Вход

Круговорот веществ в биосфере

Реферат по экологии, охране природы
Дата добавления: 04 апреля 2010
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 94 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Вода и ее круговорот В.Ф.Попов, О.Н.То лстихин В момент образова ния Земли из протопланетного облака элементы ее будущей атмосферы и гид росферы находились в связанном виде в составе твердых веществ. Их формир ование было обусловлено выделением водяного пара и газов из верхней ман тии при ее дифференциации и вулканических процессах на ранних этапах ра звития Земли. Вода - уникальное вещество. Cо школьного курса химии известно, что молекул а воды H2O - гидроль состоит из двух атомов водорода и одного атома кислород а. Атомы водорода образуют с атомом кислорода угол примерно 105°, поэтому о дна сторона молекулы имеет общий положительный заряд, а другая - отрицат ельный. Так как электрические заряды разделены, то молекула воды предста вляет собой электрический диполь. Благодаря электрическому дипольному моменту в жидкой воде каждая гидроль может соединяться с другими молеку лами воды, но не более чем в двух водородных связях, имеющих электростати ческую природу. Вследствие этого в воде появляются молекулярные агрега ты в виде цепочек, колец и более сложных систем. В постоянном объеме общее количество водородных связей зависит от термодинамических условий. Та ким образом, жидкая вода представляет собой смесь мономерных (отдельных ) и полимерных (агрегированных) молекул, определяющих ее структуру. В холо дной воде структурировано около половины молекул, а при температуре кип ения - около трети молекул. Структурные особенности изменяются не только под действием температуры и давления, но и под влиянием растворенных со лей и газов, электрического и магнитного полей. Интересны факты положительного воздействия на человеческий организм т алой воды или воды побывавшей в магнитном поле. При замачивании семян се льскохозяйственных культур намагниченной водой резко возрастает их вс хожесть, а полив увеличивает урожайность. Широко применяется метод пред варительной магнитной обработки воды для уменьшения интенсивности обр азования накипи в паровых котлах. Структурное строение жидкой воды объясняет ее уникальные и аномальные свойства. Так, необходимость разрушения водородных связей предопредел яет высокую энергоемкость воды. В результате аномально высокими станов ятся теплоемкость (4,19 Дж/°С), температуры кипения (100 °С) и плавления воды (0 °С). Заметим, что другие водородные соединения группы кислорода (H2S, H2Se, H2Te) кипят и плавятся при отрицательных температурах (-61 и -82; -42 и -64; -4 и -51 °С соответственно ), которые ложатся на плавные линии, в зависимости от молекулярной массы в ещества. Экстраполяция этих линий дает следующие теоретические темпер атуры кипения и плавления воды порядка -7 и -100 °С. В совокупности с общими за кономерностями, вытекающими из периодического закона Д.И.Менделеева, во да в земных условиях должна была бы быть дурно пахнущим газом. Теплоемкость воды превышает теплоемкость спирта в 8 раз, бензола в 10,7 раза и песка более чем в 20 раз. Поэтому вода медленно нагревается и медленно ос тывает. Нужны большие затраты энергии для превращения льда в жидкость и жидкой воды в пар. Эти свойства определяют роль воды как аккумулятора эн ергии и главного регулятора климата на Земле. Вода обладает максимальной плотностью при температуре +4 °С, в то время ка к для других жидкостей максимальная плотность соответствует температу ре плавления. При температурах выше и ниже +4 °С вода имеет меньшую плотнос ть, то есть она расширяется. Поэтому лед не тонет в собственном расплаве. Б лагодаря этому водоемы замерзают с поверхности и образовавшаяся ледян ая корка защищает их от полного промерзания, а живые организмы от гибели. Вода обладает самой высокой из всех жидкостей диэлектрической постоян ной, в результате чего при растворении солей сила электрического взаимо действия между разноименно заряженными частицами уменьшается примерн о в 80 раз и соли диссоциируют на ионы. При этом вода в большинстве случаев н е участвует в химических реакциях с растворенными веществами и они могу т быть обратно получены через выпаривание. Эта особенность воды имеет ко лоссальное геологическое и биологическое значение. Уникальные свойства воды предопределяют особую ее миссию в формирован ии лика планеты Земля, ее физической и химической среды, а также в появлен