Круговорот веществ в биосфере – это «путешествие» определённых химических элементов по пищевой цепи живых организмов, благодаря энергии Солнца. В процессе «путешествия» некоторые элемент, по разным причинам, выпадают и остаются как правила, в земле. Их место занимают такие же, которые, обычно, попадают из атмосферы. Это максимально упрощенное описание того, что является гарантией жизни на планете Земля. Если такое путешествие почему-то прервется, то и существование всего живого прекратится.
Чтобы описать кратко круговорот веществ в биосфере необходимо поставить несколько отправных точек. Во-первых, из более чем девяноста химических элементов, известных и встречающихся в природе, для живых организмов, необходимо около сорока. Во-вторых, количество этих веществ ограничено. В-третьих, речь идет только о биосфере, то есть о жизнь содержащей оболочке земли, а, значит, о взаимодействиях между живыми организмами. В-четвертых, энергией, которая способствует круговороту, является энергия, поступающая от Солнца. Энергия, рождающаяся в недрах Земли в результате различных реакций, в рассматриваемом процессе участия не принимает. И последнее. Необходимо опередить точку отсчета этого «путешествия». Она условна, так как не может быть конца и начала у круга, но это необходимо для того, чтобы с чего-то начать описывать процесс. Начнем с самого нижнего звена трофической цепи – с редуцентов или могильщиков.
Ракообразные, черви, личинки, микроорганизмы, бактерии и прочие могильщики, потребляя кислород и используя энергию, перерабатывают неорганические химические элементы в органическую субстанцию, пригодную для питания живыми организмами и дальнейшего ее движения по пищевой цепи. Далее эти, уже органические вещества, едят консументы или потребители, к которым относятся не только животные, птицы, рыбы и тому подобное, но и растения. Последние являются продуцентами или производителями. Они, используя эти питательные вещества и энергию, вырабатывают кислород, который является основным элементом, пригодным для дыхания всего живого на планете. Консументы, продуценты и, даже редуценты погибают. Их останки, вместе с органическими веществами, находящимися в них, «падают» в распоряжение могильщиков.
И все повторяется вновь. Например, весь кислород, существующий в биосфере, делает свой оборот за 2000 лет, а углекислый газ за 300. Такой кругооборот принято называть биогеохимическим циклом.
Некоторые органические вещества в процессе своего «путешествия» вступают в реакции и взаимодействия с другими веществами. В результате образуются смеси, которые в том виде, в каком они есть, не могут быть переработаны редуцентами. Такие смеси остаются «храниться» в земле. Не все органические вещества, попадающие на «стол» могильщиков, не могут ими переработаться. Не все могут перегнить при помощи бактерий. Такие неперегнившие остатки попадают на хранение. Все, что остается на хранении или в резерве, выбывает из процесса и в круговорот веществ в биосфере не входят.
Таким образом, в биосфере круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов, можно разделить на две составляющие. Одна – резервный фонд – это часть вещества, которая не связана с деятельностью живых организмов и до времени в обороте не участвует. И вторая – это оборотный фонд. Он представляет собой лишь небольшую часть вещества, которая активно используется живыми организмами.
Атомы каких основных химических элементов столь необходимы для жизни на Земле? Это: кислород, углерод, азот, фосфор и некоторые другие. Из соединений, основным в кругообороте, можно назвать воду.
Кислород
Круговорот кислорода в биосфере следует начать с процесса фотосинтеза, в результате которого миллиарды лет назад он и появился. Он выделяется растениями из молекул воды под воздействием солнечной энергии. Кислород образуется также в верхних слоях атмосферы в ходе химических реакций в парах воды, где химические соединения разлагаются под воздействие электромагнитного излучения. Но это незначительный источник кислорода. Основным является фотосинтез. Кислород содержится и в воде. Хотя его там, в 21 раз меньше, чем в атмосфере.
Образовавшийся кислород используется живыми организмами для дыхания. Он также является окислителем для различных минеральных солей.
И человек является потребителем кислорода. Но с началом научно-технической революции, это потребление многократно возросло, так как кислород сжигается или связывается при работе многочисленных промышленных производств, транспорта, для удовлетворения бытовых и иных нужд в ходе жизнедеятельности людей. Существовавший до этого так называемый обменный фонд кислорода в атмосфере в размере 5% общего его объема, то есть вырабатывалось в процессе фотосинтеза столько кислорода, сколько его потреблялось. То теперь этого объема становиться катастрофически мало. Происходит потребление кислорода, так сказать, из неприкосновенного запаса. Оттуда, куда его уже некому добавить.
Незначительно смягчает эту проблему, что некоторая часть органических отходов не перерабатывается и не попадает под воздействие гнилостных бактерий, а остается в осадочных породах, образуя торф, уголь и тому подобные ископаемые.
Если результатом фотосинтеза является кислород, то его сырьем – углерод.
