Как осуществить возврат веществ в круговороте

Круговорот фосфора в биосфере

Главная > Реферат >Ботаника и сельское хоз-во

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Севастопольский экономико-гуманитарный институт

КРУГОВОРОТ ФОСФОРА В БИОСФЕРЕ

РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭКОЛОГИЯ»

студентка 1 курса ДО

Агаркова-Лях И. В.

Глава 1. Общая характеристика фосфора. Содержание фосфора в земной коре….4

Глава 2. Отличие круговорота фосфора от круговорота углерода…………………8

Глава 3. Круговорот фосфора в биосфере……………………………………………9

Глава 4. Запасы и сырье для получения фосфора…………………………………..14

Глава 5. Значение фосфора. Деятельность человека……………………………….16

Список использованных источников………………………………………………..18

Круговорот фосфора в биосфере остается по-прежнему актуальной для обсуждения темой. Живя на планете Земля, и являясь не посредственными свидетелями различных круговоротов, явлений природы и т.д. , нас не может не интересовать процесс, причины, ход и последствия всех этих явлений. Вопрос о распространенности фосфора в природе и в частности о его содержании в живых организмах привлек внимание ученых еще в начале XVIII века.

Цель данной работы – раскрыть сущность круговорота фосфора в биосфере, понять его причины, результаты, оценить, насколько велика его значимость и необходимость для окружающей среды и развития жизни на земле.

Для достижения данной цели необходимо поставить перед собой и, разумеется, выполнить следующие задачи:

1. В общих чертах охарактеризовать фосфор как химический элемент, изучить количественное содержание фосфора в земной коре, рассмотреть источники фосфора в биосфере

2. Сравнить представления разных ученых и исследователей о круговороте фосфора в биосфере, используя при этом иллюстрации, схемы и графические ресурсы

3. Понять отличие круговорота фосфора от других круговоротов веществ в природе, в частности, отличие от круговорота углерода в биосфере

4. Подробно рассмотреть сам круговорот фосфора в биосфере, этапы его прохождения в различных экосистемах

5. Оценить значение круговорота и результаты антропогенных влияний на него, то есть результаты человеческой деятельности.

Основная задача – систематизировать собранную и изученную информацию для получения верного представления о круговороте фосфора в биосфере, его процессе и значении.

Глава 1. Общая характеристика фосфора. Содержание фосфора в земной коре

Фосфор один из достаточно широко распространенных химических элементов, входящих в состав различных, в том числе и породообразующих минералов, формирующих ряд горных пород. В процессе выветривания этих пород в значительных количествах фосфор поступает в биогеоценозы, а также за счет выщелачивания атмосферными осадками и в конечном счете накапливается в гидросфере. Во всех случаях фосфор оказывается в пищевых системах, но его подготовка не является простой. Фосфор же необходим организмам для построения генов и молекул соединений, переносящих энергию внутри клеток.

В минералах фосфор содержится в форме неорганического фосфата-иона (РО 3 4). Фосфаты обладают растворимостью, но не образуют газообразных форм, т. е. нелетучие. [1, c.57] Растения способны к поглощению фосфата из водного раствора для включения их в состав различных органических соединений. В растениях фосфор выступает уже в форме так называемого органического фосфата. В этой форме он уже способен к движению по пищевым цепям и к его передаче организмам экосистем. При каждом переходе от одного трофического уровня к другому достаточное количество фосфорсодержащего соединения для получения организмом энергии подвергается окислению при клеточном дыхании. В этом случае фосфор может оказаться только в составе мочи или ее аналогов и быть выведенным за пределы организма в окружающую среду, где собственно может начать дальнейший цикл через поглощение растениями. [1, c.63]

Источником фосфора биосферы является главным образом апатит, встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Усвоение фосфора растениями во многом зависит от кислотности почвы. Фосфор входит в многочисленные соединения в организмах:

белки, нуклеиновые кислоты, костная ткань, лецитины, фитин и другие соединения; особенно много фосфора входит в состав костей. Фосфор жизненно необходим животным в процессах обмена веществ для накопления энергии. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для создания богатых фосфором пород, которые в свою очередь являются источником фосфора в биогенном цикле.

Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), выполняющих в биосистемах функции, связанные с записью, хранением и чтением информации о строении организма. Фосфор — достаточно редкий элемент. [2, c.34] Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем относительное содержание его в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы. То есть дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды.

