Реферат экология. Реферат Большой и малый круговороты веществ в природе
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М.Губкина Реферат «Большой и малый круговороты веществ в природе» Выполнил: Радаев И.А. Группа: ММ16-12 Проверил: Орлова М.Н. 2016г. Содержание Стр.3-4-краткая информация о круговоротах веществ Стр.4-5-круговорот кислорода Стр.6-8-круговорот углерода Стр.8-10-круговорот азота Стр.10-11-круговорот фосфора Стр.11-13-круговорот серы Стр.13-15-круговорот воды Стр.15-круговорот радиоактивных веществ Стр.15-17- основные пути возвращения вещества в круговорот Стр.17-18-вывод Стр.19-список используемой литературы Большой и малый круговороты веществ Биосфера - наружная оболочка Земли, область распространения жизни, включающая в себя все живые организмы и все элементы неживой природы. Под круговоротом вещества в биосфере понимают неизменно повторяющиеся процессы превращений и превращений вещества. Выделяют два круговорота веществ Большой (геологический или абиотический) Малый (биологический или абиотический) Большой круговорот протекает от нескольких тысяч до сотен миллионов лет. Он включает в себя процессы круговорота воды и денудации суши (денудация-совокупность процессов сноса и переноса (водой, ветром, льдом действием силы тяжести) продуктов разрушения горных пород в пониженные участки земной поверхности, где происходит их накопление). В его основе лежит процесс переноса минеральных соединений. Осадочные горные породы, образованные выветриванием магматических горных пород в подвижных зонах земной коры вновь попадают в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму, которая является источником новых магматических пород. После того, как эти породы вновь поднимутся на земную поверхность, процессы выветривания их деформируют и превратят их в новые осадочные породы. Денудация суши складывается из общего изъятия вещества суши (52990 млн. т/год), общего приноса вещества на сушу (4043 млн. т/год) и составляет 48947 млн. т/год. Антропогенное вмешательство ведет к ускорению денудации, что приводит, например, к землетрясениям в зонах водохранилищ, построенных в сейсмоактивных районах. Важно отметить, что в большом круговороте живые организмы играют второстепенную роль. Малый круговорот происходит на уровне биогеоценоза или биогеохимического цикла. Питательные вещества воды, почвы и углерод усваиваются растениями с образованием с образованием органического вещества, которое расходуется на построение тела и на жизненные процессы растений и консументов. Круговорот кислорода  Своей уникальной атмосферой с высоким содержанием свободного кислорода Земля обязана процессу фотосинтеза. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона в высоких слоях атмосферы. Кислород освобождается из молекул воды и является, по сути, побочным продуктом фотосинтетической активности растений. Абиотическим путем кислород возникает в верхних слоях атмосферы за счет диссоциации паров воды, но этот источник составляет лишь тысячные доли процента от поставляемых фотосинтезом. Между содержанием кислорода в атмосфере и гидросфере существует подвижное равновесие. В воде его примерно в 21 раз меньше. Выделившийся кислород интенсивно расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов и на окисление разнообразных минеральных соединений. Эти процессы происходят в атмосфере, почве, воде, илах и горных породах. Показано, что значительная часть кислорода, связанного в осадочных породах, имеет фотосинтетическое происхождение. Обменный фонд О2 , в атмосфере составляет не более 5% общей продукции фотосинтеза. Многие анаэробные бактерии также окисляют органические вещества в процессе анаэробного дыхания, используя для этого сульфаты или нитраты. На полное разложение органического вещества, создаваемого растениями, требуется точно такое же количество кислорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере. Весь имеющийся в ней кислород проходит полный цикл через живые организмы примерно за 2000 лет. В настоящее время значительная часть кислорода атмосферы связывается в результате работы транспорта, промышленности и других форм антропогенной деятельности. Известно, что человечество тратит уже более 10 млрд. т свободного кислорода из общего его количества в 430-470 млрд. т, поставляемого процессами фотосинтеза. Если учесть, что в обменный фонд поступает лишь небольшая часть фотосинтетического кислорода, деятельность людей в этом отношении начинает приобретать угрожающие масштабы. Круговорот кислорода теснейшим образом сопряжен с углеродным циклом. Круговорот углерода  Углерод как химический элемент является основой жизни. Он может соединяться разными способами со множеством других элементов, образуя простые и сложные органические соединения, входящие в состав живых клеток. По распространению на планете углерод занимает одиннадцатое место (0,35% веса земной коры), но в живом веществе он в среднем занимает от 18 до 45% сухой биомассы. Углерод попадает в состав органических элементов в процессе фотосинтеза из CO2. Другие процессы биосинтеза преобразуют углерод в крахмал, гликоген или другие вещества. Эти вещества формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных. В процессе дыхания организма окисляются сложные органические вещества, выходит CO2, который опять участвует в фотосинтезе. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой – C02. Источником является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних слоев земной коры. Углекислый газ атмосферы и гидросферы представляет собой обменный фонд в круговороте углерода, откуда его черпают наземные растения и водоросли. Фотосинтез лежит в основе всех биологических круговоротов на Земле. Высвобождение углерода происходит в ходе дыхательной активности самих фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофов — бактерий, грибов, животных, включающихся в цепи питания за счет живого или мертвого органического вещества. Особенно активно происходит возврат С02 в атмосферу из почвы, так как в ней сосредоточена деятельность многочисленных групп организмов, разлагающих остатки отмерших растений и животных и осуществляется дыхание корневых систем растений. Этот процесс обозначается как «почвенное дыхание» и вносит существенный вклад в пополнение обменного фонда С02 в воздухе. