Ресурсный цикл, как антропогенный круговорот
Один из способ более эффективно использовать ресурсы — рециркуляция (вторичное использование). Детали неработающей техники можно переплавлять и из этого металла производить новую. Разбитое стекло добавляют при выплавке к новому и т. д.
Однако в процессе использования многие в-тва рассеиваются в окружающей среде. Истирается резина, ржавеет и разносится ветром железо, смывается цинковое покрытие с водосточных труб и т. д. Поэтому далеко не вся масса в-тва, из которого была сделана какая-либо вещь, может использоваться вторично. Кроме того, для рециркуляции отходов необходимо их собрать, что иногда бывает сложнее, чем добыть сырьё из месторождений. Даже металлы - наиболее удобный продукт для вторичного использования - получают в основном из первичных источников (т. е. из руд), а доля вторичных (металлолом, отходы и т. п.) обычно не превышает 20 %.
Круговорот в-тв.
Главная функция биосферы заключается в осуществлении круговорота химических элементов. Глобальный биотический круговорот совершается при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов.
В круговороте веществ, как в многократном участии веществ в процессах, протекающих в атмосфере, литосфере, гидросфере, различают малый круг биотического обмена и большой (биосферный).
Большой круг обмена в-тв - это безостановочный планетарный процесс циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы. Большой круг биотического обмена наиболее ярко проявляется в круговороте воды и циркуляции атмосферы.
Малый биотический круговорот происходит на основе большого и заключается в циркуляции веществ между растениями, животными и микроорганизмами.
Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биотический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.
Круговорот воды.
Думай сам!
Круговорот металлов.
В круговороте большинства металлов значительна роль антропогенного фактора. В производство металлы поступают из двух основных источников: первичного - из руд и вторичного - в результате рециркуляции. Нерециркулирующие отходы должны возмещаться за счет первичного материала, что ведет к истощению природных ресурсов. Характерный пример рециркуляции металла - техногенный цикл алюминия (рис.).
69. Круговорот углерода и СО2
Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. По распространенности во Вселенной углерод занимает третье место (после водорода и гелия). Его роль в возникновении жизни на Земле огромна. Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферной двуокиси углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся в процессе фотосинтеза углеводов используется самими растениями для получения энергии, другая часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане. Рассмотрим все эти процессы более подробно и аргументировано.
Предполагается, что при образовании земной коры часть углерода вошла в состав ее глубинных слоев, а другая часть была удержана атмосферой в виде СО. При понижении температуры протекает реакция
Н2О (пар) + СО = Н2 + СО2 + 41,868 кДж. (4.1)
Поэтому ко времени появления на Земле жидкой воды углерод должен был находиться в виде СО2. На рис. представлен биогеохимический цикл углерода.
По направлению 1 растения постоянно извлекают углекислый газ из атмосферы и через пищевые связи передают животным (направление 2). Линии 3,4 показывают, что дыхание животных, растений, тление их остатков постоянно возвращают углерод атмосфере и водам океана в виде СО2. Линия 5 отражает частичный вывод углерода из кругооборота за счет минерализации растений, линия 6 - аналогичный процесс за счет минерализации животных. Согласно направлению 7 происходит еще более мощный вывод углерода из кругооборота за счет неорганического процесса выветривания горных пород.
При выветривании металлы под действием СО2 атмосферы переходят в карбонаты, затем водой вымываются и попадают в океан. За год связывается около 2 млрд т углерода. Линия 8 отражает частичный возврат углерода в круговорот за счет природных процессов - извержений вулканов, газовых источников, действия образующейся при грозах НNОз на известняк и т.п. В природе наблюдается тенденция к уменьшению содержания СO2 в атмосфере.
Однако реально природные процессы протекают в условиях антропогенного воздействия. Оно проявляется в изменении площади зеленых насаждений, возвращении углерода из биологических тупиков при сжигании топлива и т. д. Влияние человека на природный круговорот углерода можно представить схемой (рис. 4.5).
Повышение содержания СO2 в атмосфере в свою очередь обусловливает экологические проблемы, в частности, «парниковый эффект», при котором тепловое излучение Земли поглощается атмосферой.