ии и поддержании удивительного явления - жизни. Напомним, что человек поч ти на 70% состоит из воды. Работа тепловых машин Земли обуславливает круговорот воды в природе, пр и этом вода переходит из жидкого в газообразное и твердое состояния и об ратно. За счет притока вода испаряется с поверхности м орей и океанов, а также суши в количестве порядка 519 тыс. км3 в год. Часть воды , испарившейся с поверхности океанов, выпадает в виде осадков в океан, сов ершив, так называемый, малый круговорот. Другая часть воды в виде водяног о пара, переносимого воздушными течениями, достигает суши. Атмосферные о садки, выпавшие на суше, частью просачиваются в почву и образуют подземн ый сток, частью стекают по земной поверхности, образуя ручьи и реки, а в ос тальной части снова испаряются, в том числе и через процесс биологическо го испарения, связанного с жизнедеятельностью растений (транспирация) и животных. В конце концов, она снова достигает океана, завершая большой кр уговорот воды на земном шаре. Вода, будучи сильнейшим растворителем, играет огромную роль в геохимиче ских процессах. Промывая толщи горных пород, она вовлекает в круговорот большую часть химических элементов периодической системы Менделеева. На Земле нет дистиллированной воды. Любая вода содержит растворенные со ли, газы, органические и коллоидные вещества. Совместно с циркуляцией во ды в биосфере, растворенные в ней элементы также участвуют в круговороте . Количество растворенных веществ варьирует в очень широких пределах. Ми нерализация может составлять от первых миллиграммов на дм3 до почти 600 г/д м3. Пресными называют воды с минерализацией до 1 г/дм3. Химический состав воды Мирового океана по ряду химических элементов (Cl, Na, О, Ca, K) очень близок к химическому составу крови человека. Вероятно, с этим с вязано оздоровительное влияние морской воды на организм человека. В пит ьевой воде растворены важные для жизнедеятельности организма органиче ские и неорганические вещества. Вода, благодаря электролитической дисс оциации содержащихся в ней солей, кислот и щелочей, выполняет роль катал изатора разнообразных процессов обмена веществ в организме. Вода - обяза тельный компонент практически всех технологических процессов сельско хозяйственного и промышленного производств. Воды гидросферы использую тся то как сырье, то как теплоноситель, то как транспортная система, то как растворитель и почти всегда как среда, в которую удаляются всевозможные отходы. В силу широкого применения воды в промышленности и в сельском хо зяйстве, а также стремительного роста потребления воды во многих регион ах мира проблема воды является весьма актуальной. Необходимо бороться с истощением и загрязнением водных ресурсов планеты. Для питьевой воды существуют строгие стандарты качества (для России это ГОСТ - 2874). Вода должна быть эпидемиологически безопасной, не содержащей бо лезнетворных бактерий и вирусов. Состав воды имеет важное значение. Напр имер, недостаточное или чрезмерное содержание фтора приводит к поражен ию зубов. Питьевая вода должна удовлетворять по органолептическим свой ствам, таким как вкус, запах, прозрачность. Естественные ц иклы основных биогенных веществ Для обеспечения ж изнедеятельности растений и животных требуются различные химические э лементы, но только некоторые из них имеют преобладающее значение. Основа жизни - белки, углеводы и жиры складываются из шести основных элементов: в одорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы. Кроме фосфора они все образуют растворимые и летучие соединения и таким образом участвуют в п овторном цикле воды. В процессе фотосинтеза зеленые растения и водоросли на свету выделяют к ислород, причем не из углекислого газа, как это считалось раньше, а из воды . Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом: 6СО2 + 6Н2О ® С6Н12О6 + 6О2. В первичной атмосфере Земли было мало или совсем не было кислорода, поэт ому первые организмы были анаэробными. Накопление кислорода началось в докембрии и он по сути является биогенным. Сейчас запасы свободного кисл орода оцениваются приблизительно в 1,6*1015 т. В процессе фотосинтеза ежегодн о участвует 1013 кг углерода атмосферы. Кислород является самым распространенным элементом на Земле. В гидросф ере его содержится 85,82% по массе, в литосфере 47%, в атмосфере 23,15%. Кислород стоит на первом месте по числу образуемых им минералов (1364). Среди них преобладаю т силикаты, кварц, окислы железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах содержится в среднем около 70% кислорода. Он входит в состав большинства ор ганических соединений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав органиче ских соединений скелета. Свободный кислород играет большую роль в биохимических и физиологичес ких процессах, особенно в аэробном дыхании. В области свободного кислорода формируются резко окислительные услови я, в отличие от сред, в которых кислород отсутствует (в магме, глубоких гор изонтах подземных вод, илах морей и озер, в болотах), где образуется восста новительная обстановка. Огромное значение для атмосферы имеет также двуокись углерода. Его соде ржание в атмосфере до промышленной революции, в 1800 г составляло 0,029%, а в наст оящее время ее содержание превысило 0,033%. В океане этого газа растворено в 50 раз больше. Углерод в больших количествах содержится в земной коре, прежде всего в к арбонатных породах - 9,6*1015 т и горючих ископаемых (угли, нефть, сланцы, битумы, газы, торф). Разведанные запасы горючих ископаемых по углероду оценивают ся в 1013 т. Синтезированные растениями углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал и други е) являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных о рганизмов. В процессе аэробного дыхания, синтезированное органическое вещество вновь разлагается с образованием углекислого газа и воды, при э том высвобождается энергия Q: С6Н12О6 + 6О2 ® 6СО2 + 6Н2О + Q. Воздух по объему почти на 80% состоит из молекулярного азота N2 и представля ет собой крупнейший резервуар этого элемента. Естественный цикл азота я вляется более сложным, чем углерода. Большинство биологических форм не м огут усваивать газообразный азот. Поэтому сначала происходит фиксация азота - превращение N2 в неорганические и органические соединения, которы е происходят как физико-химическим, так и биологическим путем. Основными фиксаторами азота являются бактерии, грибки и водоросли (прежде всего с инезеленые). Например, клубеньковая бактерия Rhizobium, проникая в корневые вол оски растений семейства бобовых, превращает азот в нитраты. На клеверном поле площадью 100 м2 ежегодно в нитраты превращается около 600 кг азота. В процессе цикла продуцент - консумент - редуцент нитраты становятся сос тавной частью белков, нуклеиновых кислот и других компонентов. Погибшие организмы являются объектом деятельности редуцентов - бактерий и грибо в, при этом они азот превращают в аммиак. И далее в нитрит и обратно газооб разный азот. Фосфор, необходимый животным и растениям для построения белков протопл азмы, поступает в круговорот за счет эрозии фосфатных пород и гуано, мине рализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков. Фосфат ы потребляются растениями. Не образующий летучих соединений фосфор име ет тенденцию накапливаться в море. Вынос фосфора из моря на сушу осущест вляется в основном с рыбой и с пометом морских птиц. Сера относится к весьма распространенным химическим элементам, которы е встречаются в свободном состоянии - самородная сера и в виде соединени й - сульфидов, полисульфидов и сульфатов. Известно более 150 минералов серы, среди которых доминируют сульфаты. В природе широко распространены про цессы окисления сульфидов до сульфатов, которые обратно восстанавлива ются до H2S и сульфидов. Эти реакции происходят при активном участии микроо рганизмов, прежде всего десульфирующих бактерий и серобактерий. В виде органических и неорганических соединений сера постоянно присут ствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом, о на входит в состав широко распространенных соединений: аминокислот, коф ерментов, витаминов. Организмы в основном состоят из вышеперечисленных элементов, однако он и не смогут жить, если не будут содержать в достаточных количествах неко торые катионы: калий, кальций, магний и натрий, которые относятся к группе макроэлементов, потому что их содержание выражается в сотых долях сухог о вещества. Некоторые вещества нужны организмам в очень маленьких колич ествах, к ним, например, относятся железо, бор, цинк, медь, марганец, молибде н и анион хлора. Микроэлементы выражаются в миллионных долях сухого веще ства. В пищевую цепь они поступают в основном через круговорот воды. Они о бладают высокой биологической активностью и участвуют во всех процесс ах жизнедеятельности: белковом, жировом, углеводном, витаминном, минерал ьном обмене, газо- и теплообмене, тканевой проницаемости, клеточном деле нии, образовании