6

Рис. 1. Круговорот фосфора в биосфере (по П. Дювиньо,

Содержание фосфора в земной коре составляет 8*10-20 % (по весу). В свободном состоянии фосфор в природе не встречается вследствие его легкой окисляемости. В земной коре он находится в виде минералов (фторапатит, хлорапатит, вивианит и др.), которые входят в состав природных фосфатов – апатитов и фосфоритов. Фосфор имеет исключительное значение для жизни животных и растений. [2, c.45]

Так как растения уносят из почвы значительное количество фосфора, а естественное пополнение фосфорными соединениями почвы крайне незначительно, то внесение в почву фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению урожайности. Ежегодно в мире добывают приблизительно 125 млн. т. фосфатной руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений.

Глава 2. Отличие круговорота фосфора от круговорота углерода

Необходимо остановиться более подробно на различиях в круговоротах фосфора и углерода.

Углерод в виде диоксида углерода поступает в виде газа в атмосферу, где свободно распространяется повсеместно воздушными потоками вплоть до нового усвоения растениями.

Фосфор же не образует аналогичной газовой формы, и свободного возврата его в экосистему нет. Жидкие же соединения фосфора поступают в водоемы, где они активно насыщают (вплоть до перенасыщения) водные экосистемы. Из водоема фосфор не может возвратиться на сушу, за исключением небольшого количества в виде помета рыбоядных птиц, который откладывается на побережье, например залежи гуано на побережье Перу, фосфаты откладываются на дне водоемов. Возвращаются на сушу фосфорсодержащие горные породы вместе с процессами регрессии моря и при орогенезе. Океанические отложения фосфата со временем поднимаются над поверхностью воды в результате геологических процессов, но это происходит в течение миллионов лет. В естественных экосистемах так в основном и происходит. [3, c.127]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.

Как считает Б.Небел, фосфат и аналогичные минеральные биогены, находящиеся в почве, циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие их «отходы» жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. Это характерно для всех естественных экосистем (Б.Небел, 1993). [4, c.51]

Глава 3. Круговорот фосфора в биосфере

Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями (рис.2). Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты. Однако добыча и переработка фосфатов создает серьезные проблемы с загрязнением окружающей среды.[4, c.53]

Минеральный фосфор — редкий элемент в биосфере, в земной коре его

Рис.2. Круговорот фосфора. Вариант № 1.

содержание не превышает 1 %, что является основным фактором, лимитирующим продуктивность многих экосистем. Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Он попадает в экосистемы суши и поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения, и таким образом включается в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные ортофосфаты, готовые к употреблению растениями и другими автотрофами.

В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами. Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов, расположенных на различных уровнях пищевых цепей пресноводных или морских водоёмов. Во всех водных экосистемах фосфор встречается в четырёх формах, соответственно нерастворимых или растворимых. [2, c.52]

Рис. 3. Круговорот фосфора. Вариант № 2. [5]

Замечено, что в водах умеренных широт в зимнее время возрастает содержание растворённых минеральных фосфатов. Максимального значения концентрация достигает весной, в то время года, когда биосфера особенно сильно в них нуждается (подобные изменения концентраций во времени касаются и растворенных в воде нитратов). Фосфор, накопленный в отложениях на мелководьях, например в иле, высвобождается, когда в зимнее время среда становится анаэробной (почти полная остановка процесса синтеза). Таким образом, естественные условия, способствующие выбыванию серы из круговорота при её восстановлении в присутствии железа, обеспечивают высвобождение фосфатов.

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно отметить, что он полностью не замкнут. [1, c.44]

Действительно, происходит частичное поступление фосфора из океана на сушу, которое осуществляется главным образом птицами, питающимися рыбой. В наземных экосистемах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь на выщелачивание Окаменение скелетов позвоночных на суше — явление довольно редкое, и влияние его на круговорот фосфора не заслуживает внимание., то в океане дело обстоит далеко не так. Это связано с беспрестанной седиментацией органического вещества и, в частности, обогащенных фосфором трупов рыб, фрагменты которых, не использованные в пищу детритофагами и деструкторами, постоянно накапливаются на дне морей. Органический фосфор, осевший на небольшой глубине приливно — отливных и неритических зон, может быть возвращен в круговорот после минерализации, однако это не распространяется на отложения на дне глубоководных зон, которые занимают 85 % общей площади океанов. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, выключаются из биосферы и не могут больше участвовать в круговороте. Конечно, как заметил Ковда (1968 г.), элементы биогеохимического осадочного круговорота не могут накапливаться до бесконечности на дне океана. Тектонические движения способствуют медленному подъему к поверхности осадочных пород, накопленных на дне геосинклиналей. Таким образом, замкнутый цикл осадочных элементов имеет продолжительность, измеряемую геологическими периодами, т.е. десятками и сотнями миллионов лет. Перуанские залежи гуано свидетельствуют о крупномасштабности этого явления в некоторых районах земного шара. Вылавливая морских животных, человек тоже участвует в этом процессе. Однако количество фосфора, ежегодно поступающее на сушу благодаря рыболовству, довольно незначительно, около 60 000 т (Hutchinson, 1957 г.), и явно уступает выносу фосфора в гидросферу при выщелачивании растворимых фосфатных удобрений, вносимых в агроэкосистемы, который достигает многих миллионов тонн в год. [5]

  Написать заявление в детсад

Таким образом, в естественных условиях механизм возвращения фосфора из океанов на сушу совершенно не способен компенсировать потери этого элемента на седиментацию. К тому же человек ускоряет эту естественную тенденцию, внося в обрабатываемые земли удобрения, богатые фосфором.

