Круговорот кислорода, углерода, азота, фосфора и серы в биосфере
Российский
Государственный Университет
нефти и газа
имени И.М. Губкина
РЕФЕРАТ
На тему:
«Круговорот кислорода, углерода,
азота, фосфора
и серы в биосфере»
Выполнил:
студент группы
АИ-96-7
Гринберг Яков
Москва, 1999
Содержание:
1.
Круговорот кислорода
2.
Круговорот углерода
3.
Круговорот азота
4.
Круговорот фосфора
5.
Круговорот серы
6.
Литература
КРУГОВОРОТ
КИСЛОРОДА
Кислород является
наиболее распространенным элементом на Земле. В морской воде содержится 85,82%
кислорода, в атмосферном воздухе 23,15% по весу или 20,93% по объему, а в
земной коре 47,2% по весу. Такая концентрация кислорода в атмосфере
поддерживается постоянной благодаря процессу фотосинтеза. В этом процессе
зеленые растения под действием солнечного света превращают диоксид углерода и
воду в углеводы и кислород. Главная масса кислорода находится в связанном
состоянии; количество молекулярного кислорода в атмосфере оценивается в 1,5* 1015
m, что составляет всего лишь 0,01% от
общего содержания кислорода в земной коре. В жизни природы кислород имеет
исключительное значение. Кислород и его соединения незаменимы для поддержания
жизни. Они играют важнейшую роль в процессах обмена веществ и дыхании. Кислород
входит в состав белков, жиров, углеводов, из которых «построены» организмы; в
человеческом организме, например, содержится около 65% кислорода. Большинство
организмов получают энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций,
за счет окисления тех или иных веществ с помощью кислорода. Убыль кислорода в
атмосфере в результате процессов дыхания, гниения и горения возмещается
кислородом, выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв, различные
горные выработки на поверхности уменьшают общую массу фотосинтеза и снижают
круговорот на значительных территориях. Наряду с этим, мощным источником
кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного пара в
верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца. Таким
образом, в природе непрерывно совершается круговорот кислорода, поддерживающий
постоянство состава атмосферного воздуха.
Кроме описанного
выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот элемент совершает еще и
важнейший круговорот, входя в состав воды. Круговорот воды (H2O) заключается в испарении воды с
поверхности суши и моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров
и последующее выпадение осадков в виде дождя, снега, града, тумана.
КРУГОВОРОТ
УГЛЕРОДА
Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое
место среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной
коры. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов (наибольшие
месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие месторождения в
ФРГ, Шри-Ланка и СССР). Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном
состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные
минералы, например кальцит и доломит, а также в состав всех биологических
веществ. В форме доксида углерода он входит в состав земной атмосферы, в
которой на его долю приходится 0,046% массы.
Углерод имеет исключительное
значение для живого вещества (живым веществом в геологии называют совокупность
всех организмов, населяющих Землю). Из углерода в биосфере создаются миллионы
органических соединений. Углекислота из атмосферы в процессе фотосинтеза,
осуществляемого зелеными растениями, ассимилируется и превращается в
разнообразные органические соединения растений. Растительные организмы,
особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной
скорости размножения, продуцируют в год около 1,5*1011m углерода в виде органической массы.
Растения частично поедаются животными (при этом образуются пищевые цепи). В
конечном счете, органическая масса в результате дыхания, гниения и горения
превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа,
которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям – каменным
углям, нефти. В процессах распада органических веществ, их минерализации,
огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы
(например, плесневые). В активном круговороте углекислый газ Û живое вещество участвует
очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты
законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.
Между углекислым газом атмосферы
и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы поглощают углекислый
кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков.
Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических
веществ, карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы
которых состоят главным образом из паров воды и углекислого газа.
КРУГОВОРОТ
АЗОТА
Азот входит в состав земной
атмосферы в несвязанном виде в форме двухатомных молекул. Приблизительно 78%
всего объема атмосферы приходится на долю азота. Кроме того, азот входит в
состав растений и животных организмов в форме белков. Растения синтезируют
белки, используя нитраты из почвы. Нитраты образуются там из атмосферного азота
и аммонийных соединений, имеющихся в почве. Процесс превращения атмосферного
азота в форму, усвояемую растениями и животными, называется связыванием (или
фиксацией) азота.
При гниении органических
веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается в аммиак,
который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется затем
в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве
карбонатами, например с карбонатом кальция СаСОз, образует нитраты:
2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н
Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в
свободном виде в атмосферу. Свободный азот выделяется также при горении
органических веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа. Кроме того,
существуют бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать
кислород от нитратов, разрушая их с выделением свободного азота. Деятельность
этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть азота из доступной
для зеленых растений формы (нитраты) переходит в недоступную (свободный азот).
