Билет №26
1. Круговороты химических элементов в природе (на примере углерода, кислорода и азота). Роль живых существ в круговороте химических элементов.
Круговороты химических элементов на Земле - повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющиеся более или менее циклический характер. Общий круговорот веществ складывается из отдельных процессов (круговорот воды, газов, химических элементов), которые не являются полностью обратимыми, т.к. происходит рассеивание вещества, изменение его состава и др.
С появлением жизни на Земле огромную роль в круговороте веществ играют живые организмы (круговорот кислорода, углерода, водорода, азота, кальция и др.биогенных элементов). Глобальное влияние на круговорот веществ и хим. элементов имеет деятельность человека, в результате которой возникают новые и изменяются сложившиеся в природе пути миграции веществ, появляются новые вещества и т.д.
Глубокое изучение превращений веществ и энергии в природе и учёт последствий деятельности человека – необходимое условие сохранения окружающей среды.
Рассмотрим круговороты некоторых химических элементов
Круговорот углерода
В природе происходит непрерывный процесс разрушения одних углеродосодержащих веществ и образование других. Органические вещества разрушаются при сгорании топлива, при дыхании, при гниении. Из них образуются более простые вещества, в том числе углекислый газ. Углекислый газ выделяется при разложении некоторых неорганических веществ, например, при обжиге известняка. Однако, его количество в атмосфере увеличивается медленно. Это объясняется тем, что оксид углерода (IV) участвует в фотосинтезе и атомы углерода снова переходят в состав органических веществ растений. Многие из них употребляются в пищу животными и человеком. Так происходит непрерывный круговорот углерода в природе.
Минералы и горные породы
(нефть, природный газ, уголь, графит - сжигание,
известняк, доломиты - прокаливание), вулканические газы
углекислый газ
растения
поглощают углекислый газ при фотосинтезе,
элемент углерод переходит в органические вещества
животные
органические вещества растений входят в состав пищи
для животных и человека
углекислый газ
процессы дыхания, брожения, гниения
сопровождаются образованием углекислого газа
(органические вещества превращаются в углекислый газ в результате реакций окисления)
Круговорот кислорода
Состав атмосферы за последние столетия изменился незначительно. В состав воздуха входят: азот (78%), кислород (21%), углекислый газ (0,03 %) и инертные газы (около 1%). Живые организмы в течение эволюции приспособились к определённому составу атмосферы, и даже небольшие изменения состава отрицательно влияют на живые организмы.
Кислород расходуется в огромных количествах на многие химические реакции: дыхание живых организмов, процессы гниения; хозяйственная деятельность человека: сжигание топлива, выплавка, резка и сварка металлов, многие производства (лекарственных веществ, азотной и серной кислот, удобрений, синтетических волокон, взрывчатых веществ, пластмасс и др.).
Но всё же общая масса кислорода в воздухе заметно не изменяется. Это объясняется процессом фотосинтеза, происходящего в зелёных растениях на свету. В результате фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. В результате этого процесса масса кислорода в воздухе пополняется.
Кислород атмосферы
растения, животные, человек
поглощают при дыхании кислород, а выделяют углекислый газ
углекислый газ
растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород,
этот процесс называется фотосинтезом
кислород атмосферы
растения выделяют кислород при фотосинтезе
Круговорот азота
Химический элемент азот в виде простого вещества составляет большую часть атмосферы, в которой содержится по объёму 78%, входит в состав органических веществ, в частности в состав белков, из которых состоят живые организмы. В почве азот содержится в виде ионов аммония NH4+ и нитрат-ионов NO3-.
Зелёные растения нуждаются в азоте, он является основным питательным элементов наряду с фосфором и калием. Азот влияет на рост зелёной массы растений, при недостатке азота замедляется и прекращается их рост. При выращивании растений почва постепенно обедняется азотом, и может стать бесплодной.
При гниении и горении органических веществ часть связанного азота освобождается и уходит в атмосферу. Однако, в естественных условиях содержание связанного азота в почве не уменьшается, масса свободного азота в атмосфере так же не увеличивается. Чем это можно объяснить?
Оказывается, существуют бактерии, как свободно живущие в почве, так и поселяющиеся на корнях бобовых растений, которые усваивают атмосферный азот, переводя его в состав органических соединений. Небольшие количества азота связываются при грозовых разрядах: при этом образуются оксиды азота, оксид азота (IV) соединяясь с водой превращается в азотную кислоту, которая превращается в почве в нитраты.
В результате этих процессов происходит круговорот химических элементов в природе. При уборке урожая с полей выносится значительная часть азота, поэтому необходимо вносить азотные удобрения в почву, чтобы восполнить эту убыль.
Азот атмосферы
(содержание азота в атмосфере постоянно, составляет по объёму 78%)
Азот усваивают азотофиксирующие бактерии
превращают его в нитратную и аммонийную форму и органические вещества
Растения
(в растениях азот находится в виде органических веществ – белков, растительный белок служит пищей для животных и человека)
Животные и человек
Гниение, продукты обмена веществ, горение органических веществ
Азот атмосферы
Итак, рассмотрев круговороты некоторых химических элементов, мы убедились в том, что для них характерна цикличность, в круговороте участвуют различные звенья живой и неживой природы. В результате круговорота веществ поддерживается постоянный состав атмосферы, почвы, гидросферы.