Глава 4. Запасы и сырье для получения фосфора

Богатейшие месторождения фосфоритов находятся в Южном Казахстане в горах Каратау.

Фосфор, как и азот, необходим для всех живых существ, так как он входит в состав некоторых белков как растительного, так и животного происхождения. В растениях фосфор содержится главным образом в белках семян, в животных организмах — в белках молока, крови, мозговой и нервной тканей. В виде кислотного остатка фосфорной кислоты фосфор входит в состав нуклеиновых кислот — сложных органических полимерных соединений, принимающих непосредственное участие в процессах передачи наследственных свойств живой клетки. [6]

Сырьем для получения фосфора и его соединений служат фосфориты и апатиты. Природный фосфорит или апатит измельчают, смешивают с песком и углем и накаливают в печах с помощью электрического тока без доступа воздуха всех живых организмах. Основной источник его — горные породы (главным образом изверженые). Среднее содержание фосфора в земной коре 0,085%. Представлен он в основном апатитом и фторапатитом. В осадочных породах это обычно вивианит, вавелит, фосфорит. С образованием биосферы высвобождение фосфора из горных пород усилилось, в результате произошло значительное перераспределение его. Все живое вещество планеты (в среднем) содержит фосфора 0,07%, т.е. немногим менее, чем в литосфере.

Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, и других органически соединений. Особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для образования богатых фосфором пород, которые в свою очередь служат источником фосфора в биогенном цикле. [6]

Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основные источники неорганического фосфора — изверженные или осадочные породы. В земной коре содержание фосфора не превышает 1%, что лимитирует продуктивность экосистем. Из пород земной коры неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию континентальными водами. Он поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.

Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности.

Таким образом, фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно.

Глава 5. Значение фосфора. Деятельность человека

Считают, что фосфор — основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор — главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это — наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.

Поскольку на Земле запасы фосфора — элемента, важного для функционирования экосистем, малы, то любые воздействия человека на биогеохимический круговорот фосфора имеет ряд отрицательных последствий.

Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов; содержание его в земной коре составляет около 0.1% (масс.). Вследствие легкой окисляемости фосфор в свободном состоянии в природе не встречается.

Из природных соединений фосфора самым важным является ортофосфат кальция, который в виде минерала фосфорита иногда образует большие залежи. [3, c.17]

Деятельность человека в настоящее время направлена на увеличение содержания фосфора в окружающей среде. Это явление В.А.Ковда назвал фосфатизацией суши. Она происходит за счёт вылова продуктов моря, богатых фосфором, и главным образом в результате извлечения фосфора из агроруд для производства фосфорных удобрений, различных фосфорсодержащих препаратов. Фосфатизация суши происходит неравномерно. Наиболее сильно она проявляется в промышленно развитых районах, характеризующихся большой плотностью населения. В отличие от них выделяются районы, где происходит, наоборот, дефосфатизация. [5]

Фосфор принадлежит к числу довольно распространенных элементов, содержание его в земной коре составляет около 0,1 %.

Вследствие высокой химической активности фосфор в свободном состоянии в природе не встречается. Но он играет исключительно большую роль во всех жизненных процессах.

В круговороте фосфора посредником между почвой и растениями выступают бактерии.

Считают, что фосфор — основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор — главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это — наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.

Поскольку на Земле запасы фосфора — элемента, важного для функционирования экосистем, малы, то любые воздействия человека на биогеохимический круговорот фосфора имеет ряд отрицательных последствий.

Круговорот фосфора в биосфере – одно из самых значимых явлений живой природы. Он необходим как растениям, так и животным, и человечеству.

Список использованных источников

1. Бернард Н. Наука об окружающей среде. — М.: Мир, 1993

2. Экология, окружающая среда и человек/под ред. Ю.В.Новикова. Издательско-торговый дом «Гранд», Москва, 1998

3. Ливчак И.Ф., Воронов Ю.В. Охрана окружающей среды. — М., Наука, 2000

4. Комягин В.М. Экология и промышленность. — М., Наука, 1998

Круговорот веществ в биосфере

Круговорот веществ и превращение энергии как основа существования биосферы. Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т. е. циркуляция веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.

