Кругообіг біогенних елементів в природі

НАСЛІДКИ ПОРУШЕННЯ КРУГООБІГІВ ЗА РАХУНОК

АНТРОПОГЕННОЇ ДІЯЛЬНОСТІ

 

Мета роботи: розглянути системний рівень організації живого в біосфері, основні закономірності їх функціонування;кругообіг основних біогенних елементів і наслідків впливу антропогенної діяльності на кругообіг речовин.

 

Теоретична частина

 

Завдяки сонячній енергії, внутрішній енергії Землі в природі відбуваються безперервні процеси утворення, трансформації та розкладу багатьох хімічних сполук, а також: переносу речовин у межах планети. Сукупність таких явищ В.І. Вернадський назвав геохімічними процесами. Одні й ті самі хімічні елементи в межах історичного минулого Землі входили до складу певних сполук, що зазнавали змін, перетворень та переносу. Цей закономірний процес багаторазової участі хімічних елементів та речовин в явищах, що відбуваються в атмосфері, гідросфері та літосфері, називають кругообігами речовин.

Залежно від того, чи беруть участь у кругообігах живі організми чи ні, розрізняють абіотичнийта біотичний кругообіги.

Абіотичний кругообіг. Абіотичний (великий, або геологічний) кругообіг речовин існує в межах геологічних оболонок Землі і здійснюється за рахунок безпосереднього впливу сонячної енергії та енергії Землі на речовини. Нерівномірний розподіл енергії в оболонках Землі спричиняє перенесення речовин, їхню циркуляцію. Розтріскування гірських порід внаслідок нагрівання та охолодження, течії повітря та води, перенесення цими течіями різних речовин, вивітрювання, вимивання водою різних хімічних елементів — усе це складові частини великого кругообігу речовин у природі. Найяскравішим прикладом абіотичного кругообігу є циркуляція води в природі (випаровування води, перенесення повітряними течіями водяної пари, конденсація її та атмосферні опади). Зрозуміло, що абіотичний кругообіг існував задовго до виникнення життя на нашій планеті та утворення біосфери.

Біотичний кругообіг. З виникненням життя на Землі та з утворенням у межах її геологічних оболонок біосфери на планеті кругообіг речовин прискорився внаслідок життєдіяльності живих організмів. Завдяки створеним трофічним ланцюгам та мережам виник біотичний кругообіг речовин. Біотичний кругообіг — це явище безперервного, циклічного, але нерівномірного в часі та просторі закономірного перерозподілу речовини, енергії та інформації в межах екологічних систем різного рівня організації — від біогеоценозу до біосфери. Біотичний кругообіг речовин називають ще біосферним, або малим, через те що він відбувається ще в меншому просторі, ніж абіотичний, — у біосфері. Час, необхідний для проходження повного циклу обігу речовин у біотичному кругообігу, набагато менший, ніж; в абіотичному. Живі організми в біотичному кругообігу виступають своєрідними каталізаторами, які швидко синтезують нові, трансформують та руйнують наявні органічні сполуки.

Через біотичний кругообіг проходить велика кількість речовин та хімічних елементів. Але найбільш важливими є біогенні елементи (С, Н, О, N. Р, S),з яких синтезуються органічні сполуки. Кругообіги СО₂ та Н₂О в глобальному масштабі є, мабуть, чи не найбільш важливими для людства. Для обох кругообігів характерним є наявність невеликої, але рухомої частки цих речовин в атмосфері, зміна вмісту яких впливає на погоду та атмосферу. їхній вміст може змінюватися і в результаті діяльності людини.

Утворення живої речовини і його розкладання – це дві сторони єдиного процесу, що називається біологічним кругообігом хімічних елементів. У процесі життєдіяльності жива речовина заряджається енергією, у процесі розпаду його енергія виділяється в навколишнє середовище. Розрізняють великий (біосферний) кругообіг і малі кругообіги різних рівнів (наприклад, кругообіг океану, озера, окремої ділянки степу й ін.).

Біогеохімічний цикл – круговорот хімічних речовин з неорганічної природи через живі організми назад у неорганічну природу. Ця біогенна міграція атомів відбувається з використанням сонячної енергії й енергії хімічних реакцій і виявляється в процесі обміну речовин, росту і розмноженні організмів. Особливе значення мають біохімічні цикли води й основних біогенних елементів - вуглецю, азоту, фосфору і сірки.