Таким образом, далеко не весь азот, входивший в состав погибших растений,
возвращается обратно в почву; часть его постепенно выделяется в свободном виде.
Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы
привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не
существовали процессы, возмещающие потери азота. К таким процессам относятся,
прежде всего, происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых
всегда образуется некоторое количество оксидов азота; последние с водой дают
азотную кислоту, превращающуюся в почве в нитраты. Другим источником
пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых
азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий
поселяются на корнях растений из семейства бобовых, вызывая образование
характерных вздутий — «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых
бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его
в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки
и другие сложные вещества.
В последнее время наблюдается повышения содержания нитратов в питьевой
воде, главным образом за счет усилившегося использования искусственных азотных
удобрений в сельском хозяйстве. Хотя сами нитраты не так уж опасны для
взрослых людей, в организме человека они могут превращаться в нитриты. Кроме
того, нитраты и нитриты используются для обработки и консервирования многих
пищевых продуктов, в том числе ветчины, бекона, солонины, а также некоторых
сортов сыра и рыбы. Отдельные ученые полагают, что в организме человека нитраты
могут превращаться в нитрозамины :
Известно, что
нитрозамины способны вызывать онкологические заболевания у животных.
Большинство из нас уже подвержено воздействию нитрозаминов, которые в небольшом
количестве находятся в загрязненном воздухе, сигаретном дыму и некоторых
пестицидах. Полагают, что нитрозамины могут быть причиной 70-90% случаев
онкологических заболеваний, возникновение которых приписывают действию факторов
окружающей среды.
КРУГОВОРОТ ФОСФОРА
Источником фосфора биосферы
является главным образом апатит, встречающийся во всех магматических породах. В
превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают
фосфор из почв, водных растворов. Усвоение фосфора растениями во многом зависит
от кислотности почвы. Фосфор входит в многочисленные соединения в организмах: белки,
нуклеиновые кислоты, костная ткань, лецитины, фитин и другие соединения;
особенно много фосфора входит в состав костей. Фосфор жизненно необходим
животным в процессах обмена веществ для накопления энергии. С гибелью
организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей. Он концентрируется в виде
морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает условия для
создания богатых фосфором пород, которые в свою очередь являются источником
фосфора в биогенном цикле.
Содержание фосфора в земной коре
составляет 8*10-20 % (по весу). В свободном состоянии фосфор в
природе не встречается вследствие его легкой окисляемости. В земной коре он
находится в виде минералов (фторапатит, хлорапатит, вивианит и др.), которые
входят в состав природных фосфатов – апатитов и фосфоритов. Фосфор имеет
исключительное значение для жизни животных и растений.
Так как растения
уносят из почвы значительное количество фосфора, а естественное пополнение
фосфорными соединениями почвы крайне незначительно, то внесение в почву
фосфорных удобрений является одним из важнейших мероприятий по повышению
урожайности. Ежегодно в мире добывают приблизительно 125 млн. т. фосфатной
руды. Большая ее часть расходуется на производство фосфатных удобрений.
КРУГОВОРОТ СЕРЫ
Круговорот серы
также тесно связан с живым веществом. Сера в виде SO2, SO3, H2S и элементарной серы
выбрасывается вулканами в атмосферу. С другой стороны, в природе в большом
количестве известны различные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др.
Сульфидная сера окисляется в биосфере при участи многочисленных микроорганизмов
до сульфатной серы SO42
почв и водоемов.
Сульфаты поглощаются растениями. В организмах сера входит в состав аминокислот
и белков, а у растений, кроме того, - в состав эфирных масел и т.д. Процессы
разрушения остатков организмов в почвах и в илах морей сопровождаются очень
сложными превращениями серы. При разрушении белков при участии микроорганизмов
образуется сероводород. Далее сероводород окисляется либо до элементарной серы,
либо до сульфатов. В этом процессе участвуют разнообразные микроорганизмы,
создающие многочисленные промежуточные соединения серы. Известны месторождения
серы биогенного происхождения. Сероводород может вновь образовать «вторичные»
сульфиды, а сульфатная сера создает гипс. В свою очередь сульфиды и гипс вновь
подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию.
ЛИТЕРАТУРА:
1. БСЭ, 1953
2. Стадницкий, Родионов.
«Экология»
3. М. Фримантл «Химия в действии»
4. Г. Рудзидис, Ф.Фельдман Химия
7-11.