Большую роль в круговороте веществ играют живые организмы: растения, животные и человек. В зелёных растениях неорганические вещества превращаются в органические в процессе фотосинтеза, в организме животных создаётся белки, необходимые для жизни человека (животные белки содержат все аминокислоты). Человек влияет на круговорот веществ своей хозяйственной деятельностью, очень часто его влияние оказывает вред природе.
Всякое неразумное вмешательство человека вызывает нарушение природного равновесия, поэтому необходимо изучать все стороны и звенья круговорота веществ и учитывать их особенности, для того, чтобы не нарушить естественное равновесие в природе.
В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется круговорот углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы и других химических элементов.
Углекислый газ поглощается растениями-продуцентами и в процессе фотосинтеза преобразуется в углеводы, белки, липиды и другие органические соединения. Эти вещества с пищей используют животные-консументы. Одновременно с этим в природе происходит обратный процесс. Все живые организмы дышат, выделяя углекислый газ, который поступает в атмосферу. Мертвые растительные и животные остатки и экскременты животных разлагаются (минерализуются) микроорганизмами-редуцентами. Конечный продукт минерализации - углекислый газ - выделяется из почвы или водоемов в атмосферу. Часть углерода накапливается в почве в виде органических соединений (рис. 107).
Рис. 107. Круговорот углерода
В морской воде углерод содержится в виде угольной кислоты и ее растворимых солей, но накапливается он в форме карбоната кальция СаС0 3 (мел, известняки, кораллы). Часть углерода в виде карбонатов надолго исключается из круговорота, образуя осадки на дне водоемов. Однако с течением времени в процессах горообразования осадочные массы поднимаются на поверхность в виде горных пород. В результате химических преобразований этих пород углерод карбонатов вновь вовлекается в круговорот. Углерод поступает в атмосферу также с выхлопными газами автомашин, с дымовыми выбросами заводов и фабрик.
В процессе круговорота углерода в биосфере образуются энергетические ресурсы - нефть, каменный уголь, горючие газы, торф и древесина, которые широко используются человеком. Все эти вещества произведены фотосинтезирующими растениями за разное время. Возраст лесов - десятки и сотни лет; торфяников - тысячи лет; угля, нефти, газов - сотни миллионов лет. Следует учитывать, что древесина и торф - восполнимые ресурсы, т. е. воспроизводящиеся за относительно короткие промежутки времени, а нефть, горючий газ и уголь - ресурсы невосполнимые. Ограниченность и невосполнимость органического топлива ставят перед человеком сложную задачу овладения новыми источниками энергии - тепловой энергией земных недр, энергией ветра и океанических приливов и, разумеется, энергией Солнца.
Азот - незаменимый элемент. Он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Частично азот поступает из атмосферы благодаря образованию оксида азота (IV) из азота и кислорода под действием электрических разрядов во время гроз. Однако основная масса азота поступает в воду и почву благодаря фиксации азота воздуха свободноживущими бактериями и бактериями-симбионтами растений.
В почве и воде живут фиксаторы азота - цианобактерии. Они обогащают почву азотом, когда их отмершие клетки минерализуются. Благодаря этому в почву ежегодно поступает около 25 кг азота на гектар. Самые эффективные фиксаторы азота - клубеньковые бактерии, живущие в корнях бобовых растений (рис. 108). Азот из разнообразных источников поступает к корням растений, поглощается ими и транспортируется в стебли и листья, где в процессе биосинтеза строятся белки.
Рис. 108. Круговорот азота
Белки растений служат основой азотного питания животных. После отмирания организмов белки под действием бактерий и грибов разлагаются с выделением аммиака. Аммиак частично потребляется растениями, а частично используется бактериями-редуцентами. В результате процессов жизнедеятельности некоторых бактерий аммиак превращается в нитраты. Нитраты, как и аммонийные ионы, потребляются растениями и микроорганизмами. Часть нитратов под действием особой группы бактерий восстанавливается до элементарного азота, выделяющегося в атмосферу. Так замыкается круговорот азота в природе.
- Какова роль продуцентов, консументов и редуцентов в круговороте углерода?
- Почему перед человечеством стоит проблема овладения новыми источниками энергии?
- Как связаны организмы со средой в процессах круговорота азота?
- Что произойдет, если в круговоротах углерода и азота редуценты перестанут функционировать?
Круговороты химических элементов
Химические элементы путешествуют, как и люди. Однако средств передвижения у химических элементов больше, потому что они используют транспорт, созданный и природой, и человеком. В природе химические элементы передвигаются в земной коре вместе с магматическими расплавами, по земле - в виде обломков горных пород, с глубинными и поверхностными водами, с живыми организмами.
Химическим элементам помогают путешествовать люди, отправляя их с продуктами питания (зерном, фруктами, овощами), с сырьем для промышленности (железной рудой, древесиной, углем) по железным дорогам, на самолетах и морских судах.