костного скелета, кроветворении, росте, размножении, им мунобиологических реакциях. Циклы некоторы х токсичных элементов Второстепенные д ля живых организмов химические элементы, также как и жизненно важные, ми грируют между организмами и средой. В естественных экологических систе мах они содержатся в таких концентрациях и формах, что не оказывают отри цательного влияния на организмы. В настоящее время стала весьма острой п роблема токсичных веществ в связи с региональными и глобальным техноге нным загрязнением биосферы. Ниже рассмотрим лишь некоторые примеры ток сичных химических элементов, оказывающих значительный отрицательный б иологический эффект. Ртуть, также как и другие тяжелые металлы, почти не влиял на организмы до н аступления индустриальной эры, потому что ее концентрации в природе был и невелики, а она сама химически малоподвижна. Разработка месторождений и промышленное использование ртути (в электротехническом оборудовании , термометрах, красках и фунгицидах) увеличили ее поток в экосистемы. Чист ый элемент не токсичен. Превращение в токсичные органические соединени я ртути, такие как метилртуть CH3Hg и этилртуть C2H5Hg, происходит благодаря бакт ериям, присутствующим в детритах и осадках. Эти соединения легко раствор имы, подвижны и очень ядовиты. Химической основой агрессивного действия ртути является ее сродство с серой, в частности с сероводородной группой в белках. Эти молекулы связываются с хромосомами и клетками головного м озга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций опасных для ч еловека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь "Минамата". Тяжелый металл кадмий представляет собой один из самых опасных токсика нтов среды, он значительнее токсичнее свинца. В последние 30-40 лет он находи т все большее техническое применение. Его попадание в пищевые цепи связа но с его промышленными выбросами в воздух и воду. Например в среднем тонн а угля содержит 2 г кадмия. Кадмий имеет свойство накапливаться в организ мах животных и растений. Так, растения аккумулируют до 70% кадмия содержаще гося в почве. В Финляндии, Норвегии и Швеции ветеренарные учреждения пре достерегают от употребления печени, почек и легких лосей, оленей, косуль и зайцев, в связи с высоким содержанием в них кадмия. Вследствие деятельности цинкового рудника произошло загрязнение кадм ием реки Дзинцу в Японии от хронического отравления умерло более 150 челов ек, сопровождавшегося атрофией костей всего скелета. Этот случай вошел в историю эндемических отравлений тяжелыми металлами под названием "бол езнь итаи-итаи". Именно с такими словами умирали больные. Стронций-90 и цезий-137 - продукты деления атома, имеющие большой период полур аспада. Эти ранее малоизученные элементы теперь являются объектами при стального внимания в связи с их большой опасностью для человека и животн ых. Они попадают в окружающую среду при производстве и использовании раз личных источников ядерной энергии. Эти вещества активно циркулируют по пищевым цепям и накапливаются в тканях животных и растений. Это связано с тем, что стронций по свойствам похож на кальций, а цезий - на калий. По мнен ию некоторых ученых в костях людей уже содержится такое количество стро нция, что он может оказывать канцерогенное действие. Дихлордифенилтрихлорэтан или просто ДДТ - пестицид (пестис - зараза, циде - убиваю, лат.), использовавшийся, а местами используемый до сих пор в сельс ком хозяйстве для борьбы с насекомыми. В свое время его открытие было отм ечено Нобелевской премией. Он малорастворим и никогда не поступает в вер хние слои атмосферы и при этом встречается повсюду. Его обнаруживают в т канях пингвинов Антарктиды. Он в основном мигрирует по пищевым цепям, пр и этом в конце пищевого цикла его концентрация может увеличиться в 1000 раз. Сейчас его использование запрещено. Диоксины - это группа веществ, в которую входят сотни видов хлор-, бром- и хл орброморганических циклических эфиров. Диоксины образуются во многих технологических процессах различных производств, включая сжигание отх одов, биологическую очистку сточной воды и сгорание топлива в двигателя х. Эти вещества превосходят по своей токсичности соединения тяжелых мет аллов. Являются сильными канцерогенами. Они способны накапливаться в ор ганизме, являясь причиной многих тяжелых заболеваний. Список литерат уры Для подготовки да нной работы были использованы материалы с сайта http://www.sitc.ru
© Рефератбанк, 2002 - 2018