Лекция 6 Биогеохимические циклы в экосистемах Содержание лекции: 1. Структура экосистемы. 2. Перенос вещества и энергии в экосистеме. 3. Блочная модель круговорота биогенных элементов в природе. 4. Биогеохимические циклы основных биогенных элементов. 1
Что такое экосистема? Артур Тенсли (1871 -1953) в 1935 г. англ. ботаник-эколог предложил понятие «экосистема» . Экосистема – единый комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, водоем, почва и т. д. ), в котором живые (биотические) и неживые (абиотические) компоненты обмениваются между собой веществами и энергией. 2
Структура экосистемы 1. Живые организмы (биоценоз) - фитоценоз - зооценоз - микроценоз - микоценоз 2. Неживая природа (биотоп) - климатические факторы - арографические - эдафические - химические соединения (Н 2 О, СО 2, О 2 и др. ) 3. Приток энергии (первичный источник Солнце) 3
Типы питания различных организмов (способы добычи органического вещества) Автотрофный организмы создают органические вещества самостоятельно автотрофы низшие и высшие растения Хемоавтотрофия использование энергии химических связей (бактерии) Гетеротрофный Симбиотические организмы лишайники эвглена зелёная организмы используют готовые органические вещества гетеротрофы животные человек грибы Фотоавтотрофия использование кванта света (зеленые растения) 4
Комплементарные процессы в живых системах Фотосинтез n CO 2 + n H 2 O (CH 2 O)n + n O 2 углеводы hγ хлорофилл (CH 2 O)n + n. O 2 углеводы n CO 2 + n H 2 O + E (АТФ) Дыхание 5
ХЕМОСИНТЕЗ • ( от греч. chemie –химия, sintez –синтез) - процесс бессолнечного синтеза органических веществ, осуществляемый хемосинтезирующими бактериями (1887 г. Виноградский С. Н. ) • необходимую энергию хемосинтезирующие бактерии получают, окисляя неорганические вещества (H 2 S, NH 3, H 2, Fe. S 2 и т. д. ) во внутриклеточных экзотермических реакциях. • хемотрофы впервые в истории развития жизни в условиях первобытной Земли научились использовать энергию превращения химических соединений для своих жизненных нужд. • первыми легкодоступными источниками энергии для древних анаэробных бактерий-хемотрофов были окислительновосстановительные процессы с участием соединений S и Fe 6
Хемосинтезирующие бактерии Серобактерии (род Desulfovibrio) получают энергию, осуществляя воостановительный процесс (анаэробная сульфатредукция) : SO 42 - +4 H 2 + 2 H+ H 2 S + 4 H 2 O + 154 к. Дж Благодаря сульфатредукции в толщах морей и океанов формируются слои, содержащие H 2 S в высоких концентрациях, например, в Черном море «сероводородные воды» занимают ~90% объема моря. Серобактерии (род Thiobacillus) получают энергию в процессе реакции окисления S, H 2 S , S 2 O 32 -, используя в качестве окислителя NO 3 -: 5 S + 6 NO 3 - + 2 H 2 O 5 SO 42 - + 3 N 2 + 4 H+ + 2730 к. Дж Жизнедеятельность подобных хемотрофов может создавать серьезные проблемы 7
Серобактерии (Thiobacillus ferrooxidans ) 4 Fe. S 2 + 15 O 2 + 6 H 2 O 4 Fe(OH)SO 4 + 4 H 2 SO 4 Угроза кислотного загрязнения водоемов р. Н~2 8
Нитрификаторы – важнейшие хемотрофы, окисляющие в две стадии NH 3 1. Бактерии род Nitrozomonos 2 NH 3 + 3 O 2 2 HNO 2 +2 H 2 O + 660 к. Дж 2. Бактерии род Nitrobacter 2 HNO 2 + O 2 2 HNO 3 + 158 к. Дж 9
Сравнение хемотрофов и автотрофов Различие Источники энергии, которые они используют на построение органических молекул: - автотрофы – солнечная энергия - хемотрофы – энергия химических связей Сходство Фиксируют СО 2 и запасают АТФ Жизнедеятельность автотрофов, гетеротрофов и хемотрофов являет собой единство процессов, в которых участвуют разнообразные неорганические и органические вещества, а также происходят превращения различных форм энергии 10
