Биогехимические циклы в водных экосистемах

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Основные понятия о биогеохимических циклах

2. Химические элементы в природе - круговорот и миграция

3. Круговорот азота

4. Круговорот фосфора

5. Круговорот серы

6. Круговорот углерода

7. Круговорот кремния

8. Круговорот железа и марганца

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Между живым и косным компонентами экосистем происходит непрерывный обмен различными элементами, обуславливаемый взаимодействием биологических и геохимических процессов. Около 40 химических элементов, обнаруживаемых в живом веществе, в результате его деструкции попадают во внешнюю среду, в той или иной мере включаются в состав абиотического компонента экосистемы и вновь извлекаются в процессе биосинтеза. Из этих 40 элементов наибольшее значение в живом веществе имеют кислород, водород, углерод, азот, сера и фосфор, входящих в состав белков, жиров и углеводов. По сравнению с неживым компонентом живое вещество более карбоксилировано, гидрогенизировано и гидратировано.

Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана - приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость

Химические элементы циркулируют в биосфере по определённым путям - биогеохимическим циклам (круговоротам). В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.

В каждом круговороте различают резервный фонд - большую массу медленно циркулирующих веществ, в основном не связанных с организмами, и обменный фонд - меньшую, но более активную часть всей массы, для которой характерен быстрый обмен между организмами и средой. В зависимости от локализации резервного фонда выделяют круговорот газов и осадочный цикл. В первом случае резервных фонд локализован в атмосфере и водной толще, во втором - в донных осадках.

Из многих веществ, участвующих в биогеохимическом круговороте, наибольшее экологическое значение имеют те, которые, с одной стороны являются важнейшими компонентами живого вещества, а с другой - присутствуют в среде в количествах, лимитирующих интенсивность биосинтеза. Это азот, фосфор, сера, углерод. Знание биогеохимических циклов - необходимое условие управления экосистемами, особенно ели учесть, что соли азота и фосфора специально вносят во многие водоёмы для повышения эффективности их хозяйственного освоения.

Морская вода участвует во множестве химических и биохимических преобразований веществ, которые находятся в ней в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, в свободном состоянии и в различных соединениях. Гидросфера в целом служит средой и могучим транспортным средством в сложных изменениях и перемещениях химических элементов, происходящих в биосфере и литосфере.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом [1].

Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями.

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах её развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний день.

В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных элементов и веществ она не одинакова), но, тем не менее, не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция.

2. 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.

Огромные 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.

Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес).

Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана - приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость.

Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

Во всех природных водах в растворенном состоянии содержатся различные газы, главным образом азот, кислород и углекислый газ. Количество газов, которое способна растворить морская вода, зависит от ее солености, гидростатического давления, но главным образом от температуры. Чем больше соленость и чем выше температура, тем меньше газов может растворить морская вода, и наоборот.

Итак, мы видим, что морская вода участвует во множестве химических и биохимических преобразований веществ, которые находятся в ней в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, в свободном состоянии и в различных соединениях. Гидросфера в целом служит средой и могучим транспортным средством в сложных изменениях и перемещениях химических элементов, происходящих в биосфере и литосфере [2].

3. КРУГОВОРОТ АЗОТА

В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4*1015) тонн, а в океанах - около 20 триллионов (20*1012) тонн. Незначительная часть этого количества - около 100 миллионов тонн - ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных - все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

Из огромного запаса азота в атмосфере и осадочной оболочке литосферы в круговороте его участвует только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана [3].

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.

Азот 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. 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.

Некоторая часть азота с речным стоком поступает с суши в океан. Количество азота, ежегодно выносимое реками в океан (24 млн. т), почти в 100 раз меньше того количества, которое захватывается живым веществом на суше. Относительно круговорота азота в океане данных очень мало. На содержание элементарного азота в океанической воде влияют биохимические процессы: с одной стороны, процессы минерализации азотсодержащих органических веществ - планктона и других организмов, детрита до освобождения свободного N2, с другой стороны, обратный процесс фиксации элементарного азота, растворенного в воде, сине-зелеными водорослями, азотобактериями (рисунок 1).