В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них—в окружающую среду, пополняя таким образом неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз. Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ — за 200—300 лет.

Непрерывная циркуляция химических элементов в биосфере по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Необходимость такой циркуляции объясняется ограниченностью их запасов на планете. Чтобы обеспечить бесконечность жизни, химические элементы должны совершать движение по кругу. Круговорот каждого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все круговороты тесно связаны между собой.

Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Связанная в органических веществах энергия но ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах, Поэтому в биосфере наблюдается поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.

Круговорот воды. Вода — самое распространенное вещество в биосфере. Основные ее запасы (97,1%) сосредоточены в виде солено-горькой воды морей и океанов. Остальные воды — пресные. Воды ледников и вечных снегов (т. е. вода в твердом состоянии) вместе составляют около 2,24% (70% от запасов всей пресной воды), грунтовые воды — 0,61%, воды озер и рек соответственно 0,016% и 0,0001%, атмосферная влага—0,001%.

Вода в виде водяного пара испаряется с поверхности морей и океанов и переносится воздушными потоками на различные расстояния. Большая часть испарившейся воды возвращается в виде дождя в океан, а меньшая — на сушу. С суши вода в виде водяного пара теряется благодаря процессам испарения с ее поверхности и транспирации растениями. Вода переносится в атмосферу и в виде осадков возвращается на сушу или в океан. Одновременно с континентов в моря и океаны поступает речной сток воды.

Как видим, основу глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы, происходящие с участием мирового океана. Роль живого вещества в них, казалось бы, невелика. Однако на континентах масса воды, испаряемая растениями и поверхностью почвы, играет главную роль в круговороте воды. Так, в различных лесных зонах основное количество осадков образуется из водяного пара, поступающего в атмосферу благодаря суммарному испарению, и в результате такие зоны живут как бы на собственном замкнутом водном балансе. Масса воды, транспи-рируемая растительным покровом, весьма существенна. Так, гектар леса испаряет 20—50 т воды в сутки. Роль растительного покрова заключается также в удержании воды путем замедления ее стока, в поддержании постоянства уровня грунтовых вод и др.

  Медсестры льготная пенсия

Круговорот углерода. Углерод — обязательный химический элемент органических веществ всех классов. Огромная роль в круговороте углерода принадлежит зеленым растениям. В процессе фотосинтеза углекислый газ атмосферы и гидросферы ассимилируется наземными и водными растениями, а также циа-нобактериями и превращается в углеводы. В процессе же дыхания всех живых организмов происходит обратный процесс: углерод органических соединений превращается в углекислый газ. В результате ежегодно в круговорот вовлекаются многие десятки миллиардов тонн углерода. Таким образом, два фундаментальных биологических процесса — фотосинтез и дыхание — обусловливают циркуляцию углерода в биосфере.

Еще одним мощным потребителем углерода являются морские организмы. Они используют соединения углерода для построения раковин, скелетных образований. В дальнейшем остатки отмерших морских организмов образуют на дне морей и океанов мощные отложения известняков.

Цикл круговорота углерода замкнут не полностью. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде залежей каменного угля, известняков, торфа, сапропелей, гумуса и др.

Человек нарушает отрегулированный круговорот углерода в ходе интенсивной хозяйственной деятельности. За счет сжигания огромного количества ископаемого топлива содержание углекислого газа в атмосфере за XX в. возросло на 25%. Последствием этого может стать усиление парникового эффекта.

Круговорот азота. Азот — необходимый компонент важнейших органических соединений: белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др. Основные его запасы сосредоточены в атмосфере в форме молекулярного азота, недоступного для растений, так как они способны использовать его только в виде неорганических соединений.

Пути поступления азота в почву и водную среду различны. Так, небольшое количество азотистых соединений образуется в атмосфере во время гроз. Вместе с дождевыми водами они поступают в водную или почвенную среду. Небольшая часть азотистых соединений поступает при извержениях вулканов.

К прямой фиксации атмосферного молекулярного азота способны лишь некоторые прокариотические организмы: бактерии и цианобактерии. Наиболее активными азотфиксаторами являются клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клетках корней бобовых растений. Они переводят молекулярный азот в соединения, усваиваемые растениями. После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота. Значительную роль в обогащении водной среды азотистыми соединениями играют цианобактерии.

Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемые животными и грибами, расщепляются гнилостными <аммонифицирующими)бактериями до аммиака. Основная масса образующегося аммиака окисляется нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, после чего вновь используется растениями. Некоторая часть аммиака уходит в атмосферу и вместе с углекислым газом и другими газообразными веществами выполняет функцию удержания тепла планеты.

Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми видами бактерий до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Его результатом является обеднение почвы и воды соединениями азота и насыщение атмосферы молекулярным азотом.

Процессы нитрификации и денитрификации были полностью сбалансированы вплоть до периода интенсивного использования человеком азотных минеральных удобрений в целях получения больших урожаев сельскохозяйственных растений.

Таким образом, роль живых организмов в круговороте азота является основной.

Эволюция биосферы. Современная структура биосферы и границы обитания современных организмов формировались постепенно. Они являются результатом долгой истории Земли, начиная с ее возникновения и до настоящего времени.

Доказательства развития биосферы многочисленны и бесспорны. Это прежде всего ископаемые остатки древних организмов. Изучая их, ученые установили главные этапы в истории развития органической жизни планеты. Предполагают, что за всю историю биосферы ее населяли, сменяя друг друга, примерно 500 млн. видов организмов.

Важнейший этап развития жизни на Земле тесно связан с изменением содержания кислорода в атмосфере и становлением озонового экрана. Древние фототрофные цианобактерии насытили кислородом первичный океан, благодаря которому водные организмы получили возможность осуществлять аэробное дыхание. Поступление кислорода в атмосферу обусловило образование мощного озонового слоя, поглощающего коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Формирование озонового слоя позволило организмам выйти на сушу и заселить ее разнообразные местообитания. Это стало возможным тогда, когда содержание кислорода в атмосфере достигло величины, составляющей 10% от его современной концентрации. К концу палеозоя, в пермском периоде, концентрация кислорода в атмосфере достигла современного уровня.

Каждый период развития биосферы характеризовался свойственным ему комплексом условий среды и живых организмов. В кайнозойскую эру произошло становление человека, который в начале своей эволюции хорошо вписывался в природу. Перейдя к активной трудовой деятельности, человек вырвался из плена естественной природной зависимости. Человеческое общество с течением времени усиливало свое воздействие на природную среду. В настоящее время в эпоху НТР, совпавшей с бурным ростом численности населения планеты (демографический взрыв), деятельность человека соизмерима по своим последствиям на природную среду с действием самых мощных природных явлений.

Тема: Круговорот веществ

301. Источником углерода, который служит основой для создания органического вещества живых существ служит

В) чистый углерод

Е) органические соединения

302. Процесс разрушения группой почвенных и водных бактерий солей азотной кислоты (нитратов) до нитритов, молекулярного азота и аммиака

303. Процесс разложения белков с образованием аммиака

304. Процесс превращения азотсодержащих веществ в форму, усвояемую высшими растениями

305. Процесс образования из атмосферного азота азотистых соединений, усвояемых высшими растениями, свободно живущими почвенными бактериями или бактериями, живущими в симбиозе с корнями растений

306. Промежуточный этап перевода молекул химического элемента в усвояемую для растений форму специальными бактериями включается в круговорот

307. Сравнительно хорошо саморегулирующимся циклом с большим резервным фондом в атмосфере до второй половины ХХ века был круговорот

308. Процесс, сопровождаемый с выделением энергии, которая используется бактериями хемоавтотрофами для ассимиляции органического вещества

309. Процесс, сопровождаемый освобождением кислорода, который используется анаэробными бактериями для дыхания:

310. Процесс, при котором анаэробные бактерии используют нитриты и нитраты в качестве источника кислорода при дыхании

311. Выход фиксированного азота для клубеньковых бактерий бобовых растений в год на 1 гектар составляет

312. Выход фиксированного азота для свободноживущих азотфиксирующих бактерий в год на 1 гектар составляет

313. Химический элемент, имеющий в масштабах биосферы не замкнутый круговорот

314. Запасы фосфора, доступные живым существам сосредоточены

D) в органических веществах

Е) в морских отложениях

315. Химический элемент, недоступный для усвоения высшими растениями непосредственно из его резервуаров

316. Перенос на сушу рыбы является основным механизмом возвращения в круговорот

317. Группа животных, играющая важную роль в возвращении фосфора из океана на сушу

318. Путем седиментации в морских отложениях из круговорота веществ выводится и делается недоступным для усвоения высшими растениями

319. Важнейшими минералами, в состав которых входит фосфор являются

320. Наиболее интенсивный биологический круговорот веществ наблюдается в экосистемах:

A) Тропическом лесу. +

D) Широколиственных лесах.

E) Хвойных лесах.

321. Основная часть азота поступает в почву в результате:

A) Деятельности азотфиксирующих бактерий и сине-зеленых водорослей. +

B) Извержения вулканов

C) Деятельности растений.

D) Под действием электрических разрядов во время гроз.

