- •3. Вопросы для контрольной работы
- •4. Экзаменационные вопросы
- •История развития экологии.
- •Предмет и задачи экологии. Взаимосвязь с другими биологическими науками.
- •Уровни организации живых систем. Принцип эмерджентности.
- •Клеточные Системы Экосистемы
- •Основные разделы экологии.
- •Методы экологических исследований.
- •6. Математические методы и моделирование. Системный подход к изучению экологии.
- •7. Экология как теоретическая основа охраны природы. Классификация природных ресурсов.
- •8. Экология и здоровье человека.
- •9. Экология как элемент мировоззрения. Экология и политика.
- •10. Экология как теоретическая основа сельского хозяйства.
- •Среда и условия существования особей.
- •12. Классификация экологических факторов.
- •13. Закон толерантности Шелфорда.
- •14. Экологическая пластичность видов.
- •15. Взаимодействие экологических факторов. Закон минимума Либиха.
- •16. Правило Алехина.
- •17. Законы Коммонера.
- •18. Свет как экологический фактор.
- •19. Отношение животных и растений к свету.
- •20. Фотопериодизм.
- •21. Температура как экологический фактор.
- •22. Отношение растений и животных к температуре.
- •23. Правило Бергмана. Правило Аллена.
- •24. Влажность как экологический фактор.
- •25. Отношение растений и животных к влаге.
- •26. Эдафический фактор.
- •27. Физические и химические свойства почв и их экологическое значение.
- •28. Отношение растений и животных к почве.
- •29. Воздух как экологический фактор.
- •30. Биологические ритмы.
- •31. Термопериодизм.
- •32. Приспособленность организмов к неблагоприятным природным факторам.
- •33. Представление об экологической нише. Правило обязательного заполнения экологических ниш.
- •34. Понятие о популяциях.
- •35. Численность и плотность популяций.
- •36. Рождаемость и смертность популяций.
- •37. Скорость роста популяций.
- •39. Причины колебания численности популяций.
- •40. Этологическая структура популяций.
- •41. Экологическая структура популяций.
- •42. Эффект группы. Принцип Олли.
- •43. Полиморфизм популяций.
- •Типы взаимодействия между видами.
- •Конкуренция.
- •Аменсализм.
- •Комменсализм.
- •Паразитизм.
- •Протокооперация.
- •Мутуализм.
- •Хищничество.
- •Математические модели Лотки – Вольтерры. Принцип конкурентного исключения Гаузе.
- •Основные понятия синэкологии.
- •Видовое разнообразие биоценозов и факторы, его определяющие. Правило Дарлингтона.
- •Меры видового разнообразия.
- •Экотоны и понятие краевого эффекта.
- •Видовая структура биоценоза.
- •Понятие о консорциях.
- •Пространственная структура биоценозов.
- •Экологическая структура биоценозов.
- •Простые и сложные экосистемы.
- •Энергетика экосистем.
- •Цепи и циклы питания.
- •Экологическая пирамида.
- •Правило 10 %. Правило 1 %.
- •Биологическая продуктивность экосистем.
- •Сукцессии. Концепции климакса.
- •Стабильные и нестабильные экосистемы.
- •Энергетическая классификация экосистем.
- •Жизненные формы растений.
- •Жизненные формы животных.
- •Наземные экосистемы.
- •Тундра.
- •Хвойные леса.
- •Листопадные леса умеренной зоны.
- •Пустыни.
- •Саванны.
- •Чапараль.
- •Полувечнозеленый тропический лес.
- •Вечнозеленый тропический лес.
- •Лентические экосистемы.
- •Лотические экосистемы.
- •Заболоченные угодья.
- •Открытый океан.
- •Воды континентального шельфа.
- •Районы апвеллинга.
- •Эстуарии.
- •Понятие об ареале. Типы ареалов.
- •Космополиты. Эндемики. Реликты.
- •Химический состав биосферы.
- •Круговорот воды.
- •Круговорот углерода.
- •Круговорот кислорода.
- •Круговорот фосфора.
- •Круговорот азота.
- •Учение в. И. Вернадского о биосфере.
- •Роль живого вещества в биосфере.
- •Возникновение и состав биосферы.
- •Возникновение и развитие ноосферы.
- •Современные экологические проблемы Республики Беларусь.
- •Биоразнообразие Республики Беларусь.
Круговорот азота.
Круговорот азота. Особое место среди биогенных элементов занимает азот - важный строительный материал для белков, нуклеиновых кислот и других соединений. Азот распространен в биосфере крайне неравномерно. В больших количествах он содержится в биогенных ископаемых (уголь, нефть, битум, торф). Вследствие высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония содержащегося в почвах азота, как правило, недостаточно для нормального питания растений. В почве его содержится всего от 0,02 до 0,5%, и то лишь благодаря деятельности микроорганизмов некоторых растений и разложению органических веществ. В то же самое время миллионы тонн азота в атмосфере давят на поверхность Земли. Над каждым гектаром почвы, образно говоря, «висит» до 80 тыс. т этого элемента. Недаром азот называют инертным газом (от греч. - «безжизненный»). Почему же так получается? Дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном состоянии, т.е. в бездействии. Элементом жизни он становится только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного (хотя бы в простые оксиды) азота в воздухе нет.
