Лекции по экологии

СаСО3 + Н2SО4 = СаSО4 + СО2­ + 2Н2О.

Большая часть сульфатов уносится водами рек, а также под действием осадков и выветривания минералов, в моря, частью растворяясь в океанических водах, а частью откладываясь на дне в виде напластований и образуя минералы, особенно природного гипса СаSО4×2Н2О, перемещаясь в глубины литосферы, а затем через годы – на поверхность и т.д.

Попадая в глубокие слои литосферы, тот же СаSО4, претерпевает восстановительный процесс, например, с участием органических веществ:

СаSО4 + СН4 ® СаS + СО2­ + 2Н2О ® СаСО3 + Н2S + Н2О.

Таким образом, возникают сероводородные («серные») источники (например, Мацеста, Пятигорск). Но существуют и другие бактерии – сульфатовосстанавливающие, которые питаются за счет сульфатов. Так, на глубине ниже 150 м, например, в Черном море, сульфаты под действием этих бактерий восстанавливаются до сероводорода, который, поднимаясь наверх, вновь подвергается действию серобактерий, окисляется до SО42-, а часть Н2S уходит в атмосферу. Источники Н2S – болота, вулканическая деятельность, природные процессы гниения отмерших живых организмов.

При извержении вулканов выделяется Н2S и SО2, концентрации которых могут быть различными, тогда возможно протекание реакции:               2Н2S + SО2 ® 3S + 2Н2О.

При избытке Н2S, выделяющаяся сера защищается от окисления и потому может образовывать на некоторой глубине в толще литосферы – пласты S или вкрапления.

Кроме того, на больших глубинах формируются горючие природные ископаемые (тот же уголь, и углеводороды, содержащие серу), откладываются сланцы и другие осадочные породы, содержащие серу.

При добыче этих ископаемых, их сжигании или химической переработке, а также их естественном разложении в атмосферу выбрасываются SО2 и Н2S, которые окисляются до Н2SО4 и, наряду с природными источниками, затем выпадают на землю в виде осадков – кислотных дождей. И так, круг замыкается. Особенно из-за деятельности человека, а также из-за окислительной способности воздуха в наше время кругооборот осуществляется с увеличением содержания сульфатов, а в прошлом – преобладали сульфиды.

Остался неучтенным процесс потребления серы растениями, с учетом которого кругооборот серы можно выразить упрощенной схемой (рис. 2.9).

Переработка сульфатов растениями, в том числе и с использованием бактерий, очень сложный процесс, приводящий к синтезу растениями серосодержащих белковых веществ.

Животные, питающиеся растениями, также путем биохимических процессов синтезируют серосодержащие вещества, характерные для своих организмов. При отмирании животных и растений, их белковые вещества разлагаются до Н2S и некоторых других серосодержащих продуктов, и кругооборот серы продолжается.

Рис. 2.9. Кругооборот серы (упрощенно)

Кругооборот серы можно представить схемой (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Кругооборот серы

2.6.4. Кругооборот азота

Азот составляет примерно 78 % воздуха атмосферы. Часть его содержится в почве и в воде в виде неорганических соединений (в виде аммонийных солей, а также нитритов и нитратов), а часть – в форме органических соединений, входящих в состав растительных и животных белков, аминокислот. Существует большой кругооборот азота, включающий сушу и атмосферу, частью которого является малый кругооборот (биотический). Общая упрощенная  схема кругооборота азота представлена на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Кругооборот азота (упрощенно)

Биогеохимический цикл азота с учетом антропогенных факторов рассмотрим подробнее. Азот в свободном виде (в виде N2) недоступен растениям. Для своего роста растения могут использовать лишь соли азотной и азотистой кислот, хуже – аммиачные соединения.

На границе воздушной атмосферы и грунта содержится от 0,02 до 0,056 кг/м3 азота (летом и осенью больше, чем зимой и весной, из-за грозовых разрядов). За год на 1 га в разных частях земли выпадает 2,6-14,3 кг азота. Больше всего азота вблизи больших химических предприятий, связанных с продуктами азота, поэтому в почву в радиусе нескольких километров азотных удобрений не следует вносить.

