Кругообіг речовин в екосистемі 1
1.4 Кругообіг фосфору
1.5 Кругообіг сірки
1.6 Кругообіг води
2. Антропогенні впливи на навколишнє середовище
На відміну від енергії, котра використовувалася організмом, перетворилась у тепло і втрачається для екосистеми, речовини циркулюють у біосфері, що і називається биогеохимическими круговоротами.
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. Кисень надходить в атмосферу в результаті фотосинтезу та витрачається організмами при диханні. Азот витягається з атмосфери завдяки діяльності азотофиксирующих 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.
У 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, як і правило збільшення замкнутості біогеохімічного кругообігу в ході сукцесії.
В процесі еволюції біосфери збільшується роль біологічного компоненту в замиканні біогеохімічного кругообігу. Ще більшу роль в біогеохімічному кругообігу виявляє людина. Але її роль здійснюється в протилежному напрямку. Людина порушує сформовані кругообіг речовин, і в цьому виявляється його геологічна сила, руйнівна по відношенню до біосфери на сьогоднішній день.
Останнє є результатом зменшення кількості самих зелених рослин, а також пов'язане з тим, що пил та інші забруднюючі частки в атмосфері відбивають надходять в атмосферу промені.
В результаті антропогенної діяльності ступінь замкненості біогеохімічних кругообігів зменшується. Хоча вона досить висока (для різних елементів і речовин вона не однакова), але тим не менше не абсолютна, що і показує приклад виникнення кисневої атмосфери. Інакше неможлива була б еволюція (найвища ступінь замкненості біогеохімічних кругообігів спостерігається в тропічних екосистемах - найбільш давніх і консервативних).
Таким чином, слід говорити не про зміну людиною того, що не повинно змінюватися, а скоріше про вплив людини на швидкість та напрямок змін та на поширення їх границь, що порушує правило міри перетворення природи. Останнє формулюється таким чином: в ході експлуатації природних систем не можна перевищувати деякі межі, що дозволять цим системам зберігати властивості самопідтримки. Порушення міри як в сторону збільшення, так і в сторону зменшення призводить до негативних результатів.
Наприклад, надлишок внесених добрив настільки ж шкідливий, як і недолік. Це почуття міри загублене сучасною людиною, яка вважає, що в біосфері їй всі дозволене. Надії на подолання екологічних труднощів пов'язують, зокрема, з розробкою і введенням до експлуатації замкнутих технологічних циклів.
Створені людиною цикли перетворення матеріалів вважається бажаним робити так, щоб вони були подібним природним циклам кругообігу речовин. Тоді водночас вирішувалися би проблеми забезпечення людства непоправними ресурсами і проблема охорони природного середовища від забруднення, оскільки нині лише 1-2% ваги природних ресурсів утилізується в кінцевому продукті.
Теоретично замкнуті цикли перетворення речовини можливі. Однак повна і остаточна перебудова індустрії по принципу кругообігу речовини в природі нереальна. Хоча б тимчасове порушення замкненості технологічного циклу практичні неминуче, наприклад, при створенні синтетичного матеріалу з новими, невідомими природі властивостями. Така речовина спочатку всебічно апробується на практиці, і тільки потім можуть бути розроблені способи його розкладення з метою запровадження складових частин у біогеохімічні кругообіги.
1. 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 в атмосферу близько 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 і 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 нашарування і лише частково повертаються на сушу з опадами .
Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і підняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці нашарування повертаються на сушу і процес починається знову.
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), які поїдають ці рослини (консументи). 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 і 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, які 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%) і ще приблизно з 30 елементів.
1.1 Кругообіг вуглецю
Основна маса акумульована в карбонатах на дні океану (10 т.), В кристалічних породах (10 т.), Кам'яному вугіллі та нафті (10 т.) І бере участь в великому циклі кругообігу. Основна ланка великого кругообігу вуглецю - взаємозв'язок процесів фотосинтезу і аеробного дихання.
Інша ланка великого циклу кругообігу вуглецю уявляє собою анаеробне дихання (без доступу кисню), різні 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 (около 10 т.) І тканинах тварин (близько 10 т.).
1.2 Кругообіг кисню
У 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 і літосферою. Кисень, що міститься в атмосфері і в поверхневих мінералах (осадові кальцити, залізні руди), має биогенное походження і повинно розглядатися як продукт фотосинтезу.
Цей процес протилежний процесу споживання кисню при диханні, який супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисню з воднем (отщепленим від субстрата) та утворенням води.
В деякому відношенні кругообіг кисня нагадує зворотний кругообіг вуглекислого газу. В основному він відбувається між атмосферою та живими організмами. Споживання атмосферного кисня та його відшкодування рослинами в процесі фотосинтезу здійснюється досить швидко. Розрахунки показують, що для повного оновлення всього атмосферного кисня вимагається біля двох тисяч років. З іншого боку, для того, щоб всі молекули води гідросфери були піддані фотолизу і знов синтезовані живими організмами, необхідно два мільйони років. Велика 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 кисня, 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 кисня, що перевищує атмосферну на 1%.
1.3 Кругообіг азоту
Газоподібний азот виникає в результаті реакції окислення аміаку, який утворюється при виверженні вулканів та розкладені біологічних відходів:
4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O
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, які перетворюють азот в нітрати. В процесі біологічного циклу нітрат-іони (NO3-) та іони амонію (NH4 +), поглинаємі рослинами з грунтової вологи, перетворюються у білки, нуклеїнові кислоти і т. Д.