На пути химических элементов могут возникнуть препятствия - геохимические барьеры, заставляющие их накапливаться в земной коре, почвах, илах и живых организмах. Химические элементы всегда путешествуют вместе.
Круговорот азота в природе
При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак, который под влиянием живущих в почве и трифицирующих бактерий окисляется затем в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например, с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты
2НNОз + СаСОз = Са(NОз) 2 + СО 2 +Н 2 О
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 денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной для зеленых растений формы (нитраты) переходят 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.
На поверхности земного шара постоянно происходят процессы окисления (дыхание растительных и животных организмов, гниение), в результате чего свободный кислород связывается с другими элементами, входящими в состав органических веществ, и образует разнообразные соединения, например углекислый газ CO 2 , воду Н 2 О.
Круговорот кислорода в природе
Но количество свободного кислорода в атмосфере остаётся неизменным. Это происходит потому, что природу протекают процессы, обратные окислению, в результате которых образуется свободный кислород. Действительно, как показал русский ученый К.А. Тимирязев, в зеленых листьях растений под действием солнечных лучей и хлорофилла из воды и углекислого газа СО 2 образуются органические вещества и кислород О 2 , выделяющийся в атмосферу.
Освобожденный кислород снова затрачивается при окислении органических веществ. Образующиеся при этом окислении вода и углекислый газ вновь превращаются в зеленых листьях на солнечном свету в органические вещества и свободный кислород и т. д. Так осуществляется круговорот кислорода в природе, т. е. попеременное вхождение его в соединения и выделение из них.
Круговорот фосфора
Растения могут произрастать, если в почве содержатся фосфаты. Но этих солей даже в наиболее плодородных почвах содержится мало. Там, где человек не вмешивается в жизнь природы, извлеченный растениями из почвы фосфор вновь возвращается в почву при гниении остатков растений и животных. Так осуществляется круговорот фосфора в природе.
Круговорот углерода
Подробно другим элементам, атомы углерода в природе не находятся постоянно в одних и тех же соединениях, а переходят из одних веществ в другие.
До 17 млрд. т углерода двуокиси углерода ежегодно переходит из атмосферы в состав органических веществ растений. Много углерода, перешедшего в состав растений, усваивается организмами животных и человека с растительной пищей. Часть ассимилированного растениями углерода отлагается в земле в виде торфа, угля и сланцев.
Кроме поглощения двуокиси углерода растениями, много ее связывается также в результате взаимодействия с карбонатами земной коры, которые при этом переходят в бикарбонаты.
Наряду с процессами связывания двуокиси углерода идут процессы выделения ее в атмосферу. В огромном количестве двуокись углерода образуется при дыхании животных, человека и растений. Выделение двуокиси углерода в атмосферу происходит также при сжигании различных видов топлива. Наконец, атмосфера пополняется двуокисью углерода благодаря деятельности вулканов, выделению газов из трещин земли и водных источников. Так происходит в природе непрерывный круговорот углерода.
Диапозитив 1
I. Солнце – важнейший источник энергии и жизни на Земле, условие процесса фотосинтеза и главный фактор круговорота веществ в природе, поэтому изображение Солнца помещают на схемах круговоротов или мысленно предполагают его участие в различных процессах.
II. Углекислый газ в атмосфере и гидросфере Земли. Направленными в противоположные стороны стрелками на диапозитиве представлено динамическое равновесие, определяющее содержание углекислого газа в атмосфере и Мировом океане. На состояние этого равновесия влияют не только биохимические процессы, но и производственная деятельность людей, извержения вулканов.
III. Кислород в атмосфере и гидросфере Земли.
Рисунок аналогичен предыдущему.
При рассмотрении отдельных круговоротов следует ограничиться только одной составной частью атмосферы, например азотом, или рассматривать атмосферу как не что целое (диапозитивы 14, 15, 16).
(В отличие от указанного выше учебного пособия, где представлены только атмосфера и гидросфера, в отдельных круговоротах, представленных на диапозитивах, обозначена и литосфера («неживая природа»), охватывающая берега и дно океана.)
Диапозитив 2.
IV. Извержение вулкана.
V. Молния на фоне неба.
VI. Завод с дымящими трубами.
Диапозитив 3.
VII. Горные породы, литосфера.
VIII. Залежи карбонатов.
IX. Растительные и животные остатки.
X. Залежи горючего ископаемого.
Диапозитив 4.
XI. Почва.
XII. Микроорганизмы (гнилостные, нитрифицирующие, денитрифицирующие бактерии, азотобактер, серобактерии и др.); при обсуждении диапозитива предложите учащимся расшифровать, какое изображение относится к тому или иному микроорганизму.
XIII. Минеральные удобрения
XIV. Залежи фосфорных удобрений (фосфоритов, апатитов).
Диапозитив 5.
XV. Наземные растения.
XVI Водоросли.