Азот
Круговорот азота в биосфере связан с образованием таких важнейших органических соединений, как: белки, нуклеиновые кислоты, липопротеиды, АТФ, хлорофилл и другие. Азот, в молекулярной форме, содержится в атмосфере. Вместе с живыми организмами — это всего около 2% всего, имеющего на Земле азота. В таком виде он может употребляться только бактериями и сине-зелёными водорослями. Для остального растительного мира в молекулярной форме азот не может служить питанием, а может перерабатываться лишь в виде неорганических соединений. Некоторые виды таких соединений образуются во время гроз и с дождевыми осадками попадают в воду и почву.
Самыми активными «переработчиками» азота или азотофиксаторами являются клубеньковые бактерии. Они поселяются в клетках корней бобовых и преобразовывают молекулярный азот в его соединения, пригодные для растений. После их отмирания, азотом обогащается и почва.
Гнилостные бактерии расщепляют азотосодержащие органические соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, а другая иными видами бактерий окисляется до нитритов и нитратов. Те, в свою очередь, поступают в качестве питания для растений и нитрифицирующими бактериями восстанавливаются до оксидов и молекулярного азота. Которые вновь попадают в атмосферу.
Таким образом, видно, что основную роль в кругообороте азота, играют различные виды бактерий. И если уничтожить хотя бы 20 таких видов, то жизнь на планете прекратится.
И опять установленный кругооборот был разорван человеком. Он для целей увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, стал активно применять азотосодержащие удобрения.
Углерод
Круговорот углерода в биосфере неразрывно связан с кругооборотом кислорода и азота.
В биосфере схема круговорота углерода базируется на жизнедеятельности зеленых растений и их способности к превращению углекислого газа в кислород, то есть фотосинтезе.
Углерод взаимодействует с другими элементами различными способами и входит в состав практически всех классов органических соединений. Например, он входит в состав углекислого газа, метана. Он растворен в воде, где его содержание значительно больше чем в атмосфере.
Хотя по распространённости углерод не входит в десятку, но в живых организмах он составляет от 18 до 45% сухой массы.
Мировой океан служит регулятором содержания углекислого газа. Как только его доля в воздухе повышается, вода выравнивает положения, поглощая углекислый газ. Еще одним потребителем углерода в океане являются морские организмы, которые используют его для строительства раковин.
Круговорот углерода в биосфере основывается на наличии в атмосфере и гидросфере углекислого газа, который является своеобразным обменным фондом. Пополняется он за счет дыхания живых организмов. Бактерии, грибы и другие микроорганизмы, принимающие участие в процессе разложения органических остатков в почве, также участвуют в пополнении углекислым газом атмосферы.Углерод «консервируется» в минерализованных неперегнивших органических остатках. В каменном и буром угле, торфе, горючих сланцах и тому подобных отложениях. Но основным резервным фондом углерода являются известняки и доломиты. Содержащийся в них углерод «надежно спрятан» в глубине планеты и высвобождается лишь при тектонических сдвигах и выбросах вулканических газов при извержениях.
Благодаря тому, что процесс дыхания с выделение углерода и процесс фотосинтеза с его поглощением проходит через живые организмы очень быстро, в кругообороте участвует лишь незначительная доля всего углерода планеты. Если бы этот процесс был невзаимным, то растения только суши использовали весь углерод всего в течение 4-5 лет.
В настоящее время, благодаря деятельности человека, растительный мир не имеет недостатка с углекислым газом. Он пополняется сразу и одновременно из двух источников. Путем сжигания кислорода при работе промышленности производств и транспорта, а также в связи с использованием для работы этих видов человеческой деятельности тех «консервов» — угля, торфа, сланцев и так далее. Отчего содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25%.
Фосфор
Круговорот фосфора в биосфере неразрывно связан с синтезом таких органических веществ, как: АТФ, ДНК, РНК и другие.
В почве и воде содержание фосфора очень мало. Основные его запасы в горных породах, образовавшихся в далеком прошлом. С выветриванием этих пород начинается кругооборот фосфора.
Растениями фосфор усваивается лишь в виде ионов ортофосфорной кислоты. В основном это продукт переработки могильщиками органических остатков. Но если почвы имеют повышенный щелочной или кислотный фактор, то фосфаты практически в них не растворяются.
Фосфор является прекрасным питательным веществом для различного вида бактерий. Особенно сине-зеленой водоросли, которая при увеличенном содержании фосфора бурно развивается.
Тем не менее большая часть фосфора уносится с речными и другими водами в океан. Там он активно поедается фитопланктоном, а с ним морским птицам и другим видам животных. Впоследствии фосфор попадает на океаническое дно и формирует осадочные породы. То есть возвращается в землю, лишь под слоем морской воды.
Как видно кругооборот фосфора специфичен. Его трудно и назвать кругооборотом, так как он не замкнут.
Сера
В биосфере круговорот серы необходим для образования аминокислот. Он создает трехмерную структуру белков. В нем участвуют бактерии и организмы, потребляющие кислород для синтеза энергии. Они окисляют серу до сульфатов, а одноклеточные доядерные живые организмы, восстанавливают сульфаты до сероводорода. Кроме них, целые группы серобактерий, окисляют сероводород до серы и далее до сульфатов. Растения могут потреблять из почвы лишь ион серы — SO 2- 4. Таким образом, одни микроорганизмы являются окислителями, а другие восстановителями.
