Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лабо. раб. 5 семинар энергия.doc
Скачиваний:
10
Добавлен:
16.11.2018
Размер:
231.94 Кб
Скачать

4.Круговорот веществ природе.

Под круговоротом веществ понимают взаимный обмен вешествами между различными природными телами. Различают два круговорота: малый, или биологический, и большой, или геологический.

Под большим, или геологическим, круговоротом попимают обмен веществом и энергией между сушсй н океаном. В силу того, что континенты располагаются ныше океанов, океанические воды, вьпавшие над сушей в виде осадков, стекают в океаны, Однако вода не просто переднигается по поверхности Земли, но и совершает при этом большую работу: участвует в выветривапии горных пород, преврашении одних минералов в другие, растворяет в себе различные минералы, переносит растворенные вещества и взвешенные частицы в океан, Таким образом, на суше происходят процессы разрушения и выноса вещества н энергии, и континенты представляют собой элювиальные (остаточные) суперсистемы, а в океанах, напротив, вещество накопляется. Взвешенные частицы песка, глины довольно быстро осаждаются, Растворенные в воде карбонаты, хлориды, сульфаты испытывают ряд химических .превращений и тоже выпадают в осадок, Океан является аккумулятивной суперсистемой. Если бы не было вертикальных и горнэонтальных движений земной коры, то суша давным-давно оказалась размытой, сравнялась с океанским дном и круговорот веществ прекратился. Этого не происходит, потому что земная кора находится в движении. Одни участки ее опускаются и заливаются морем, а другие, бывшие под водой, поднимаются, и на месте морского дна образуются горы, Вследствие этого вещества, которые были на морском дне, оказываются на суше, а вещества, слагающие поверхность континентов, на морском дне. Через некоторый промежуток времени, исчисляющийся десятками и сотнями тысяч лет, движения становятся обратными по энаку и цикл завершается. Вещества, оказавшисся в море, могут попасть на сушу не только вследсгвие поднятия морского дня, а также эоловым и гидрогенным путем. В геологическом круговороте участвуют все элементы земной коры, из них наибольшее значение имеют кислород, кремний, алюминий, водород, натрий, железо, кальций, магний и калий. Отличия от биологического заключаются в том, что он осущесвляется на больших территориях (материка), причиной является круговорот воду между океаном и сушей (для билогичского причина в размном характере питания продуцентов и консументов), в нем участвуют все элементы земной коры, в биологическом - только биогенные элементы, продолжительность круговорота равна десяткам и сотням тысяч лет, циклы элементов в биологическом кратковременные – год, несколько лет, десятки и сотни лет. Так, весь углерод, содержащийся в углекислом газе совершает полный круговорот за 300 лет, атмосферный кислород – за 2 000 лет, водород воды за 2 000 000 лет.

Малым или биологическим называется обмен атомами между живыми организмами (растенисми, животными и микроорганизмами) и косными компонентами экосферы (атмосферой, почвой и горной породой). Атомы биогенных элементов вовлекаются в тела организмов, вступают в них в различные химические реакции, затем выделяются во внешнюю среду и через некоторое время снова вовлекаются в этот круговорот. К важнейшим биогенным элементам относятся С, Н, О, N, Р, S. А также К, Ca, Мg, Fe, Сu, Мn, Zn, Мо, Сl, Вr, I. В основе круговоротв веществ лежит количественная ограниченность атомов. Скорости круговоротов биогенных элементов различны. Циркуляция химических элементов называется биогеохимическими циклами, где различают: резервный фонд – большая, медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент, обменный фонд (подвижный) – для которого характерен быстрый обмен между организмами и их окружением. Биогеохимические циклы делятся на два основных типа6 1.круговорот газообразных вещест с резервным фондом в атмосфере или гидросфере и 2. осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Круговорот углерода. Начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Из углекислого газа и воды образуются органические вещества (углеводы), которые используются растениями, животными и при дыхании выделяется в атмосферу в виде углекислого газа, мертвые организмы разлагаются в почве и углерод их тканей окисляется до диоксида углерода и возвращается в атмосферу. Главным резервуаром связанного углерода являются леса, они содержат 2/3 его запаса в атмосфере.