XVII. Сухопутные животные.
XVIII. Водные животные – рыбы.
Помещенные на диапозитивах 1–5 изображения служат для составления схем различных круговоротов. Диапозитивы 1, 2 отражают глобальные природные явления, совершающиеся на Земле, производственную деятельность людей, соизмеримую по масштабам с биогеохимическими процессами, происходящими во всех оболочках земной коры: лито-, гидро- и атмосфере. Диапозитивы 3, 4, 5 так или иначе связаны с биогеохимическими процессами, происходящими на поверхности Земли. Содержание каждого из диапозитивов может быть использовано как тема для оживленной беседы или выступления учащегося. При этом школьники используют знания из курсов природоведения, биологии, географии, физики; таким образом укрепляются межпредметные связи.
В серии подчеркивается сложность и противоречивость биогеохимических процессов. Они включают процессы созидания (фотосинтез и хемосинтез) и разрушения (гниение и распад органических веществ). Особо отмечается роль различных микроорганизмов, без которых немыслима жизнь на нашей планете.
Уже при таком общем рассмотрении вопроса вырисовываются грандиозные контуры процессов созидания и разрушения, протекающих в виде круговоротов веществ и сопровождающих их энергетических процессов. Затем круговороты конкретизируются на примере отдельных химических элементов (вначале примеры должны быть несложными, включать небольшое число компонентов). Постепенно круговороты усложняются, в них участвуют большее число компонентов, увеличивается число связей между ними.
В качестве примеров в диапозитивах 6–20 приведены схемы круговоротов (рекомендации, имеющиеся в учебном пособии «Круговорот некоторых веществ в природе», целесообразно использовать и в данном случае: примерный порядок построения схем, выделение главного путем отбора компонентов и установления связи между ними с помощью различных стрелок – по направлению, цвету, толщине и пр.).
На приведенных схемах далеко не исчерпываются возможности использования названных ранее 18 компонентов. Здесь в полной мере могут проявиться творчество учащихся, их любознательность, дух соревнования в достижении лучших результатов. В поле зрения учащихся могут быть вовлечены и другие химические элементы, имеющие биологическое значение, такие, как марганец, железо, цинк. Все это будет стимулировать познавательную активность учащихся, способствовать расширенному и углубленному изучению химии, творческому применению знаний для решения посильных познавательных задач. В диапозитивах представлены схемы круговоротов разной степени сложности, что позволит использовать индивидуальный подход к учащимся, в известной мере дифференцировать обучение. По каждому из приведенных ниже диапозитивов можно организовать беседу, рассказ, что будет способствовать развитию мышления, устной речи школьников.
Диапозитив 6.
Показаны только самые общие связи между неживой природой (VII – горные породы) и живой природой (XV – растения, XVII – животные), Главные и побочные связи обозначены разными стрелками.
Диапозитив 7.
Предыдущая схема дополняется новым компонентом – почвой (XI).
Диапозитив 8.
Вводится очередное усложнение в схему круговорота – микроорганизмы (XII), играющие существенную роль в почвообразовании.
Диапозитив 9.
Микроорганизмы прежде всего превращают органические остатки в неорганические вещества, усвояемые растениями. Они осуществляют также синтезы органических веществ.
Диапозитивы 10, 11
Показывают взаимосвязь между растениями и животными суши и взаимосвязь между водными животными и растениями.
Диапозитив 12.
В схему круговорота с участием наземных растений и животных включены новые компоненты (IX, XI, XII, VII, IV). Аналогичную схему для водных растений и животных можно предложить учащимся построить самостоятельно.
Диапозитив 13.
Сжигание топлива и обжиг известняка увеличивают содержание углекислого газа в атмосфере (гидросфере); одновременно происходит уменьшение содержания кислорода в воздухе.
Диапозитив 14.
На схеме, в частности, показано, что движение углекислого газа и кислорода в растениях и организмах животных происходит в противоположных направлениях.
Диапозитив 15.
На схеме представлены два противоположных процесса: связывание атмосферного азота и превращение связанного азота в атмосферный азот. В естественных условиях эти процессы уравновешиваются.
Диапозитив 16.
На естественный круговорот азота большое влияние оказывает то, что с урожаем из почвы уносится связанного азота больше, чем его запас восполняется.
Вопрос учащимся: Какой вывод из этого следует?
Диапозитив 17.
В отличие от азота соединения фосфора в почве не восполняются, и их необходимо вносить в виде удобрений.
Диапозитив 18.
Стрелками отмечены пути миграции серы, причем начало – это усвоение сульфат-иона растениями и включение серы в состав органических веществ. Дальше миграцию серы учащиеся могут проследить самостоятельно. Обратите внимание учеников на пути попадания соединений серы в атмосферу и связанное с этим загрязнение окружающей среды.
Диапозитив 19.
Учащиеся смогут самостоятельно разобраться в представленной схеме, принимая во внимание, что с почвенным раствором в растения поступают ионы калия.
Диапозитив 20.
Ионы кальция, как и ионы калия, поступают из почвенного раствора в растения, а от них к животным. Дальше миграция этих элементов идет разными путями, что обусловлено неодинаковой растворимостью их солей в воде. Кальций скапливается в костях, раковинах, меле, гипсе, фосфорите, апатите и др. В то время как карбонат кальция практически не растворим в воде, гидрокарбонат кальция растворяется в воде хорошо. В этом взаимном превращении карбоната в гидрокарбонат (и наоборот) состоит причина большой подвижности кальция в природе. Значительная роль в этом процессе отведена углекислому газу. Но это только один из вариантов круговорота кальция. Круговорот кальция в гидросфере происходит иначе. Предложите учащимся самостоятельно проследить этот процесс.