Далі утворюються відходи у вигляді загиблих організмів, що є об'єктами життєдіяльності інших бактерій і грибів, що перетворюють їх в аміак. Так виникає новий цикл кругообігу. Існують організми, здатні перетворювати аміак у нітрити, нітрати і в газоподібний азот.
Біологічна активність організмів доповнюється промисловими засобами отримання азотомістящих органічних і неорганічних речовин, багато з яких застосовуються в якості добрив для підвищення продуктивності та росту рослин. Спалювання палива призводить до утворення оксиду азоту, а потім реакцій:
4NO2 + 2H2O + O2 4HNO3
Що, сприяючи випаданню кислотних дощів.
1.4 Кругообіг фосфору
Фосфор - один з основних компонентів живої речовини і входить до складу нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), клітинних мембран, аденозинтрифосфату (АТФ) і аденозиндифосфата (АДФ), жирів, кісток і зубів. Кругообіг фосфору, як і інших біогенних елементів, відбувається по великому и малому циклам.
В екосистемі океана фосфор приноситься текучими водами, що сприяє розвитку фітопланктону і живих організмів.
У наземних системах кругообіг фосфора проходить в оптимальних природніх умовах із мінімумом втрат.
В океані справа відбувається інакше. Це пов'язано з постійним осіданням (седиментацією) органічних речовин. Осів на невеликій глибині органічний фосфор повертається в кругообіг.
Фосфати, відкладені на великих морських глибинах не приймають участь в малому кругообігу. Однак тектонічні рухи сприяють підйому осадових порід на поверхні. Таким чином фосфор повільно переміщується з фосфатних родовищ на суші і мілководних океанічних осадів до живих організмів назад.
Розглядаючи круговорот фосфору в масштабі біосфери за порівняно короткий період, можна зробити висновок, що він повністю не замкнутий. Запаси фосфору на землі малі. Тому вважається, що фосфор - основний фактор, лімітуючий зростання первинної продукції біосфери. Вважають навіть, що фосфор - головний регулятор всіх інших біогеохімічних циклів, це - найбільш слабка ланка в життєвому ланцюзі, що забезпечує існування людини.
Антропогенний вплив на круговорот фосфору полягає в наступному:
1. Видобуток великих кількостей фосфатних руд для мінеральних добрив та миючих засобів призводить до зменшення кількість фосфору в біотичному кругообігу;
2. Стоки з полів, ферм та комунальні відходи призводять до збільшення фосфат-іонів у водосховищах, до різкого зростання водних рослин і порушення рівноваги в водних екосистемах.
1.5 Кругообіг сірки
З природних джерел сірка потрапляє в атмосферу у вигляді сірководню, діоксиду сірки та часток сульфатних солей.
Біля однієї третини сполук сірки і 99% діоксиду сірки - антропогенного походження. В атмосфері протікають реакції, що призводять до кислотних опадів:
1.6 Кругообіг води
Про механізм гідрогеологічного циклу було сказано вище - в розділі стосується опису особливостей гідросфери. Вода, яка випала на сушу, після цього витрачається на просочування (або інфільтрацію), випаровування та сток. Просочування особливо важливо для наземних екосистем, бо сприяє постачанню грунтів водою. В процесі інфільтрації вода надходить у водоносні горизонти та підземні річки. Випаровування з поверхні грунту також відіграє важливу роль у водному режимі місцевості, але більш значну кількість води виділяють самі рослини своїм листям. Причому кількість води, що виділяється рослинами, тим більше, чим краще вони нею постачаються. Рослини, що виробляють одну тону рослинної маси, поглинають як мінімум 100 т. Води.
Головну роль в круговороті води на континентах відіграє сумарне випаровування (дерева і грунт).
Остання складова кругообігу води на суші - стік. Поверхневий стік і ресурси підземних водоносних шарів забезпечують живлення водних потоків. Разом з тим при зменшенні щільності рослинного покрову сток стає основною причиною ерозії грунту.
Як уже зазначалося, вода бере участь і в біологічному циклі, являючись джерелом кисню і водню. Однак фотоліз її при фотосинтезі не відіграє суттєвої ролі в процесі кругообігу.
2. Антропогенні впливи на навколишнє середовище
Проблеми народонаселення та ресурсів біосфери тісно пов'язані з реакціями навколишнього природного середовища на антропогенний вплив. Природний екологічно збалансований стан навколишнього середовища зазвичай називають нормальним.
Це стан, при якому окремі групи організмів біосфери взаємодіють один з одним і з абіотичним середовищем без порушення рівноваги кругообігів речовин та потоків енергії в межах певного геологічного періоду, обумовлене нормальним протіканням природних процесів в всій геосфері.
Природні процеси можуть мати катастрофічний характер, наприклад виверження вулканів, землетруси, повені, що, однак, також складає 'норму' природи. Ці та інші природні процеси поступово, із геологічною швидкістю, еволюціонують і в той же час протягом тисячоліть (протягом одного геологічного періоду) залишаються в сбалансированному стані. При цьому протікають малий (біологічний) і великий (геологічний) кругообіг речовин і встановлюються енергетичні баланси між різноманітними геосферами і космосом, що поєднує природу в єдине ціле. Кругообіг речовин і енергії в біосфері характеризуються певними кількісними параметрами, які специфичні для даного геологічного періоду і для кожного елементу земної поверхні у відповідності з їхньою географією. Зазвичай в якості основних параметрів, що характеризують стан навколишнього природного середовища, виділяють наступні:
Е0 - запас енергії в системі у момент часу t0;
Е - енергетичний баланс системи за час t, т. Е. В період від t = t0.
W0 - запас води в системі в момент часу t0;