В океанах круговорот осуществляется аналогично. Океан поглощает избыток углекислого газа. При неполном разложении организмовиз-за отсутствия воздуха, конечным продуктом был углерод или углеводороды (которые образовали залежи нефтеносных сланцев, каменного угля, нефти.). Углерод может выбывать из круговорота, осаждаясь из водных растворов в виде СаСО3 , который оказавшись на суше может растворяться дождевыми водами.

Круговорот фосфора и серы. Типичный осадочный биогеохимический цикл. Фосфор и некоторые другие минеральные элементы не образуют летучих соединений. Поэтому их соединения не могут возвратиься из гидросферы через атмосферу в литосферу. Существует лишь односторонний поток этих элементов из литосферы через биоту в литосферу и затем в гидросферу. Из гидросферы соединения этих элементов могут возвратиться в литосферу в случае подъема морского дна, что и происходит при горообразовании. Поэтому на Земле возможен дефицит фосфора. Круговорот фосфора делится на водный и наземный. Из воды фосфор усваивается фитопланктоном. Затем передается по пищевым цепям морским птицам и в виде экскрементов (гуано), которые снова попадают в море. Из отмирающих морских животных фосфор попадает в осадочные породы. В наземных экосистемах фосфор усваивается растениями и возвращается после их отмирания. Но при водной эрозии может вымываться из почвы в моря.. Это приводит к истощению фосфора.

В отличии от фосфора сера имеет резервный фонд в и в атмосфере. В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. При разложении организмов в морях могут образовываться залежи самородной серы. Ключевая роль сера заключается в его способности соединяясь, например с фосфором, переводить его в растворимую форму. В наземных экосистемах в одних случаях микроорганизмы восстановливают серу до сероводорода, в других случаях сера окисляется до сульфатов, которые растворяясь поглощаются растениями. Сера входит в состав молекулы белка, обеспечивая трехмерную структуру. Бактерии, фиксирующие серу живут в морских илах, они – облигатные анаэробы и используют сульфаты в качестве окислителя в процессе анаэробного дыхания, восстанавливая их до сероводорода. В атмосфере или в почве он окисляяется до диоксида серы. Растворяясь в воде образует серную кислоту и сульфаты, которые поступают в растения.

Круговорот азота. Азот входит в состав белков, аминокислот, нуклеиновых кислот АТФ и других органических соединений. Запасы в атмосфере неисчерпаемы. Микроорганизмы переводят органические соедеинения содержащие азот, в его аммонийную, нитратную и нитритную формы. В атмосферу азот возвращается с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота велика, при исчезновении лишь 12 видов, возможно прекращение круговорота азота. Растения приспособились к питанию минеральным азотом, животные – органическим. Есть микроорганизмы, которые могут усваивать атмосферный азот и переводить его в почву - это азотфиксирующие бактерии, как свободноживующие, так и симбиотические (клубеньковые), развивающиеся на корнях бобовых растений. Азот, при грозовых разрядах, переходит в атомарную форму и окисляясь дает окислы азота, которые растворяясь в воде попадают в почву, создавая запасы нитратного азота. Нитратный азот под действием денитрифицирующих бактерий превращается в молекулярный и поступает в атмосферу. Аммиачный запас азота в почве образуется в процессе разложения органического, содержащегося в прижизненных выделениях организмов и в их трупах.

Денитрификация — сумма микробиологических процессов восстановления нитратов до нитритов и далее до газообразных оксидов и молекулярного азота. В результате их азот возвращается в атмосферу и становится недоступным большинству организмов. Осуществляется только прокариотами (причём как бактериям, так и археями) в анаэробных условиях и связана с получением ими энергии.

Процесс протекает постадийно:

Денитрификация, протекающая в основном в почве, дает до 70-80 % выбросов N2O (оксид азота, парниковый газ) в атмосферу.

Азотфиксация — фиксация молекулярного атмосферного азота, диазотрофия. Процесс восстановления молекулы азота и включения её в состав своей биомассы прокариотными микроорганизмами. Важнейший источник азота в биологическом круговороте. В наземных экосистемах азотфиксаторы локализуются в основном в почве.

Различают три типа азотфиксации:

  • Свободноживущими бактериями самых разнообразных таксономических групп.

  • Ассоциативная азотфиксация бактериями, находящимися в тесной связи с растениями (в прикорневой зоне или на поверхности листьев) и использующие их выделения (корневые выделения составляют до 30 % продукции фотосинтеза) как источник органического вещества. Азотфиксаторы живут в кишечнике многих животных (жвачные, грызуны, термиты) и человека (род Escherichia).

  • Симбиотическая. Наиболее известен симбиоз клубеньковых бактерий (сем. Rhizobiaceae) с бобовыми растениями. Обычно происходит корневое заражение, но известны растения, образующие клубеньки на стеблях и листьях.

Созданы бактериальные удобрения (например, нитрагин) для инокуляции (заражения) штаммами клубеньковых бактерий семян бобовых культур, что увеличивает их урожайность. Также для стимулирования процессов азотфиксации полезно вносить в почву небольшие «стартовые» дозы азотных удобрений, в то время как большие их дозы подавляют процесс.

Нитрификация — микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой кислоты или её самой далее до азотной кислоты, что связано либо с получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация), либо с защитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении пероксида водорода (гетеротрофная нитрификация).

Протекает в аэробных условиях в почве а также природных водах. Часто может вызывать появление в них нитратов в токсичном количестве, а поскольку нитраты — наиболее активно мигрирующее в растворе соединение азота — происходит их вынос из почвы в расположенные ниже по склону водоемы, что влечет за собой уменьшение коэффициента использования азотных удобрений и эвтрофикацию данных водоемов. Морфологически эти группы нитрозных и нитритных бактерий разнообразны Оптимальная для их развития температура 25—30 °C и pH 7,5—8,0. В кислой среде процесс не идет. Все эти бактерии используют энергию окисления соединений азота для синтеза органических веществ из углекислого газа.

Нитрификация проходит в две стадии, которые осуществляются разными микроорганизмами.

Первая стадия — окисление аммиака до нитрит-аниона, которое осуществляют нитрозные бактерии по следующему механизму:

  1. NH3 + O2 + НАДH2 → NH2OH + H2O + НАД+

  2. NH2OH + H2O → HNO2 + 4H+ + 4e

  3. 1/2O2 + 2H+ + 2e → H2O

Предполагается, что на первом этапе субстратом является именно аммиак, а не аммоний, поэтому процесс не идёт в кислой среде.

Вторая стадия — окисление аниона азотистой кислоты до аниона азотной, производимое нитратными бактериями. Процесс протекает в одну реакцию:

NO2 + H2O → NO3 + 2H+ + 2e

Аммонификация - процесс разложения азотсодержащих органических соединений (белков, аминокислот), в результате их ферментативного гидролиза под действием аммонифицирующих микроорганизмов (аммонификаторами: гнилостные бактерии, грибы и др) с образованием токсичных для человека конечных продуктов — аммиака, сероводорода, а также первичных и вторичных аминов при неполной минерализации продуктов разложения т (например путресцин и кадаверин).

Аммонифицирующие микроорганизмы (иначе гнилостные микроорганизмы, гнилостная микрофлора) широко распространены в почве, воздухе, воде, животных и растительных организмах. Умеренное, контролируемое иммунитетом организма бактериальное гниение белков также является необходимой частью пищеварения и происходит в толстом кишечнике человека и животных. Их активаторами являются Proteus, Escherichia, Morganella, Klebsiella, Pseudomonas. По мнению И.И.Мечникова, постоянно образующиеся в кишечнике продукты гниения (скатол, индол и др.), вызывают хроническую интоксикацию и являются одной из причин преждевременного старения. Чрезмерно интенсивное гниение в толстом кишечнике является причиной гнилостной диспепсии, диареи и дисбактериоза толстого кишечника.

В начале белки расщепляются до всё ещё крупных полипептидов, затем образовавшиеся полипептиды расщепляются до олигопептидов, которые в свою очередь расщепляются до дипептидов и свободных аминокислот и в дальнейшем до первичных аминов.

  • H2N-(CH2)4-CHNH2-COOH (лизин) → H2N-(CH2)4-CH2NH2 (кадаверин) + CO2

Биогеохимические круговороты легко нарушаются человеком.

Цветков

Экология, автор Коробкин и Передельский стр.33-34, 123-134, 164-168, 250-255.

17