 Как же азот из воздуха попадает в почву в связанном виде? Это возможно благодаря азотофиксирующим бактериям, живущим в грунтах, а также сине-зеленым водорослям в водоемах. Поэтому их значение необычайно велико. Примерами таких бактерий являются аэробные азотобактерии (действуют в присутствии кислорода воздуха), анаэробные клостридиумы Пастера (действуют без доступа О2), клубеньковые бактерии, живущие и функционирующие в корнях-клубнях, в основном бобовых растений. Процесс фиксации таков:

N2 + 3Н2 ® 2NН3 + 615,63 кДж.

(или 2N)

За год эти бактерии могут запасать для растений до 20 –30 кг азота. Затем начинают выполнять свои функции нитрифицирующие бактерии (упрощенно - нитритные и нитратные), окисляющие аммиак (соответственно, до азотистой и азотной кислот):

2NН3 + 3О2 ® 2НNО2 + 2Н2О + 148 ккал;

2НNО2 + О2 ® 2НNО3 + 48 ккал.

Эти кислоты в процессе обменных реакций в грунтовых растворах образуют соли (нитриты и нитраты), которыми питаются растения:

К2СО3 + 2НNО3 ® 2КNО3 + СО2­ + Н2О.

       (или СаСО3)

Растения используют нитраты для синтеза белковых соединений, которые идут для питания другим живым организмам (например, животным), синтезирующим свои аминокислоты и т.д. Продукты выделения (экскреция) – мочевина и другие, трупы растений и животных подвергаются деструкции и минерализуются сначала до аммиака и аммиачных соединений (аммонификация) под действием бактерий, грибов, дождевых червей и др., и далее до солей азотных кислот, а последние денитрифицирующими бактериями до N2, уходящего в атмосферу (реакция 1). Частью в атмосферу азот удаляется и в виде NН3. Затем начинается новый цикл.

5С6Н12О6 + 24КNО3 ® 30СО2­ + 18Н2О + 24КОН + 12N2 + 9388,3     (1)

 кДж/моль.

Часть аммиака после аммонификации в почве нитрифицируется бактериями до солей (нитритов и нитратов) и остается в почве для питания растений.

Итак, существуют азотофиксирующие бактерии (азот переводят в NН3), нитрифицирующие (аммиак - в основном, в соли НNО3), а денитрифицирующие разлагают нитратные соли, превращая их в NН3 и даже до N2. Поэтому первые и вторые бактерии обогащают грунт доступными для растений формами азота, а третьи – обедняют грунт азотом.

Более полная схема кругооборота азота  представлена на рис.2.12.

Рис. 2.12. Схема биотического кругооборота азота по Р.Риклефсу (1979 г.)

В геологический кругооборот постоянно поступает часть азота в виде различных соединений, частью используемых в сельском хозяйстве в качестве азотных удобрений. Азотсодержащие вещества частью поступают и в реки, благодаря стоку которых  выносятся в моря. Часть азота попадает в реки и далее в моря за счет осадков, например, кислотных дождей (содержащих НNО3), из-за выбросов оксидов азота (а также образования оксида азота в атмосфере при грозах). Наибольшее содержание соединений азота в районах впадения рек в моря, наименьшее – в центральных частях океанов. Азотсодержащие соединения используются водорослями для синтеза органических веществ и поступают в кругооборот океана, часть постепенно оседает на дно, потому, вынесение азота с суши не увеличивает его концентрацию в морской воде.  Неуправляемая же деятельность людей может привести к сильному загрязнению окружающей среды, что нарушит природный баланс. Тревожные изменения в биосфере уже и сейчас столь заметны. Это цветение рек, чрезмерное размножение сине-зеленых водорослей, ускоряющееся заболачивание природных водоемов, ухудшение качества воды и т.д.

