Круговорот биогенных элементов природе

2.3.4. Круговорот биогенных веществ

Главным источником биогенных элементов служит почва, которая получает их в процессе разрушения материнских пород. Катионы абсорбируются корнями, распределяются различными органами растений, накапливаются в листьях, входят в корм растительноядных животных с последующим поступлением в цепь питания. Минерализация погибших организмов возвращает биогенные элементы в почву, создается впечатление, что цикл способен продолжаться беспрерывно.

Известно, что основную массу тела живых организмов составляют: азот, водород, углерод, кислород, фосфор, сера, калий, кальций, магний, натрий. Массовая доля каждого из этих элементов, например в организме человека, может составлять от нескольких килограмм (фосфор, кальций, углерод и др.), до нескольких сот граммов (сера, калий и др.). В связи с тем, что эти элементы входят в состав живых организмов в больших количествах их называют макроэлементами.

2.4.1. Характеристика и химические свойства атмосферы

Верхняя граница биосферы — слой озона в атмосфере, расположенный в среднем на высоте 20 км от поверхности Земли. Нижняя граница биосферы проходит на глубине 3-3,5 км ниже поверхности земной коры.

Атмосфера – газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Ее масса составляет около 5,9·10 15 тонн. Области минимума и максимума температур — паузы, а промежуточные области – сферы.

Тропосфера – нижний наиболее плотный слой атмосферы. Протяженность ее по высоте в средних широтах составляет 10 – 12 км над уровнем моря, на полюсах 7-10км, над экватором 16-18 км. Температура в тропосфере по высоте уменьшается на 0,6°С на каждые 100 м и колеблется от +40°С до -50°С.

Стратосфера – простирается до высоты 40 км. Здесь содержится около 19% всей массы атмосферы.

Мезосфера – простирается на высоте примерно 60-80 км. Происходит понижение Т примерно до -180°С.

Термосфера – простирается на высоте примерно 90-150 км. Происходит повышение Т, и на высоте около 150 км она достигает 240°С.

Экзосфера – температура продолжает расти и на высоте 500-600 км составляет 1500°С. Экзосфера далее переходит в межпланетную среду.

Гелиевая корона Земли простирается примерно до 1600 км, а выше 2000 – 3000 км преобладает водород.

Фотохимическими называются все реакции, в которых энергия, необходимая для их протекания или возбуждения, вводится в реакционную среду в форме электромагнитных колебаний – видимого света, ультрафиолетовых лучей или, реже, инфракрасных лучей.

Под действием ультрафиолетового излучения могут происходить реакции ионизации, диссоциации, переноса заряда, рекомбинации, обменные реакции и реакции аллотропического видоизменения.

1. Реакции ионизации:В процессе реакций ионизации при поглощении кванта УФ излучения происходит только ионизация молекулы, а связь между атомами молекулы не разрывается.

1. Реакции рекомбинации:Если молекулярный ион сталкивается с электроном, то наиболее вероятна рекомбинация иона с электроном, сопровождающаяся диссоциацией иона. Такие реакции называются реакциями диссоциативной рекомбинации. Атомарный азот в верхних слоях атмосферы образуется исключительно в результате такой реакции.
2. Обменные реакции:Обменные реакции протекают в атмосфере достаточно легко и результатом этих реакций, чаще всего, является образование молекулярного иона окиси азота (NO + ). Поскольку энергия ионизации иона окиси азота (NO + ) одна их самых низких из всех частиц находящихся в верхних слоях атмосферы, ионы окиси азота практически не могут ничем нейтрализоваться, поэтому этот ион является многочисленным в ионосфере.
3. Реакции ассоциации (аллотропического видоизменения):Реакции аллотропического видоизменения являются реакциями, в результате которых из одного и того же химического элемента образуется несколько простых веществ, способных к длительному существованию. Подобно обычному кислороду озон является простым веществом.

• гидрокарбонатные и карбонатные;
• сульфатные воды;
• хлоридные воды.

• рассолы (соленость > 50‰);
• морские воды (соленость 25 — 30‰);
• солоноватые воды (соленость 1 — 25‰);
• пресные воды (соленость до 1‰).

