Загрязнение окружающей среды. Тема 4. Биогеохимический цикл элементов

Тема 4. Биогеохимический цикл элементов

Cодержаниe:

Биогеохимический цикл элементов

Два основных цикла биосферы

Круговорот углерода

Круговорот азота

Круговорот серы

Круговорот фосфора

Круговорот кислорода

Круговорот воды

Изменение климата

Биогеохимические циклы элементов

Биогеохимические циклы элементов – это путь, посредством которого химические элементы проходят через биотические (биосфера) и абиотические (литосфера, атмосфера, гидросфера) компоненты Земли.

Существуют два основных цикла в биосфере: геологический (долгосрочный) и биотический (краткосрочный) циклы.

Наиболее важные биогеохимические циклы включают круговорот углерода, азота, кислорода, фосфора, серы, а также водный цикл.

Круговорот углерода

Углерод является 4-ым самым распространенным элементом во Вселенной, жизнь на Земле состоит из углеродных форм жизни.

Углерод перемещается по всей Земле - между атмосферой, океанами, осадочными породами, почвой, растениями и животными - этот процесс называется круговоротом углерода.

Круговорот углерода проходит с помощью краткосрочных и долгосрочных циклов:

Геологический (долгосрочный) круговорот углерода происходит в течение сотен миллионов лет и включает в себя круговорот углерода через различные слои Земли.

Биотический (краткосрочный) круговорот углерода происходит от нескольких дней – до нескольких лет и включает в себя процессы aбсорбции, конверсии и респирации углерода живыми организмами. Первый шаг в биологическом круговороте углерода -преобразование неорганического углерода в атмосфере в биологическую форму в процессе фотосинтеза:

6H2O + 6CO2 ----------> C6H12O6+ 6O2

В растениях и животных углекислый газ СО2 возвращается в воздух с помощью респирации -дыхания.

Когда животные и растения умирают их соединений углерода служат источником энергии для микробов, которые питаются их останков и производят СО2 и метан СН4

Останки животных погружаются глубже в землю и на протяжении сотен миллионов лет, формируют соединения, углеводороды - основной компонент угля и нефти - ископаемое топливо.

Глобальный бюджет углерода

Большая часть накопленного глубоко в земле углерода было выброшено в атмосферу в течение последнего столетия

Углеводороды - нефть и уголь - были извлечены для использования в автомобилях и электростанций. Побочным продуктом этого сгорания является углекислый газ - CO2

Атмосферный уровень CO2 увеличился из-за вырубки лесов и уменьшая количества растений, которые поглощают его из атмосферы

Увеличение в атмосфере CO2 в результате деятельности человека привело к усилению парникового эффекта.

Глобальное высвобождение углерода вследствие деятельности человека увеличилось с 1 млрд тонн в год в 1940 году до 6,5 млрд. тонн в год в 2000 году.

 

Круговорот азота

Круговорот азота - сложным биогеохимический циклом, в котором азот превращается из инертной атмосферной молекулярной формы (N2) в форму, пригодную для биологических процессов.

Фиксация азота - инертная форма (N2) превращается в органическую или фиксированную форму с помощью азотфиксирующих бактерий

Аммонификация - азот в органическом веществе возвращается в почву, где он расщепляется с помощью микроорганизмов – разрушителей

Нитрификация – азот, усвоенный растениями, превра-щается бактериями из аммиака (NH4+) в нитриты (NO2-) и нитраты (NO3-)

Ассимиляция - соединения азота, полученные растениями из почвы, используется для формирования растительных и животных белков

Денитрификация – азот возвращается в атмосферу, когда нитраты (NO3-) превращаюется в газообразный азот (N2) с помощью денитрификацирующих бактерий

Азотное загрязнение

Основным источником азотного загрязнения в сельскохозяйственных районах – удобрения.

Основным источником реактивного азота -атмосферные осаждения от транспортных выбросов - ключевой компонент в образовании наземного уровня озона – смога. Еще одна форма активного азота - азотная кислота (HNO3) - является важным компонентом кислотных дождей.

Кислотные дожди - метеорологические осадки (дождь, снег, град, туман, дождь со снегом), рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды (в среднем, рН дождевой воды равен 5.6). Двуокись серы (SO2) и окислы азота (NОx), образующиеся в процессе человеческой деятельности, вступают со взаимодействие с парами воды в атмосфере. Кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности, снижают плодородие почв. Кроме того кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, и тд.

Избыточное питание или эвтрофикация водных экосистем вызывает чрезмерный рост водорослей, которые лишают другие водные организмы солнечного света и кислорода.

Эвтрофикация – это изменение физических, химических и биологических свойств озера при долговременном поступлении питательных веществ с прилегающих территорий за счет процессов естественной эрозии и стока. Эвтрофикация может быть следствием естественного старения водоема, внесения удобрений или загрязнения сточными водами. В крайних случаях, эвтрофикация приводит к полному вымиранию рыбы в озерах и прудах.

Круговорот фосфора

Круговорот фосфора начинается, когда фосфаты удаляются из горных пород (выветривание) и распространяются через почву и воду. Растения получают фосфат-ионы из почвы, которые затем переходят от растений к животным через последовательные этапы пищевой цепи.

Фосфаты поглощаются тканями животных через потребление и в конечном итоге возвращается в почву через выделение и окончательное разложение растений и животных. Фосфор является важным элементом для всех форм жизни. Фосфаты (PO4) составляют часть ДНК и РНК, а в АТФ – высоко-энергетические связи.

Круговорот серы

Круговорот серы состоит как из атмосферных так и наземных процессов

Наземные процессы начинается с выветривания горных пород и высвобождением серы.

Сера затем входит в контакт с воздухом, где она превращается в сульфат (SO4).