Исключением является техногенное поступление азота в атмосферу. Это происходит в результате выбросов автомобильного транспорта, тепловых электростанций, котельных, промышленных предприятий. При сжигании ископаемого топлива (нефть, уголь, газ) происходит выброс в атмосферу оксидов азота (N20, N02), которые являются загрязнителями окружающей среды.
Несмотря на то что в атмосфере присутствует довольно большое количество азота, большинство организмов не может ассимилировать его. Буквально купаясь в азоте, растения не в состоянии извлечь его из воздуха. Азот практически не участвует в геохимических процессах и лишь накапливается в атмосфере.
Основными стадиями круговорота азота являются фиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация (рис. 2.5).
Денитрификация
Рис.
25.
Круговорот азота в биосфере
Корни бобовых растений вступают в симбиоз с живущими в почве клубеньковыми бактериями рода Rhizobium. Эти бактерии обладают удивительной способностью улавливать азот из воздуха и перерабатывать в нитрат аммония. В обмен на сахар и безопасный приют в корневых клубеньках бобовых бактерии обильно снабжают их готовыми растворимыми соединениями азота.
В таких симбиотических системах азот становится доступен растениям в виде иона аммония (NH+4). После отмирания растений и разложения клубеньков почва обогащается органическими и минеральными формами азота. Азотсодержащие органические вещества отмерших растений и животных, а также мочевина и мочевая кислота, выделяемая животными и грибами, расщепляются гнилостными бактериями до аммиа- ка.Такой процесс получил название аммонификации.
Нитрификация заключается в том, что часть аммиака может поглощаться в виде иона аммония NH^ непосредственно растениями, часть вымывается из почвы, а оставшийся аммиак окисляется специализированными нитрифицирующими бактериями до нитритов и нитратов, которые вновь используются растениями. Процесс нитрификации выражается следующей схемой:
NH4 ->NC>2 ->NC>3 .
Различные формы азотистых соединений почвы и водной среды могут восстанавливаться некоторыми бактериями до оксидов и молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией. Денитрификация происходит за несколько этапов:
NOi->N02-»N20-»N2 .
На каждом из этапов выделяется кислород, который необходим денитрифицирующим бактериям (например, из рода Pseudomonas), для дыхания при отсутствии в почве свободного кислорода.
Почвенные азотфиксирующие организмы оставались малоизученными вплоть до конца XIX в. Ученые даже опасались, что денитрифицирующие бактерии, как раз в то время открытые, постепенно исчерпают запас фиксированного азота в почве и снизят плодородие. В своей речи перед Королевским обществом в Лондоне У. Крукс набросал мрачную картину голода, который ожидает человечество в недалеком будущем, если не появятся искусственные способы фиксации азота. В то время главным источником селитры и для производства удобрений, и для выработки взрывчатых веществ были залежи в Чили. Именно потребность во взрывчатых веществах стала главным стимулом для химиков. В 1914 г. немецкие химики Ф. Габер и К. Бош предложили каталитический метод промышленной фиксации азота.
После того как круговорот азота был в общих чертах изучен, стала понятна роль бактерий-денитрификаторов. Без таких бактерий, возвращающих азот в атмосферу, большая часть атмосферного азота находилась бы сейчас в связанной форме в океане и в осадочных породах. В настоящее время в атмосфере, разумеется, недостаточно кислорода для перевода всего свободного азота в нитраты. Но вполне вероятно, что односторонний процесс в отсутствие денитрификаторов привел бы к подкислению воды в океане нитратами. Началось бы выделение диоксида углерода из карбонатных горных пород. Растения постоянно извлекали бы диоксид углерода из воздуха, углерод с течением времени откладывался бы в форме каменного угля или других углеводородов, а свободный кислород насыщал бы атмосферу и соединялся с азотом. Из-за многообразия и сложности всех этих процессов трудно сказать, как выглядел бы мир без реакции денитрификации, но наверняка это был бы непривычный для нас мир.
Таким образом, в ходе денитрификации связанный азот удаляется из почвы и воды, и в виде газообразного азота возвращается в атмосферу. Денитрификация замыкает цикл азота и препятствует накоплению его оксидов, которые в высоких концентрациях токсичны.
В прежние времена, когда не существовало массового производства искусственных удобрений и не выращивались на больших площадях азотфиксирующие бобовые культуры, количество азота, удаляемого из атмосферы в процессе естественной фиксации, видимо, вполне уравновешивалось его возвратом в атмосферу в результате деятельности организмов, превращающих органические нитраты в газообразный азот. Сейчас мы не уверены в том, что процессы денитрификации поспевают за процессами фиксации. Неизвестно, какие последствия повлечет за собой д лительный перевес фиксации над денитрификацией. Мы знаем, что чрезмерный вынос азотистых соединений в реки может вызвать «цветение» водорослей и в результате усиления их биологической активности вода может лишиться кислорода, что вызовет гибель рыбы и других нуждающихся в кислороде организмов. Самый известный пример этому - быстрая эвт- рофизация озера Эри, входящего в систему Великих озер США.