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 ( 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.

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота.

Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые белками части

растений, например зерно. Поэтому в почву необходимо вносить удобрения,

возмещающие убыль в ней важнейших элементов питания растений. В основном

используются нитрат кальция Ca(NO3)2, нитрат аммония NH4NO3, нитрат натрия

NANO3, и нитрат калия KNO3. Например, в Таиланде используются листья

лейкаены как органическое удобрение. Лейкаена принадлежит к бобовым

растениям и, как и все они, содержит очень много азота. Поэтому ее можно

использовать вместо химического удобрения.

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»

М. Фримантл «Химия в действии»

Г. Рудзидис, Ф.Фельдман Химия 7-11.

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

[pic]