МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им С.АМАНЖОЛОВА Биогеохимические циклы элементов Регистрационный номер: МП Рекомендовано: МСФ и МОУ Усть-Каменогорск, 2008 год Оразова С.С.

Аннотация Предоставляется теоретический материал по биогеохимическим циклам химических элементов в биосфере – большой и малый круговороты, экологические аспекты этих циклов.

Оразова Сан Советбековна преподаватель кафедры неорганической и аналитичеcкой химии факультета Экологии и Естественных наук

Биогеохимические циклы элементов Малый круговоротБольшой круговорот Циклы газообразных веществ АВТОР Аннотация Осадочные циклы Заключение

Биогеохимические циклы элементов Биогеохимические циклы элементов – перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества

Биогеохимические циклы элементов Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду

Биогеохимические циклы элементов Такие замкнутые пути были названы «биогеохимическими циклами» (био – относится к живым организмам, гео – к горным породам, воздуху и воде)

Биогеохимические циклы элементов В каждом биогеохимическом цикле можно выделить два фонда: резервный обменный

Биогеохимические циклы элементов Резервный – большая масса медленно движущихся веществ, содержащий данный элемент

Биогеохимические циклы элементов Обменный (подвижный) – меньший фонд, но более активный. Характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением

Биогеохимические циклы элементов Резервный фонд называют недоступным, обменный – доступным, хотя между ними существует постоянный медленный обмен

Биогеохимические циклы элементов Среди биогеохимических циклов выделяют Циклы газообразных веществ (C, N, S, O) Осадочные циклы (P, Fe, Ca)

Биогеохимические циклы элементов Такое деление – проявление склонности химических элементов образовывать соединение в условиях Земли. Так C, N, S, O находятся в циклах в виде летучих соединений, а P, Fe, Ca сосредоточены в негазообразных веществах

Биогеохимические циклы элементов В связи с особой ролью, которую играют в биосфере тяжелые металлы, их биохимические циклы выделяют в отдельный тип

Биогеохимические циклы элементов Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ Большой, или геологический (абиотический) Малый, или биологический (биотический)

Биогеохимические циклы элементов Большой круговорот четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота веществ лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабе планеты.

Биогеохимические циклы элементов Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривания горных пород, испарения воды, растворения минералов и т.п.

Биогеохимические циклы элементов Движение воды и ветра приводит к эрозии, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане

Биогеохимические циклы элементов В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу и процессы возобновляются

Биогеохимические циклы элементов К этим циклам подключаются вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре

Биогеохимические циклы элементов Большой круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Биогеохимические циклы элементов Малый круговорот возникает на базе большого геологического круговорота. В основе малого круговорота лежат процессы синтеза и нарушения органических соединений.

Биогеохимические циклы элементов Малый круговорот веществ в биосфере, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Биогеохимические циклы элементов Этот круговорот для жизни биосферы - главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.

Биогеохимические циклы элементов Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т. д.

Биогеохимические циклы элементов Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей. В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии.

Биогеохимические циклы элементов На создание органического вещества затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии. Эта энергия в биологическом круговороте совершает огромную работу по созиданию живого вещества.

Биогеохимические циклы элементов Чтобы жизнь продолжала существовать химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, то есть все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ

Биогеохимические циклы элементов Циклы функционируют под действием биологических и геологических факторов. Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы.

Биогеохимические циклы элементов Это придает экосистеме устойчивость – постоянство процентного состава различных элементов в ней (гомеостаз).

Биогеохимические циклы элементов Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, возвращение элементов в круговорот основаны на биологических процессах

Биогеохимические циклы элементов В связи с хозяйственной деятельностью человечества и вовлечением в биосферный поток техногенных продуктов этой деятельности возникли проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов.

Биогеохимические циклы элементов Циклы некоторых элементов, например N, S, P, K, тяжелых металлов превратились в природно- антропогенные, характеризующиеся значительной не замкнутостью.

Биогеохимические циклы элементов Некоторые соединения и материалы, созданные человеком, например пластмассы, не способны включаться в природные и природно-антропогенные циклы, т.к. не перерабатывается в экосистемах, загрязняя их.

Биогеохимические циклы элементов Усилия по охране природы должны быть направлены на то, чтобы превратить ациклические (незамкнутые) процессы в циклические

Биогеохимические циклы элементов К главным циклам можно отнести круговороты C, N, O, S, P и биогенных катионов

Биогеохимические циклы элементов Циклы газообразных веществ Круговорот углерода в биосфере

Биогеохимические циклы элементов Углерод находится в природе как в свободном состоянии, так и в виде многочисленных соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита.