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 [4].

Рисунок 1 - Круговорот азота

Антропогенное влияние на круговорот азота определяется следующими процессами:

1) сжигание топлива приводит к образованию оксида азота;

2) в результате воздействия некоторых бактерий на удобрения и отходы животноводства образуется закись азота - один из компонентов, создающих парниковый эффект;

3) добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат-ионы и ионы аммония, для производства минеральных удобрений;

4) при сборе урожая из почвы выносятся нитрат-ионы и ионы аммония;

5) стоки с полей, ферм и из канализаций увеличивают количество нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах, что ускоряет рост водорослей и других растений; при разложении последних расходуется кислород, что, в конечном счете, приводит к гибели рыб;

6) способствует выпадению кислотных дождей [5].

4. КРУГОВОРОТ ФОСФОРА

Фосфор - важнейший биогенный элемент, чаще всего лимитирующий развитие продуктивности водоемов. Поэтому поступление избытка соединений фосфора с водосбора с поверхностным стоком с полей, со стоками с ферм, с неочищенными бытовыми сточными водами, а также с некоторыми производственными отходами приводит к резкому неконтролируемому приросту растительной биомассы водного объекта (это особенно характерно для непроточных и малопроточных водоемов). Происходит так называемое изменение трофического статуса водоема, сопровождающееся перестройкой всего водного сообщества и ведущее к преобладанию гнилостных процессов (и, соответственно, возрастанию мутности, солености, концентрации бактерии).

Общий круговорот фосфора можно разделить на две части: водную и наземную. В экосистеме океана фосфор приносится текучими водами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка - морских птиц. Их экскременты снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море.

Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.

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 и гидроортофосфат-иона [6].

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием органических веществ. Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности.

Таким образом, фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно.

Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор - основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы.

Полагают даже, что фосфор - главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это - наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.

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 (рисунок 2).

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 [7].

Рисунок 2 - Круговорот фосфора

5 КРУГОВОРОТ СЕРЫ

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) и сульфаты (в частности, сульфат кальция). Образуется также самородная сера.

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.

Водорастворимые сульфаты выносятся с поверхности суши с речным стоком, поставляя сульфат-ионы в Мировой океан (рисунок 3).

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.

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 [8].

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 [9].

Рисунок 3 - Круговорот серы

6. КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА

Самый интенсивный биогеохимический цикл - круговорот углерода.

Углерод - основной элемент жизни. Он 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, карбонат иона и растворенного диоксида углерода. Основная масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом цикле круговорота. 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.

Самыми крупными резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше. Однако большая 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 [10].

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.

Между сушей и Мировым океаном постоянно идут процессы миграции углерода, в которых преобладает вынос его в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Из Мирового океана на сушу углерод поступает в незначительных количествах в форме , выделяемого в атмосферу. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет (рисунок 4).

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 [11].

Рисунок 4 - Круговорот углерода

7. КРУГОВОРОТ КРЕМНИЯ

Кремний является вторым по распространенности (после кислорода) химическим элементом в земной коре. Его кларки в земной коре - 29,5, в почве - 33, в океане - 5*. Однако, несмотря на огромную распространенность кремния и его соединений в природе (кварц и силикаты составляют 87% литосферы), биогеохимические циклы кремния (особенно на суше) изучены еще недостаточно.

Содержание кремнезема в водах современных озер и рек составляет 10-30 мг/л, а в морской воде еще меньше - 0,5-3 мг/л, то есть он присутствует в виде резко ненасыщенного раствора. Это связано с тем, что кремний непрерывно поглощается из воды живыми организмами.

