План:
Круговорот воды.
Круговорот углерода.
Круговорот кислорода.
Круговорот азота.
Круговорот фосфора.
Круговорот серы.
Круговорот воды. Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с
поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и,
рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах,
реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не
изменяется, она только меняет свои формы – это и есть круговорот воды в
природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в
океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%,
выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком
источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно
говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути. Либо она, собираясь в
ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища –
так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо
вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы
грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных
источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют
как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой
воды.
Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности
земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и
биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из
одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты.
Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в
атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый
круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на
сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть
осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая – питает реки
и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным
стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство
круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой,
атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы:
океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода –
важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани
растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли,
необходимые для жизнедеятельности самих растений.
Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность
полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние
ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги
отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней.
Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и
опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального
процесса динамики вод на земном шаре.
Круговорот углерода. Углерод в биосфере часто представлен наиболее
подвижной формой – углекислым газом. Источником первичной углекислоты
биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой
дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.
Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями.
Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с
образованием органических веществ и в последующем захоронении их в
литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики,
осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни
миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического
вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а
накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными
осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием
высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в
нефть, природный газ и уголь, во что именно – зависело от исходного
материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в
огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения
потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем
круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты,
вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии,
а может быть и совсем другое направление развития цивилизации.
По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной
системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-.
Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) 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 пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы
поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть
его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и
животных на поверхности происходит окисление органических веществ с
образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ
занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное
возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом
промышленного производства и транспорта.
Круговорот кислорода. Кислород – наиболее активный газ. В пределах
биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами
или их остатками после гибели.
В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота.
Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула
О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает
во множество химических соединений минерального и органического миров.
Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным
продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество
отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и
гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое
время, когда количество свободного кислорода достигло определенного
уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество
выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.
Круговорот азота. . При гниении органических веществ значительная часть
содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием
живущих в почве трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную
кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве
карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:
2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н
Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде
в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении органических
веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того,
существуют бактерии, которые при .недостаточном доступе воздуха могут
отнимать кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного
азота. Деятельность этих де ни трифицирующих бактерий приводит к тому,
что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты)
переходит в недоступную (свободный азот). Таким образом, 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, возмещающие потери азота. К таким процессам
относятся, прежде всего происходящие в атмосфере электрические разряды,
при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота;
последние с водой дают азотную кислоту, превращающуюся в почве в
нитраты. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является
жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать
атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях
растений из семейства бобовых, вызывая образование характерных вздутий —
«клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий.
Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в
азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в
белки и другие сложные вещества.
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 важнейших элементов питания растений.
Круговорот фосфора. Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих
энергию внутрь клеток. В различных минералах фосфор 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 так
называемого органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от
растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе
велика вероятность окисления содержащего фосфор соединения в процессе
клеточного дыхания для получения организмом 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 углекислого газа, 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.
Следовательно, фосфат и другие минеральные биогены почвы циркулируют в
экосистеме лишь в том случае, если содержащие их “отходы”
жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В
естественных экосистемах так в основном и происходит. Когда же в их
функционирование вмешивается человек, он нарушает естественный
круговорот, перевозя, например, урожай вместе с накопленными из почвы
биогенами на большие расстояния к потребителям.
Круговорот серы. Сера является важным составным элементом живого
вещества. Большая часть ее в живых организмах находится в виде
органических соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых
биологически активных веществ: витаминов, а также ряда веществ,
выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных
процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты.
Сера представляет собой исключительно активный химический элемент
биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от
окислительно-восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в
земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше
420 минералов.
В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных
минералов: пирита , пирронита , халькопирита , в осадочных породах
содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях – в виде примесей
серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится
преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические
соединения.
В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в
виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан. Сера
поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими
соединениями, чем пресноводные и наземные.
Фотосинтез, органическое вещество растений
Органическое вещество животных
Органическое вещество почв
Свет
Углерод
Вулканическая деятельность
Океан
Известняки, коралловые рифы и др.
Захоронение (уход в геологию)
Высвобождение углерода человеком
Органический азот растений и животных (NH2)
Аммонификация
Мочевина
CO(NH2)2
Аммиак
(NH3)
Ион аммония
(NH4)
Закись азота
(N2O)
Нитрификация
Нитриты
(NO2)
Свободный азот
Нитрификация
Нитраты
(NO3)
Азотофиксирующие организмы
Продукция растений и животных
Фосфат – ионы
(PO4)
Фосфор в организмах
Ассимиляция
Минерализация органических веществ
Фосфаты
Фосфатредуцирующие
бактерии
Водные экосистемы
Тела организмов
Осадки (уход в геологию)
Высвобождение человеком (удобрения), вынос животными
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
