Біогеохімічні цикли: структура, загальна характеристика, цикли вуглецю, азоту, кисню, сірки

Індекс групи ___________________

Орловський Олександр Володимирович

м. Бровари Київської області

вул. Київська 300в кв. 51

Приватний підприємець

Контрольна робота

з Основ екології «Біогеохімічні цикли: структура, загальна характеристика, цикли вуглецю, азоту, кисню, сірки».

Викладач: професор Падун Алла Олексіївна

Київ 2006р.

Зміст:

Поняття біогеохімічного циклу 3

Кругообіг речовин в біосфері 4

Кругообіг вуглецю 5

Кругообіг кисню 8

Кругообіг азоту 9

Кругообіг сірки 10

Перелік використаної літератури 12

Поняття біогеохімічного циклу

На відміну від енергії, котра використовувалася організмом, перетворилась у тепло і втрачається для екосистеми, речовини циркулюють у біосфері, що і називається біогеохімічними круговоротами або циклами. З 90 з зайвим елементів, що зустрічаються в природі, близько 40 потрібні живим організмам. Найбільш важливі для них і потрібні у великих кількостях: вуглець, водень, кисень, азот та сірка. Кисень надходить у атмосферу в результаті фотосинтезу та витрачується організмами при диханні. Азот вилучається з атмосфери завдяки діяльності азотофіксуючих бактерій і повертається до неї іншими бактеріями.

Кругообіг елементів і речовин здійснюються за рахунок саморегулюючих процесів, в яких беруть участь всі складові екосистем. Ці процеси є безвідходними. В природі немає нічого даремного або шкідливого, навіть від вулканічних вивержень є користь, бо з вулканічними газами в повітря надходять потрібні елементи, наприклад, азот. Існує закон глобального замикання біогеохімічного кругообігу в біосфері, діючий на всіх етапах її розвитку. В процесі еволюції біосфери збільшується роль біологічного компоненту в замиканні біогеохімічного кругообігу. Ще більшу роль в біогеохімічному кругообігу відіграє людина. Але її роль здійснюється в протилежному напрямку. Людина порушує кругообіг речовин, який вже склався, і в цьому виявляється її геологічна сила, руйнівна по відношенню до біосфери на сьогоднішній день.

Кругообіг речовин в біосфері

Процеси фотосинтезу органічної речовини з неорганічних компонентів триває мільйони років і за такий час хімічні елементи повинні були перейти з однієї форми в іншу. Однак цього не відбувається завдяки їх кругообігу в біосфері. Щорічно фотосинтезуючі організми засвоюють майже 350 млрд. т. вуглекислого газу, виділяють до атмосфери біля 250 млрд. т. кисню і розщеплюють 140 млрд. т води, утворюючи понад 230 млрд. т органічної речовини (в перерахунку на суху вагу).

Величезні кількості води проходять через рослини та водорості в процесі забезпечення транспортної функції та випаровування. Це призводить до того, що вода поверхневого шару океану фільтрується планктоном за 40 днів, а вся інша вода океану – приблизно за рік. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлюється за декілька сотень років, а кисень за декілька тисяч років. Щорічно фотосинтезом до кругообігу включається 6 млрд. т азоту, 210 млрд. т фосфору та велика кількість інших елементів (калій, натрій, кальцій, магній, сірка, залізо та ін.). Існування цих кругообігів придає екосистемі певну тривалість.

Розрізняють два основних кругообігу: великий (геологічний) і малий (біотичний).

Великій кругообіг, триває мільйони років і полягає в тому, що гірські породи підлягають руйнуванню, а продукти вивітрювання (в тому числі розчинні у воді поживні речовини) зносяться потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу із опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і підняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу і процес починається знов.

Малий кругообіг (частина великого) відбувається на рівні екосистеми і полягає в тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і на життєві процеси як самих цих рослин, так і інших організмів (як правило тварин), що з’їдають ці рослини. Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черві) знов розкладаються до мінеральних компонентів, доступних рослинам і що втягуються ними у потоки речовини. Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні та тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій називається біогеохімічним циклом. У такі цикли втягнуті практично всі хімічні елементи і насамперед ті, що беруть участь в побудові живої клітини. Так, тіло людини складається з кисню (62.8%), вуглецю (19.37%), водню (9.31%), азоту (5.14%), кальцію (1.38%), фосфору (0.64%) та ще приблизно з 30 елементів.

Кругообіг вуглецю

Самий інтенсивний біогеохімічний цикл – кругообіг вуглецю. В природі вуглець існує в двох основних формах – в карбонатах (вапняках) та вуглекислому газі. Вуглець бере участь в утворенні вуглеводів, жирів, білків та нуклеїнових кислот. Основна маса акумульована в карбонатах на дні океану (10¹⁶ т), в кристалічних породах (10¹⁶ т), кам'яному вугіллі та нафті (10¹⁶ т) що беруть участь в великому циклі. Основна ланка великого кругообігу вуглецю - взаємозв'язок процесів фотосинтезу і аеробного дихання (мал. 1). Інша ланка великого циклу кругообігу вуглецю уявляє собою анаеробне дихання (без доступу кисню); різноманітні види анаеробних бактерій перетворюють органічні сполуки в метан та інші речовини (наприклад, в болотних екосистемах, на смітниках відходів). В малому циклі кругообігу бере участь вуглець, що міститься в рослинних тканинах та тканинах тваринних. Більш докладна схема кругообігу представлена на мал.2.

Енергія сонця

СО_>2> в повітрі і в воді + Н_>2>О в грунті

Спалювання і Тепло Тепло

вивітрювання

Аеробне дихання і розкладання(рослини, тварини, деструктори).