 

Кругообіг води

Вода випаровується з водяної поверхні, утворити атмосферну вологу, конденсація якої приводить до випадання атмосферних опадів. В остаточному підсумку вода повертається у водяні об'єкти. Цей процес складає великий круговорот води на земній поверхні. Існує і малий круговорот, коли вода з атмосфери повертається в ті райони земної поверхні, де вона випарувалася. Вода є необхідною частиною біосфери. Вона входить до складу всіх живих організмів і складає до 90 % їхньої ваги.

Для кругообігу води в межах біоценозу найбільш важливе значення мають процеси транспірації, інфільтрації і стоку, що входять в елементи малого круговороту. Вода атмосферних опадів, досягаючи ґрунту, просочується в неї (процес інфільтрації) чи утворює поверхневий стік. Якщо вода атмосферних опадів досягає ґрунтових вод, вона включається в їхній склад. Підземний стік зв'язує ґрунтову вологу з поверхневими водами і гідросферою в цілому.

 

1 – океанічні відклади; 2 – озерні відклади; 3 – клітковина в річних кільцях дерев; 4 – сніг і лід; 5 – підземні води глибокого залягання; 6 – відклади у печерах

Рисунок 3.1 – Схема кругообігу води

 

Ґрунтова волога використовується рослинами, а частина її шляхом випару рослинами (транспірації) знову попадає в атмосферу. Транспірація рослинами вносить істотний вклад у круговорот води. У деяких районах транспірація навіть перевищує випар води з вільної водяної поверхні.

 

Кругообіг вуглецю

Вуглець – це елемент, що дуже широко розповсюджений у навколишнім середовищі. Його здатність утворювати міцні хімічні зв'язки між атомами вуглецю лежить в основі всіх органічних сполук. Він входить до складу атмосфери, де є присутнім у виді СО₂. Зміст його в повітряному середовищі поступово збільшується внаслідок антропогенного впливу (спалювання палива, вирубки лісів і ін.). Усі живі істоти на Землі мають у своєму складі вуглець. У результаті життєдіяльності більшості живих організмів утворяться СО₂ і вода. Це процес називається подихом.

 

Рисунок 3.2 – Схема кругообігу вуглецю. Вуглець проходить через декілька екосистем. Пунктирними стрілками показані процеси, в яких перетворення вуглецю проходить повільніше, а суцільними - швидше

Протилежний йому процес – фотосинтез у рослин, тобто включення вуглецю до складу органічних сполук. З СО₂ і води утворюються цукри, що надалі перетворюються в білки і ліпіди, що живі організми використовують для побудови своїх тканин і одержання енергії для підтримки життя. Усі живі організми після смерті піддаються розкладанню, органічні речовини розщеплюються на більш прості фрагменти, перетерплюють перетворення, у результаті яких вуглець у виді СО₂ знову надходить у круговорот і цикл замикається. Таким чином, в основі біогенного круговороту вуглецю в біосфері Землі лежить хімічна речовина СО₂.

За певних умов круговорот вуглецю може сповільнюватися. Так, наприклад, при недоліку кисню мінералізація (розкладання) органічних речовин у ґрунті сповільнюється, виділення діоксиду вуглецю припиняється і вуглець не вивільняється в навколишнє середовище. У цих умовах вуглець у виді органічних залишків може накопичуватися у виді торфу, кам'яного вугілля, нафти. У гідросфері СО₂ знаходиться в розчиненому стані. Він може утворювати солі кальцію: вапняки, крейда. Корали будують своє тіло з вуглекислого кальцію. Ці процеси приводять до порушення круговороту вуглецю і нагромадженню його в екосистемах.

У круговороті вуглецю беруть участь також гірські породи. Він виділяється в навколишнє середовище при вилуживанні вапняків атмосферними опадами.

Важливу роль у круговороті вуглецю грає світовий океан. Прийнято вважати, що океан “вдихає” СО₂ з атмосфери – біля половини його поглинається океаном (розчиняється у воді), а поховання вуглецю в донних опадах приводить до виведення його з круговороту. Океан, таким чином, як би компенсує приплив вуглецю від палива, що спалюється, і разом з наземною рослинністю виробляє необхідний для життя кисень.