E) Растворения азота атмосферы в дождевой воде

322. С процессом фотосинтеза связан круговорот:

323. Потери азота из почвы и возврат его обратно в атмосферу есть результат деятельности:

D) Клубеньковых бактерий.

324. Геологический круговорот веществ наиболее выражен:

A) в круговороте воды +

B) в круговороте СО2

C) в процессе синтеза органических веществ

D) в процессе разложения органических веществ

E) в круговороте азота

325. Передача энергии в экосистеме происходит последовательно:

A) от редуцентов через продуцентов к консументам;

B) от продуцентов через консументов к редуцентам; +

C) от консументов через редуцентов к продуцентам.

D) от продуцентов через редуцентов к консументам;

E) от деструкторов через продуценты к детритофагам

326. Запасы пресной питьевой воды сосредоточены в основном в:

A) озерах и прудах

327. Главным механизмом, определяющим единство биосферы, является:

A) биологический круговорот вещества, энергии и информации; +

B) геологический круговорот;

C) биогеохимический круговорот;

D) круговорот воды;

E) круговорот кислорода.

328. Процессы испарения, перемещения, конденсации, выпадения и стока составляют сущность круговорота:

329. Доля лесов в пополнении запасов О2 составляет:

330. В наземных экосистемах важную роль в обогащении почвы азотом играют растения семейства:

331. Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока:

332. Наименее замкнутым, с уходом значительной части в недоступные для живых организмов резервуары, является круговорот:

333. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около:

334. Полное обновление вод мирового океана происходит примерно через:

335.В процессе эволюции биосферы на разных промежутках времени разные процессы контролировали круговорот:

336. Двумя фундаментальными биологическими процессами, обуславливающими циркуляцию углерода в биосфере, являются:

А) гниение и брожение

В) размножение и эволюция

С) фотосинтез и дыхание +

D) размножение и рост

Е) размножение и расселение

337. Химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и необходимые им для жизнедеятельности:

338. Из различных типов леса наибольшее накопление опада наблюдается:

339. Превращение органических остатков при недостаточном притоке кислорода в высокомолекулярные вещества, в основном гуминовые кислоты:

340. Автор закона биогенной миграции атомов:

341. Процесс взаимосвязанного перемещения веществ в природе, непрерывно повторяющийся под воздействием энергии Солнца:

Как осуществить возврат веществ в круговороте

Возврат химических элементов в круговороте веществ

Возврат химических элементов (азота, углерода, фосфора) в круговорот осуществляется в основном:

1) продуцентами
2) редуцентами
3) промышленными предприятиями
4) консументами

Пути возвращения веществ в круговорот: коэффициент возврата

Можно выделить пять основных путей возврата в круговорот: I) через микробное разложение в детритный комплекс; 2) через экскременты животных; 3) прямая передача от растения к растению микро- организмами-симбионтами, описанная в предыдущем разделе; 4) физическими процессами, в том числе прямым действием солнечной энергии; и 5) за счет энергии топлива, например при промышленной фиксации азота. Для рециркуляции требуется, чтобы рассеивалась энергия от какого-то источника, такого, как органическое вещество (пути I, 2, 3), солнечный свет (путь 4) или топливо (путь 5). Можно сравнить размеры возврата веществ в круговорот в разных экосистемах, рассчитывая коэффициент рециркуляции — соотношение суммарных количеств веществ, циркулирующих между разными блоками системы и общим потоком вещества через всю систему.
Объяснения
Уместно будет подробно рассмотреть круговорот элементов пита- ния в биологически активной части экосистемы. Вспомним, что так же была построена гл. 3, посвященная энергетике систем: сначала» мы рассматривали общие вопросы энергетики среды, а затем — судьбу той небольшой доли энергии, которая участвует в пищевой цепи. Кроме того, в конце главы следует рассмотреть биологическую регенерацию веществ еще и потому, что, как уже подчеркивалось, возврат различных веществ в круговорот должен стать одной из главных задач, которые необходимо решать человечеству..

Рис. 4.15. Пять основных путей возврата веществ в круговорот (I—5). А—животные; M — свободноживущие микроорганизмы; S — симбиотические микроорганизмы; D — детритоядные. Энергия для путей I—3 поступает из органического вещества, а для путей 4—5 — от Солнца или топлива. Дальнейшие объяснения см. в тексте.