2.6.5. Кругооборот фосфора

Кругооборот фосфора достаточно сложен. Рассмотрим его в упрощенном виде. Фосфор один из наиболее важных биогенных элементов, так как входит в состав нуклеиновых кислот, костной ткани, клеточных мембран, систем переноса энергии (АТФ) и др. Кругооборот фосфора также совершается по большому и малому циклам, но всецело связан с жизнедеятельностью организмов. Фосфор – подвижный элемент, поэтому его кругооборот зависит от множества факторов окружающей среды, а в наше время особенно - от антропогенных. Так, фосфор активно поступает в водные источники в виде моющих средств (детергентов), фосфорных и комбинированных удобрений с полей, отходов промышленности (особенно продуктов переработки фосфорсодержащих минералов – апатитов и фосфоритов) и др. Это приводит к нарушению равновесия в биогенном кругообороте фосфора, представленного на рис. 2.13.

Усвоение фосфора растениями в значительной степени зависит от кислотности почвенного раствора. Так, в воде (в среде близкой к нейтральной) фосфаты натрия, калия, кальция и других металлов слаборастворимы, в щелочной среде (при рН > 7) – практически нерастворимы, а с повышением кислотности постепенно превращаются (рис.2.14) в хорошо растворимые - фосфорную кислоту Н3РО4 и NаН2РО4, относительно растворимую соль Са(Н2РО4)2, которые хорошо усваиваются растениями.

Рис. 2.13. Схема биотического кругооборота фосфора по Р.Риклефсу (1979 г.)

По распространенности в биосфере фосфор не рекордсмен, но многие организмы выработали различные приспособления для улавливания и накопления этого элемента в концентрациях, значительно превышающих его содержание в окружающей среде (особенно в воде).

Увеличение кислотности с уменьшением рН среды ®

Ионная форма:     РО43-        ®        НРО42-      ®        Н2РО4-             ®            Н3РО4

                          ¯                        ¯                      ¯                              ¯

соль:                   Na3РО4                   Na2НРО4                NaН2РО4                         очень

растворимость:   слегка (средняя)   средняя         хорошо                   хорошо

                           растворимость      растворимость             растворима             растворима

соль:                  Ca3(РО4)2               CaНРО4                   Ca(Н2РО4)2

растворимость:   нерастворима                  нерастворима   малорастворима

Рис. 2.14. Растворимость фосфора по Р.Риклефсу (1979 г.)

Так, вдоль юго-восточного побережья Америки обитают моллюски (небольшая колония) – биомассой 12 кг на 1 м2. Эти моллюски относятся к типу фильтрантов. Они фильтруют воду, извлекая из нее мелкие организмы и детрит, богатый фосфором и другими элементами в мелководной зоне прилива. Расчет показал, что кругооборот частиц, содержащих фосфор, в этой зоне происходит всего за 2,6 суток. За это время моллюски извлекали фосфор в количествах, соответствующих его среднему содержанию во всех взвешенных частицах.  Этот моллюск, являясь второстепенным компонентом прибрежного сообщества (малая пищевая ценность для других живых существ), оказывает громадное значение на кругооборот и удержание ценного фосфора.

Фосфор накапливается в виде соединений на дне океана на небольших глубинах, откуда из-за геологических изменений оказывается в литосфере, а со временем и в верхних слоях литосферы (например, в виде апатитов и фосфоритов). Существуют апатиты и вулканического происхождения.

Часть отложений соединений фосфора остается в осадке в неглубоких водах и включается в повторный кругооборот, посредством диатомей (вид водорослей), которые накапливают фосфор. Отмирая, они являются источниками фосфора.

Кругооборот воды в биосфере будет рассмотрен в разделе "Атмосфера".

3.2. ЛИТОСФЕРА ЗЕМЛИ

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии (толщина литосферы 50-100 км, хотя некоторые авторы говорят и мощности свыше 100 км).

Земная кора имеет также слоистое строение:

1)     верхний слой с низкими параметрами температуры и давления - кора выветривания (осадочный слой, содержащий осадочные породы - например, песок, глину, известковые образования и др.) мощностью на суше 0,5-0,8 км, включает и дно гидросферы (например,  ил  толщиной  1-1,5 км).  Самый  тонкий  (в  среднем    1-1,5 м) поверхностный слой  и важнейший в биосфере - почва.