 

Кругообіг азоту

Кругообіг азоту відіграє важливу роль у життєдіяльності організмів. Він входить до складу багатьох органічних речовин, насамперед білка. Джерелом азоту для продуцентів (автотрофам) є нітрати, а також молекулярний азот атмосфери. Нітрати через кореневу систему попадають у листи, де використовуються для синтезу рослинного білка.

Рисунок 3.3 – Кругообіг азоту

 

Другий шлях, яким азот попадає в організми – пряма фіксація азоту з атмосфери. Це явище унікальне і притаманне прокаріотам, тобто без'ядерним мікроорганізмам (бактерії, синьо-зелені водорості).

Азотвміщуючи органічні сполуки, що утвориться в рослинах, по трофічним (харчовим) зв'язкам попадають в організм консументов (гетеротрофов), а також у ґрунт після відмирання рослин. У ґрунті вони піддаються розпаду і використовуються іншими рослинами. Кінцевим продуктом розкладання є аміак, що переходить у нітрити, а потім у нітрати, що служать джерелом для продуцентів.

Частина азоту повертається в атмосферу завдяки діяльності бактерій-денітрифікаторів, що розкладають нітрати до молекулярного азоту. У результаті цього процесу з ґрунту щорічно з 1 га іде до 50-60 кг азоту. Призупинення круговороту азоту може відбуватися внаслідок його нагромадження в глибоководних океанічних опадах. При цьому азот виключається з круговороту на кілька мільйонів років. Утрати компенсуються надходженням газоподібного азоту при вулканічних виверженнях

В даний час в атмосферу надходять великі кількості азоту у виді оксиду і діоксиду азоту, що утворяться при спалюванні палива, при високотемпературних технологічних процесах. Діоксид азоту розчиняється в краплях атмосферної вологи, утвориться слабкий розчин суміші азотної й азотистої кислот. Таке походження кислотних дощів, що містять крім цих кислот ще сірчану і сірчисту кислоти.

 

Кругообіг фосфору

Фосфор є елементом необхідним для харчування живих організмів, відіграє найважливішу роль у розвитку організмів. Фосфор міститься в гірських породах.

 

Рисунок 3.4 – Кругообіг фосфору

 

 

У гідросферу попадає в результаті ерозії гірських порід, відкладається у виді опадів на дрібній воді, частково осаджується в глибоководних мулах. У тварин фосфор у виді органічних сполук входить до складу кіст і інших тканин. Він відіграє роль в енергетичних процесах запасу енергії кліток у виді аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ).

У результаті розкладання мертвих організмів і мінералізації органічних сполук фосфор у виді фосфатів знову використовується рослинами і тим самим знову утягує в круговорот. Виведення фосфору з круговороту відбувається внаслідок його нагромадження в донних опадах. В даний час росте концентрація у водяних екосистемах, що приводить до їхнього інтенсивного заростання, деградації і до загибелі. Фосфор широко використовується у виді фосфорних добрив. У поверхневі водойми потрапить шляхом виносу добрив з полів і скидання недоочищених стічних вод.

 

 

Кругообіг сірки

Мінеральна сірка потрапить у ґрунт у результаті природного розкладання сірчаного і мідного колчеданів у гірських породах. Вона переноситься з атмосферними опадами і попадає в наземні і водяні екосистеми. Сірка є компонентом білків і ряду амінокислот: цистина, цистеїна, метіоніну. Ці амінокислоти синтезуються рослинами, що використовують мінеральну сірку. В організм тварин сіра попадає з рослинною їжею. Сульфатредуцуючі мікроорганізми руйнують органічні сполуки в ґрунті, відновлюють сірку до сірководню або до мінеральної сірки. Сульфатокислюючи мікроорганізми окисляють сірку, перетворюючи її в сульфати, що поглинаються рослинами і знову попадають у круговорот.

Рисунок 3.5 – Кругообіг сірки

 

В даний час в атмосферу надходять великі кількості сірки у виді діоксида сірки, що утвориться при спалюванні палива. Діоксид сірки, частково розчиняється воді з утворенням сірчистої кислоти, частково окисляється до триоксида сірки, що при розчиненні в атмосферній волозі утворить сірчану кислоту. Дощі, у воді яких міститься сірчана і сірчиста кислота, називаються “кислотними”. Їхнє випадання приводить до закислення природних вод і ґрунтів.

 

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА