Практична частина

Оцініть термін вичерпання природного ресурсу, якщо відомий рівень видобутку ресурсу в поточному році, а споживання ресурсу в наступні роки буде зростати із заданою швидкістю приросту щорічного споживання. Вихідні дані для виконання роботи представлені в таблиці 2.1.

Таблица 2.1 - Вихідні дані для виконання роботи

Ресурс **	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Запас ресурсу, Q, млрд. т.	6800	280	250	12 тис.	40	0,6	0,24	0,15	12	300
Добування ресурсу, q, млрд. т/рік	3,9	1,7	3,5	0,79	0,023	0,008	0,006	0,004	0,016	0,2
Приріст об´єму споживання ресурсу, ТР, % в рік	2	1,5	2	2,5	1,8	1,7	1,3	2,2	1,6	2

** 1 - кам´яне вугілля; 2 – природний газ; 3 – залізо; 4 – фосфор; 5 – мідь; 6 – цинк; 7 – свинець; 8 – алюміній; 9 – уран

Розрахунок терміну вичерпання природно ресурсу проводиться за формулою:

ln ((Q·TP)/(q·100) + 1)

t = ------------------------------------- .

ln (1 + TP/100)

Розрахуйте час вичерпання наведених у таблиці ресурсів, вставте дані у вигляді додаткової рядки в таблицю. Зробіть висновок про послідовність припинення видобутку ресурсів.

Контрольні питання

1. Дайте загальну характеристику природних ресурсів.

2. Яке значення для розвитку цивілізації мають запаси корисних копалин?

3. У чому небезпека вичерпності природних ресурсів?

4. Які шляхи скорочення втрат сировини при видобутку, збагаченні, обробці, транспортуванні? Наведіть конкретний приклад.

Практична робота № 3

Кругообіг біогенних елементів в природі.

Наслідки порушення кругообігів за рахунок

Антропогенної діяльності

Мета роботи: розглянути системний рівень організації живого в біосфері, основні закономірності їх функціонування; кругообіг основних біогенних елементів і наслідків впливу антропогенної діяльності на кругообіг речовин.

Теоретична частина

Завдяки сонячній енергії, внутрішній енергії Землі в природі відбуваються безперервні процеси утворення, трансформації та розкладу багатьох хімічних сполук, а також: переносу речовин у межах планети. Сукупність таких явищ В.І. Вернадський назвав геохімічними процесами. Одні й ті самі хімічні елементи в межах історичного минулого Землі входили до складу певних сполук, що зазнавали змін, перетворень та переносу. Цей закономірний процес багаторазової участі хімічних елементів та речовин в явищах, що відбуваються в атмосфері, гідросфері та літосфері, називають кругообігами речовин.

Залежно від того, чи беруть участь у кругообігах живі організми чи ні, розрізняють абіотичнийта біотичний кругообіги.

Абіотичний кругообіг. Абіотичний (великий, або геологічний) кругообіг речовин існує в межах геологічних оболонок Землі і здійснюється за рахунок безпосереднього впливу сонячної енергії та енергії Землі на речовини. Нерівномірний розподіл енергії в оболонках Землі спричиняє перенесення речовин, їхню циркуляцію. Розтріскування гірських порід внаслідок нагрівання та охолодження, течії повітря та води, перенесення цими течіями різних речовин, вивітрювання, вимивання водою різних хімічних елементів — усе це складові частини великого кругообігу речовин у природі. Найяскравішим прикладом абіотичного кругообігу є циркуляція води в природі (випаровування води, перенесення повітряними течіями водяної пари, конденсація її та атмосферні опади). Зрозуміло, що абіотичний кругообіг існував задовго до виникнення життя на нашій планеті та утворення біосфери.

Біотичний кругообіг. З виникненням життя на Землі та з утворенням у межах її геологічних оболонок біосфери на планеті кругообіг речовин прискорився внаслідок життєдіяльності живих організмів. Завдяки створеним трофічним ланцюгам та мережам виник біотичний кругообіг речовин. Біотичний кругообіг — це явище безперервного, циклічного, але нерівномірного в часі та просторі закономірного перерозподілу речовини, енергії та інформації в межах екологічних систем різного рівня організації — від біогеоценозу до біосфери. Біотичний кругообіг речовин називають ще біосферним, або малим, через те що він відбувається ще в меншому просторі, ніж абіотичний, — у біосфері. Час, необхідний для проходження повного циклу обігу речовин у біотичному кругообігу, набагато менший, ніж; в абіотичному. Живі організми в біотичному кругообігу виступають своєрідними каталізаторами, які швидко синтезують нові, трансформують та руйнують наявні органічні сполуки.

Через біотичний кругообіг проходить велика кількість речовин та хімічних елементів. Але найбільш важливими є біогенні елементи (С, Н, О, N. Р, S),з яких синтезуються органічні сполуки. Кругообіги СО₂ та Н₂О в глобальному масштабі є, мабуть, чи не найбільш важливими для людства. Для обох кругообігів характерним є наявність невеликої, але рухомої частки цих речовин в атмосфері, зміна вмісту яких впливає на погоду та атмосферу. їхній вміст може змінюватися і в результаті діяльності людини.

Утворення живої речовини і його розкладання – це дві сторони єдиного процесу, що називається біологічним кругообігом хімічних елементів. У процесі життєдіяльності жива речовина заряджається енергією, у процесі розпаду його енергія виділяється в навколишнє середовище. Розрізняють великий (біосферний) кругообіг і малі кругообіги різних рівнів (наприклад, кругообіг океану, озера, окремої ділянки степу й ін.).

Біогеохімічний цикл – круговорот хімічних речовин з неорганічної природи через живі організми назад у неорганічну природу. Ця біогенна міграція атомів відбувається з використанням сонячної енергії й енергії хімічних реакцій і виявляється в процесі обміну речовин, росту і розмноженні організмів. Особливе значення мають біохімічні цикли води й основних біогенних елементів - вуглецю, азоту, фосфору і сірки.

Кругообіг води

Вода випаровується з водяної поверхні, утворити атмосферну вологу, конденсація якої приводить до випадання атмосферних опадів. В остаточному підсумку вода повертається у водяні об'єкти. Цей процес складає великий круговорот води на земній поверхні. Існує і малий круговорот, коли вода з атмосфери повертається в ті райони земної поверхні, де вона випарувалася. Вода є необхідною частиною біосфери. Вона входить до складу всіх живих організмів і складає до 90 % їхньої ваги.

Для кругообігу води в межах біоценозу найбільш важливе значення мають процеси транспірації, інфільтрації і стоку, що входять в елементи малого круговороту. Вода атмосферних опадів, досягаючи ґрунту, просочується в неї (процес інфільтрації) чи утворює поверхневий стік. Якщо вода атмосферних опадів досягає ґрунтових вод, вона включається в їхній склад. Підземний стік зв'язує ґрунтову вологу з поверхневими водами і гідросферою в цілому.

1 – океанічні відклади; 2 – озерні відклади; 3 – клітковина в річних кільцях дерев; 4 – сніг і лід; 5 – підземні води глибокого залягання; 6 – відклади у печерах

Рисунок 3.1 – Схема кругообігу води

Ґрунтова волога використовується рослинами, а частина її шляхом випару рослинами (транспірації) знову попадає в атмосферу. Транспірація рослинами вносить істотний вклад у круговорот води. У деяких районах транспірація навіть перевищує випар води з вільної водяної поверхні.

Кругообіг вуглецю

Вуглець – це елемент, що дуже широко розповсюджений у навколишнім середовищі. Його здатність утворювати міцні хімічні зв'язки між атомами вуглецю лежить в основі всіх органічних сполук. Він входить до складу атмосфери, де є присутнім у виді СО₂. Зміст його в повітряному середовищі поступово збільшується внаслідок антропогенного впливу (спалювання палива, вирубки лісів і ін.). Усі живі істоти на Землі мають у своєму складі вуглець. У результаті життєдіяльності більшості живих організмів утворяться СО₂ і вода. Це процес називається подихом.