  Федеральный закон муниципальных служащих

Основные пути возврата веществ в круговорот показаны на рис. 4.15. Согласно классическим представлениям, основными агентами регенерации элементов питания считались бактерии и грибы; действительно, в почвах умеренной зоны, где процесс регенерации лучше всего изучен, преобладает путь I (рис. 4.15). Сложные взаимодействия между бактериями и мелкими детритоядными животными довольно подробно описаны в гл. 2. Там, где мелкие растения, например трава или фитопланктон, активно выедаются животными, важную роль может играть путь возврата через экскременты животных (путь 2 на рис. 4.15). Иоханнес (Johannes, 1964) полагает, что в толще морской воды азот и фосфор регенерируются в основном из экскрементов животных; особо важную роль здесь играют мельчайшие животные (микрозоопланктон), которых невозможно задержать даже планктонными сетями и которые поэтому оставались вне поля зрения первых исследователей морских
сообществ. Измерения скорости оборота показывают, что зоопланк- тонные организмы за свою жизнь выделяют в воду в несколько раз больше элементов питания в растворимой форме, чем высвобождается в результате микробного разложения их трупов после их гибели (Harris, 1959; Rigler, 1961; Pomeroy et al., 1963, и многие другие работы). В состав этих выделений входят растворимые неорганические и органические соединения фосфора, азота и, кроме того, СО2, которые могут непосредственно усваиваться продуцентами без предварительного разложения бактериями. Можно предположить, что и другие жизненно важные элементы питания регенерируются таким же образом.
Непосредственный возврат симбиотическими организмами (о чем говорилось в предыдущем разделе) обозначен на рис. 4.15 как путь 3. Можно предположить, что этот путь особенно важен в системах с низким содержанием элементов питания, или олиготроф- ных. Вода, как мы видели (разд. 4), возвращается в круговорот в результате прямого воздействия солнечной энергии, а в результате процессов выветривания и эрозии, связанных с потоками воды вниз по течению, элементы осадочных пород выносятся из абиотического резервуара и попадают в биотические циклы (путь 4 на рис. 4.15). Человек вмешивается в ход циклов, когда он затрачивает энергию топлива на опреснение морской воды, производство удобрений или на получение из отходов различных металлов.
Наконец, следует отметить, что элементы питания могут высвобождаться из остатков растений и животных и из фекальных комочков даже без участия микроорганизмов, что доказано помещением этих материалов в стерильные условия. Этот способ возврата в круговорот можно назвать автолизом (саморастворением). В водных или влажных местообитаниях, особенно если погибшие растения и животные или неживые частицы малы (т. е. велико отношение их поверхности к объему), еще до начала разложения микроорганизмами может высвободиться от 25 до 75% элементов питания [см. обзор литературы (Johannes, 1968)). Автолиз можно считать шестым важным путем возврата, не требующим затрат метаболической энергии. Как уже подчеркивалось в гл. 3, работа по возвращению веществ в круговорот, осуществляемая механическими или физическими процессами, может служить энергетической субсидией для всей системы. Разрабатывая систему очистки бытовых и промышленных сточных вод, человек очень часто находит выгодным затратить механическую энергию для распыления органического вещества, чтобы ускорить его разложение. Крупные животные также, без сомнения, способствуют высвобождению элементов питания из отмерших стволов, листьев и других крупных кусков детрита, механически размельчая их.
Возврат в круговорот — это не «безвозмездная» услуга, на нее почти всегда затрачивается энергия. Если источниками энергии

для возвращения служат солнечный свет и органическое вещество, то людям не приходится непосредственно затрачивать дорогостоящие виды топлива. Если не нарушать природные механизмы рециркуляции и не отравлять их, то они в основном реализуют возврат в круговорот воды и элементов питания. Промышленные материалы (например, металлы), используемые в производстве,— совсем другое дело. Повторное их использование требует немалых затрат топлива и денежных средств, но, когда запасы этих материалов становятся ограниченными, другого выхода нет.

Коэффициент рециркуляции. Миграцию веществ внутри экосистем можно оценить по величине циркулирующей между отдельными блоками экосистемы массы материала в сравнении с массой вещества на входе в экосистему. Джордан, Клайн и Сэссер (Jordan, Kline, Sasser, 1972), предположив, что в лесах основная рециркуляция идет через деревья, использовали поток веществ через древесину для оценки количества кальция и марганца, циркулирующих в лесных экосистемах. Ho, как указал Финн (Finn, 197(3, 1978), такая оценка в лучшем случае сильно занижена, поскольку в лесу имеется много других субстратов и процессов для рециркуляции, особенно для сложных круговоротов, например круговорота азота. Финн предложил считать повторно используемую часть вещества суммой количеств, проходящих в круговороте через каждый отсек системы, и выдвинул понятие о коэффициенте рециркуляции:
ь TST
Здесь Cl — коэффициент рециркуляции, TSTc — рециркулируемая’ доля потока вещества через систему и TST — общий поток вещества через систему. Последняя величина определяется как сумма всех поступлений вещества минус изменение его запасов в системе, (если это изменение отрицательно), или же суммарный выход вещества плюс изменение его запасов (если оно положительно). Для расчета потоков и коэффициентов рециркуляции Финн применил матричный анализ, подобный тому, который использовал Хэннон (Hannon, 1973) для анализа входов—выходов.
На примере двух разных блоковых моделей Финн (Finn, 1978) рассчитал коэффициент рециркуляции кальция в водосборных бассейнах Хаббард-Брука (см. рис. 4.7); он оказался равным 0,76— 80. Это означает, что около 80% общего потока кальция через систему используется в ней многократно. Для калия и азота коэффициенты рециркуляции оказались даже выше. В этом водосборном бассейне элементы питания по величине своего Cl располагаются, по-видимому, следующим образом (от высокого к низкому): Kgt;Nagt;Ngt;Cagt;Pgt;Mggt;S. Этот порядок связан с поступлениями каждого элемента извне, его подвижностью и потребностями в нем биоты. Коэффициенты, как правило, ниже для второстепенных. Заказ №. 1383