Биогеохимические циклы элементов Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти, представляющей сложную смесь различных углеродсодержащих соединений, преимущественно углеводородов.

Биогеохимические циклы элементов Кроме того растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых главное участие принимает углерод.

Биогеохимические циклы элементов Таким образом, этот элемент - один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет всего около O,1%

Биогеохимические циклы элементов Круговорот углерода осуществляется благодаря механизму функционирования фундаментальных процессов – фотосинтеза и клеточного дыхания

Биогеохимические циклы элементов В процессе фотосинтеза электромагнитная энергия Солнца переходит в энергию химических связей органических соединений, прежде всего углеводов.

Биогеохимические циклы элементов Ежегодный прирост биомассы в результате фотосинтеза составляет около 200 млрд.т.

Биогеохимические циклы элементов Клеточное дыхание – противоположный фотосинтезу процесс, в котором расщепляются синтезированные из СО 2 и Н 2 О углевода.

Биогеохимические циклы элементов Его цель – извлечь энергию из молекул углеводов (путем окисления), перевести в форму АТФ и далее использовать на энергетические нужды клетки

Биогеохимические циклы элементов Выделяемый при фотосинтезе кислород используется для окисления углеводов. Таким образом вещества могут совершать круговорот долго, вовлекаясь попеременно то в фотосинтез то в дыхание.

Биогеохимические циклы элементов С химической точки зрения эти вещества постоянно трансформируются обмениваясь атомами и перестраиваясь, а углерод никаких изменений не претерпевает.

Биогеохимические циклы элементов Энергия не подчиняется закону цикличности, поэтому Солнце должно непрерывно поставлять новые порции энергии

Биогеохимические циклы элементов Циклы газообразных веществ Круговорот азота в биосфере

Биогеохимические циклы элементов Азот наиболее распространен на Земле в форме газообразного продукта атмосферы.

Биогеохимические циклы элементов Свободный азот является главной составной частью воздуха, который содержит 78,2% азота. Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших количествах, если не считать натриевую селитру NaNO 3, образующую мощные пласты на побережье Тихого океана в Чили.

Хотя азот важный компонент белков и нуклеиновых кислот, растения не могут брать его непосредственно из воздуха. Потому что они способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот, т.е. переведенный в другие химические формы – NH 3, NH 4 +, NO 3 -.

Биогеохимические циклы элементов Процесс связывания атмосферного азота некоторыми бактериями - азотфиксаторами называют биологической фиксацией азота. Таким путем переносится примерно 17,5*10 10 кг азота.

Биогеохимические циклы элементов Активность фермента нитрогеназы у бактерии зависит от присутствия микроэлемента молибдена.

Биогеохимические циклы элементов Один из важнейших процессов в цикле азота – восстановление нитрат ионов до молекулярного азота, которое осуществляется почвенными анаэробными бактериями- денитрификаторами:

Биогеохимические циклы элементов 5 [CH 2 O] + 4NO H + => 2N 2 + 5CO 2 + 7H 2 O

Денитрификация – причина потерь азота в земледелии, когда из вносимых человеком удобрений часть связанного азота улетучивается

Биогеохимические циклы элементов Процесс разложения белков до нитратов служит источником энергии для организмов осуществляющих это разложение, а обратный процесс требует других источников энергии, таких как органическое вещество или солнечный свет.

Биогеохимические циклы элементов Цикл азота претерпел значительную деформацию в результате хозяйственной деятельности людей.

Биогеохимические циклы элементов Это связано с индустриальной фиксацией молекулярного азота из атмосферы, производством на этой основе азотных удобрений и внесением их в почвы.

Биогеохимические циклы элементов Значительное количество азота в форме оксидов поступает в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта, образующимися при сжигании минерального топлива, а в гидросферу с бытовыми и промышленными стоками.

Биогеохимические циклы элементов Циклы газообразных веществ Круговорот серы в биосфере

Биогеохимические циклы элементов Круговорот серы происходит в атмосфере и литосфере. Поступление серы в атмосферу происходит в виде сульфатов, серного ангидрида и серы из литосферы при вулканических извержениях, в виде сероводорода за счет распада пирита (FeS 2 ) и органических соединений.

Биогеохимические циклы элементов Перенос соединений серы в атмосфере осуществляется воздушными потоками, а выпадение на земную поверхность либо в виде пыли, либо с атмосферными осадками в виде дождя (кислотные дожди) и снега.