Содержание статьи
ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДЕ – КРУГОВОРОТ И МИГРАЦИЯ. Между литосферой , гидросферой, атмосферой и живыми организмами Земли постоянно происходит обмен химическими элементами. Этот процесс имеет циклический характер: переместившись из одной сферы в другую, элементы вновь возвращаются в первоначальное состояние. Круговорот элементов имел место в течение всей истории Земли, насчитывающей 4,5 млрд. лет.
Гигантские массы химических веществ переносятся водами Мирового океана. В первую очередь это относится к растворенным газам – диоксиду углерода, кислороду, азоту. Холодная вода высоких широт растворяет газы атмосферы. Поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она их выделяет, так как растворимость газов при нагревании уменьшается. Поглощение и выделение газов происходит также при смене теплых и холодных сезонов года.
Огромное влияние на природные циклы некоторых элементов оказало появление жизни на планете. Это, в первую очередь, относится к круговороту главных элементов органического вещества – углерода, водорода и кислорода, а также таких жизненно важных элементов как азот , сера и фосфор . Живые организмы оказывают влияние и на круговорот многих металлических элементов. Несмотря на то, что суммарная масса живых организмов Земли меньше массы земной коры в миллионы раз, растения и животные играют важнейшую роль в перемещении химических элементов.
Деятельность человека также оказывает влияние на круговорот элементов. Особенно заметным оно стало в последнее столетие. При рассмотрении химических аспектов глобальных изменений в круговоротах химических элементов следует учитывать не только изменения в природных круговоротах за счет добавления или удаления присутствующих в них химических веществ в результате обычных циклических и/или вызванных человеком воздействий, но и поступление в окружающую среду химических веществ, ранее не существовавших в природе. Рассмотрим несколько наиболее важных примеров циклического перемещения и миграции химических элементов.
Углерод
– основной элемент жизни – содержится в атмосфере в виде диоксида углерода. В океане и пресных водах Земли углерод находится в двух главных формах: в составе органического вещества и в составе взаимосвязанных неорганических частиц: гидрокарбонат-иона НСО 3 – , карбонат иона СО 3 2– и растворенного диоксида углерода СО 2 . Большое количество углерода сосредоточено в виде органических соединений в животных и растениях. Много «неживого» органического вещества имеется в почве. Углерод литосферы содержится также в карбонатных минералах (известняк, доломит, мел, мрамор). Часть углерода входит в состав нефти, каменного угля и природного газа.
Связующим звеном в природном круговороте углерода является диоксид углерода (рис. 1).
Рис. 1. УПРОЩЕННАЯ СХЕМА глобального цикла углерода. Числа в рамках отражают размеры резервуаров в миллиардах тонн – гигатоннах (Гт). Стрелки показывают потоки, а связанные с ними числа выражены в Гт/год.
Самыми крупными резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше. Однако бoльшая часть этого вещества не взаимодействует с атмосферой, а подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах. Поэтому эти резервуары играют лишь второстепенную роль в сравнительно быстром цикле углерода, протекающем с участием атмосферы. Следующим по величине резервуаром является морская вода. Но и здесь глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода, не взаимодействует с атмосферой так быстро, как их поверхность. Самыми маленькими резервуарами являются биосфера суши и атмосфера. Именно небольшой размер последнего резервуара делает его чувствительным даже к незначительным изменениям процентного содержания углерода в других (больших) резервуарах, например, при сжигании ископаемых топлив.
Современный глобальный цикл углерода состоит из двух меньших циклов. Первый из них заключается в связывании диоксида углерода в ходе фотосинтеза и новом образовании его в процессе жизнедеятельности растений и животных, а также при разложении органических остатков. Второй цикл обусловлен взаимодействием диоксида углерода атмосферы и природных вод:
СО 2 + Н 2 О Н 2 СО 3
Н 2 СО 3 НСО 3 – + Н +
НСО 3 – СО 3 2– + Н +
СО 3 2– + Са 2+ = СаСО 3 Ї
В последнее столетие в углеродный цикл существенные изменения внесла хозяйственная деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива – угля, нефти и газа – привело к увеличению поступления диоксида углерода в атмосферу. Это не очень сильно влияет на распределение масс углерода между оболочками Земли, но может иметь серьезные последствия из-за усиления парникового эффекта.
Кислород
на Земле содержится, в основном, в литосфере в виде диоксида кремния и силикатов. Кроме того, кислород есть в составе воды, образующей гидросферу. В атмосфере кислород находится в молекулярном виде. Он является продуктом процессов жизнедеятельности растений и в то же время одним из основных условий существования жизни на Земле. Образование свободного кислорода связано со световой энергией Солнца. Исходным сырьем для образования кислорода служит вода. Почти весь свободный кислород на Земле – это результат реакции фотосинтеза органического вещества из воды и диоксида углерода. Некоторое количество кислорода образуется при разложении воды в верхних слоях атмосферы. Кислород входит в состав многих органических соединений. Между живыми организмами и атмосферой происходит постоянный обмен кислородом.