Викопні палива; вапняк (припасена хімічна енергія)

Фотосинтез (зелені рослини)

Глюкоза і інші органічні сполуки; кисень

Мал. 1. Кругообіг вуглецю в процесах фотосинтезу і аеробного дихання.

СО_>2> (в атмосфері)

Опади (руйнують гірські породи)

Розчинюється

в дощовій

воді

Рослини (фотосинтез)

Рослини, тварини (дихання).

СО_>2> (при спалюванні викопного палива та лісу)

Морські організми (вмирають і опускаються на дно)

Розчинений вуглець (виноситься в океан)

Вулкани.

Утворення викопного палива (при розложенні рослин і тварин)

Осадові карбонатні породи (переміщуються вглубь земної кори)

Вугілля

Газ

Нафта

Морські організми (утворюють карбонатнні осадові породи)

Мал. 2. Кругообіг вуглецю.

Кругообіг кисню

В кількісному відношенні головною складовою живої матерії є кисень, кругообіг якого ускладнений його здатністю вступати в різні хімічні реакції, головним чином реакції окислення. В результаті виникає безліч локальних циклів, що відбуваються між атмосферою, гідросферою та літосферою, які в свою чергу можуть бути порушені антропогенним фактором. Кисень, що міститься в атмосфері і в поверхневих мінералах (осадові кальцити, залізні руди), має біогенне походження і повинен розглядатися як продукт фотосинтезу. Цей процес протилежний процесу споживання кисню при диханні, який супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисню із воднем та утворенням води. В деякому відношенні кругообіг кисню нагадує зворотний кругообіг вуглекислого газу. В основному він відбувається між атмосферою та живими організмами. Споживання атмосферного кисню та його відновлення рослинами в процесі фотосинтезу здійснюється досить швидко. Розрахунки показують, що для повного поновлення всього атмосферного кисню вимагається біля двох тисяч років. З іншого боку, для того, щоб всі молекули води гідросфери були підвержені фотолізу і знов синтезовані живими організмами, необхідно два мільйони років. Більша частина кисню, що виробляється на протязі геологічних епох, не залишалася в атмосфері, а фіксувалася літосферою у вигляді карбонатів, сульфатів, оксидів заліза, і її маса складає 5,9*10¹⁶ т. Маса кисню, що циркулює в біосфері у вигляді газу або сульфатів, розчинених в океанських та континентальних водах, в декілька разів менша (0,4*10¹⁶ т).

Відзначимо, що, починаючи з певної концентрації, кисень дуже токсичний для клітин і тканин (навіть у аеробних організмів). А живий анаеробний організм не може витримати ( це було доведене ще в минулому сторіччі Л. Пастером) концентрацію кисню, що перевищує атмосферну на 1%.

Кругообіг азоту

Газоподібний азот виникає в результаті реакції окислення аміаку, який утворюється при виверженні вулканів та розкладені біологічних відходів: 4 NH_>3> + 3 O_>2>  2 N_>2> + 6 H_>2>O.

Кругообіг азоту – один з самих складних, але водночас самих ідеальних кругообігів. Незважаючи на те, що азот складає біля 80% атмосферного повітря, в більшості випадків він не може бути безпосередньо використаний рослинами, так як вони не засвоюють газоподібний азот. Втручання живих істот у кругообіг азоту підпорядковане суворій ієрархії: лише певні категорії організмів можуть виявляти вплив на окремі фази цього циклу. Газоподібний азот беззупинно надходить до атмосфери в результаті роботи деяких бактерій, тоді як інші бактерії – фіксатори (разом з синьо-зеленими водоростями) постійно поглинають його, перетворюючи в нітрати. Неорганічним шляхом нітрати утворюються й в атмосфері в результаті електричних розрядів під час гроз. Найбільш активні споживачі азоту – бактерії на кореневій системі рослин сімейства бобових. Кожному виду цих рослин притаманні свої особливі бактерії, що перетворюють азот в нітрати. В процесі біологічного циклу нітрат – іони (NO_>3>^-) та іони амонію (NH_>4>⁺), що поглинаються рослинами з ґрунтової вологи, перетворюються у білки, нуклеїнові кислоти і так далі. Потім утворяться відходи у вигляді загиблих організмів, що є об'єктами життєдіяльності інших бактерій та грибів, перетворюючих їх в аміак. Так виникає новий цикл кругообігу. Існують організми, здатні перетворювати аміак у нітрити, нітрати і в газоподібний азот. Основні ланки кругообігу азоту в біосфері представлені схемою на мал.3. Біологічна активність організмів доповнюється промисловими засобами отримання азотомістких органічних та неорганічних речовин, багато з яких застосовуються в якості добрив для підвищення продуктивності та росту рослин.

Азот

(в атмосфері)

Оксиди азота (в атмосфері)

Блискавки

Денітрофікуючі

Азотофіксуючі бактерії

бактерії

Синьо – зелені

Бактерії Опади водорості

Аміак і іони аммонія (в грунті

і воді)

Рослинні

білки

Нітрати

(в грунтіі)

Тваринні білки

Деструктори

Бактерії

Мал. 3. Кругообіг азоту

Кругообіг сірки

З природних джерел сірка потрапляє до атмосфери у вигляді сірководню, двооксиду сірки і часток сульфатних солей (мал. 4). Біля однієї третини сполук сірки і 99% двооксиду сірки – антропогенного походження. В атмосфері протікають реакції, що призводять до кислотних опадів:

2SO_>2> + O_>2>  2SO_>3> , SO_>3> + H_>2>O  H_>2>SO_>4> .

H_>2>S

+ O_>2>