Тема: «Колообіг речовин у біосфері»

План: 1. Колообіг речовин. 2. Циркуляція води. 3. Колообіг вуглецю та баланс CO₂.4. Колообіг кисню. 5. Колообіг азоту. 6. Колообіг фосфору та сірки. 7. Перетворення енергії.

Мета. Розкрити основні біогеохімічні кругообіги в біосфері та показати їх зміни, що відбуваються під впливом людської діяльності.

Головна функція біосфери полягає в забезпеченні кругообігів хімічних елементів. Глобальний біотичний кругообіг здійснюється за участю всіх організмів, що населяють планету. Він полягає в циркуляції речовин між ґрунтом, атмосферою, гідросферою і живими організмами.

Завдяки біотичному кругообігу можливе тривале існування й розвиток життя при обмеженому запасі доступних хімічних елементів. Використовуючи неорганічні речовини, зелені рослини за рахунок енергії Сонця створюють органічну речовину, яка іншими живими істотами (гетеротрофами-споживачами та деструкторами) руйнується, з тим щоб продукти цього руйнування могли бути використані рослинами для нових органічних синтезів (рис. 1).

 

1. Колообіг речовин. Взаємодія компонентів екосистеми між собою здійснюється шляхом обміну енергії та речовин. Елементами колообігу речовин є процеси послідовного перетворення, розкладення та деструкції синтезованих раніше сполук під впливом абіогенних або біогенних впливів довкілля; постійне або періодичне утворення найпростіших мінеральних і органо-мінеральних компонентів.

В природі протікають абіогенні і біологічні цикли. Не порушені вони носять майже замкнутий характер. Ступінь їх відтворення, яке повторюється, дуже завелика – 90 – 98%. Завдяки цьому підтримується відома постійність концентрації та кількості компонентів, привнесених в колообіг. Однак неповна замкнутість колообігів призводить до міграції і диференціації елементів та сполук у просторі, у різноманітних середовищах та компонентах біосфери, концентрації або розпорошенню тих або інших елементів. Населення Землі у 1950 р. – 2,5 млрд., у 1986 – 4,9 млрд. чол. Його зростання та посилення діяльності сприяє змінам колообігів головних біофільних елементів.

2. Циркуляція води. Важлива роль у глобальному кругообігу речовин належить циркуляції води між океаном, атмосферою та верхніми шарами літосфери.

Вода випаровується і повітряними течіями переноситься на багато кілометрів. Випадаючи на поверхню суші у вигляді опадів, вона сприяє руйнуванню гірських порід, роблячи їх доступними для рослин і мікроорганізмів, розмиває верхній ґрунтовий шар і проникає разом із розчиненими в ньому хімічними сполуками та зваженими органічними частинками в океани та моря

3. Колообіг вуглецю та баланс CO₂. Головне сучасне джерело антропогенного поповнення СО² – спалювання палива. Подвоєння за 15 років. За рік утворюється 15-20 × 10⁹ т, що, що у 100-200 разів перевищує природні надходження (від дихання, гниття і інше). Основний споживач двооксиду вуглецю – рослини під час фотосинтезу (раніше вважали, що головний поглинач – фітопланктон, зараз – наземна рослинність). Дотепер маса Землі зменшилася на 25% внаслідок спалювання каустобіолітів та розорювання грунтів.

4. Колообіг кисню. В доісторичний час він йшов трьома шляхами: Гниття, дихання, і утворення карбонатів. Нові споживачі вільного О₂ – ТЕЦ, металургійна, хімічна виробництво – корозія металів. На останні цілі витрачається – 10-20×10⁹ – О₂. Це 10-16% від його біогенного утворення. Наприклад: при спалюванні 1 т вугілля споживається річна норма 10 чоловік, щорічно ця величина зростає на 6%. Інші споживачі: реактивні літаки та інше. Натомість зараз відбувається значне скорочення площі лісів (Амазонія, Індонезія, Мадагаскар, Україна), відновлення яких є нагальною потребою людства.

Створення зрошувальних земель на площі 600-700 млн. / га при врожаях зернових 50 ц / га дозволило б зв’язати - 20-30×10⁹ т. СО₂, та виробити 15×20×10⁹ т. О_2. Це дало б можливість забезпечити кожного з мешканців планети 500 кг харчових зернопродуктів за чисельності – 6 млрд. мешканцям.