Несмотря на выделение кислорода зелеными растениями, его содержание в атмосфере не увеличивается. Одновременно с фотосинтезом происходит разложение органического вещества, при этом поглощается практически весь выделившийся кислород. Часть кислорода расходуется на окисление неорганических веществ. Незначительное количество атмосферного кислорода участвует в цикле образования и разрушения озона.
Водород
на Земле находится, преимущественно, в гидросфере в составе воды. Содержание его в литосфере и атмосфере сравнительно невелико. Он входит также в состав органических веществ. Огромные массы водорода, наряду с кислородом, участвуют в круговороте воды – одном из наиболее мощных циклических процессов на планете.
Особенностью водорода является его способность (наряду с гелием) уходить из поля тяготения Земли благодаря своей малой атомной массе. Эти потери компенсируются выделением водорода из мантии. Молекулярный водород поступает в атмосферу Земли в результате вулканической деятельности, его выделяют также некоторые бактерии. После появления на нашей планете живых организмов водород стал связываться в органическом веществе.
Азот,
вследствие исключительной прочности молекулы N 2 , почти полностью сосредоточен в атмосфере. Часть газообразного азота растворена в природных водах, которые содержат и растворенные азотсодержащие органические вещества и неорганические ионы: катион аммония, нитрит-ион и нитрат-ион. Поскольку азот не образует нерастворимых солей, он только в редких случаях накапливается в литосфере. Так, в южноамериканской пустыне Атакама есть скопления нитрата натрия, который, несмотря на высокую растворимость в воде, сохраняется благодаря исключительно сухому климату.
Слово «азот» буквально означает «безжизненный», поскольку он не поддерживает дыхание. Однако этот элемент является обязательной составной частью белков. Поэтому азот в значительном количестве содержится в живых организмах и «мертвом» органическом веществе. Азот непрерывно перемещается между атмосферой, океаном, живыми организмами и почвой.
В атмосфере под действием электрических разрядов азот переходит сначала в монооксид азота, а затем в диоксид азота. Влага воздуха и кислород превращают диоксид азота в азотную кислоту
4NO 2 + 2H 2 O + O 2 = 4HNO 3
Соединения азота легко растворяются в атмосферных осадках и попадают на поверхность Земли.
Большое значение в связывании атмосферного азота имеет жизнедеятельность клубеньковых бактерий, обитающих на корнях бобовых растений. Ферменты этих бактерий превращают молекулярный азот в соединения, которые затем усваиваются растениями. Из растений связанный азот поступает в организмы животных, в основном, в виде аминокислот и белков. После гибели живых организмов органические вещества превращаются в неорганические соединения, снова усваиваемые растениями. Часть азота в почвах превращается в молекулярный азот и переходит в атмосферу. Молекулярный азот образуется также при полном окислении органических веществ.
Соединения азота попадают в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, а в природные воды – с бытовыми и промышленными отходами.
Слишком большое количество растворимых соединений азота в почве приводит к росту их содержания в продуктах питания и питьевой воде, это может стать причиной серьезных заболеваний. Соединения азота накапливаются в водоемах и вызывают зарастание озер и водохранилищ. Пока подобные явления наблюдаются лишь в отдельных районах, где в окружающую среду попадает много соединений азота. В целом же природа пока справляется с тем количеством связанного азота, которое производится человеком.
Сера
содержится в атмосфере в небольших количествах, в основном, в виде сероводорода и диоксида серы. Довольно много этого элемента (в виде сульфат-ионов) находится в гидросфере. В литосфере сера встречается в виде простого вещества (самородная сера) и в составе многочисленных минералов – сульфидов и сульфатов металлов. Кроме того, соединения серы есть в углях, сланцах, нефти, природном газе. Сера входит в состав многих белков, поэтому она всегда содержится в организмах животных и растений.
Выделяясь из глубин Земли, газообразные соединения серы (преимущественно диоксид серы и сероводород) растворяются в подземных водах. Здесь они образуют малорастворимые сульфиды (главным образом пирит – дисульфид железа FeS 2) и сульфаты (в частности, сульфат кальция CaSO 4). Образуется также самородная сера:
2H 2 S + SO 2 = 3S + 2H 2 O
Газообразные соединения серы попадают в почву, атмосферу и Мировой океан, где их поглощают серные бактерии. Поглощение соединений серы бактериями происходит и в почве.
Малорастворимые сульфиды, содержащиеся в горных породах, в результате жизнедеятельности некоторых бактерий частично окисляются, превращаясь в легко растворимые сульфаты:
FeS + 2O 2 = FeSO 4
Водорастворимые сульфаты выносятся с поверхности суши с речным стоком, поставляя сульфат-ионы в Мировой океан.