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почвах образуется гумус — богатый углеродом сложный и устойчивый молекулярный комплекс. Гумус почв является одним из важных резервуаров углерода на суше. В условиях, где деятельность деструкторов тормозят факторы внешней среды (например, при возникновении анаэробного режима в почвах или на дне водоемов), органическое вещество, накопленное растительностью, не разлагается, превращаясь со временем в такие породы, как каменный или бурый уголь, торф, сапропели, горючие сланцы и другие, богатые накопленной солнечной энергией. Они пополняют собой резервный фонд углерода, надолго выключаясь из биологического круговорота. Углерод временно депонируется в живой биомассе, в растворенном органическом веществе океана и т.п. Однакоосновным резервным фондом углерода являются не живые организмы и не горючие ископаемые, аосадочные породы — известняки и доломиты. Их образование также связано с деятельностью живого вещества. Углерод этих карбонатов надолго захоронен в недрах Земли и поступает в круговорот лишь в ходе эрозии при обнажении пород в тектонических циклах. В биогеохимическом круговороте участвуют лишь доли процента углерода от общего его количества на Земле. Углерод атмосферы и гидросферы многократно проходит через живые организмы. Растения суши способны исчерпать его запасы в воздухе за 4-5 лет, а запасы в почвенном гумусе — за 300-400 лет. Основной возврат углерода в обменный фонд происходит за счет деятельности живых организмов, и лишь небольшая его часть (тысячные доли процента) компенсируется выделением из недр Земли в составе вулканических газов. В настоящее время мощным фактором перевода углерода из резервного в обменный фонд биосферы становится добыча и сжигание огромных запасов горючих ископаемых. Круговорот азота  В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1: 30, а в морских водорослях 1: 6. Поэтому биологический цикл азота также тесно связан с углеродным. 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. Кроме того, существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать O2 от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот). 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 бактерий 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. Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота. Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения, возмещающие убыль в ней важных элементов питания растений. Время круговорота – 8 лет. Круговорот фосфора  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. Этот элемент, необходимый для синтеза многих органических веществ, включая АТФ, ДНК, РНК, усваивается растениями только в виде ионов ортофосфорной кислоты (Р034+). Он относится к элементам, лимитирующим первичную продукцию и на суше, и особенно в океане, поскольку обменный фонд фосфора в почвах и водах невелик. Круговорот этого элемента в масштабах биосферы незамкнут. Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутрь клеток. В различных минералах P содержится в виде неорганического фосфат иона (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. В отличие, например, от CO2, который, где бы он ни выделялся в атмосферу, свободно переносится в ней воздушными потоками, пока снова не усвоится растениями, у фосфора нет газовой фазы и, следовательно, нет «свободного возврата» в атмосферу. 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. Круговорот серы  Сера относится к группе циклических химических элементов, образует 369 минералов. Круговорот серы, необходимой для построения ряда аминокислот, отвечает за трехмерную структуру белков, поддерживается в биосфере широким спектром бактерий. В отдельных звеньях этого цикла участвуют аэробные микроорганизмы, окисляющие серу органических остатков до сульфатов, а также анаэробные редукторы сульфата, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Кроме перечисленных группы серобактерий окисляют сероводород до элементарной серы и далее до сульфатов. Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO2-4.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 концентрацию элемента в живом веществе. 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. Круговорот воды  В количественном отношении вода самая распространённая неорганическая составляющая живой материи. В трех агрегатных состояниях она присутствует во всех составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере и литосфере. Это замкнутый цикл, который может совершаться и в отсутствии жизни, но деятельность живых организмов видоизменяет его. Основную роль в циркуляции и биогеохимическом круговороте воды играет атмосферная влага, несмотря на относительно малую толщину её слоя. Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоемов и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она расходуется на просачивание (инфильтрацию), испарение и сток. Просачивание особенно важно для наземных экосистем, так как способствует снабжению почвы водой и, способствуя разрушению горных пород, делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. В процессе инфильтрации вода, размывая верхний почвенный слой, вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами, поступает в водоносные горизонты, подземные реки, моря и океаны. Испарение воды происходит двояким способом: значительное количество воды выделяют сами растения своей листвой после извлечения ее из почвы; другая часть воды испаряется с поверхности почвы. Суммарное испарение играет главную роль в круговороте воды на континентах. Сток воды - процесс стекания дождевых, талых и подземных вод в водоемы происходящий по земной поверхности (поверхностный сток) и в толще земной коры (подземный сток). Сток также является составным звеном влагооборота на Земле и состоит из трех фаз: половодье, паводки, межень. Особенностью стока является его изменчивость в пространстве и во времени. Различают русловой и склоновый стоки. При уменьшении плотности растительного покрова сток становится основной причиной эрозии почвы. Вода участвует и в биологическом цикле, являясь источником кислорода, который поступает в атмосферу и водорода, который фиксируется в виде органических соединений. Однако фотолиз воды в клетках растений при фотосинтезе не играет существенной роли в процессе круговорота. Также не играет существенной роли потребляемая животными вода, которая выделяется во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ. Круговорот радиоактивных веществ С середины XX века (примерно с 1944 года) человек начал вводить в биогеохимический круговорот радиоактивные вещества. Значение некоторых из них можно проиллюстрировать на примере стронция-90. В цикле образования и эрозии осадков стронций перемещается вместе с кальцием. Кальций составляет около 7% материала, переносимого реками. Стронций попадает вместе с кальцием в систему биологического круговорота. На Крайнем Севере, где выпадало большое количество радиоактивных осадков, лишайники поглощают до 100% радиоактивных частиц, падающих на землю. Северные олени, питающиеся лишайниками, концентрируют стронций в своем организме, а затем он накапливается в тканях людей, употребляющих в пищу, мясо этих животных; в организме некоторых людей уже сейчас содержится 1/3-1/2 допустимой дозы стронция. Эта проблема существует и в других районах. В Европе и Северной Америке отмечено неуклонное повышение содержания стронция в костях у детей и взрослых, получивших его с молоком от коров, которые в свою очередь получили его от растений. Накопление радиоактивных изотопов в организмах часто используют для определения трофических связей организмов в сообществах. Основные пути возвращения вещества в круговорот Непосредственные выделения животных и человека без предварительного разложения бактериями. В состав таких выделений входит CO2 ,растворимые органические и неорганические соединения фосфора и азота, которые могут усваиваться растениями. Азот и фосфор регенерируются из экскрементов животных. Бактерии и грибы – основные агенты регенерации элементов. Гетеротрофный процесс разложения, происходящий благодаря жизнедеятельности организмов, приводит к высвобождению потенциальной энергии органических веществ и к регенерации химических веществ, вступающих в новый цикл обращения. Возвращение веществ в круговорот, благодаря жизнедеятельности организмов, живущих в симбиозе с растениями. Это могут быть бактерии, микроскопические грибы, водоросли, лишайники. Они передают элементы питания непосредственно растениям (клубеньковые бактерии).Такой путь особенно важен в экосистемах с низким содержанием питательных веществ. Поступление в круговорот элементов и веществ в результате физических процессов, движимых солнечной энергией, т. е в результате выветривания, эрозии и т.д. Поступление элементов в биохимические циклы, связанные с деятельностью человека и затратами энергии ископаемого топлива. Таким путем возвращаются в круговорот опресненная морская вода, биогенные элементы в виде удобрений, металлы и другие вещества, извлекаемые из отходов. На возврат веществ в круговорот всегда затрачивается энергия. Для первых трех путей энергия поступает из органических веществ, для четвертого - от Солнца, для пятого - от топлива. Поэтому в четырех случаях из пяти людям не приходится затрачивать дорогостоящее топливо. Если не нарушать природные механизмы, то они смогут возвращать в круговорот воду и питательные вещества. Повторное же использование промышленных материалов (например металлов) требует дополнительных затрат топлива и денежных средств. Вывод Все вещества на планете Земля находятся в процессе круговорота. Выделяют два основных круговорота: географический (большой) и биологический (малый). Большой круговорот длится миллионы лет, включая в себя такие процессы, как круговорот воды и денудация суши, тем самым осуществляя распределение вещества в биосфере. Биологический круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается накоплении питательных веществ. Наиболее важные биохимические циклы, например, включают круговорот углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и круговорот воды. Из всех биогеохимических циклов самый интенсивный - круговорот углерода. Углерод- основа органических соединений, а значит и жизни. Озоновый слой, защищающий нашу планету, своим существованием обязан круговороту кислорода. Азот — незаменимый биогенный элемент, так как он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Круговорот азота один из самых сложных, поскольку включает газовую и минеральную фазу. Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Этот важный и необходимый элемент протоплазмы. Сера, необходима для построения ряда аминокислот, отвечает за трехмерную структуру белков. Большую роль в круговороте серы играют микроорганизмы. Вода-основа жизни. Ее круговорот необходим планете также, как и круговорот кислорода. Единственный способ сохранить важные для человека и биосферы в целом вещества - включить их в круговорот. Вместе с нужными, полезными веществами в круговорот могут попасть опасные (стронций-90),от которых впоследствии будет трудно избавиться. Вот почему необходимо ограничить потребление значимых, долго восстанавливающихся ресурсов, ограничить попадание в биосферу опасных веществ, которые также попадают в круговорот, избавиться от которых будет практически невозможно. Используемая литература А.А. Горелов. «Структура и функции экосистем». Экология. 1998г.-240 стр. http://ecology-education.ru/ http://www.grandars.ru/ |