Биохимические круговороты

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова»

(ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова)

Историко-географический факультет

Кафедра экологии и природопользования

Курсовая работа

на тему:

«Биохимические круговороты»

Выполнил: студент группы ИГФ-23-12

Мальчиков Евгений Сергеевич

Проверила: Иливанова И.В.

Чебоксары 2012

Введение

C тех пор, как человек существует на Земле, он непрерывно взаимодействует с окружающей его природой. Взаимодействие это носит как непосредственный характер, так и опосредованный. Основу непосредственного взаимодействия человека с окружающей его природной средой составляет общий для всех организмов биологический обмен веществ в процессе питания, дыхания и отравления различных выделительных функций. Однако наиболее специфическим и значимым для людей как социальных существ является опосредованный способ взаимодействия с природой благодаря применению различных технических приспособлений, начиная с едва отесанного каменного зубила и кончая современным атомным реактором. При таком взаимодействии также происходит обмен веществ между человеком и природой, но темпы его развития и наращивание масштабов существенно отличаются от непосредственного обмена, поскольку нарастание его не ограничивается естественными размерами тел организмов, а обусловлено развитием знаний и соответственным совершенствованием технических приспособлений, применяемых людьми. Таким образом, взаимодействие в этом случае развивается по принципу положительной обратной связи. Чем более совершенствуются техника и технологии, тем большие массы природного вещества приводятся ими в движение, и этот процесс может идти с непрерывным нарастанием, пока не возникнет какое-либо внешнее непреодолимое препятствие.

Оно возникло лишь недавно, и им стали ограниченные естественные возможности биосферы, в которой существуют человек и вся порожденная им техническая инфраструктура. Человек никогда не находился в полной гармонии с природой и не довольствовался только лишь приспособлением к ней. Это всего-навсего религиозный миф о первобытном рае, в котором жили Адам и Ева. Почему-то миф этот перекочевал даже в научную литературу по экологическим проблемам. Если бы наши предки ограничивали свою деятельность только приспособлением к природе и присвоением ее готовых продуктов, то они никогда не вышли бы из животного состояния, в котором находились изначально.

Актуальной задачей в наше время становятся природоохранные мероприятия, которые человечество должно применять как можно чаще.

Цель работы основывается на опубликованных сведениях и с учетом существующих в научной литературе подходов, проанализировать наиболее важные для жизни биохимические круговороты.

Структура работы: введение, 3 главы, 8 под глав, заключение, список использованных источников.

1. Структура биохимических кругооборотов

1.1 Биохимические кругообороты

В отличие от энергии, которая используется организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, это и называется биохимическими круговоротами. Из 90 с лишним элементов, которые встречаются в природе, только 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и нужные в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и используется организмами при дыхании. Азот вытягивается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в нее другими бактериями.

Кругооборот элементов и веществ осуществляется за счет саморегулирующихся процессов, в которых принимают участие все составные экосистем. Эти процессы являются безвыходными. В природе нет ничего напрасного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например, азот. Существует закон глобального замыкания биохимического кругооборота в биосфере, действующий на всех этапах ее развития, как и правило увеличения замкнутости биохимического кругооборота в походке сукцессии. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологических компонентов в замыкании биохимического кругооборота. Еще большую роль в биохимическом кругообороте проявляет человек. Но ее роль осуществляется в противоположном направлении. Человек усиливает кругооборот веществ, который уже сложился, и в этом сказывается его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний день.

Когда 2 млрд. лет тому на Земле появилось жизнь, атмосфера состояла из вулканических газов. В ней было много углекислого газа и мало кислорода (если вообще был), и первые организмы были анаэробными. Так как продукция в среднем превосходила дыхание, за геологическое время в атмосфере накапливался кислород, и уменьшалось содержимое углекислого газа. Ныне содержимое углекислого газа в атмосфере увеличивается в результате сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения поглощающей возможности «зеленого пояса». Последнее есть результат уменьшения количества самих зеленых растений, а также связано с тем, что пыль и прочие загрязняющие частицы в атмосфере отбивают те лучи, которые поступают в атмосферу. В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биохимических кругооборотов уменьшается. Хотя она довольно высокая (для разнообразных элементов и веществ она не одинаковая), но, тем не менее, не абсолютная, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция (высочайшая степень замкнутости биохимических кругооборотов наблюдается в тропических экосистемах - наиболее давних и консервативных).