5. Колообіг азоту. Господарська діяльність дуже впливає на цей процес. Промислова фіксація азоту вважається однією з найбільш сильних форм втручання людини в природний колообіг. Головне джерело добавок до природного колообігу – сільськогосподарські добрива (аміачна вода, аміачна селітра). Світова промисловість виробляє ~ 32 млн / т фіксованого азоту на рік.

Добрива відновлюють дефіцит азоту у грунті, зумовлений розривом між потребою сільськогосподарських культур та можливістю мобілізації з цього хімічного елементу грунту. Найбільш сильно виснажують грунт технічні культури (цукровий буряк, масличні – до 200 кгN-1 га /рік); далі йдуть зернові, картопля. Важливість добрив значна, але на долю мінерального азоту ~ 1% від його загальної кількості. Загальний вміст N у грунті – 1,1×10^9 т і залежить від вмісту гумусу, який ми втрачаємо в результаті надмірного використання грунту у землеробстві та випалювання стерні.

Його концентрація коливається у значних межах – від 0,5% від ваги грунту (чорнозем), до 0,03% – піщані грунти. В економічно розвинутих країнах (Голландія, Японія) за рахунок добрив їх високі дози практично повністю покривають виніс азоту з врожаєм. Це характерно для маленьких країн з великою кількістю населення, які використовують у великій кількості, як мінеральні, так і органічні речовини. У великих країнах існує значний дефіцит N, тому що виробництво сполук азоту відносно дороге і не завжди окупається високими врожаями. Тому його вносять під найбільш цінні культури.

Наслідки.

§ 30-40% мінерального азоту, що вноситься людиною, залишається у грунті.

§ Виникає нітрифікація, що супроводжується високими концентраціями в харчових продуктах.

§ При певних умовах (під впливом бактерій) нітрати перетворюються в токсичні нітрити, які з гемоглобіном утворюють метгемоглобін, порушуючи збагачення крові киснем.

§ Нешкідливий оксид азоту в атмосфері окислюється озоном до двооксиду N₂ – який токсичний (азотнокислі дощі, фотохімічні реакції тощо).

6. Колообіг фосфору та сірки. Фосфор належить до головних органогенних елементів, який живі організми вживають у значнй кількості (приблизно 0.1 необхідної кількості азоту). Він входить до складу нуклеїнових кислот, білків, клітинних мембран, кісткової тканини і дентину, є основою біоенергетичних процесів. У наземних біогеоценозах відбувається активний кругообіг фосфору в системі ґрунт → рослина → тварина → ґрунт. Рослини асимілюють фосфор у вигляді фосфат-іона (РО43-) безпосередньо із ґрунту і води. Утворені лишки органічного фосфору, одержаного з їжею, виносяться з організму із сечовиною у вигляді фосфатів. Одночасно деякі групи бактерій перетворюють наявний у детриті фосфор у фосфат. Як бачимо, в кругообігу фосфору в біогеоценозі беруть участь лише ґрунт і вода. У зв'язку з тим що мінеральні сполуки фосфору розчиняються дуже швидко, а тому майже недоступні рослинам, останні використовують легкодоступні форми фосфору, які утворюються із органічних решток рослин і тварин. На доступність фосфору для рослин впливає чимало факторів середовища. Наприклад, у лужному середовищі фосфат-іони легко з'єднуються з натрієм або кальцієм, утворюючи нерозчинні сполуки. У кислому ж середовищі фосфат перетворюється в добре розчинну фосфорну кислоту.

Резервуаром фосфору є поклади його сполук у гірських породах. Унаслідок вимивання він потрапляє в річкові системи й частково використовується рослинами, а частково несеться в море, де осідає в глибоководних відкладеннях. Крім того, в світі щорічно видобувається від 1 до 2 млн. т. фосфоровмісних порід. Велика частина цього фосфору також, вимивається та включається до кругообігу. Завдяки лову риби частина фосфору повертається на сушу в невеликих розмірах (близько 60 тис. т. елементарного фосфору на рік).

При проміжних рівнях кислотності фосфат-іон утворює сполуки, які відрізняються проміжною розчинністю, як це наведено нижче. У сільськогосподарській практиці надто кислі ґрунти нейтралізують додаючи вапно (СаСО3), щоб підвищити доступність фосфору для рослин. У процесі розкладання трупів тварин, які при житті асимілювали рослинний фосфор бактеріями, фосфати повертаються в ґрунт і знову використовуються рослинами.