Функциональные группы живых организмов Продуценты Гетеротрофные организмы потребляют первичную продукцию; Источник питанияпродуценты Консументы I порядка III порядка Автотрофные организмы, преобразуют электромагнитное излучение Солнца в энергию химических связей органических веществ в процессе фотосинтеза Редуценты поглощают готовое органическое вещество (Деструкторы) гетеротрофные организмы, разлагающие органические остатки 11
Схема переноса вещества и энергии в экосистеме Перенос вещества Перенос энергии СО 2 hγ Продуценты Зеленые растения Консументы I порядка (фитофаги) Консументы II порядка (хищники) -Е Н 2 О Редуценты (бактерии, грибы, насекомые) Минеральные вещества 12
Трофическая цепь это потоки элементов питания и энергии от одного организма к другому в различных экосистемах 1) Клёст, Куница, Сосна, Песец, Медведь, Волк, Лиса 2) Ромашка, Стрекоза, Бабочка, Лягушка, Лиса, Цапля, Волк 3) Жук-навозник, подстилка, синица, лиса, волк, медведь, куница 13
Типы пищевых цепей Детритные 1 звено – детрит 2 звено – консументы 1 -го порядка (детритофаги) 3 звено - консументы 2 -го порядка (зоофаги) Пастбищные 1 звено – продуценты 2 звено – консументы 1 -го порядка (фитофаги) 3 звено - консументы 2 -го порядка (зоофаги) Хищники высшего порядка 14
Взаимодействуя между собой, функциональные группы организмов образуют биологический круговорот Начало Продуценты - зеленые растения (синтез и запас питательных веществ) Продолжение Консументы - растительноядные, плотоядные, всеядные, паразиты (потребление запасов питательных веществ и энергии) Завершение Редуценты (бактерии, грибы, некоторые насекомые, черви) (питание органическими веществами мертвых растений и животных, разлагая остатки с образованием СО 2 и Н 2 О) 15
Блочная модель круговорота биогенных элементов в экосистеме АКТИВНЫЕ БЛОКИ ( обменный фонд элементов) - Живые организмы - Мертвый органический детрит - Доступные неорганические вещества ДОБАВОЧНЫЕ БЛОКИ (резервный фонд) - Косвенно-доступные неорганические вещества -Косвенно-доступные органические вещества (осаждающиеся) 16
Блочная модель круговорота биогенных элементов в природе Детритное питание Живые организмы Асси миля ция и про дук ция Смерть, выделения Дыхание С, Н, О ие н га и сж Доступные неорганические питательные вещества выветривание, эрозия, связывание Мертвый Органический детрит ие н ва K ы a, ым , N В а С е и ен ож , S зл , P Ра , N C Атмос. Ферные Осадки, Осаждение Косвенно доступные неорганические питательные вещества Эро зия торфоугленефте образо вание Косвеннодоступные Органические Питательные вещества сжигание 17
Основоположники учения о биогеохимическом круговороте Теоретические основы учения о круговороте веществ были заложены в трудах выдающихся естествоиспытателей – В. И. Вернадского, А. П. Виноградова, Б. Б. Полынова, В. Р. Вильямса. В. И. Вернадский положил начало биогеохимии – науке о геохимической роли организмов. Б. Б. Полынов является основателем геохимии ландшафтов – науки о химическом составе, закономерностях миграции химических элементов в ландшафте. В. Р. Вильямс разработал концепцию большого геологического и малого биологического круговоротов веществ «Если хочешь конечное превратить в бесконечное, заключи его в цикл» Р. В. Вильямс 18
Биогеохимический цикл Термин ввел В. И. Вернадский - это перемещения и превращения химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества. – замкнутый в большей или меньшей степени путь, в котором 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. Замкнутость нормальных биогеохимических циклов неполная Это важное свойство обусловило биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере Земли, а также различных химических элементов и их 19 соединений в литосфере.
