Круговороты веществ в природе и антропогенной деятельности

Круговороты веществ в природе и антропогенной деятельности

Подготовила:

Орлова Ю.Д.

Вода — необходимый компонент всех живых организмов. Она нужна им как растворитель, химический реагент, средство терморегуляции и т. д. Основным резервуаром в гидрологическом цикле служит мировой океан, содержащий 97% всей воды планеты. Наземные и пресноводные организмы получают воду благодаря ее испарению с поверхности океана, последующей конденсации паров и выпадению атмосферных осадков.
Пресная вода - может быстро испаряться или возвращаться в океан реками или неупорядоченным поверхностным стоком. Часть атмосферных осадков, особенно в местах с развитым растительным покровом, впитывается в почву и образует долговременный запас подземных вод. Кроме того, пресная вода накапливается в ледниках и снежниках полярных и высокогорных областей.

Гидрологический цикл и запасы воды. Цифры на схеме соответствуют среднегодовому глобальному количеству осадков, равному 100у.е. (На основе: R. J. Chorley, Я. Haggetteds. (1967)).

Гидрологический цикл

Гидрологический цикл играет существенную роль в формировании температурного режима земной поверхности. Испаряющаяся жидкость поглощает тепло, а конденсирующийся газ его выделяет. Аналогичным образом, тепло поглощается при таянии льда и выделяется при замерзании воды. Такой энергообмен важен для развития широкомасштабных погодных систем, которые служат ключевым механизмом переноса тепловой энергии от экватора к полюсам. Если бы тепловая энергия активно не транспортировалась, то на полюсах становилось бы все холоднее, а в экваториальных областях — жарче.
Кроме того, являясь основными резервуарами воды, которая обладает высокой теплоемкостью, океаны и ледники служат важными «статическими» регуляторами температуры нижнего слоя атмосферы.
Водяной пар в атмосфере, как и диоксид углерода, относится к газам с парниковым эффектом.
Следовательно, водяной пар оказывает существенное воздействие на глобальную температуру. Одно из актуальнейших направлений современных исследований — изучение взаимодействия углеродного и гидрологического циклов с точки зрения их совокупного влияния на климат. Понимание этого взаимодействия помогло бы прогнозировать и свести к минимуму возможные отрицательные последствия антропогенного усиления парникового эффекта.

Содержание углерода в атмосфере Земли составляет 0,046% в форме двуокиси углерода и 0,00012% в форме метана. В земной коре его содержится 0,35%, а в живом веществе около 18% (Виноградов, 1964). С углеродом связан процесс возникновения и развития биосферы, именно углерод обусловливает огромное разнообразие и сложность строения веществ, так как этот элемент способен соединяться с большинством из элементов самыми разнообразными способами. Роль углерода в биосфере лучше всего иллюстрируется схемой его круговорота (см. рис. 9). Схема составлена В. А. Ковдой по данным Ничипоровича и Дювиньо. Из этой схемы следует, что в биосфере растения, используя механизм фотосинтеза, выполняют функцию продуцента кислорода и основного потребителя углекислого газа.Хранители углерода - живая биомасса, гумус, известковые осадочные породы и каустобиолиты. В этой схеме учтено, что естественными источниками СО2 в природе, кроме вулканических эксгаляций, являются процессы разложения органического вещества, дыхание, окисление ОВ в почве и других природных средах. Т.е. жизнь в почвах и разложение ОВ - главный источник углекислоты, поступающей в атмосферу. Техногенная углекислота, составляет 20 х 109 т, что намного меньше, чем природные поступления, и ее роль незначительна в этом круговороте.

Кислород - самый распространенный элемент земной коры: его кларк равен 47. Еще выше концентрация кислорода в мировом океане - 85,7% и в живом веществе -70%. Благодаря исключительно высокой химической активности, кислород играет особо важную роль в земной коре. Он определяет окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные условия растворов и расплавов, формирование геохимических объектов. Для него характерна как ионная, так и не ионная форма миграции в растворах.
Фотосинтез-образование органических веществ из неорганических на свету
Дыхание-самая современная форма окислительного процесса и наиболее эффективный способ получения энергии

Таким образом, общая схема круговорота кислорода в биосфере складывается из двух основных ветвей:- образование свободного кислорода при фотосинтезе;- поглощение кислорода в окислительных реакциях.
Согласно расчетам Дж. Уолкера (1980), основные составляющие глобального цикла кислорода следующие:
- Выделение растительностью мировой суши - 150 х 1015 тонн в год;
- Выделение фотосинтезирующими организмами океана - 120 х 1015 тонн в год;
- Поглощение процессами аэробного дыхания - 210 х 1015 тонн в год;
- Биологическая нитрификации и др. процессы - 70 х 1015 тонн в год.

В биогеохимическом круговороте можно выделить потоки кислорода, четко выраженные между отдельными компонентами биосферы.