/>Рис. 4.16. А. Схема поясняет экологическую теорию возврата веществ в круговорот. Коэффициент возврата Cl бывает низким (0—10%) либо на ранних стадиях развития экосистемы (сукцессии), либо при изобилии ресурсов, либо в случае несущественных для жизни элементов. Cl высок (gt;50%) на зрелых стадиях развития экосистемы, при бедности ресурсов и в случае незаменимых для жизни элементов. Следует подчеркнуть, что для возврата веществ в круговорот требуется энергия (которая теряется безвозвратно). Б. Условия, не стимулирующие (вверху) и стимулирующие (внизу) вторичное использование бумаги. Вторичное использование бумаги выгодно для населения в целом, так как уменьшается вред, наносимый окружающей среде (лесам, рекам и земле), и налоги, идущие на очистку города. Для вторичного использования бумаги необходимо: I) участие горожан, 2) система сбора (модифицированная система сбора мусора), 3) склады для сортировки и хранения, 4) заводы по переработке макулатуры, 5) система транспорта макулатуры на завод, 6) рынок для использованной бумаги и 7) выгода для города или сокращение расходов по сравнению с тем, когда бумажные отходы просто вывозят на свалку.

элементов, например для свинца, или жизненно важных элементов, потребность в которых, однако, очень невелика по сравнению с их доступностью, например для меди. Элементы, которые человек считает ценными, например платина и золото, используются повторно на 90% или более. Как и следовало ожидать, коэффициент рециркуляции энергии (потока калорий) равен нулю, поскольку, как неоднократно подчеркивалось в этой книге, энергия проходит все системы насквозь и не используется вторично.
Коэффициент рециркуляции не говорит о ее скорости, т. е. скорости, с которой вещества движутся по кругу. Эта скорость значительно выше в тропическом лесу или в теплом океане, чем в тундре или в холодном озере, но удовлетворительные способы ее количественного измерения пока не разработаны.
Повторное использование бумаги. Бумага — хороший пример рециркуляции в промышленно-городских системах, напоминающей рециркуляцию весьма важных элементов в природных системах. Как показано на рис. 4.16, А, рециркуляция в естественных экосистемах (коэффициент рециркуляции) возрастает при увеличении разнообразия и усложнении биотических компонентов экосистем, или по мере обеднения ресурсов в среде на входе, или по мере накопления в среде на выходе отходов, опасных для жизни в экосистеме, или же в ходе всех этих трех процессов вместе.
Пока мы имеем сколько угодно деревьев, бумажных фабрик и неиспользуемой земли для свалки ненужной бумаги, у нас нет стимулов к тому, чтобы затрачивать средства на технику и энергию, необходимые для повторного использования части бумаги, протекающей через город (рис. 4.16,Б). По мере того как в пригородах возрастает плотность населения, поднимается стоимость земли и сохранять свалки и места сброса отходов становится все труднее. Среда на входе также может оказывать давление, если запасы пригодной древесины или продукции фабрик неспособны удовлетворить спрос на бумагу. В обоих случаях оказывается «выгодно» подумать о вторичном использовании. Чтобы оно было успешным, должен существовать рынок сбыта для старых газет и картона, например фабрика по переработке макулатуры. Такая фабрика соответствует механизму экономии энергии путем рециркуляции или диссипативной структуре в природной экосистеме, например в экосистеме леса или кораллового рифа. Другими словами, ко всей системе приходится добавить новое, эмерджентное, свойство, если мы хотим, чтобы экономия, основанная на рециркуляции, была эффективной.
Ho слишком часто бывает, что из-за инерции и политической раздробленности (местные власти, власти графства, штата и всей страны) города берутся за повторное использование материалов слишком поздно и несут моральные и материальные убытки от использования устаревших методов.