Велика способность к возвращению в исходное состояние Биогеохимические циклы Циклы газообразных веществ (С, N, O) Нарушения могут быстро устраняться за счет наличия крупных атмос ферных или океанических подвижных фондов , В глобальном масштабе циклы «хорошо забуференны» Самоконтроль затруднен Такое деление – проявление склонности химических элементов образовывать соединения того или иного типа в условиях Земли. Осадочные циклы (P, Fe, Ca) Легко нарушаются в результате локальных изменений, так как основная масса вещества сосредоточена в малоактивном резервном фонде, Явление «забуференности» не выражено 20
Обоснуйте каждое высказывание: • Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, возвращение элементов в круговорот, во многих случаях основаны на биологических процессах. • Человек чаще всего не в силах поправить положение дел, если по его вине нарушено равновесие в цикле. Он может лишь ждать, уповая, что «время вылечит» . • В связи с хозяйственной деятельностью человека и вовлечением в биосферный поток техногенных продуктов этой деятельности возникли проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. • Циклы некоторых элементов (S, N, P, K, тяжелых металлов) превратились в настоящее время в природно-антропогенные, характеризующиеся значительной незамкнутостью. • Некоторые соединения и материалы, созданные человеком не способны включаться в природные и природно-антропогенные циклы, так как не перерабатываются в экосистемах, загрязняя их и являясь абсолютно чуждыми живому веществами. вед 21
Биогеохимический цикл углерода Углерод в атмосфере содержится в виде СО 2 0, 03% Масса С в атмосфере ~600 млрд. т, что примерно в 2 раза больше массы С, находящегося в живых организмах. Круговорот С начинается с фотосинтеза hγ 6 СО 2 + 6 Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 22
23
24
Круговорот азота 25
Круговорот фосфора 26
Тяжелые металлы. Свинец, медь, цинк и кадмий как загрязнители почвы. 27
Тяжелые металлы. • Из технической литературы: группа химических элементов, имеющих плотность более 5 г/см 3. • Плотность: Медь 8, 96 г/см 3 Цинк 7, 1 г/см 3 Кадмий 8, 65 г/см 3 Свинец 11, 34 г/см 3. • Биологическая классификация: относят все металлы с относительной атомной массой более 40. • В сельском хозяйстве медь и цинк относят к микроэлементам. 28
Свинец • Кларк в земной коре 1, 6 х10 -3 % (или 16 мг/кг). • Содержание в гранитоидном слое суши по В. В. Добровольскому (1983) составляет 108864 х109 тонн. • В живом веществе 1 х10 -4 %. • В морской воде 3 х10 -9 %. • В естественный уровень в атмосфере 5 х104 мг/м 3. В промышленных районах его содержание в воздухе в 10000 раз больше. • Важным компонентом биогеохимического круговорота свинца является атмосферно – гидросферный перенос. 29
Цинк • Кларк в живом веществе 2 х10 -3 • Коэф. -т биологического поглощения цинка в 12 раз выше, чем у свинца. • Средняя концентрация растворенных форм цинка в океане около 5 мкг/л, масса – 6, 8 х109 т. • Технофильность (отношение ежегодной добычи элемента к его кларку, мера использования элемента) цинка достаточно высока 5 х108. • В среднем концентрация цинка в перегнойноаккумулятивном слое почв составляет 48 – 50 мкг /г. • В кислых кислородных и глеевых водах многие соединения цинка растворимы, поэтому коэф. т водной миграций цинка выше 3, а свинца только 0, 5. 30
Медь • • • Кларк в земной каре 4, 3 х10 -3%. Кларк в живом веществе 3, 2 х10 -4%. Технофильность 1 х109. Рудные минералы : халькопирит (Cu. Fe. S 2), ковеллин ( Cu. S). В поверхностных водах медь мигрирует с глинистыми частицами. Биофильность меди обуславливает биогенный характер её накопления в аккумулятивно – перегнойных горизонтах почв. Слабо мигрирует в гумидных ландшафтах со слабо кислыми водами – таежных, тропических. Степях и пустынях медь мало подвижна. В морских водах медь не накапливается, т. к. сравнительно быстро происходит её осаждение в сероводородных илах. 31
Кадмий • Кларк в земной коре 1, 3 х10 -5 -1, 8 х10 -5%. • Кларк в живом веществе 2 х10 -7 %, но отдельные организмы, например моллюски, концентрируют этот элемент: в золе улиток содержание может достигать 0, 04%. • Его производство около 14000 тонн в год. • Все соединения кадмия независимо от их агрегатного состояния (пыль, дым, туман, пары) – токсичны. • Удаление из организма происходит чрезвычайно медленно 20 – 30 лет. 32
загрязнения ТМ (мг/кг воздушно – сухой почвы, общее содержание для почв с кислой и слабокислой реакцией). Уровни содержания и загрязнения Свинец Кадмий Цинк Медь Содержание Очень низкое <5 <0, 05 <15 <5 Низкое 5 -10 0, 05 -0, 10 15 -30 5 -15 Среднее 10 -35 0, 10 -0, 25 30 -70 15 -50 Повышенное 35 -70 0, 25 -0, 50 70 -100 50 -80 Высокое 70 -100 0, 50 -1, 00 100 -150 80 -100 33