В.И. Вернадский считал, что никакой организм в биосфере не может существовать без кремния, необходимого для образования клеток и тканей растений и животных, их скелетов. Живое вещество извлекает кремний из природных вод и почв для питания и функционирования биохимических процессов, высвобождая его затем с экскрементами и при отмирании. В результате отмирания миллиардов организмов огромные массы кремнезема откладываются на дне водоемов. Так формируется биогеохимический цикл кремния. В.И. Вернадский подчеркивал, что историю кремнезема нельзя понять без изучения результатов жизнедеятельности организмов [12].

М. Страхов доказал возможность исключительно биогенного извлечения Si из поверхностных вод. Однако, поступление растворенного кремнезема в океан с суши недостаточно для нормального развития фитопланктона. Именно поэтому в умеренных и тропических широтах в океане слабо развиты организмы с кремнистым скелетом. При существующей насыщенности воды кремнезёмом для нормального развития фитопланктона диатомовых водорослей каждый атом кремния должен в течение года использоваться многократно (десятки и даже сотни раз). Из всей массы кремнезема, продуцированного в поверхностном фотосинтезирующем слое, донных отложений достигает не более 0,1 части, а нередко это только 0,05 - 0,01 часть. Остальной кремнезём снова переходит в водорастворимое состояние. В дальнейшем, он захватывается из воды новыми поколениями диатомовых водорослей, кремнистых губок и радиолярий. Тем не менее, доходящая до дна 0,1 - 0,01 часть остатков скелетов диатомового планктона приводит к значительным по масштабам накоплениям осадочных кремнистых пород. Эта ветвь кругооборота кремния относительно статична и необратима и часть кремнезема именно таким путем выводится из биогеохимического круговорота.

Более динамичной ветвью кремния является его цикличность. Это тот кремний, который много раз за год переходит из организмов фитопланктона в окружающую среду и обратно. В этих переходах проявляется наиболее важная функция водного биогеохимического цикла кремния - функция массо- и энергопереноса вещества из поверхностных более глубоких зон Мирового океана.

Вторая особенность биогеохимического цикла кремния в Мировом океане - его неразрывная связь с углеродом.

Континентальная ветвь круговорота кремния сложна. Водная миграция кремнезема тесно связана с ландшафтно-геохимическими условиями: составом растительности, и литологией подстилающих отложений. Подвижность кремнезема резко возрастает с увеличением рН среды, особенно, в щелочном интервале. При рН=10-11 концентрация кремнезема может достигать 200 мг/л. Сильно увеличивает растворимость аморфного кремнезема и повышение температуры. Сульфаты, бикарбонаты и карбонаты магния и кальция резко снижают растворимость кремнезема и вызывают его осаждение. В условиях сильнокислой среды рН=1-2 растворимость кремнезема также сильно повышается. Некоторые растения являются концентраторами кремния.

Мощным механизмом, приводящим в движение этот круговорот, является растительный покров суши, в котором происходят разнообразные процессы образования содержащих кремний органогенных минералов (биолитов). Под биолитами в данном случае понимаются минералы, образующиеся внутри организма в процессе его жизнедеятельности. Их роль в круговороте кремния чрезвычайно велика, но изучена недостаточно. В основном, кремнезем инкрустирует клеточные оболочки. Больше всего биолитов кремнезема содержат злаки, осоки, хвощи, папоротники, мхи, пальмы, хвоя сосен, елей, листья и кора вяза, осины, дуба. В золе ковылей содержание кремнезема может достигать 80%. В стволах бамбука иногда обнаруживаются образования, сложенные опалом, достигавшие в длину 4 см и имевшие массу до 16 г.