Содержание водорода в земной коре невелико: кларк гранитоидов составляет 0,15%. В земной коре большая часть атомов водорода входит в состав воды, углей, нефти, горючих газов, глинистых минералов, живых организмов. Геохимия водорода тесно связана с историей воды и живого вещества: кларк водорода гидросферы равен 10,72, а живого вещества - 10,5.В земной коре свободный водород неустойчив. Он быстро соединяется с кислородом, образуя воду, участвует и в других реакциях. Кроме того, он, благодаря своей легчайшей массе, способен диссипировать, т.е. улетучиваться в космос.

Д. Н. Прянишников (1945) показал исключительное значение азота и его соединений для растений. Азот и его соединения играют в жизни биосферы и всей планеты, в формировании почвенного покрова и плодородия экосистем такую же важную и незаменимую роль, как и углерод. Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода: индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам составляет для углерода 100 и 1000 соответственно, а для азота - 1000 и 10000 соответственно (Ковда, 1985)

Круговорот фосфора в природе сильно отличается от биогеохимических циклов углерода, кислорода, азота и серы, так как газовая форма соединений фосфора (например, РН3) практически не участвует в биогеохимическом цикле фосфора. Значение фосфора в жизни клетки и организмов очень велико: соединения фосфора входят в состав тканей мозга, скелета, панцирей. Поэтому главная роль в биогеохимическом цикле фосфора принадлежит живому веществу и таким процессам, как питание, размножение, передвижение. Для растений наиболее доступным является фосфор неспецифических органических соединений и гумуса, и именно он играет главную роль в малом (локальном) биологическом цикле фосфора.

В почвах и породах широко распространено явление фиксации фосфора. Фиксаторами фосфора являются гидрооксиды железа, марганца, алюминия, глинистые минералы (особенно группы каолинита). Однако фиксированный фосфор может на 40-50 % быть десорбирован и использован растениями. Это зависит от условий. Повышенная кислотность среды, образование Н2СО3 способствуют десорбции фосфора и усилению миграции фосфорных соединений.В восстановительной среде образуются соединения фосфора с двухвалентным железом, и это тоже способствует выносу фосфора из почвы. Миграция фосфора возможна и за счет таких явлений, как водная и ветровая эрозия. Поэтому биогеохимический цикл фосфора значительно менее замкнут и менее обратим, чем циклы углерода и азота, а загрязнение окружающей среды фосфором особенно чувствительно.Фосфорные удобрения являются важным и необходимым звеном в получении урожаев сельскохозяйственных культур, однако, известные ныне запасы месторождений фосфатов, апатитов весьма ограничены и по предсказаниям ученых истощатся через 75-100 лет.В то же время соединения фосфатов в последнее время становятся важнейшим фактором загрязнения речных и озерных вод.

Сера является одним из элементов, играющих важную роль в круговороте веществ биосферы. Она определяет важные биохимические процессы живой клетки, является компонентом питания растений и микрофлоры. Соединения серы участвуют в формировании химического состава почв, в значительных количествах находятся в подземных водах, а это, в свою очередь, играет решающую роль в процессах засоления почв.Содержание серы в земной коре составляет 4,7 х 10-2%, в почве - 8,5 х 10-2%, в океане - 8,8 х 10-2% (Виноградов, 1962; Ковда, 1985). Однако в засоленных почвах содержание серы может достигать значений, измеряемых целыми процентами. Сера имеет ряд изотопов, среди которых в природных соединениях наиболее распространены S32 (95,06%) и S34(4,18%). В результате биогеохимических и биологических процессов происходит изменение в соотношении этих изотопов в сторону увеличения легкого изотопа в верхних гумусовых горизонтах почв. Это свидетельствует в пользу того, что интенсивный биологический круговорот серы в почвах охватывает только ее верхние слои.

Биогеохимический цикл серы состоит из четырех стадий:

- I Усвоение минеральных соединений серы живыми организмами (растениями и бактериями) и включение серы в состав белков и аминокислот.
- II Превращение органической серы живыми организмами (животными и бактериями) в конечный продукт - H2S.
- III Окисление минеральной серы живыми организмами (серобактериями, тионовыми бактериями) в процессе сульфатредукции. На этой стадии происходит окисление сероводорода, элементарной серы, ее тио- и тетра- соединений.
- IV Восстановление минеральной серы живыми организмами (бактериями) в процессе десульфофикации до H2S.

Таким образом, важнейшим звеном всего биогеохимического цикла серы в биосфере является биогенное образование сероводорода. Биогеохимический цикл серы играет основную роль в общем круговороте этого элемента в биосфере.

Приходные статьи баланса серы в общем круговороте следующие (Дж. П. Френд, 1976; цит. по Шипунову, 1980).Дегазация земной коры - 12 х 1012 г/год.Выветривание осадочных пород (пирит, гипс и др.) -42 х 1012 г/год.
Антропогенные поступления серы в виде SO - 65 х 1012 г/год.
Итого: 119 х 1012 г/год.Уход серы за пределы биосферы в осадочные отложения в виде сульфидов и сульфатов - 100 х 1012 г/год.
Из этих данных видно, что антропогенное поступление серы в биосферу существенно изменяет круговорот этого элемента, а приход серы в биосферу превышает на современном этапе ее расход, как результат, в биосфере в целом наблюдается приход нециклической серы.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