Продолжение Уровни содержания и загрязнения Свинец Кадмий Цинк Медь Загрязнение Слабое 100 -150 1 -2 150 -200 100 -150 Среднее 150 -500 2 -5 200 -500 150 -250 Высокое 500 -1000 5 -10 500 -1000 250 -500 Очень высокое >1000 >500 34
Источники поступления тяжелых металлов в почву • Поступление из атмосферы. • Поступление с минеральными удобрениями. • Поступление с пестицидами. • Поступление с осадками сточных вод и бытовым мусором. • Поступление с отходами промышленности. 35
Основные источники загрязнения связанные с деятельностью человека. • Тепловые и иные электростанции 27% • Предприятия черной металлургии 24, 3% • Предприятия по добыче и переработке нефти 15, 5% • Транспорт 13, 1% • Предприятия цветной металлургии 10, 5% • Предприятия по добыче и изготовлению строительных материалов 8, 1% • Поступление с минеральными удобрениями • Поступление с пестицидами 36
Поступление в почву пыли и химических элементов из атмосферы (Г. А. Гармаш, 1985) Расстояние от предприятия Объект исследования Содержание мг на 1 л (или на 1 кг) Медь Цинк Свинец Более 50 км Снеговая вода 0, 007 0, 057 0, 008 1 км от комбината черной металлургии Снеговая вода 0, 43 5, 8 0, 49 1, 2 км от Снеговая вода цинкоплавильного завода 0, 41 15, 4 0, 39 37
Круговорот тяжёлых металлов 38
Загрязнение почв и вод ТМ и др. токсикантами ставит перед нами множество задач, важными из которых являются следующие: • Разработка ПДК ТМ и др. токсикантов в почвах. • Разработка методов анализа, адекватных к высоким концентрациям загрязнителей в почве. • Классификация антропогенных почв, в том числе измененных в результате загрязнения. 39
Резюме: • Важное свойство биосферы - способность обеспечивать круговорот элементов и веществ. Элементы могут многократно циркулировать между организмами и окружающей средой. Циркуляция биогенных элементов обычно сопровождается их переходом из одних химических веществ в другие. • Природные циклы относительно замкнутые • В ходе хозяйственной деятельности человека возникли природно-антропогенные циклы, которые характеризуются значительной незамкнутостью, что приводит к загрязнению окружающей среды и истощению природных ресурсов • Все биогеохимические циклы взаимосвязаны в природе и в совокупности формируют устойчивую структуру биосферы в целом. 40
• • • Планетарный круговорот веществ – процесс перемещения и превращения вещества, неизменно повторяющийся цикл развития в системе земных геосфер (литосфере, гидросфере, атмосфере, педосфере) и, прежде всего, в биосфере. Символом круговорота служит не круг, а циклоида – линия, описываемая точкой, находящейся на ободе движущегося колеса, т. е. движение (развитие) по спирали, имеющее более или менее выраженный циклический характер. Как отмечает А. И. Перельман, термин "круговорот" нельзя признать удачным, так как он создает впечатление о развитии по кругу, о возвращении системы в прежнее состояние. В действительности круговорот элементов обратим не полностью, часть веществ из него изымается и фоссилизуется (захоранивается) в биосфере и стратисфере (осадочной оболочке Земли и слоистых вулканических породах) в виде гумуса, пород и минералов (известняков, торфа и др. ). В результате системы не возвращаются в прежнее состояние, для них характерно поступательное развитие. Круговорот веществ – основное свойство геосфер различных уровней, отражение единства вещества на планете. Он создает основной механизм превращения на Земле вещества (солей, газов, взвесей и т. д. ) и энергии (теплоты) и объединяет разные слои (оболочки) планеты. Например, вулканические извержения поставляют СО 2 в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразование изымают СО 2, связывая углерод в карбонатах и органических соединениях. Таким образом, происходит обратная связь между глубокими частями земной коры (а возможно, и верхней мантии) и биосферой, названная А. И. Перельманом «геохимическим циклом (круговоротом)» , в котором участвует земная кора (биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочки) и который включает в себя тектономагматические и биосферные циклы. Теоретические основы учения о круговороте веществ (химических элементов) были заложены в трудах выдающихся естествоиспытателей – В. И. Вернадского, А. П. Виноградова, Б. Б. Полынова, В. Р. Вильямса. В. И. Вернадский положил начало биогеохимии – науке о геохимической роли организмов; Б. Б. Полынов является основателем геохимии ландшафтов – науки о химическом составе, закономерностях миграции химических элементов в ландшафте; В. Р. Вильямс разработал концепцию большого геологического и малого биологического круговоротов веществ, 41
Спасибо за внимание! 42
Скачать презентацию Лекция 6 Биогеохимические циклы в экосистемах Содержание лекции
Лекция 7 Биогеохимические циклы.ppt