70. Круговорот N2
Азот - один из самых распространенных элементов на Земле, важнейшая составляющая живого вещества. Круговорот азота также охватывает все области биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после его соединения с водородом или кислородом. Важнейшую роль при этом играют азотфиксирующие бактерии. Азот вовлекается в биогенный круговорот двумя путями: 1) путем растворения разных оксидов азота в дождевой воде и поступления его таким образом в почвы, воду и океан; 2) путем биологической фиксации азота клубеньковыми бактериями, свободными азотфиксирующими микроорганизмами. Азот в живых организмах занимает очень важное место, он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Молекулярный азот атмосферы могут усваивать лишь некоторые микроорганизмы и сине-зеленые водоросли, переводя его в азотистые соединения. Азотфиксация является важнейшим биологическим процессом, играющим важную роль в круговороте азота в природе и обогащающим почву и водоемы связанным азотом.
Остатки организмов на поверхности Земли и погребенные в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический азот подвергается многочисленным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий вновь образуется элементарный азот, возвращающийся непосредственно в атмосферу.
При разложении белков образуются также аммиак и его производные, попадающие также в воздух и воду океана. В биосфере в результате нитрификации — окисления аммиака и других азотсодержащих органических соединений при участии бактерий — образуются различные оксиды азота, которые являются основой образования азотной кислоты. Азотная кислота, соединяясь с металлами, дает соли. В результате деятельности денитрофицирующих бактерий соли азотной кислоты восстанавливаются до азотистой кислоты и далее до свободного азота.
Поясним всё сказанное с помощью схемы и химических реакций.
На рис. представлена схема круговорота азота с учетом физико-химических превращений. Направление 1, характеризующее переход от N2 к HNO3, является важнейшим природным процессом.
Электрические разряды (грозы) в теплой и влажной атмосфере отдаленных геологических эпох обусловливали частичную диссоциацию N2 (г) и Н2О (пар) на атомы элементов, связывание атомов N в NO, а затем в NО2 и HNO3. Вместе с дождями HNO3 попадала на Землю и нейтрализовалась солями более слабых кислот, в частности, угольной. Азот может быть использован биологической системой непосредственно за счет его фиксации. Переход 1 в природе протекает за счет биологической фиксации азота клубеньковыми бактериями. В гидросфере фиксацию осуществляют сине-зеленые водоросли (направление 2): N2 -сине-зеленыеводоросли ->2N(фиксация). (4.2) 2 N + 3Н2 -> 2NH3.
Линия 3 показывает, что с развитием органической жизни нитраты послужили материалом для выработки белковых веществ. При гниении (линия 4) связанный азот переходит в аммиак и соли аммония: NH2-(CH2)X-COOH - аммонификация-> 6NH3 + CO2 + H2O.
Конечные продукты гниения частично вновь усваиваются растениями 5, а частично перерабатываются в почве в нитраты, т. е. подвергаются нитрификации (6): 2NH3 + 3O2 -нитробактерии-> 2 HNO2 + 2H2O + 720 кДж ; 2 HNO2 + O2 -нитробактерии-> 2 HNO2 + 92 кДж
Азотная кислота, реагируя с находящимися в почве карбонатами, например, кальция, образует нитриты.
На этом основной цикл превращений связанного азота (1-6) замыкается. В нем есть источники потерь, в частности, по реакции (линия 7) 5 С + 4 KN03 -денитрофицирующие бак.-> 2K2C03+3C02+2N2+1334 кДж .
Кроме того, при нитрификации 8 и гниении 9 всегда выделяется определенное количество свободного азота.
Наряду с источниками потерь связанного азота, в природе есть также источники его пополнения. За счет электроразрядов 7 в почву ежегодно вносится до 15 кг связанного азота на гектар; за счет азобактерий - до 50 кг на гектар по реакции: 2 N2 + 6 Н2О + 3 С + 346 кДж = 4 NH3 + 3 СО2.
Деятельность человека сказывается и на утечке, и на поступлении связанного азота в биосферу. Утечки 7,9 вызываются сгоранием топлива, например фурана, в жидкостном реактивном двигателе: C4H4O + 3,6HNO3 = 4CO2 + 3,8H2O+1,8N2, широким применением взрывчатых веществ.
Люди научились создавать искусственные экосистемы, выращивая урожаи кукурузы, пшеницы и других зерновых культур без участия бобовых. При этом азот воздуха фиксируется на химических заводах. Искусственно полученные аммоний и нитрат представляют собой основные ингредиенты минеральных удобрений. Однако их высокая цена вынуждает специалистов реконструировать естественные условия, чередуя в севообороте бобовые и остальные культуры.