Биогеохимические циклы элементов Поступление соединений серы в атмосферу связан с эмиссией сернистых газов, образующихся при сжигании минерального топлива и выплавке металлов.

Биогеохимические циклы элементов Главными путями загрязнения природных вод растворимыми соединениями серы являются смыв удобрений в гидросферу и сточные воды предприятий химической промышленности

Биогеохимические циклы элементов Более 95% выбросов техногенных сернистых газов – SO 3 И H 2 SO 4, которые спосбствуют активизации коррозии металлов, оказывают поражающее действие на растения, животных и человека.

Биогеохимические циклы элементов При взаимодействии с постоянно присутствующим в тропосфере аммиаком образуется сульфат аммония (NH 4 ) 2 SO 4. В определенных условиях SO 2 вымывается атмосферными осадками, поглощается растениями и почвой, большая часть окисляется до SO 4 2-.

Биогеохимические циклы элементов Техногенные выбросы соедиений серы в окружающей среде не нарушают баланса масс, мигрирующих в глобальном цикле серы.

Биогеохимические циклы элементов Но соединения серы в индустриальных и бытовых отходах оказывают губительное воздействие на биоту, создавая опасность для нормального функционирования главного звена биосферы.

Биогеохимические циклы элементов Массивная эмиссия SO 2 в атмосферу порождает кислотные дожди, распространяющиеся далеко за пределы индустриальных районов.

Биогеохимические циклы элементов Основные черты биогеохимического круговорота серы : *обширный резервный фонд в почве и отложениях и меньший в атмосфере;

Биогеохимические циклы элементов *ключевая роль в быстро обменивающемся фонде принадлежит специализированным микроорганизмам;

Биогеохимические циклы элементов *взаимодействие геохимических и метеорологических процессов (дождь, эрозия, осадкообразование, выщелачивание) с сугубо биологическими процессами (продукция и разложение).

Биогеохимические циклы элементов Осадочные циклы Круговорот фосфора в биосфере

Биогеохимические циклы элементов Важное значение в биосфере фосфор приобретает не по содержанию, а в результате того, что без него невозможен синтез белков.

Биогеохимические циклы элементов В отличие от азота резервуаром фосфора служит не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.

Биогеохимические циклы элементов Круговорот фосфора простой пример осадочного цикла. Фосфор, как и азот, значительно активнее участвует в биологическом круговороте в океане, чем на суше.

Биогеохимические циклы элементов Поступление фосфора в океан обеспечивается континентальным стоком. В нем фосфор находится в составе комплексоных анионов, дисперсного органического вещества и минеральных взвесей.

Биогеохимические циклы элементов Количество фосфора, выносимое с взвешенными твердыми частицами, превышает массу растворенных форм фосфора. Но эта масса представляет собой прочносвязанный фосфор.

Биогеохимические циклы элементов Лишь небольшая часть может быть освобождена и вовлечена в биологический круговорот.

Биогеохимические циклы элементов Характерная особенность глобального цикла фосфора – отсутствие постоянно действующего геохимического потока, возвращающего крупные массы элемента на сушу.

Биогеохимические циклы элементов Перенос фосфора через атмосферу незначителен и не может компенсировать вынос элемента с водным стоком в суши в океан. Медленное осаждение фосфора в океане выводит его из миграционных циклов.

Биогеохимические циклы элементов Глобальный цикл фосфора является наименее замкнутым по сравнению со всеми ранее рассмотренными элементами.

Биогеохимические циклы элементов Антропогенная деятельность ведет к усиленной потере фосфора: *За счет рыболовства на сушу возвращается около 6000 т/год элементарного фосфора;

Биогеохимические циклы элементов *добывается на удобрения ежегодно 1-2 млн.т. фосфорсодержащих пород, причем большая часть этого фосфора смывается и выключается из круговорота.

Биогеохимические циклы элементов ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биогеохимические циклы элементов Глобальная система циклической миграции химических элементов обладает высокой способностью к саморегуляции.

Биогеохимические циклы элементов Важная особенность миграционных циклов в биосфере – возможность свободного перехода мигрирующих масс из одного цикла в другой или частичного вывода и аккумулирования в природном резервуаре.

Биогеохимические циклы элементов Сочетание незамкнутых циклов обуславливает уникальное свойство устойчивости биосферы.

Биогеохимические циклы элементов Нарушение в ту или иную сторону баланса масс одного цикла компенсируется за счет других, сопряженных с ним.

Спасибо за внимание!!!