Рисунок 3.2 – Схема кругообігу вуглецю. Вуглець проходить через декілька екосистем. Пунктирними стрілками показані процеси, в яких перетворення вуглецю проходить повільніше, а суцільними - швидше

Протилежний йому процес – фотосинтез у рослин, тобто включення вуглецю до складу органічних сполук. З СО₂ і води утворюються цукри, що надалі перетворюються в білки і ліпіди, що живі організми використовують для побудови своїх тканин і одержання енергії для підтримки життя. Усі живі організми після смерті піддаються розкладанню, органічні речовини розщеплюються на більш прості фрагменти, перетерплюють перетворення, у результаті яких вуглець у виді СО₂ знову надходить у круговорот і цикл замикається. Таким чином, в основі біогенного круговороту вуглецю в біосфері Землі лежить хімічна речовина СО₂.

За певних умов круговорот вуглецю може сповільнюватися. Так, наприклад, при недоліку кисню мінералізація (розкладання) органічних речовин у ґрунті сповільнюється, виділення діоксиду вуглецю припиняється і вуглець не вивільняється в навколишнє середовище. У цих умовах вуглець у виді органічних залишків може накопичуватися у виді торфу, кам'яного вугілля, нафти. У гідросфері СО₂ знаходиться в розчиненому стані. Він може утворювати солі кальцію: вапняки, крейда. Корали будують своє тіло з вуглекислого кальцію. Ці процеси приводять до порушення круговороту вуглецю і нагромадженню його в екосистемах.

У круговороті вуглецю беруть участь також гірські породи. Він виділяється в навколишнє середовище при вилуживанні вапняків атмосферними опадами.

Важливу роль у круговороті вуглецю грає світовий океан. Прийнято вважати, що океан “вдихає” СО₂ з атмосфери – біля половини його поглинається океаном (розчиняється у воді), а поховання вуглецю в донних опадах приводить до виведення його з круговороту. Океан, таким чином, як би компенсує приплив вуглецю від палива, що спалюється, і разом з наземною рослинністю виробляє необхідний для життя кисень.

Кругообіг азоту

Кругообіг азоту відіграє важливу роль у життєдіяльності організмів. Він входить до складу багатьох органічних речовин, насамперед білка. Джерелом азоту для продуцентів (автотрофам) є нітрати, а також молекулярний азот атмосфери. Нітрати через кореневу систему попадають у листи, де використовуються для синтезу рослинного білка.

Рисунок 3.3 – Кругообіг азоту

Другий шлях, яким азот попадає в організми – пряма фіксація азоту з атмосфери. Це явище унікальне і притаманне прокаріотам, тобто без'ядерним мікроорганізмам (бактерії, синьо-зелені водорості).

Азотвміщуючи органічні сполуки, що утвориться в рослинах, по трофічним (харчовим) зв'язкам попадають в організм консументов (гетеротрофов), а також у ґрунт після відмирання рослин. У ґрунті вони піддаються розпаду і використовуються іншими рослинами. Кінцевим продуктом розкладання є аміак, що переходить у нітрити, а потім у нітрати, що служать джерелом для продуцентів.

Частина азоту повертається в атмосферу завдяки діяльності бактерій-денітрифікаторів, що розкладають нітрати до молекулярного азоту. У результаті цього процесу з ґрунту щорічно з 1 га іде до 50-60 кг азоту. Призупинення круговороту азоту може відбуватися внаслідок його нагромадження в глибоководних океанічних опадах. При цьому азот виключається з круговороту на кілька мільйонів років. Утрати компенсуються надходженням газоподібного азоту при вулканічних виверженнях

В даний час в атмосферу надходять великі кількості азоту у виді оксиду і діоксиду азоту, що утворяться при спалюванні палива, при високотемпературних технологічних процесах. Діоксид азоту розчиняється в краплях атмосферної вологи, утвориться слабкий розчин суміші азотної й азотистої кислот. Таке походження кислотних дощів, що містять крім цих кислот ще сірчану і сірчисту кислоти.

Кругообіг фосфору

Фосфор є елементом необхідним для харчування живих організмів, відіграє найважливішу роль у розвитку організмів. Фосфор міститься в гірських породах.

Рисунок 3.4 – Кругообіг фосфору

У гідросферу попадає в результаті ерозії гірських порід, відкладається у виді опадів на дрібній воді, частково осаджується в глибоководних мулах. У тварин фосфор у виді органічних сполук входить до складу кіст і інших тканин. Він відіграє роль в енергетичних процесах запасу енергії кліток у виді аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ).