Местами накопления серы и ее производных в биосфере является океан и атмосфера. В атмосферу сера поступает с выделением сероводорода из воды. Кроме того, сера попадает в атмосферу в виде диоксида при сжигании на производствах и в бытовых нуждах горючего ископаемого топлива. В первую очередь угля. Там она окисляется и, превращаясь в серную кислоту в дождевой воде, с ней же выпадает на землю. Кислотные дожди сами по себе наносят существенный вред всему растительному и животному миру, а кроме этого, с ливневыми и талыми водами, попадают в реки. Реки несут ионы сульфатов серы в океан.
Содержится сера также в горных породах в виде сульфидов, в газообразном виде — сероводород и сернистый газ. На дне морей имеются залежи самородной серы. Но это все «резерв».
Вода
В биосфере нет более распространенного вещества. Его запасы в основном в солено-горьком виде вод морей и океанов – это около 97%. Остальное пресные воды, ледники и подземные и грунтовые воды.
Круговорот воды в биосфере условно начинается с ее испарения с поверхности водоемов и листьев растений и составляет примерно 500 000 куб. км. Обратно она возвращается в виде осадков, которые попадают либо непосредственно обратно в водоемы, либо, пройдя через почву и подземные воды.
Роль воды в биосфере и истории ее эволюции такова, что вся жизнь с момента своего появления, была полностью зависима от воды. В биосфере вода многократно через живые организмы прошла циклы разложения и рождения.
Кругооборот воды имеет под собой в большей степени физический процесс. Однако, животный и, особенно, растительный мир принимает в этом немаловажное участие. Испарения воды с поверхностных участков листьев деревьев таков, что, например, гектар леса испаряет в сутки до 50 тонн воды.
Если испарение воды с поверхностей водоемов естественно для ее кругооборота, то для континентов с их лесными зонами, такой процесс – единственный и главный способ его сохранения. Здесь кругооборот идет как бы в замкнутом цикле. Осадки образуются из испарений с поверхностей почвы и растений.
В процессе фотосинтеза растения используют водород, содержащийся в молекуле воды, для создания нового органического соединения и выделения кислорода. И, наоборот, в процессе дыхания, живые организмы, происходит процесс окисления и вода образуется снова.
Описывая кругооборот различный видов химических веществ, мы сталкиваемся с более активным влиянием человека на эти процессы. В настоящее время природа, за счет многомиллиардной истории своего выживания, справляется с регулированием и восстановлением нарушенных балансов. Но первые симптомы «болезни» уже есть. И это «парниковый эффект». Когда две энергии: солнечная и отраженная Землей, не защищают живые организмы, а, наоборот, усиливают одна другую. В результате чего повышается температура окружающей среды. Какие последствия такого повышения могут быть, кроме ускоренного таяния ледников, испарения воды с поверхностей океана, суши и растений?
Видео — Круговорот веществ в биосфере
Между литосферой, гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние. Круговорот элементов имел место в течение всей истории Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет.
Огромные массы химических веществ переносятся водами Мирового океана. В первую очередь это относится к растворенным газам – диоксиду углерода, кислороду, азоту. Холодная вода высоких широт растворяет газы атмосферы. Поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она их выделяет, так как растворимость газов при нагревании уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при смене теплых и холодных сезонов года.
Огромное влияние на природные циклы некоторых элементов оказало появление жизни на планете. Это, в первую очередь, относится к круговороту главных элементов органического вещества – углерода, водорода и кислорода, а также таких жизненно важных элементов как азот, сера и фосфор. Живые организмы оказывают влияние и на круговорот многих металлических элементов. Несмотря на то, что суммарная масса живых организмов Земли меньше массы земной коры в миллионы раз, растения и животные играют важнейшую роль в перемещении химических элементов.
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.
Во всех природных водах в растворенном состоянии содержатся различные газы, главным образом азот, кислород и углекислый газ. Количество газов, которое способна растворить морская вода, зависит от ее солености, гидростатического давления, но главным образом от температуры. Чем больше соленость и чем выше температура, тем меньше газов может растворить морская вода, и наоборот.
Морская вода участвует во множестве химических и биохимических преобразований веществ, которые находятся в ней в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, в свободном состоянии и в различных соединениях. Гидросфера в целом служит средой и могучим транспортным средством в сложных изменениях и перемещениях химических элементов, происходящих в биосфере и литосфере.
В Мировой океан реками ежегодно выносится около 10 миллионов тонн азота в ионной форме и примерно 20 миллионов тонн в виде органических соединений. Поскольку в осадочные породы азота уходит мало, можно считать, что в ходе естественных процессов денитрификация в Мировом океане уравновешивает фиксацию азота и его вынос в сушу. В связи с применением удобрений резко возросло его количество, поступающее в водоёмы, ухудшая качество воды.