В результате активного связывания серы в земной коре, гидросфере и живых организмах, содержание сероводорода и диоксида серы в атмосфере мало и непостоянно. Под действием кислорода и озона эти вещества постепенно превращаются в серную кислоту:
2SO 2 + О 2 2SО 3
SO 2 + О 3 = SО 3 + О 2
SО 3 + H 2 О = H 2 SO 4
H 2 S + 2О 3 = H 2 SO 4 + О 2
Серная кислота возвращается на землю с атмосферными осадками
Хозяйственная деятельность людей приводит к увеличению содержания соединений серы в атмосфере и гидросфере. В результате изменений в методах животноводства и земледелия (выпас, вспашка, мелиорация) увеличились выбросы серосодержащих соединений в виде пыли. Еще больше серы попадает в атмосферу в форме диоксида серы при обжиге сульфидных руд. Это, в свою очередь, вызывает увеличение потока серы, попадающей из атмосферы в океаны и на поверхность суши. Природные воды загрязняются также удобрениями с полей и стоками промышленных предприятий.
Таким образом, человеческая деятельность существенно изменила круговорот серы между атмосферой, океанами и поверхностью суши. Эти изменения сильнее, чем воздействие человека на цикл углерода. Как и в случае глобального цикла углерода, техногенные выбросы серы в окружающую среду мало влияют на распределение масс этого элемента на поверхности Земли. Однако повышенное содержание серы в промышленных и бытовых отходах создают опасность для жизни на обширных территориях. Массированный выброс диоксида серы в атмосферу порождает кислотные дожди, которые могут выпадать далеко за пределами индустриальных районов. Загрязнение природных вод растворимыми соединениями серы несет угрозу живым организмам внутренних водоемов и прибрежных областей морей.
Фосфор
содержится в земной коре и живых организмах в небольших количествах; тем не менее, он имеет очень большое значение для растений и животных. Без этого элемента невозможен синтез белков. Кроме того, фосфор входит в состав костей и зубов. Именно недостаточное количество фосфора чаще всего ограничивает рост массы живого вещества. Значительная часть фосфора содержится в почвах. Фосфор образует многочисленные минералы (например, фосфориты), однако они не часто встречаются в горных породах в больших количествах. В атмосфере фосфор практически отсутствует.
В природных водах фосфор присутствует в составе органических соединений и взвешенных твердых частиц. Лишь небольшая его часть находится в растворе в виде ортофосфат-иона РО 4 3– и гидроортофосфат-иона НРО 4 2– .
В океане «органический» фосфор многократно переходит от одного живого организма к другому и медленно накапливается в донных отложениях в виде малорастворимых фосфатов. Эти потери фосфора компенсируются только из одного источника – выветривающихся горных пород суши, куда они попадают со дна океанов в результате длительных геологических процессов.
Деятельность человека нарушила природный круговорот фосфора. Соединения фосфора используются для производства удобрений и моющих средств. Это приводит к загрязнению водоемов соединениями фосфора. В таких условиях фосфор перестает быть элементом, ограничивающим рост массы живых существ, особенно водорослей и других водных растений.
Натрий
– один из главных элементов, аккумулированных в земной коре в процессе ее выплавления. Он легко освобождается из структур силикатов при выветривании кристаллических пород. Катион Na + переносится с континентальным стоком в океан. С «солеными ветрами» натрий частично возвращается на сушу. Существенно меньшее количество элемента выносится с поверхности суши в океан с ветровой пылью.
Натрий постоянно присутствует в почвах. Он принимает активное участие в засолении почв, в которых образует соли с хлорид- и сульфат-ионами.
В организмах соли натрия играют существенную роль. Хлорид натрия является обязательным компонентом жидких тканей животных и клеточного сока растений, поэтому он в больших количествах поглощается растительными и особенно животными организмами. Из растительных остатков соли натрия легко выщелачиваются. Натрий активно адсорбируется осадками морей, поэтому большая его масса содержится в осадочной оболочке.
Хлор,
в отличие от натрия, содержится в гранитном слое в небольших количествах. Он вовлекается в круговорот не за счет разрушения горных пород, а благодаря процессам дегазации мантии и выносу вулканических газов.
Этот элемент перемещается между оболочками Земли параллельно с натрием. Он аккумулируется в океанской воде в форме хлорид-ионов. Значительные массы хлора, так же как и натрия, многие миллионы лет мигрируют с поверхности суши в Мировой океан. Вторая особенность глобального геохимического цикла хлора, выраженная еще более сильно, чем в цикле натрия – активная миграция в атмосфере в составе аэрозолей и возврат значительных масс этого элемента на сушу. На территориях, где отсутствуют стоки, хлор вместе с натрием накапливается в почве и замкнутых водоемах.
Хлор имеет важное физиологическое значение. Он содержится в живых организмах в виде хлороводородной кислоты, ее солей (преимущественно хлорида натрия). Поэтому значительные массы хлора, наряду с натрием, участвуют в биологическом круговороте.
Кальций
относится к главным элементам земной коры. Содержание этого элемента уменьшается от глубин Земли к гранитному слою литосферы. Кальций в земной коре образует многочисленные минералы. При выветривании силикатов освобождается большое количество этого элемента. Его водорастворимые соединения, главным образом гидрокарбонат, поступают в природные воды и мигрируют с ними в океан. Хотя этот процесс развивается на протяжении более 2 млрд. лет, концентрация элемента в океанической воде всего лишь в 30 раз больше, чем в речных водах. Это обусловлено низкой растворимостью карбоната кальция, а главное – активным поглощением элемента планктонными организмами и выведением его в осадок. Данные процессы способствуют накоплению кальция в составе мощных толщ известняков, доломитов, известковых глин.