Генезис почвенной кремнекислоты в некоторых условиях напрямую связан с накоплением этого элемента живыми организмами. Наиболее яркий пример - образование солодей, кремнекислота которых накапливалась благодаря деятельности диатомовых водорослей. В процессе жизнедеятельности сине-зеленых водорослей происходит «захват» железа, марганца и кремнезема с образованием биолитов. Соотношение процессов накопления и выноса кремнезема в условиях умеренной зоны сдвинуто в сторону накопления. Растительный покров суши, особенно хвойные леса, выступает как мощный механизм, перекачивающий массы кремнезема из горных пород, почв и природных вод, и возвращающий их снова в ландшафт в форме биолитов. В дальнейшем опал биолитов переходит в халцедон и даже во вторичный кварц. Значительная же часть кремнекислоты биолитов включается в активную миграцию в почвенно-грунтовых водах в форме коллоидных и истинных растворов.

В результате воздействия аэрозолей кремнезема на живые организмы (животные и человек) развивается серьезное заболевание - силикоз [13].

8. КРУГОВОРОТ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА

Железо - элемент, который в небольших количествах необходим всем организмам. На суше его обычно хватает, но в океане, особенно в центральных, удаленных от континентов областях, железа крайне мало. Дефицит этого элемента нередко ограничивает развитие фитопланктона - микроскопических планктонных водорослей, связывающих в процессе фотосинтеза углекислый газ. Считалось, что в те немногие места в центральных районах океана, где продуктивность фитопланктона достаточно высокая, железо попадает с пылью, приносимой ветрами с континентов. Однако недавно французские ученые совместно с коллегами из других стран показали, что пятна «цветения» (участки массового развития фитопланктона) в отдаленных областях океана могут полностью обеспечиваться железом, поступающим не сверху (с пылью из атмосферы), а снизу - из более глубоких слоев водной толщи. В частности, такой весьма обширный участок повышенной продуктивности находится над Кергеленским плато - в Южном океане, между Австралией и Африкой. Благодаря сравнительно небольшой глубине (600 м) железо здесь долго не выходит из биологического круговорота и многократно используется фитопланктоном, поддерживая высокую его продуктивность. Соответственно, здесь связывается и большое количество - по крайней мере, в 10, а может, и в 100 раз больше того, что предполагалось ранее. Не исключено, что в ледниковые периоды, когда уровень океана существенно понижался, увеличение продукции фитопланктона и соответствующее усиление связывания атмосферы происходило в значительной мере за счет интенсивного поступления железа снизу - из придонных областей, а не только сверху - за счет приносимой с суши пыли.

В поверхностных водах биогеохимический круговорот марганца и железа (металлов) представляет собой широкомасштабный процесс [14].

Марганец и железо являются постоянными компонентами природных пресных вод, и их содержание зачастую превышает уровни основных макроэлементов. Растворимые формы марганца и комплексорганические соединения железа, имеющиеся в поверхностных водах, устойчивы к химическому окислению растворённым кислородом. Круговорот железа и марганца в водоемах состоит в том, что их соединения поступают с водосборной площади в водоем, где они окисляются и осаждаются на дно, затем переходят в восстановленную растворимую форму и могут снова диффундировать в водную массу, что приводит к вторичному загрязнению.

Миграция железа и марганца в поверхностных водах в значительной степени зависит от активности микроорганизмов. Биологическая трансформация как марганца, так и железа может осуществляться в результате физико-химических процессов, а также при участии групп железо- и марганецвосстанавливающих и окисляющих микроорганизмов. Причём скорость биогенных процессов окисления железа и, особенно, марганца во много раз превышает химическое окисление.

В результате окислительной деятельности железобактерий, марганец и железо поступают в водоём со стоком или из восстановительного горизонта донных отложений, сравнительно быстро окисляются и концентрируются в донных отложениях, характеризующихся восстановительным режимом и высокой численностью марганец-, железо- и сульфатредукторов. Восстановленные за счет деятельности этих организмов соединения Mn и Fe фильтруются вместе с водой водохранилища в водозаборные скважины [15].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Химические элементы циркулируют в биосфере по определённым путям - биогеохимическим циклам (круговоротам).