Таким образом, следует говорить не об изменении человеком того, что не должно изменяться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление изменений и на распространение их границ, которая поднимает правило меры преобразования природы. Последнее формулируется таким образом: в процессе эксплуатации естественных систем нельзя превышать некоторые границы, которые разрешают этим системам сохранять равновесие.

1.2 Кругооборот веществ в биосфере

Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов длятся миллионы лет и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их кругообороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают почти 350 млрд. тонн углекислого газа , выделяют в атмосферу около 250 млрд. тонн кислорода и расщепляют 140 млрд. тонн воды, образовывая свыше 230 млрд. тонн органического вещества (в перерасчете на сухой вес).

Огромные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и выпаривания. Это приводит к тому, что вода поверхностного пласта океана фильтруется планктоном за 40 суток, а вся другая вода океана - приблизительно, чем год. Весь углекислый газ атмосферы возобновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в кругооборот включается 6 млрд. тонн азота, 210 млрд. тонн фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). Существование этих кругооборотов придает экосистемам определенную продолжительность.

Различают два основных кругооборота: большой (геологический) и маленький (биологический).

Большой кругооборот, длится миллионы лет и состоит в том, что горные породы подлежат 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 на протяжении продолжительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается снова.

Маленький кругооборот (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 съедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) снова разлагаются к минеральным компонентам, доступных растениям и что втягиваются ими в потоки вещества. Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы назад в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биохимическим циклом. В такие циклы втянуты практически все химические элементы и прежде всего те, что принимают участие в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62.8%), углерода (19.37%), водорода (9.31%), азота (5.14%), кальция (1.38%), фосфора (0.64%) и еще приблизительно 30 элементов.

2. Основные типы биохимических кругооборотов

2.1 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.

Рисунок 1.1

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.

2.2 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.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.2

2.3 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.

Рисунок 1.3

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.

2.4 Круговорот азота

При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих 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 нитрифицирующих 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.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.4

2.5 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.

Рисунок 1.5

2.6 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.

3. Антропогенное влияние на окружающую среду

круговорот биосфера вода

Проблемы народонаселения и ресурсов биосферы тесно связаны с реакциями окружающей естественной среды на антропогенное влияние. Естественное экологически сбалансированное состояние окружающей среды часто называют нормальным. Это состояние, при котором отдельные группы организмов биосферы взаимодействуют один с другим и с абиотичной средой без нарушения равновесия кругооборота веществ и потоков энергии в границах определенного геологического периода, обусловленное нормальным протеканием естественных процессов во всей геосфере. Естественные процессы могут иметь катастрофический характер, например извержения вулканов, землетрясение, наводнение, которое, однако, также составляет “норму” природы. Эти и прочие естественные процессы постепенно, с геологической скоростью, эволюционируют и в то же время на протяжении тысячелетий (на протяжении одного геологического периода) остаются в сбалансированном состоянии. При этом протекают маленький (биологический) и большой (геологический) кругооборот веществ и устанавливаются энергетические балансы между разнообразными геосферами и космосом, который объединяет природу в единое целое. Кругооборот веществ и энергии в биосфере характеризуются определенными количественными параметрами, которые специфичны для данного геологического периода и для каждого элемента земной поверхности в соответствии с их географией. Зачастую в качестве основных параметров, которые характеризуют состояние окружающей естественной среды, выделяют следующие:

1. Энергетический:

Е = Е0 + Е,

где Е0 - запас энергии в системе в момент времени t0;

Е - энергетический баланс системы за время t, то есть в период от

t = t0 к t = t0 + t .

2. Водный:

W = W0 + W,

где W0 - запас воды в системе в момент времени t0;

W - водный баланс системы за время t, то есть в период от

t = t0 к t = t0 + t .

