Круговороты биогенных элементов Круговорот углерода Содержание

Круговороты биогенных элементов

Круговорот углерода

Содержание элементов в структуре биомассы

Круговорот углерода

Запасы углерода и кислорода

Круговорот кислорода

Сопряженная эволюция атмосферы и биосферы Годы до н. э. Литосфера 5 млрд. лет Возникнове ние Солнечной системы Биосфера Гидросфера Атмосфера Свободный кислород отсутствует

Полосчатые железорудные формации

Скорость круговоротов: расщепление воды (фотосинтез) и восстановление (дыхание растений и животных) – 2 млн. лет; кислород проходит через живое вещество – 2000 лет; СО 2 (дыхание-фотосинтез) – 300 лет

Круговорот азота

Химические соединения азота n

Фиксация азота Физико-химическая фиксация в атмосфере Биологическая фиксация: n n Симбиотические микроорганизмы 1. Симбиоз с бобовыми (Rhizobium) 2. Симбиоз с гинкго, ольхой, и др. n Свободноживущие Аэробные микроорганизмы (Azotobacter) Анаэробные микроорганизмы (Clostridium) Сине-зеленые водоросли (Nostoc и другие виды порядка Nostocales) Пурпурные бактерии (Rhodospirillum) n n Промышленная фиксация (минеральные удобрения)

Составляющие круговорота азота n Аммонификация (микроорганизмы аммонификаторы) n Нитрификация (Nitrosomonas, Nitrobacter) n Денитрификация (Pseudomonas denitrificans)

Поступление и потери азота

Нарушение круговорота азота n n n Аккумуляция нитратов в гидросфере (ежегодный избыток нитратов – 9 млн. лет) Избыток нитратов в почве и накопление в продуктах питания Фотохимический смог

Фотохимический смог n Фотохимический смог – продукт реакции оксидов азота с кислородом, углеводородами, сернистым ангидридом Оксиды азота (N 2 O, NO 2) образуются при горении в двигателях внутреннего сгорания Концентрация CO NO Скорость движения

Фотохимический смог + 72 ккал n NO 2 NO n 2 NO + + О 2 О NO 2 + 28, 4 ккал О 3 NO 2 + О 2 NO + М n n О О 3 + + О 2 NO Сол. энергия n NO 2 + О 2 О 3

Фотохимический смог n n n 1. 2. 3. При взаимодействии с углеводородами образуются свободные радикалы ПАН (пероксилацилнитраты) – продукт взаимодействия свободных радикалов, оксидов азота и серы Условия возникновения фотохимического смога: Высокая концентрация загрязняющих веществ в атмосфере при большом количестве автомобилей Высокий уровень инсоляции Особенности рельефа, не обеспечивающего рассеивание загрязнителей

Круговорот фосфора n n n Круговорот фосфора незамкнутый с резервным фондом в литосфере Общие запасы фосфоритов (осадочные породы) составляют 20 млрд. тонн. Крупные месторождения: США, Марокко, Алжир, Тунис Аппатиты (изверженные горные породы). Крупные месторождения: Кольский полуостров, в горах хребта Каратау на юге Казахстана

Круговорот фосфора

Проблемы круговорота фосфора n n Фосфор – лимитирующий фактор водных и наземных экосистем. На щелочной и окисленной поверхности Земли фосфор включается в нерастворимые соединения – фосфат кальция и фосфат трехвалентного железа. Увеличение концентрации соединений фосфора в экосистемах ведет к нарушению круговорота азота и серы и к эвтрофикации.

Эвтрофикация экосистем Отношение N/P = 15/1 n При увеличении концентрации фосфора (минеральные удобрения) дефицитным становится азота, происходит смена доминантов: n Примеры: Диатомовые водоросли и динофлагеляты замещаются зелеными жгутиковыми в присутствии органических соединений азота (мочевина) В пресноводных водоемах начинают доминировать сине-зеленые водоросли При увеличении концентрации всех необходимых биогенных элементов увеличивается продуктивность высших сосудистых растений. Во всех случаях начинается процесс зарастания водоемов Эвтрофикация биосферы – ускорение круговоротов биогенных элементов n

Круговорот серы n Биологическое значение серы: Входит в состав аминокислот (метионин и др. ) Определяет пространственную структуру молекул белка (дисульфидные связи)

Круговорот серы: замкнутый, газообразного цикла, резервный фонд в литосфере (сульфиды железа и меди – железный и медный колчедан) Литосфера 25, 5 х 109 млн. т Гидросфера 1, 3 х 109 млн. т Атмосфера 4, 83 млн. т n

Круговорот серы, реакции восстановления серы n n n в биогенный круговорот сера вовлекается в виде сульфатов из почвы и гидросферы При микробиологическом разложении мертвого органического вещества образуется сероводород ( а также метилсульфид и диметилсульфид) Анаэробные микроорганизмы Desulfovibrio (обитатели ила континентальных шельфов, серо-голубого ила эстуариев, болот) восстанавливают сульфаты до сульфида водорода

Реакции окисления серы n n В аэробных условиях сероводород окисляется до двуокиси серы серобактериями (бесцветные, зеленые, пурпурные) Сернистый ангидрид взаимодействует с водой, образуя сульфаты и серную кислоту

Современный круговорот серы n n n Из литосферы ежегодно извлекается 150 млн. т/год В атмосферу (переработка) поступает 90 млн. т/год и далее в океан, с мин. удобрениями 28 млн. т/год извлекается с урожаем 5, 6 млн. т/год Со сточными водами непосредственно в гидросферу 32 млн. т/год

Нарушение круговорота серы n n Величина годового извлечения серы на 8 порядков ниже ее содержания в литосфере, в гидросфере также, в атмосферу антропогенный выброс превышает содержание серы в 20 раз Литосфера 25, 5 х 109 млн. т 180 млн. лет Гидросфера 1, 3 х 109 млн. т 8 млн. лет Атмосфера 4, 83 млн. т 7 дней

Поступление серы в атмосферу Источники наст. время до хоз. деятельн n Вулканизм 20 млн. т n Морские соли 140 млн. т n Биогенная эмиссия 70 млн. т n Ветровая эрозия 20 млн. т 10 млн. т n Индустриальные 90 млн. т 0 Из них 65 млн. т от сжигания угля и нефти 88 % SO 2 n

Проблемы загрязнения окружающей среды соединениями серы n Локальный уровень SO 2 на свету взаимодействует с хлорофиллом с выделением сероводорода (повреждение лесных насаждений вокруг медеплавильных заводов) Предельно допустимая концентрация (ПДК) SO 2 0, 1 млн-1 - в городах до 1, 5 и более - лишайники исчезают при 35 млрд-1

Химический смог: накопление SO 2 и серной кислоты в инверсионном слое

Региональный уровень проблем – кислотные дожди n n n р. Н осадков < 4, 7; 2, 5 и ниже Подкисление пресных водоемов, влияние на биоту Подкисление почв, снижение урожайности Разрушение конструкций зданий и памятников архитектуры и искусства Трансграничный перенос и межгосударственные конфликты

Глобальный уровень проблем n Накопление в стратосферном слое (участие в процессах разрушения озонового экрана)

Решение проблем Очистка от примесей топлива и дымовых газов очистка на 50 % увеличивает стоимость производимой энергии на 15 -20 % на 95 % - стоимость возрастает в несколько раз Нормирование выбросов (национальное регулирование) Международные соглашения: Конвенция о мониторинге трансграничного переноса загрязняющих веществ (1979) Стокгольмская Международная конференция по закислению окружающей среды (1988) Международные стандарты n