У результаті розкладання мертвих організмів і мінералізації органічних сполук фосфор у виді фосфатів знову використовується рослинами і тим самим знову утягує в круговорот. Виведення фосфору з круговороту відбувається внаслідок його нагромадження в донних опадах. В даний час росте концентрація у водяних екосистемах, що приводить до їхнього інтенсивного заростання, деградації і до загибелі. Фосфор широко використовується у виді фосфорних добрив. У поверхневі водойми потрапить шляхом виносу добрив з полів і скидання недоочищених стічних вод.

Кругообіг сірки

Мінеральна сірка потрапить у ґрунт у результаті природного розкладання сірчаного і мідного колчеданів у гірських породах. Вона переноситься з атмосферними опадами і попадає в наземні і водяні екосистеми. Сірка є компонентом білків і ряду амінокислот: цистина, цистеїна, метіоніну. Ці амінокислоти синтезуються рослинами, що використовують мінеральну сірку. В організм тварин сіра попадає з рослинною їжею. Сульфатредуцуючі мікроорганізми руйнують органічні сполуки в ґрунті, відновлюють сірку до сірководню або до мінеральної сірки. Сульфатокислюючи мікроорганізми окисляють сірку, перетворюючи її в сульфати, що поглинаються рослинами і знову попадають у круговорот.

Рисунок 3.5 – Кругообіг сірки

В даний час в атмосферу надходять великі кількості сірки у виді діоксида сірки, що утвориться при спалюванні палива. Діоксид сірки, частково розчиняється воді з утворенням сірчистої кислоти, частково окисляється до триоксида сірки, що при розчиненні в атмосферній волозі утворить сірчану кислоту. Дощі, у воді яких міститься сірчана і сірчиста кислота, називаються “кислотними”. Їхнє випадання приводить до закислення природних вод і ґрунтів.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

1 . Заповніть прямокутники в спрощеній схемі кругообігу вуглецю в біосфері відповідними надписами, які подано нижче в довільному порядку.

Вулканічна діяльність; продуценти; хижаки; редуценти; детрит; спалювання палива;

копалина; травоїдні тварини; вуглецю діоксид.

2. Заповніть прямокутники в спрощеній схемі кругообігу азоту в біосфері відповідними надписами, які подано нижче в довільному порядку.

Неорганічні сполуки азоту в воді та ґрунті;

детритофагі;

азотфіксуючи бактерії;

консументи;

діоксид азоту в атмосфері;

азот в атмосфері;

продуценти;

редуценти;

органічні сполуки азоту в воді та ґрунті.

3. Заповніть прямокутники в спрощеній схемі кругообігу фосфору в біосфері відповідними надписами, які подано нижче в довільному порядку.

Продуценти;

консументи;

редуценти;

детритофаги;

розчинні неорганічні сполуки фосфору в воді та ґрунті;

органічні сполуки фосфору в тканинах тварин;

органічні сполуки фосфору в тканинах рослин;

нерозчинні фосфатні відкладення;

органічні сполуки фосфору в воді та ґрунті.

4. Заповніть прямокутники в спрощеній схемі кругообігу сірки в біосфері відповідними надписами, які подано нижче в довільному порядку.

Сірководень в атмосфері;

продуценти;

консументи;

редуценти;

детритофаги;

копалина;

сірки діоксид в атмосфері;

органічні сполуки сірки в тканинах рослин;

неорганічні сполуки сірки в воді та ґрунті;

органічні сполуки сірки в тканинах тварин;

органічні сполуки сірки в воді та ґрунті.

Контрольні питання:

1. Дати визначення наступним твердженням:

а) організм, що потребує строго визначених умов середовища;

б) оточення організмів, яке включає сукупність фізичних, хімічних, біологічних та інших факторів;

в) здатність організмів зберігати своє життя при зміні умов середовища;

г) життєвий простір, місцеперебування, яке зайнято організмами;

д) м'ясоїдний організм, консумент другого порядку;

ж) споживач готової органічної продукції;

з) організм, який будує своє тіло з неорганічних біогенних елементів.

2. Дати визначення таким термінам: кругообіг речовин, види кругообігу.

3. Назвіть основні процеси кругообігу води.