Фосфор – важнейший биогенный элемент, чаще всего лимитирующий развитие продуктивности водоемов. Поэтому поступление избытка соединений фосфора с водосбора с поверхностным стоком с полей, со стоками с ферм, с неочищенными бытовыми сточными водами, а также с некоторыми производственными отходами приводит к резкому неконтролируемому приросту растительной биомассы водного объекта (это особенно характерно для непроточных и малопроточных водоемов). Деятельность человека нарушила природный круговорот фосфора. Соединения фосфора используются для производства удобрений и моющих средств. Это приводит к загрязнению водоемов соединениями фосфора. В таких условиях фосфор перестает быть элементом, ограничивающим рост массы живых существ, особенно водорослей и других водных растений.
Сера содержится в атмосфере в небольших количествах, в основном, в виде сероводорода и диоксида серы. Довольно много этого элемента (в виде сульфат-ионов) находится в гидросфере. В литосфере сера встречается в виде простого вещества (самородная сера) и в составе многочисленных минералов – сульфидов и сульфатов металлов. Кроме того, соединения серы есть в углях, сланцах, нефти, природном газе. Сера входит в состав многих белков, поэтому она всегда содержится в организмах животных и растений. Человеческая деятельность существенно изменила круговорот серы между атмосферой, океанами и поверхностью суши. Эти изменения сильнее, чем воздействие человека на цикл углерода. Как и в случае глобального цикла углерода, техногенные выбросы серы в окружающую среду мало влияют на распределение масс этого элемента на поверхности Земли. Однако повышенное содержание серы в промышленных и бытовых отходах создают опасность для жизни на обширных территориях. Массированный выброс диоксида серы в атмосферу порождает кислотные дожди, которые могут выпадать далеко за пределами индустриальных районов. Загрязнение природных вод растворимыми соединениями серы несет угрозу живым организмам внутренних водоемов и прибрежных областей морей.
Углерод – основной элемент жизни. Он содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных водах Земли углерод находится в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат - иона, карбонат иона и растворенного диоксида углерода. 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. В последнее столетие в углеродный цикл существенные изменения внесла хозяйственная деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива – угля, нефти и газа – привело к увеличению поступления диоксида углерода в атмосферу. Это не очень сильно влияет на распределение масс углерода между оболочками Земли, но может иметь серьезные последствия из-за усиления парникового эффекта.
Кремний является вторым по распространенности (после кислорода) химическим элементом в земной коре. Его кларки в земной коре – 29,5, в почве – 33, в океане – 5х10 -5 . Однако, несмотря на огромную распространенность кремния и его соединений в природе (кварц и силикаты составляют 87% литосферы), биогеохимические циклы кремния (особенно на суше) изучены еще недостаточно. Марганец и железо являются постоянными компонентами природных пресных вод, и их содержание зачастую превышает уровни основных макроэлементов.
9 классБилет №26
1. Круговороты химических элементов в природе (на примере углерода, кислорода и азота). Роль живых существ в круговороте химических элементов.
Круговороты химических элементов на Земле - повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющиеся более или менее циклический характер. Общий круговорот веществ складывается из отдельных процессов (круговорот воды, газов, химических элементов), которые не являются полностью обратимыми, т.к. происходит рассеивание вещества, изменение его состава и др.
С появлением жизни на Земле огромную роль в круговороте веществ играют живые организмы (круговорот кислорода, углерода, водорода, азота, кальция и др.биогенных элементов). Глобальное влияние на круговорот веществ и хим. элементов имеет деятельность человека, в результате которой возникают новые и изменяются сложившиеся в природе пути миграции веществ, появляются новые вещества и т.д.
Глубокое изучение превращений веществ и энергии в природе и учёт последствий деятельности человека – необходимое условие сохранения окружающей среды.
Рассмотрим круговороты некоторых химических элементов
Круговорот углерода
В природе происходит непрерывный процесс разрушения одних углеродосодержащих веществ и образование других. Органические вещества разрушаются при сгорании топлива, при дыхании, при гниении. Из них образуются более простые вещества, в том числе углекислый газ. Углекислый газ выделяется при разложении некоторых неорганических веществ, например, при обжиге известняка. Однако, его количество в атмосфере увеличивается медленно. Это объясняется тем, что оксид углерода (IV) участвует в фотосинтезе и атомы углерода снова переходят в состав органических веществ растений. Многие из них употребляются в пищу животными и человеком. Так происходит непрерывный круговорот углерода в природе.
Минералы и горные породы
(нефть, природный газ, уголь, графит - сжигание,
известняк, доломиты - прокаливание), вулканические газы
углекислый газ
растения
поглощают углекислый газ при фотосинтезе,
элемент углерод переходит в органические вещества
животные
органические вещества растений входят в состав пищи
для животных и человека
углекислый газ
процессы дыхания, брожения, гниения
сопровождаются образованием углекислого газа
(органические вещества превращаются в углекислый газ в результате реакций окисления)
Круговорот кислорода
Состав атмосферы за последние столетия изменился незначительно. В состав воздуха входят: азот (78%), кислород (21%), углекислый газ (0,03 %) и инертные газы (около 1%). Живые организмы в течение эволюции приспособились к определённому составу атмосферы, и даже небольшие изменения состава отрицательно влияют на живые организмы.