3. Биологический:

В = В 0 + Вв - Вm,

где B0 - начальная биомасса;

Вв - биологическая производительность;

Вm - минерализация органики за время t .

4. Биохимический:

G = G0 + Gв - Gg,

где G0 - запас химических элементов в системе;

Gв и Gg - изменение запаса химических элементов вследствие биологического и геологического кругооборота веществ.

Эти параметры состояния окружающей среды могут быть количественно определены экспериментальным путем для каждого района, большого региона, естественной зоны или ландшафтно-географического пояса, в конце концов, для земного шара в целом; они количественно характеризуют состояние и пространственную неоднородность среды. Геохимический параметр состояния окружающей среды также существенно изменился, в особенности в отношении биологического и геологического кругооборотов. Под влиянием человеческой деятельности происходят большие изменения в распределении химических элементов в биосфере, естественная и антропогенная трансформация веществ, а также переход химических элементов с одних соединений к другому. Естественный биологический кругооборот веществ возбужденный человеком на площади, которая достигает почти половины всей поверхности суши: антропогенные пустыни, индустриальные и городские земли, сады, вторичные низкопродуктивные леса, изможденные пастбища и т. д. Изменению геологического кругооборота веществ оказывали содействие такие факторы:

1. Эрозия почвенного покрова и возрастания твердого стока в океан;

2. Перемещения огромных масс земной коры;

3. Добыча из недр немалых количеств руд, горючих и

других ископаемых;

4. Перераспределение соли в грунтах, грунтовых и речных водах под влиянием оросительного земледелия;

5. Применение минеральных удобрений и ядохимикатов;

6. Загрязнения среды сельскохозяйственными, промышленными и коммунальными отходами;

7. Попадания в естественную среду энергетических загрязнений.

Заключение

Таким образом, исследования изменений параметров состояния окружающей естественной среды (хотя и на качественном уровне) разрешает сделать вывод об отсутствии в нынешнее время глобального экологического кризиса. В то же время есть все основания считать настоящее состояние биосферы возбужденным и ненормальным. Такое состояние может перейти в кризисный, если человечество не проведет специальные мероприятия по оздоровлению окружающей среды. В нынешнее время вся территория нашей планеты подвержена разным антропогенным влияниям. Серьезный характер приобрели следствия разрушения биоценозов и загрязнения среды. Вся биосфера находится под все более возрастающим давлением деятельности человека.

Список использованных источников

1. Болин Б. Круговорот углерода. /Биосфера. - М.:Мир, 1972.-С. 91-104.

2. Бондарев Л.Г. Роль растительности в миграции минеральных веществ в атмосфере. // Природа.,1981, № 3, С.86-90.

3. Войткевич Г.В. Бактерии и состав атмосферы. - М.: Издательство МГУ, 1984, 272с.

4. Гаррелс Р.М. Круговорот углерода, кислорода и серы в течении геологического времени. - М.: Наука, 1975 - 48с.

5. Делвич К. Круговорот азота. /Биосфера. - М.: Мир, 1972.-С. 105-119.

6. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учебн. пособие для геогр., биол., геолог., с-х спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1998. -413с.

7. Добродеев О.П., Суетова И.А. Живое вещество Земли. М.: Издательство МГУ, 1986.

8. Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. - М.: Наука, 1984.- 199с.

9. Ковальский В.В. Геохимическая экология. - М.: Наука, 1974.- 289с.

10. Ковда В.А. Биогеохимические циклы в природе и их нарушение человеком. /Биогеохимические циклы в биосфере. - М.: Наука, 1976. - С.19-35.

11. Лейн А.Ю., Иванов М.В. Глобальные биогеохимические циклы элементов и влияние на них деятельности человека. //Геохимия. 1976, № 8, С.1252-1277.

12. Френд Дж.П. Циклы серы в природе. //Химия нижней атмосферы. //Под ред. С.Расула.- М.: Мир, 1976. -С. 223-251.

Размещено на Allbest.ru