том  числе в тех слоях, которые  входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости  от движущей силы, с определенной долей  условности, внутри круговорота веществ  можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

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 (преобразованные температурой и давлением) – магматические породы» происходит за счет процессов магматизма, метаморфизма, литогенеза и динамики земной коры. (Рис.1)

Символом круговорота  веществ является спираль: каждый новый  цикл круговорота не повторяет в  точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Однако большой  круговорот – это 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 эту же водную поверхность океана. В круговороте на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды.

Круговорот  воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглащения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) в отличие от большого совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его – в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы – главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

В ряде экосистем  перенос вещеста и энергии  осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называется биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Он может иметь место в водных экосистемах и в исключительных случаях в наземных (тропические леса).

 

Круговорот  углерода

 

Самый интенсивный  биогеохимический цикл – круговорот углерода. В природе углерод существует в двух основных формах – в карбонатах (известняках) и углекислом газе. Содержание последнего в 50 раз больше, чем в  атмосфере. Углерод участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.

Основная масса  аккумулирована в карбонатах на дне  океана (1016 т), в кристаллических  породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом  цикле круговорота. Основное звено большого круговорота углерода – взаимосвязь процессов фотосинтеза и аэробного дыхания.

Другое звено  большого цикла круговорота углерода представляет собой анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные  виды анаэробных бактерий преобразуют  органические соединения в метан и другие вещества (например, в болотных экосистемах, на свалках отходов).

В малом цикле  круговорота участвует углерод, содержащийся в растительных тканях (около 1011 т) и тканях животных (около 109 т). Круговорот кислорода.

В количественном отношении главной составляющей живой материи является кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой.

Кислород, содержащийся в атмосфере и в поверхностных  минералах (осадочные кальциты, железные руды), имеет биогенное происхождение  и должно рассматриваться как  продукт фотосинтеза. Этот процесс  противоположен процессу потребления кислорода при дыхании, который сопровождается разрушением органических молекул, взаимодействием кислорода с водородом (отщеплённым от субстрата) и образованием воды. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа. В основном он происходит между атмосферой и живыми организмами.

Потребление атмосферного кислорода и его возмещение растениями в процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа, и её масса составляет 5,9*1016 т. Масса кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворённых в океанических и континентальных водах, в несколько раз меньше (0,4*1016 т).

Отметим, что, начиная  с определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). А живой  анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.

 

Круговорот  азота

 

Газообразный  азот возникает в результате реакции  окисления аммиака, образующегося  при извержении вулканов и разложении биологических отходов: 4NH3 + 3O2 ( 2N2 + 6H2O).

Круговорот  азота – один из самых сложных, но одновременно самых идеальных круговоротов. Несмотря на то что азот составляет около 80% атмосферного воздуха, в большинстве случаев он не может быть непосредственно использован растениями, т.к. они не усваивают газообразный азот. Вмешательство живых существ в круговорот азота подчинено строгой иерархии: только определённые категории организмов могут оказывать влияние на отдельные фазы этого цикла. Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы некоторых бактерий, тогда как другие бактерии – фиксаторы (вместе с сине-зелёными водорослями) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты. Неорганическим путём нитраты образуются и в атмосфере в результате электрических разрядов во время гроз.

Самые активные потребители азота – бактерии на корневой системе растений семейства  бобовых. Каждому виду этих растений присущи свои особые бактерии, которые  превращают азот в нитраты. В процессе биологического цикла нитрат-ионы (NO3-) и ионы аммония (NH4+), поглощаемы растениями из почвенной влаги, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты и т.д. Далее образуются отходы в виде погибших организмов, являющихся объектами жизнедеятельности других бактерий и грибов, преобразующих их в аммиак. Так возникает новый цикл круговорота. Существуют организмы, способные превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот.

Биологическая активность организмов дополняется  промышленными способами получения  азотосодержащих органических и  неорганических веществ, многие из которых применяются в качестве удобрений для повышения продуктивности и роста растений.

 

Круговорот  фосфора.

 

Фосфор – один из основных компонентов (главным образом в виде [pic] и [pic]) живого вещества и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), жиров, костей и зубов. Круговорот фосфора, как и других биогенных элементов, совершается по большому и малому циклам.

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

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

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных  естественных условиях с минимумом  потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на небольшой глубине  органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности.

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

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

 

Круговорот  воды.

 

Вода, как и  воздух, - основной компонент, необходимый  для жизни. В количественном отношении  это самая распространённая неорганическая составляющая живой материи. Семена растений, в которых содержание воды не превышает 10%, относятся к формам замедленной жизни. Такое же явление (ангидробиоз) наблюдается у некоторых видов животных, которые при неблагоприятных внешних условиях могут терять большую часть воды в своих тканях.

Вода в трёх агрегатных состояниях присутствует во всех составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере и литосфере. Если воду, находящуюся в различных гидрогеологических формах, равномерно распределить по соответствующим областям земного шара, то образуются слои следующей толщины: для Мирового океана 2700 м, для ледников 100 м, для подземных вод 15 м, для поверхностных пресных вод 0,4 м, для атмосферной влаги 0,03 м.

Основную роль в циркуляции и биогеохимическом круговороте воды играет атмосферная  влага, несмотря на относительно малую  толщину её слоя. Атмосферная влага распределена по Земле неравномерно, что обуславливает большие различия в количестве осадков в разных районах биосферы. Среднее содержание водяного пара в атмосфере изменяется в зависимости от географической широты. Например, на Северном полюсе оно равно 2,5 мм (в столбе воздуха с поперечным сечением 1 см2), на экваторе - 45 мм.

О механизме  гидрогеологического цикла было сказано выше – в разделе касающемся описания особенностей гидросферы. Вода, выпавшая на сушу, затем расходуется  на просачивание (или инфильтрацию), испарение и сток. Просачивание особенно важно для наземных экосистем, так как способствует снабжению почвы водой. В процессе инфильтрации вода поступает в водоносные горизонты и подземные реки. Испарение с поверхности почвы также играет важную роль в водном режиме местности, но более значительное количество воды выделяют сами растения своей листвой. Причём количество воды, выделяемое растениями, тем больше, чем лучше они ею снабжаются. Растения, производящие одну тонну растительной массы, поглощают как минимум 100 т воды.

Главную роль в  круговороте воды на континентах  играет суммарное испарение (деревья  и почва).

Последняя составляющая круговорота воды на суше – сток. Поверхностный сток и ресурсы  подземных водоносных слоёв обеспечивают питание водных потоков. Вместе с тем при уменьшении плотности растительного покрова сток становится основной причиной эрозии почвы.

Как уже отмечалось, вода участвует и в биологическом  цикле, являясь источником кислорода  и водорода. Однако фотолиз её при фотосинтезе не играет существенной роли в процессе круговорота.

 

Антропогенные воздействия на окружающую среду

 

Проблемы народонаселения  и ресурсов биосферы тесно связаны  с реакциями окружающей природной  среды на антропогенные воздействия. Естественное экологически сбалансированное состояние окружающей среды обычно называют нормальным. Это состояние, при котором отдельные группы организмов биосферы взаимодействуют друг с другом и с абиотической средой без нарушения равновесия круговоротов веществ и потоков энергии в пределах определённого геологического периода, обусловлено нормальным протеканием природных процессов во всех геосферах.