Кислород расходуется в огромных количествах на многие химические реакции: дыхание живых организмов, процессы гниения; хозяйственная деятельность человека: сжигание топлива, выплавка, резка и сварка металлов, многие производства (лекарственных веществ, азотной и серной кислот, удобрений, синтетических волокон, взрывчатых веществ, пластмасс и др.).
Но всё же общая масса кислорода в воздухе заметно не изменяется. Это объясняется процессом фотосинтеза, происходящего в зелёных растениях на свету. В результате фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. В результате этого процесса масса кислорода в воздухе пополняется.
Кислород атмосферы
растения, животные, человек
поглощают при дыхании кислород, а выделяют углекислый газ
углекислый газ
растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород,
этот процесс называется фотосинтезом
кислород атмосферы
растения выделяют кислород при фотосинтезе
Круговорот азота
Химический элемент азот в виде простого вещества составляет большую часть атмосферы, в которой содержится по объёму 78%, входит в состав органических веществ, в частности в состав белков, из которых состоят живые организмы. В почве азот содержится в виде ионов аммония NH4+ и нитрат-ионов NO3-.
Зелёные растения нуждаются в азоте, он является основным питательным элементов наряду с фосфором и калием. Азот влияет на рост зелёной массы растений, при недостатке азота замедляется и прекращается их рост. При выращивании растений почва постепенно обедняется азотом, и может стать бесплодной.
При гниении и горении органических веществ часть связанного азота освобождается и уходит в атмосферу. Однако, в естественных условиях содержание связанного азота в почве не уменьшается, масса свободного азота в атмосфере так же не увеличивается. Чем это можно объяснить?
Оказывается, существуют бактерии, как свободно живущие в почве, так и поселяющиеся на корнях бобовых растений, которые усваивают атмосферный азот, переводя его в состав органических соединений. Небольшие количества азота связываются при грозовых разрядах: при этом образуются оксиды азота, оксид азота (IV) соединяясь с водой превращается в азотную кислоту, которая превращается в почве в нитраты.
В результате этих процессов происходит круговорот химических элементов в природе. При уборке урожая с полей выносится значительная часть азота, поэтому необходимо вносить азотные удобрения в почву, чтобы восполнить эту убыль.
Азот атмосферы
(содержание азота в атмосфере постоянно, составляет по объёму 78%)
Азот усваивают азотофиксирующие бактерии
превращают его в нитратную и аммонийную форму и органические вещества
Растения
(в растениях азот находится в виде органических веществ – белков, растительный белок служит пищей для животных и человека)
Животные и человек
Гниение, продукты обмена веществ, горение органических веществ
Азот атмосферы
Итак, рассмотрев круговороты некоторых химических элементов, мы убедились в том, что для них характерна цикличность, в круговороте участвуют различные звенья живой и неживой природы. В результате круговорота веществ поддерживается постоянный состав атмосферы, почвы, гидросферы.
Большую роль в круговороте веществ играют живые организмы: растения, животные и человек. В зелёных растениях неорганические вещества превращаются в органические в процессе фотосинтеза, в организме животных создаётся белки, необходимые для жизни человека (животные белки содержат все аминокислоты). Человек влияет на круговорот веществ своей хозяйственной деятельностью, очень часто его влияние оказывает вред природе.
Всякое неразумное вмешательство человека вызывает нарушение природного равновесия, поэтому необходимо изучать все стороны и звенья круговорота веществ и учитывать их особенности, для того, чтобы не нарушить естественное равновесие в природе.
Круговорот основных элементов биосферы – С, О, H , N , P , S , Al , Fe , P d , Cd , Hg , Sr , органических и неорганических соединений.
Углерод включается в состав органических элементов в процессе фотосинтеза из CO2. Другие процессы биосинтеза преобразуют углерод в крахмал, гликоген и другие вещества. Эти вещества формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных. В процессе дыхания организма окисляются сложные органические вещества и выходит CO2, который опять участвует в фотосинтезе. Время круговорота – 8 лет.
Миграция C02 в биосфере Земли протекает двумя путями:
1-й путь закладывается в поглощение его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцы, рассеянной органики, осадочных горных пород. По 2-му пути миграция С осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.
В количественном отношении главной составляющей живой материи является кислород , круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления.
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 и образованием воды. 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.
Водород на Земле находится, преимущественно, в гидросфере в составе воды. Содержание его в литосфере и атмосфере сравнительно невелико. Он входит также в состав органических веществ. Огромные массы водорода, наряду с кислородом, участвуют в круговороте воды – одном из наиболее мощных циклических процессов на планете.
Особенностью водорода является его способность (наряду с гелием) уходить из поля тяготения Земли благодаря своей малой атомной массе. Эти потери компенсируются выделением водорода из мантии. Молекулярный водород поступает в атмосферу Земли в результате вулканической деятельности, его выделяют также некоторые бактерии. После появления на нашей планете живых организмов водород стал связываться в органическом веществе.