Кальций играет важную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, животным он необходим для построения костного скелета. Кальций участвует и во многих других биохимических процессах.
Таким образом, для процессов глобального массообмена кальция главное значение имеют биологический круговорот и водная миграция иона в системе суша – океан.
Калий
вместе с другими щелочными и щелочно-земельными химическими элементами аккумулировался в земной коре в процессе ее выплавления. Калий входит в состав наиболее распространенных силикатов. При их разрушении этот элемент, в основном, переходит в глинистые минералы. В то же время он частично высвобождается и вовлекается в водную миграцию. Ионы калия активно абсорбируются дисперсным минеральным веществом, а также поглощаются высшими растениями, поэтому калий более прочно удерживается в пределах суши, чем кальций и натрий. В океан некоторое количество калия выносится в виде ионов, однако большая масса элемента переносится в форме взвесей глинистых частиц. Калий активно мигрирует в системе поверхность океана – атмосфера – поверхность океана в составе аэрозолей.
Этот элемент играет важную роль в жизни растений и животных. Он принимает участие в фотосинтезе, влияет на обмен веществ, частично сохраняется в мертвом органическом веществе.
Широкое использование минеральных удобрений пока не оказывает заметного влияние на круговорот калия, однако миграция его сильно возросла в результате эрозии почв.
Кремний
– второй (после кислорода) по массе элемент земной коры. Он интенсивно накапливался в веществе литосферы в процессах его выплавления. Кремний в виде высокодисперсного кремнезема (SiO 2) повсеместно содержится в природных водах и используется многими морскими организмами для построения скелета. Биологический круговорот кремния в океане обусловлен преимущественно жизнедеятельностью диатомовых и радиоляриевых планктонных водорослей и последующим растворением их скелетов.
Для водной миграции кремния характерно преобладающее движение от суши к океану, которое не компенсируется в обратном направлении. Значительное количество кремния перемещается в виде растворимых соединений, однако в составе обломочного материала его выносится во много раз больше. .
Свинец
накапливается в земной коре не только за счет выплавления его из вещества мантии, но и в результате радиоактивного распада изотопов урана (238 U, 235 U) и тория (232 Th). При выветривании горных пород катионы свинца высвобождаются, большая часть их сорбируется высокодисперсными глинистыми частицами и гидроксидами железа, а меньшая поступает в грунтовые воды. В составе взвесей, а также в виде органических соединений, простых и комплексных ионов свинец выносится с речным стоком и осаждается преимущественно в дельтах и узкой прибрежной полосе шельфа. Небольшое количество свинца, попадающее в океан, выпадает в осадок благодаря биофильтрации морской воды организмами планктона. Таким образом, Мировой океан – глобальный аккумулятор растворимых форм свинца.
На суше свинец поглощается растениями. Во время лесных пожаров значительные массы элемента поступают в атмосферу (в виде дыма). Кроме того, свинец содержится в высокодисперсной минеральной пыли. «Время жизни» свинецсодержащих аэрозолей составляет около 7 суток.
Годовая добыча свинца значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью этого элемента. Техногенное рассеяние свинца, в отличие от рассеяния газообразных веществ, не распространяется на большие пространства, а сосредотачивается, в основном, вдоль автомагистралей, это связано с использованием тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора автомобильных бензинов.
Цинк
обычно сопутствует свинцу в земной коре, однако биосферная геохимия этих элементов существенно различается. В отличие от свинца, цинк – один из главных микроэлементов, он входит в состав многих ферментов, участвует в синтезе рибонуклеиновых кислот и хлорофилла. Большая часть цинка в растениях связана с легко разрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков (в отличие от свинца, который прочно фиксирован в растительных остатках). Водорастворимые формы цинка составляют очень небольшую часть от общей массы металла, однако они активно вовлекаются в водную миграцию. Цинк активно участвует в массообмене между сушей и атмосферой. С атмосферными осадками на поверхность суши водорорастворимых форм цинка выпадает значительно больше, чем захватывается ветром в атмосферу в виде минеральной пыли.
Из приведенных примеров круговоротов и миграции различных элементов видно, что глобальная система циклической миграции химических элементов обладает высокой способностью к саморегуляции, при этом огромную роль в круговороте химических элементов играет биосфера.
В то же время хозяйственная деятельность человека вызывает деформацию природных циклов массообмена и, следовательно, изменение состава окружающей среды. Эти изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы генетической адаптации организмов и видообразования. Зачастую хозяйственные действия настолько непродуманны или несовершенны, что создают острую экологическую опасность. Изучение процессов массообмена, связывающих в единое целое все оболочки Земли, должно помочь в создании системы контроля за эколого-геохимическим состоянием окружающей среды и разработке научно обоснованного прогноза экологических последствий хозяйственных действий и новых технологий.
Елена Савинкина