2)     гранитовый слой (более плотный), который на дне океана сильно истончается и даже может отсутствовать;

3)     базальтовый слой (еще с большей плотностью).

Химический состав земной коры определяется содержанием в ней, прежде всего, 8 наиболее распространенных элементов (в массовых %, по Вернадскому и Ферсману): кислород (О)- 49,5, кремний (Si) - около 26, алюминий (Al) - 7,4, железо (Fe) - 4, кальций (Са) - 3, натрий (Na) - 2,6, калий (К) - 2,4, магний (Mg) - 1,9. Важнейшим составляющим литосферы и гидросферы является почва.

3.2.1. Почва

3.2.1.1. Общая характеристика почв

Почва - самый верхний тончайший слой суши, образовавшийся под влиянием живых организмов, климатических процессов (выветривания - воздействия ветра и осадков, колебания температур и др.), сейсмических и механических процессов из материнских (земных) горных пород.

Плодородная почва - важнейший для человека ресурс, так как это залог производства почти всех продуктов питания. 95 % продовольствия человек получает от земель и только 5 % из океана. Обилие земельных и водных ресурсов - главное условие процветания цивилизации.

Толщина почвенного покрова невелика (например, толщина наиболее плодородных почвенных образований - черноземов на равнинах в среднем 1-1,5 м), хотя с увеличением высоты (по отношению к уровню моря) почвенный покров истончается, а порой и отсутствует, и тем самым материнская порода выходит на земную поверхность. Современный состав почвенного покрова Земли: 28 % приходится на леса, 17 % - луга, 10 % - пашни, 45 % - остальную сушу. Структура почвы - это совокупность агрегатов (комочков почвы), обладающих различной величиной, формой и определенными физико-химическими свойствами. Так, высокоплодородные тучные глинистые черноземы имеют хорошо выраженную водопрочную комковато-зернистую структуру. Упрощенная схема строения почвы может быть выражена следующим образом (рис. 3.1.):

_____________________________________________

самый тонкий слой   -    подстилка

---------------------------------------------------------------------

слой перегноя

______________________________________________

слой вымывания

______________________________________________

слой накопления минеральных солей

______________________________________________

подпочва

______________________________________________

Рис. 3.1. Упрощенная схема строения почвы

Собственно к почве обычно относят средние три слоя. Чем больше слоев (более мощный горизонт), тем выше обычно плодородие почвы. Почва (по Вернадскому) - это биокосное вещество. Главные компоненты почвы:

1)     минеральные частицы (песок, глина и др.), состоящие, главным образом, из 8 вышеприведенных наиболее распространенных в земной коре химических элементов);

2)     детрит - отмершее органическое вещество (остатки от растений, животных и микроорганизмов);

3)     множество живых организмов (от растений и животных до детритофагов и редуцентов). Это насекомые, грибы, бактерии, дождевые и другие виды червей, простейшие и др.

Роль большинства этих живых организмов состоит в переводе детрита в гумус (органические вещества во многом определяющие плодородие почвы). Так, в тучных черноземах имеется гумусовый горизонт толщиной 60-70 см, а содержание гумуса может достигать   15 %. Плотность такой почвы, благодаря органическому гумусу, составляет 1,1-1,2 г/см3, в отличие от песчаных почв плотностью свыше 2 г/см3 при малом содержании гумуса. Средний же состав почвы: 93 % минеральных и 7 % органических веществ. Площадь черноземов на нашей  планете сейчас составляет примерно 600 млн га. Большая часть их представлена на равнинах. Ведущим специалистом в мире в области почвоведения был русский профессор В.В. Докучаев. Он же подробно изучил черноземы России. Лучшими по показателям были признаны тучные карловские черноземы - Полтавской губернии и воронежские. В качестве идеального образца и сейчас во Франции в метрологическом музее пребывает образец чернозема именно Воронежской губернии. Основные типы почв на территории России это: черноземы, подзолистые, дерново-подзолистые, подзолисто-болотные, серые лесостепные, пойменные, солончаки и др.

Страницы: 1, 2, 3, 4