При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в NH4, который под влиянием живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется в азотную кислоту. Она вступая в реакцию с находящимся в почве карбонатами (например с СаСО3), образует нитраты:
2HN03 + СаСО3 Са(NО3)2 + СО2 + Н20
Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических веществ, при сжигание дров, каменного угля, торфа. Далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений, возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы возмещения потери азота. К таким процессам относятся прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды. При грозах они синтезируют из азота и кислорода оксиды азота; последние с водой дают азотную кислоту, превращаясь в почве в нитраты (аммиак). Другим источником попадания азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих ба¬терий поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образования характерных вздутий - «клубеньков». Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. При распаде растительного и животного белка азот вновь попадает в неживую природу, откуда поступает в состав новых поколений живых организмов, а часть азота в виде молекул возвращается в атмосферу.
Фосфор – очень важный элемент для всего живого, поскольку участвует в образовании и превращении азотистых веществ и углеводов в живых тканях – биосинтезе белков, нуклеиновых кислот, играющих главную роль в хранении и передаче наследственной информации и обеспечивающих синтез белков в клетках, пептидов и т.д., входит в состав скелета, тканей мозга, хромосом, ферментов, вирусов, протоплазмы живой клетки.
Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах P содержится в виде неорганического фосфатиона (PO43-). Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают PO43- из водного раствора и включают фосфор в состав различных органических соединений, где он выступает в форме т.н. органического фосфата. По пищевым цепям P переходит от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе велика вероятность окисления содержащегося P соединения в процессе клеточного дыхания для получения органической энергии. Когда это происходит, фосфат в составе мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл. Попадая в водоемы, фосфор насыщает, а иногда и перенасыщает экосистемы. Обратного пути, по сути дела, нет. Что-то может вернуться на сушу с помощью рыбоядных птиц, но это очень небольшая часть общего количества, оказывающаяся к тому, же вблизи побережья. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет.
Сера относится к группе циклических химических элементов, образует 369 минералов. Это - важный биофильный элемент, который встречается в биосфере в основном в животных тканях и не только участвует в процессах, протекающих в живых метках, или с участием различных органических веществ, но и существенно влияет на ход метаболизма множества групп и большого количества организмов. Биофильностъ характеризует кларк концентрации элемента в живом веществе (КК) - отношение содержания данного элемента в конкретном природном объекте к кларку литосферы. В круговороте серы велика роль микроорганизмов. Несмотря на то, что в круговороте серы протекают как окислительные, так и восстановительные процессы, часть серы выводится из кругооборота, восстановление не компенсирует окисление. Это усугубляется и сознательной деятельностью человека, который переводит природные сульфиды в сульфаты, например при производстве серной кислоты, выплавке металлов ив сернистых руд.
Соединения серы, поступившие техногенным путем в атмосферу с суши, почти целиком возвращаются на земную поверхность и пагубно воздействуют на природные комплексы.
Алюминий - третий по массе элемент в земной коре; его больше 7,5%. Один из главных элементов массивных пород. Количество его уменьшается с глубиной в основных породах. В массивных породах он находится гл. обр. в алюмо-силикатах калия, натрия, в меньшей степени- в и еще реже- в окислах. Алюмо-силикаты массивных пород в биосфере неустойчивы, теряют металлы, поглощают воду и переходят в свободные кислоты (глины). Процесс идет под влиянием С0 2 и воды и часто связан с жизнью. Глины-каолин в некоторых почвах и морских-распадаются, давая гидраты окиси алюминия. Часть алюминия находится в водах; в водных растворах кроме иона А1 могут находиться мицелы гидратов окиси алюминия или глин (каолины); для пресных вод биосферы А1 находится в тысячных и стотысячных долях процента (для океана эта величина не определена). Из водных растворов алюминий переходит в организмы, где он концентрируется в растениях и входит в богатые водой труднорастворимые силикаты магния. Эти формы нахождения алюминия неустойчивы в глубоких частях земной коры, в области метаморфизма, куда они попадают в течение геологического времени благодаря смещениям земной коры при горообразовании. В верхних областях метаморфизма образуются новые соединения-каолиновые алюмо-силикаты-из глин.
В земной коре находятся обильные источники железа. Небольшое количество железа переносится в растворе поверхностными и подземными водами, но, вероятно, большая часть его перемещается поверхностными водами в виде твердых частиц, включая коллоиды, и органического вещества.
Считают, что железо в растворе существует преимущественно в виде ионов, однако в поверхностных водах оно часто встречается в органических соединениях. Если рН воды ниже 3,0, в ней присутствуют ионы трехвалентного железа Fe 3+ . При более высоком рН трехвалентное железо может присутствовать в виде комплексного иона. Если величина Eh не очень высока, вода содержит двухвалентное железо. Когда подземные воды, содержащие ионы двухвалентного железа, контактируют с атмосферой, может протекать следующая реакция:
Поскольку при взятии проб подземной воды она почти всегда соприкасается с воздухом и для этой реакции необходимо небольшое количество кислорода, последняя всегда происходит в большинстве проб подземной воды, отбираемой для химического анализа. Хотя в результате этой реакции рН несколько снижается, растворимость гидроокиси трехвалентного железа так низка при обычных величинах рН, что большая часть железа в растворе осаждается.