Сульфат поглощается растениями и микроорга-низмами и превращается в органические формы, животные затем потребляют эти органические формы через пищевую цепь. Сера снова высвобождается в виде сульфатов после разложения.

Природные источники серы: извержения вулканов Сера со временем оседает обратно на Землю, или выпадает в виде осадков.

Серное загрязнение

Деятельность человека внесла вклад в атмосферное количество серы, прежде всего за счет сжигания топлива, содержащего серу, таких как уголь и нефть и при обработке металлов

Одна треть всей серы в атмосфере - в том числе 90% двуокиси серы SO2 - связана с деятельностью человека

Выбросы азота вступают в реакцию с другими газами в атмосфере и частицами сульфатов, которые выпадают в виде кислотных дождей

Двуокись серы и сульфатные аэрозоли поглощают УФ излучение, создавая облачный покров, охлаждающий атмосферу, который может компенсировать глобальное потепление, вызванное парниковым эффектом

Круговорот кислорода

Кислород является критически важным компонен-том биосферы и источник биологической жизни на Земле.

Основная масса кислорода существует в связанной форме в молекулах воды, оксидов, солей и других твердых веществ. Он не может быть использован непосредственно в экосистеме.

Атмосфера содержит газообразный кислород для фотосинтеза. Примерно 1,1 x 1015 тонн кислорода из атмосферы проходит через растения в течение 2500 лет.

Во время фотосинтеза углекислый газ превращается в органическую форму и высвобождается молекулярный кислород O2:

nCO 2 + nH2O = C6H12O6 + nO2

Круговорот воды

Более двух третей поверхности Земли покрыто водой. Растительные и животные клетки состоят около 70% из воды.

Большой круговорот воды между биосферой, атмосферой, литосферой и гидросферой называется гидрологическим циклом.

Водный цикл протекает через атмосферу Земли, океан, сушу и биосферу в течение как биологических- коротких, так и геологических - больших временных периодов.

Круговорот воды преобладает в океане, где находится 97% воды на Земле и где происходит 86% мирового испарения воды.

Круговорот воды происходит с помощью процессов инфильтрации, испарения, транспирации, конденсации и преципитации - выпадения осадков.

Когда дождь и другие осадки выпадают на землю, некоторые из них выходят в поверхностные воды в озерах и водотоки. Большая часть, однако, просачивается в землю. Этот процесс движения воды в и через почву и камни называют инфильтрацией. Это прежде всего во время этой стадии гидрологического цикла, происходит очищение воды. Степень, с которой вода «очищается» зависит от состояния окружающей среды и количества загрязнений в воде. Как правило, чем глубже подземные воды, тем они чище.

Вода, которая не впиталась в почву стекает в реки, озера, ручьи и в конечном счете океан в виде стока. В то время как некоторый сток воды происходят от осадков, другие являются результатом таяния снега или льда и называются стоком тающих ледников. Часть воды возвращается в воздух в газообразной форме (водяной пар) через испарение. Испарение океана является наиболее преобладающим, составляя около 86 процентов от общего объема глобального испарения. Наземное испарение воды, примерно половина

которого происходит на поверхности растений, называется транспирацией. Процесс, при котором водяной пар преобразуется обратно в жидкость, называется конденсацией.

Загрязнение окружающей среды

Изменения в промышленности и сельском хозяйстве за последние 300 лет, и направление общего экономического, технологического и институционального развития, привели к значительному увеличению использования энергии и ее воздействия на окружающую среду.

Изменение климата, опасность для здоровья, запасы продовольствия и воду, изменение среды обитания и экосистем – все это влияет на растения, животные и человека. Влияние на окружающую среду вызывают: истощение озонового слоя, парниковый эффект, кислотные дожди и т.д.

Глобальное потепление

Глобальное потепление - увеличение средней температуры поверхности Земли и океана, начиная с середины 20 века. Глобальная температура поверхности Земли увеличилась на 0,74 ± 0,18 ° С в течение 100 лет, заканчивая 2005 годом.

Климатические прогнозы показывают, что температура поверхности Земли будет расти и дальше от 1,1 до 6,4°С в 21-ом веке.

Хотя исследования сосредоточены на период до 2100 г., потепление будет продолжаться после 2100 г., даже если выбросы прекратятся, из-за большой теплоемкости океана и круговорота СО2 в атмосфере.

Последствия от повышения температуры уже происходят сейчас:

Таяние ледников во всем мире, особенно на полюсах Земли (горные ледники, ледовые щиты покрытия Западной Антарктиды, Гренландии и Арктике).

Повышение уровня моря стало быстрее в течение последнего столетия.

Осадки (дождь и снегопад) увеличились по всему миру.

Снижение численности пингвинов в Антарктике с 32000 до 11000 пар за 30 лет.

Жуки поедают кору ели на Аляске в связи с 20-летним теплым летом и уничтожили до 4 млн. га.

Другие эффекты могут случиться позже в этом столетии:

Уровень моря вырастет на 18-59 см к концу века Продолжение таяния ледников на полюсах может добавить еще от 10 до 20 см.

Сильные ураганы и бури, наводнения и засухи станут более частыми. Меньше пресной воды будет доступно.

Виды, зависящие друг от друга, могут стать не синхронизироваными. Напр., растения могут цвести раньше, чем насекомые-опылители станут активными.

Некоторые болезни будут распространяться, такие как малярия, распостраняемая комарами.

Экосистемы изменятся, некоторые виды переместятся дальше на север или станут более успешными, а другие могут исчезнуть (например, белые медведи).

Глоссарий

Биогеохимические или питательные циклы

Геологические и биотические циклы

Круговорот углерода, азота, серы, фосфора, кислорода,

Водный цикл

Типы водоемов

Глобальное потепление

Парниковый эффект

Эвтрофикация

Кислотные дожди