В Мировой океан реками ежегодно выносится около 10 миллионов тонн азота в ионной форме и примерно 20 миллионов тонн в виде органических соединений. Поскольку в осадочные породы азота уходит мало, можно считать, что в ходе естественных процессов денитрификация в Мировом океане уравновешивает фиксацию азота и его вынос в сушу. В связи с применением удобрений резко возросло его количество, поступающее в водоёмы, ухудшая качество воды.

Фосфор - важнейший биогенный элемент, чаще всего лимитирующий развитие продуктивности водоемов. Поэтому поступление избытка соединений фосфора с водосбора с поверхностным стоком с полей, со стоками с ферм, с неочищенными бытовыми сточными водами, а также с некоторыми производственными отходами приводит к резкому неконтролируемому приросту растительной биомассы водного объекта (это особенно характерно для непроточных и малопроточных водоемов). 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.

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. 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.

Углерод - основной элемент жизни. Он 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, карбонат иона и растворенного диоксида углерода. Основная масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом цикле круговорота. 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.

Кремний является вторым по распространенности (после кислорода) химическим элементом в земной коре. Его кларки в земной коре - 29,5, в почве - 33, в океане - 5х. Однако, несмотря на огромную распространенность кремния и его соединений в природе (кварц и силикаты составляют 87% литосферы), биогеохимические циклы кремния (особенно на суше) изучены еще недостаточно.

Марганец и железо являются постоянными компонентами природных пресных вод, и их содержание зачастую превышает уровни основных макроэлементов.

Морская вода участвует во множестве химических и биохимических преобразований веществ, которые находятся в ней в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, в свободном состоянии и в различных соединениях. Гидросфера в целом служит средой и могучим транспортным средством в сложных изменениях и перемещениях химических элементов, происходящих в биосфере и литосфере.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

биогеохимический цикл круговорот элемент природа

1 Майлз, Л. География. Энциклопедия / Л. Майлз, К. Варли. - М.: РОСМЕН, 1995. - 50 с.

2 Винокуров, Н. Ф. Методическое пособие по курсу природопользование / Н. Ф. Винокуров, Г. С. Камерилова. - М.: Просвещение, 1996. - 205 с.

3 Варламов, В. С. Общий обзор / В. С. Валамов, М. Ф. Грин. - М.: Мысль, 1992. - 178с.

4 Шилов, Ю. М. Общая химия / Ю. М. Шилов, Ю. И. Смушкевич. - М.: РОСМЕН, 1983. - 87 с.

5 Алексеенко, В. А. Экологическая геохимия / В. А. Алексеенко. - М.: Логос, 2000. - 326 с.

6 Анруз, Дж. Введение в химию окружающей среды / Дж. Андруз, П. Лисс. - М.: Мир, 1999. - 56 с.

7 Болбас, М. М. Основы промышленной экологии / М. М. Болбас. - М.: высшая школа, 1993. - 67 с.

8 Владимиров, А. М. Охрана окружающей среды / А. М. Владимиров. - Санкт-Петербург: Гидрометеоизательство, 1991. - 289 с.

9 Ливчак, И. Ф. Охрана окружающей среды / И. Ф. Ливчак. - М.: Наука, 2000. - 177 с.

10 Алекин, О. А. Химия океана / О. А. Алекин. - Л.: 1966. - 349 с.

11 Зенкевич, Л. А. Биология морей СССР / Л. А. Зенкевич. - М.: 1963. 56 с.

12 Одум, Ю. Основы экологии / Ю. Одум. - М.: 1975. - 311 с.

13 Пианка, Э. Эволюционная экология / Э. Пианка. - М.: 1981. - 67 с.

14 Зенкевич, Л. А. Фауну и биологическая продуктивность моря / Л. А. Зенкевич. - М.: 1951. - 134 с.

15 Зенкевич, Л. А. Моря СССР, их фауна и флора / Л. А. Зенкевич. - М.: 1956. - 343 с.

Размещено на Allbest.ru