Круговорот P
Фосфор - очень важный элемент для всего живого, элемент жизни на Земле, поскольку участвует в образовании и превращении азотистых веществ и углеводов в живых тканях - биосинтез белков, нуклеиновых кислот, играющих главную роль в хранении и передаче наследственной информации и обеспечивающих синтез белков в клетках, пептидов и др.; входит в состав скелета, тканей, мозга, хромосом, ферментов, вирусов, протоплазмы живой клетки. По сравнению с азотом, фосфор - относительно редкий элемент, например, отношение P:N в природных водах составляет примерно 1:23.
Обычно рассматривают континентальный круговорот фосфора, в целом относительно медленный, который складывается из малых круговоротов в почве, растительности и поверхностных водах; гидробиогеохимический, относительно быстрый, с учетом речного стока и Мирового океана.
Цикл фосфора в биосфере открытый, неравновесный. Энергетической основой миграции фосфора является фотосинтез. На рис. 4.8 представлены закономерности биохимических превращений фосфора как элемента жизни.
Антропогенное воздействие ведет к нарушению круговорота фосфора за счет вырубки лесов, использования удобрений и т. п.
Природные фосфаты имеют ограниченные запасы, которые могут истощиться при современном темпе вывода их из естественного круговорота фосфора за 75-100 лет. Это, с учетом огромного значения фосфора для жизнедеятельности живого вещества, требует бережного к ним отношения. Как заметил образно Э. Диви-младший: «...фосфор слишком драгоценен, чтобы отдавать его на съедение сине-зеленым водорослям». Важная задача, стоящая перед человеком, - корректировка ресурсного цикла с тем, чтобы поддерживать естественный круговорот фосфора.
Круговорот S
Сера является важным составным элементом живого ве-щества. Большая часть ее в живых организмах находится в виде орга-нических соединений. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ: витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты.
Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в за-висимости от окислительно-восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше 420 минералов.
В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных минералов: пирита FeS2, пирронита Fe7S8, халькопирита FeCuS2, в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов CaSO4З2H2O, в ископаемых углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические соединения.
В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан, где SO42- занимает второе место по распространению после Cl-. Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные. Обобщенная схема круговорота серы представлена на рис.
Направление 1 отвечает переходу от сульфидов и сероводорода к элементарной сере. При недостатке кислорода происходит накопление серы в виде залежей; при избытке - постепенный переход в серную кислоту (направление 2). Затем серная кислота, реагируя с различными солями, содержащимися в воде и почве, переходит в сульфаты.
Согласно линии 3 в биосфере идет, кроме окислительных процессов 1,2, и восстановительный. Сульфаты, уносимые водами рек в моря, образуют пласты, которые в результате геологических смещений земной коры попадают в более глубокие слои Земли. Под влиянием повышенных температур сульфаты реагируют с увлеченными при осаждении органическими веществами.
Сероводород выходит на поверхность земли либо прямо в газообразном состоянии, либо растворившись предварительно в подземных водах.
Аналогично переход осуществляется под влиянием бактерий, когда восстановительные процессы протекают при разложении органических веществ под слоем воды, содержащей растворимые сульфаты.
Направление 4 показывает, что сульфаты, содержащиеся в почве, извлекаются растениями и претерпевают превращения до серусодержащих белков, которые частично усваиваются животными, а после отмирания как их, так и растительных организмов разлагаются (линия 5). Сера выделяется в виде H2S и вновь вводится в круговорот.
В круговороте серы велика роль микроорганизмов. Специализированные микроорганизмы выполняют следующие реакции: а) H2S -> S -> SO42- - бесцветные, зеленые и пурпурные серобактерии; б) SO42- -> H2S - (анаэробное восстановление сульфата); в) H2S -> SO42- (анаэробное окисление сульфида); г)органическая сера -> SO42-, H2S - аэробные и анаэробные гетеротрофные микроорганизмы, соответственно.
Несмотря на то, что в круговороте серы протекают как окислительные, так и восстановительные процессы, часть серы выводится из кругооборота, восстановление не компенсирует окисление. Это усугубляется и сознательной деятельностью человека, который переводит природные сульфиды в сульфаты, например, при производстве серной кислоты, выплавке металлов из сернистых руд. Соединения серы, поступившие техногенным путем в атмосферу с суши, почти целиком возвращаются на земную поверхность и пагубно воздействуют на природные комплексы.
73. Круговорот O2
Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели.
В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров.
Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислоро-да и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.
Цикл кислорода (рис.) тесно связан с циклами других элементов, в частности, углерода в виде углекислого газа.
Круговорот воды
Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании гео-логического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, кру-говорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.