Распределение и миграция ртути в окружающей среде осуществляются в виде круговорота двух типов. Во-первых, глобального круговорота, включающего циркуляцию паров ртути в атмосфере (от наземных источников в Мировой океан и наоборот). Во-вторых, локального круговорота, основанного на процессах метилирования неорганической ртути, поступающей из техногенных источников. Именно с круговоротом второго типа чаще всего связано формирование опасных с экологических позиций ситуаций.
Поступающие в окружающую среду из природных и техногенных источников ртуть и ее соединения подвергаются в ней различным преобразованиям. Неорганические формы ртути претерпевают преобразования в результате окислительно-восстановительных процессов. Пары ртути окисляются в воде в присутствии кислорода неорганическую двухвалентную ртуть (Hg 2+), чему в значительной мере способствуют присутствующие в водной среде органические вещества, которых особенно много в зонах загрязнения. В свою очередь, ионная ртуть, поступая или образуясь в воде, способна формировать комплексные соединения с органическим веществом. Наряду с окислением паров ртути образование Hg 2+ может происходить при разрушении ртуть органических соединений.
Неорганическая ртуть Hg 2+ претерпевает два важных вида превращений в окружающей среде. Первый - это восстановление с образованием паров ртути. Известно, что некоторые бактерии способны осуществлять это преобразование. Второй важной реакцией является ее превращение в метил- и диметилпроизводные и их последующие взаимопревращения друг в друга. Эта реакция играет ключевую роль в локальном круговороте ртути. Важно то, что метилирование ртути происходит в самых различных условиях: в присутствии и отсутствии кислорода, разными бактериями, в различных водоемах, в почвах и даже в атмосферном воздухе. Особенно интенсивно процессы метилирования протекают в верхнем слое богатых органическим веществом донных отложений водоемов, во взвешенном в воде веществе, а также в слизи, покрывающей рыбу.
Второстепенные элементы, подобно жизненно важным, нередко мигрируют между организмами и средой, хотя и не представляют какой-либо ценности для организмов. Большинство из этих элементов участвуют в общем осадочном цикле. Обычно они оказывают малое воздействие на живые существа. Однако могут быть и неожиданные последствия, связанные в основном с деятельностью человека. Например, радиоактивный стронций-90, ранее в природе не существовавший, по химическим свойствам похож на кальций, поэтому, попав в организмы, он накапливается в костях и оказывается в тесном контакте с кроветворными тканями. Радиоактивный цезий-137 по свойствам схож с калием и поэтому быстро циркулирует по пищевым цепям.
Современная промышленность обогатила биосферу ртутью, соединениями кадмия, меди, цинка, свинца. Для жизни эти вещества токсичны.
Диапозитив 1
I. Солнце – важнейший источник энергии и жизни на Земле, условие процесса фотосинтеза и главный фактор круговорота веществ в природе, поэтому изображение Солнца помещают на схемах круговоротов или мысленно предполагают его участие в различных процессах.
II. Углекислый газ в атмосфере и гидросфере Земли. Направленными в противоположные стороны стрелками на диапозитиве представлено динамическое равновесие, определяющее содержание углекислого газа в атмосфере и Мировом океане. На состояние этого равновесия влияют не только биохимические процессы, но и производственная деятельность людей, извержения вулканов.
III. Кислород в атмосфере и гидросфере Земли.
Рисунок аналогичен предыдущему.
При рассмотрении отдельных круговоротов следует ограничиться только одной составной частью атмосферы, например азотом, или рассматривать атмосферу как не что целое (диапозитивы 14, 15, 16).
(В отличие от указанного выше учебного пособия, где представлены только атмосфера и гидросфера, в отдельных круговоротах, представленных на диапозитивах, обозначена и литосфера («неживая природа»), охватывающая берега и дно океана.)
Диапозитив 2.
IV. Извержение вулкана.
V. Молния на фоне неба.
VI. Завод с дымящими трубами.
Диапозитив 3.
VII. Горные породы, литосфера.
VIII. Залежи карбонатов.
IX. Растительные и животные остатки.
X. Залежи горючего ископаемого.
Диапозитив 4.
XI. Почва.
XII. Микроорганизмы (гнилостные, нитрифицирующие, денитрифицирующие бактерии, азотобактер, серобактерии и др.); при обсуждении диапозитива предложите учащимся расшифровать, какое изображение относится к тому или иному микроорганизму.
XIII. Минеральные удобрения
XIV. Залежи фосфорных удобрений (фосфоритов, апатитов).
Диапозитив 5.
XV. Наземные растения.
XVI Водоросли.
XVII. Сухопутные животные.
XVIII. Водные животные – рыбы.
Помещенные на диапозитивах 1–5 изображения служат для составления схем различных круговоротов. Диапозитивы 1, 2 отражают глобальные природные явления, совершающиеся на Земле, производственную деятельность людей, соизмеримую по масштабам с биогеохимическими процессами, происходящими во всех оболочках земной коры: лито-, гидро- и атмосфере. Диапозитивы 3, 4, 5 так или иначе связаны с биогеохимическими процессами, происходящими на поверхности Земли. Содержание каждого из диапозитивов может быть использовано как тема для оживленной беседы или выступления учащегося. При этом школьники используют знания из курсов природоведения, биологии, географии, физики; таким образом укрепляются межпредметные связи.