• гравитационная вода, способная свободно просачиваться вниз сквозь почву, что ведет к выщелачиванию, то есть вымыванию из почвы различных минеральных веществ;
• гигроскопическая вода, адсорбирующаяся вокруг отдельных коллоидных частиц за счет водородных связей и являющаяся наименее доступной для корней растений. Наибольшее содержание ее в глинистых почвах;
• капиллярная вода, удерживаемая вокруг почвенных частиц силами поверхностного натяжения и способная подниматься по узким порам и канальцам от уровня грунтовых вод и являющаяся основным источником воды для растений (в отличие от гигроскопической она легко испаряется).

• по их использованию– на производственные (сельскохозяйственные и промышленные), здравоохранительные (рекреационные), эстетические, научные и др.;
• по принадлежности к тем или иным компонентам природы – на земельные, водные, минеральные, животного или растительного мира и др.;
• по заменимости– на заменимые (например, топливно-минеральные энергетические ресурсы можно заменить ветровой, солнечной энергией) и незаменимые (кислород воздуха, пресная вода );
• по исчерпаемости – на исчерпаемые и неисчерпаемые.

Источник

3.2. Круговорот основных биогенных элементов

В пределах биосферы практически каждый химический элемент проходит через цепочку живых организмов, включается в систему биогеохимических превращений. Так, весь кислород планеты — продукт фотосинтеза – обновляется через каждые 2000 лет, а весь углекислый газ – за 6,3 года. Процесс полной смены вод на Земле (в гидросфере) осуществляется за 2800 лет. Обновление живого вещества биосферы происходит в среднем за 8 лет, при этом фитомассы суши (биомассы наземных растений) – 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон) – 33 дня.

Для синтеза живого вещества необходимо примерно 40 элементов. Наиболее жизненно важными считаются вещества, из которых состоят белковые молекулы – углерод, азот, кислород, фосфор и сера. Другие элементы требуются в меньших количествах, но они также необходимы. Это кальций, железо, калий, магний и др. Все элементы попеременно переходят из живой материи в материю косную (неживую), участвуя в сложных биогеохимических циклах. Последние можно разделить на две группы: круговорот газов, в котором главным резервуаром элементов служит атмосфера (круговорот углерода, азота, кислорода и воды), круговорот осадочный, элементы которого в твердом состоянии находятся в составе осадочных пород (круговорот фосфора, железа, серы). Циклы элементов существенно отличаются от простого физического преобразования энергии, которая, в конце концов, выделяется в виде тепла и никогда потом не используется снова.

3.2.1. Круговорот углерода

Углерод (С) встречается на нашей планете в разнообразных соединениях, начиная с нахождения в виде чистого углерода (уголь, графит и т.д.), вплоть до высокомолекулярных органических соединений. Основой биогенного круговорота этого элемента является неорганическое соединение – диоксид углерода (углекислый газ СО₂), образующееся при разложении угольной кислоты (рис. 3.2).

Единственным источником углерода, используемого растениями для синтеза органических веществ, служит углекислота, входящая в состав атмосферы или находящаяся в растворенном состоянии в воде.

В результате фотосинтеза из диоксида углерода и воды образуются углеводы, и высвобождается кислород, поступающий в атмосферу. Часть образовавшихся углеводов используется самим фотосинтезирующем организмом (зеленым растением) для получения энергии, идущей на рост и развитие, а часть потребляется животными при применении фотосинтетиков в пищу. При этом диоксид углерода уходит в окружающую среду через корни, листья, а также выделяется животными в процессе дыхания. Мертвые животные и растения постепенно разлагаются микроорганизмами почвы, углерод их тканей окисляется снова до углекислоты и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит в океане.

Благодаря фотосинтезу в атмосфере накопилось достаточное количество для процветания белковой жизни свободного кислорода. Фотосинтезирующие зеленые растения и карбонатная система моря эффективно удаляют избыток СО₂ из атмосферы, который может привести к перегреву планеты. Однако возросшее потребление ископаемого топлива, газовые выбросы промышленности, а также снижение поглотительной способности зеленых растений в связи со значительным сокращением лесов и влияние химических загрязнителей на сам процесс фотосинтеза начинают заметно изменять атмосферный фонд круговорота углерода. Продолжительность круговорота углерода равна ~ 300…1000 лет. В настоящее время содержание углекислого газа не уменьшается, т.к. его запасы постоянно пополняются за счет дыхания, брожения и сгорания. Существует реальная опасность того, что в результате развития промышленного производства и нарушения равновесного состояния биосферы содержание СО₂ в атмосфере может вырасти, что приведет к увеличению парникового эффекта и глобальному изменению климата.

Источник