Моделі кругообігу сірки свідчать, що близько 50% її з'являється в атмосфері за рахунок біологічних перетворень наземними і водними екосистемами. Вважається, що внаслідок мікробіологічних процесів сірка вивітрюється у вигляді сірководню. Відомо, що мікроорганізми продукують сірководень в основному двома шляхами: відновленням сульфатів і розкладом органічної речовини. Desulfovibrio і близькі їй бактерії часто заселяють болота та погано дреновані землі. Вони й використовують сульфати як кінцевий приймач електронів. Друга група мікроорганізмів надзвичайно численна і різноманітна (аероби, анаероби, термофіли, психрофіти, актиноміцети, бактерії), які розкладають органічні сполуки і вивільнюють сірководень.

Рослини поглинають сірку у вигляді розчину сульфатів, включаючи її в білки. Подальший розклад тварин і рослин і виділення тварин призводить до вивільнення сірчистого газу і повернення сульфатів у ґрунт або воду. У кругообігу сірки головну роль, як зазначено вище, відіграють два види спеціалізованих бактерій, один із яких перетворює певну частину сірководню в сульфати, а інший вивільнює сірководень із сульфатів.

SО₂ впливає на рослини, зокрема на процес фотосинтезу, більше, ніж будь-який інший забруднювач повітря. Як свідчать спостереження за ростом сосен, які ростуть неподалік Новояворівського сірчаного комбінату поблизу Львова, на початку виплавлення сірки його викиди (в основному SO₂) спочатку сприяли росту молодих дерев, а згодом – через 10-15 років – його сповільненню та дефоліації. Дослідження 1937 p. показали, що короткотривала фумігація високими концентраціями SО₂ зумовила суттєве зменшення швидкості фотосинтезу люцерни. Пороговою виявилася доза в 655 мкг/м куб. Загалом ознаки отруєння рослин сіркою спостерігаються при вмісті SО₂ в повітрі 0,5 мг/м куб..

7. Перетворення енергії. Одночасно з круговоротом речовин в біосфері йде і перетворення енергії. Біосфера в цілому є відкритою системою, що постійно приймає сонячну енергію. У процесі фотосинтезу сонячна енергія перетворюється на хімічну. В живій речовині Землі зв'язано 4,19 х 1018 Дж. енергії; при цьому щорічно виробляється та витрачається 4,19 х 1017 Дж. Енергія використовується рослинами на процеси життєдіяльності, а частина її переходить до рослиноїдних організмів. Останні витрачають енергію на процеси життєдіяльності, а частково вона поступає до м'ясоїдних тварин тощо. Таким чином, енергія запасається в тканинах рослин і тварин у вигляді органічних сполук, які споживаються іншими тваринами й людиною. Частина енергії консервується в нафті, сланцях, торфі.

Разом з накопиченням енергії в живих організмах відбувається майже рівне йому за масштабами виділення енергії при руйнуванні органічних речовин у процесі дихання, бродіння та гниття. Так у біосфері підтримується баланс енергії. Під час цих перетворень відбуваються витрати енергії на процеси життєдіяльності організмів. Утрати енергії постійно заповнюються за рахунок світлової енергії Сонця. Отже, біосфера є складною екологічною системою, яка працює в стаціонарному режимі. Стабільність біосфери зумовлена тим, що результати активності трьох груп організмів, які виконують різні функції в біотичному кругообігу — продуценти (автотрофи), споживачі (гетеротрофи) і деструктори (минералізуючі органічні залишки), — взаємозрівноважуються. Гомеостатичний стан біосфери не виключає здатності її до еволюції.

 

Література

Основна [3, 4, 40], додаткова [24, 32, 42].

Контрольні питання

1. Наведіть відомості про особливості кругообігу води та вплив людини на її циркуляцію?
2. Наведіть відомості про особливості кругообігу вуглецю та кисню?
3. Розкажіть про особливості кругообігу азоту та його порушення людиною?
4. Наведіть відомості про особливості кругообігу фосфору, сірки?
5. Яким чином здійснюється перетворення енергії у біосфері?

 

 

Лекція № 13