В серии подчеркивается сложность и противоречивость биогеохимических процессов. Они включают процессы созидания (фотосинтез и хемосинтез) и разрушения (гниение и распад органических веществ). Особо отмечается роль различных микроорганизмов, без которых немыслима жизнь на нашей планете.
Уже при таком общем рассмотрении вопроса вырисовываются грандиозные контуры процессов созидания и разрушения, протекающих в виде круговоротов веществ и сопровождающих их энергетических процессов. Затем круговороты конкретизируются на примере отдельных химических элементов (вначале примеры должны быть несложными, включать небольшое число компонентов). Постепенно круговороты усложняются, в них участвуют большее число компонентов, увеличивается число связей между ними.
В качестве примеров в диапозитивах 6–20 приведены схемы круговоротов (рекомендации, имеющиеся в учебном пособии «Круговорот некоторых веществ в природе», целесообразно использовать и в данном случае: примерный порядок построения схем, выделение главного путем отбора компонентов и установления связи между ними с помощью различных стрелок – по направлению, цвету, толщине и пр.).
На приведенных схемах далеко не исчерпываются возможности использования названных ранее 18 компонентов. Здесь в полной мере могут проявиться творчество учащихся, их любознательность, дух соревнования в достижении лучших результатов. В поле зрения учащихся могут быть вовлечены и другие химические элементы, имеющие биологическое значение, такие, как марганец, железо, цинк. Все это будет стимулировать познавательную активность учащихся, способствовать расширенному и углубленному изучению химии, творческому применению знаний для решения посильных познавательных задач. В диапозитивах представлены схемы круговоротов разной степени сложности, что позволит использовать индивидуальный подход к учащимся, в известной мере дифференцировать обучение. По каждому из приведенных ниже диапозитивов можно организовать беседу, рассказ, что будет способствовать развитию мышления, устной речи школьников.
Диапозитив 6.
Показаны только самые общие связи между неживой природой (VII – горные породы) и живой природой (XV – растения, XVII – животные), Главные и побочные связи обозначены разными стрелками.
Диапозитив 7.
Предыдущая схема дополняется новым компонентом – почвой (XI).
Диапозитив 8.
Вводится очередное усложнение в схему круговорота – микроорганизмы (XII), играющие существенную роль в почвообразовании.
Диапозитив 9.
Микроорганизмы прежде всего превращают органические остатки в неорганические вещества, усвояемые растениями. Они осуществляют также синтезы органических веществ.
Диапозитивы 10, 11
Показывают взаимосвязь между растениями и животными суши и взаимосвязь между водными животными и растениями.
Диапозитив 12.
В схему круговорота с участием наземных растений и животных включены новые компоненты (IX, XI, XII, VII, IV). Аналогичную схему для водных растений и животных можно предложить учащимся построить самостоятельно.
Диапозитив 13.
Сжигание топлива и обжиг известняка увеличивают содержание углекислого газа в атмосфере (гидросфере); одновременно происходит уменьшение содержания кислорода в воздухе.
Диапозитив 14.
На схеме, в частности, показано, что движение углекислого газа и кислорода в растениях и организмах животных происходит в противоположных направлениях.
Диапозитив 15.
На схеме представлены два противоположных процесса: связывание атмосферного азота и превращение связанного азота в атмосферный азот. В естественных условиях эти процессы уравновешиваются.
Диапозитив 16.
На естественный круговорот азота большое влияние оказывает то, что с урожаем из почвы уносится связанного азота больше, чем его запас восполняется.
Вопрос учащимся: Какой вывод из этого следует?
Диапозитив 17.
В отличие от азота соединения фосфора в почве не восполняются, и их необходимо вносить в виде удобрений.
Диапозитив 18.
Стрелками отмечены пути миграции серы, причем начало – это усвоение сульфат-иона растениями и включение серы в состав органических веществ. Дальше миграцию серы учащиеся могут проследить самостоятельно. Обратите внимание учеников на пути попадания соединений серы в атмосферу и связанное с этим загрязнение окружающей среды.
Диапозитив 19.
Учащиеся смогут самостоятельно разобраться в представленной схеме, принимая во внимание, что с почвенным раствором в растения поступают ионы калия.
Диапозитив 20.
Ионы кальция, как и ионы калия, поступают из почвенного раствора в растения, а от них к животным. Дальше миграция этих элементов идет разными путями, что обусловлено неодинаковой растворимостью их солей в воде. Кальций скапливается в костях, раковинах, меле, гипсе, фосфорите, апатите и др. В то время как карбонат кальция практически не растворим в воде, гидрокарбонат кальция растворяется в воде хорошо. В этом взаимном превращении карбоната в гидрокарбонат (и наоборот) состоит причина большой подвижности кальция в природе. Значительная роль в этом процессе отведена углекислому газу. Но это только один из вариантов круговорота кальция. Круговорот кальция в гидросфере происходит иначе. Предложите учащимся самостоятельно проследить этот процесс.
