Круговорот веществ в природе

Министерство образования  и науки Республики Татарстан

Государственное автономное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

«Альметьевский государственный институт муниципальной службы»

Кафедра экономики и управления

 

 

Реферат

на тему: «Круговорот веществ в природе»

 

 

 

 

 

 

                                                                                Выполнила: Ахмитшина Э.Н.

                                                                                Проверила:  Хасаншина Э.М.

 

г.Альметьевск 2012 год.

Содержание.                                                                     2

1. Биогеохимические круговороты.	3
2. Круговорот веществ  в биосфере.	4
3. Круговорот углерода.	5
4. Круговорот кислорода.	6
5. Круговорот азота.	7
6. Круговорот фосфора.	8
7. Круговорот воды.	9
Использованная литература.	11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Биогеохимические круговороты.

В отличие от энергии, которая однажды  использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими  круговоротами. Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями.

Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих процессов, в  которых участвуют все составные  части экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например, азот.

Существует  закон глобального замыкания  биогеохимического круговорота  в биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило  увеличения замкнутости биогеохимического  круговорота в ходе сукцессии. В  процессе эволюции биосферы увеличивается  роль биологического компонента в замыкании  биогеохимического круговорота. Ещё  большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты  веществ, и в этом проявляется  его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний  день.

Когда 2 млрд. лет тому назад на Земле  появилась жизнь, атмосфера состояла из вулканических газов. В ней  было много углекислого газа и  мало кислорода (если вообще был), и  первые организмы были анаэробными. Так как продукция в среднем  превосходила дыхание, за геологическое  время в атмосфере накапливался кислород и уменьшалось содержание углекислого газа. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается в результате сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения поглотительной способности «зелёного пояса». Последнее является результатом уменьшения количества самих зелёных растений, а также связано с тем, что пыль и загрязняющие частицы в атмосфере отражают поступающие в атмосферу лучи.

В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она  довольно высока (для различных элементов  и веществ она не одинакова), но тем не менее не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах – наиболее древних и консервативных).

Таким образом, следует говорить не об изменении  человеком того, что не должно меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление изменений  и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования природы. Последнее формулируется следующим  образом: в ходе эксплуатации природных  систем нельзя превышать некоторые  пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например, избыток вносимых удобрений столь же вреден, сколь и недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему всё позволено.

Надежды на преодоление экологических трудностей связывают, в частности, с разработкой  и введением в эксплуатацию замкнутых  технологических циклов. Создаваемые  человеком циклы превращения  материалов считается желательным  устраивать так, чтобы они были подобны  естественным циклам круговорота веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы обеспечения человечества невосполнимыми ресурсами и проблема охраны природной  среды от загрязнения, поскольку  ныне только 1 – 2% веса природных ресурсов утилизируется в конечном продукте.

Теоретически  замкнутые циклы превращения  вещества возможны. Однако полная и  окончательная перестройка индустрии  по принципу круговорота вещества в  природе не реальна. Хотя бы временное  нарушение замкнутости технологического цикла практически неизбежно, например, при создании синтетического материала  с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое вещество вначале всесторонне  апробируется на практике, и только потом могут быть разработаны  способы его разложения с целью  внедрения составных частей в  природные круговороты.

2. Круговорот веществ в биосфере.

Процессы  фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время  химические элементы должны были перейти  из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают  около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес).

Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения  транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется  планктоном за 40 дней, а вся остальная  вода океана – приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы  обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т  азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость.

Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а  продукты выветривания (в том числе  растворимые в воде питательные  вещества) сносятся потоками воды в  Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей  и океанов в течение длительного  времени приводят к тому, что эти  напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в  том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как  самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

Круговорот  химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной  энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены  практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют  в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.

3. 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 (рис. 1).

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).

4. 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%.

5. 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. Основные звенья круговорота азота в биосфере представлены схемой на рис. 3.

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.

6. Круговорот фосфора.

Фосфор  – один из основных компонентов (главным  образом в виде  и ) 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.