Биологические процессы - раздел Химия, Предмет и задачи химии окружающей среды В Ручьях И Небольших Реках Биологическая Активность В Воде Слабо Влияет На Ее...
В ручьях и небольших реках биологическая активность в воде слабо влияет на ее химический состав из-за быстрого течения. В крупных же реках и озерах, со слабым течением основные изменения в химическом составе воды могут быть вызваны биологической активностью.
Все фотосинтезирующие растения поглощают свет и превращают его в химическую энергию с помощью молекулы хлорофилла. Освобождаемая энергия используется затем для превращения CO2 (или НСОз-) и воды в органическое вещество следующим образом:
свет
С02(г) + Н2О(ж) → СН2О(тв)+О2(г) (3.9)
ΔG° = +475 кДж/ моль
CH2O представляет собой обобщенную формулу для углеводного органического вещества. Протекание реакции требует притока энергии, что обеспечивается светом. В мелких пресных водоемах фотосинтез осуществляют крупные растения и дрейфующие микроскопические водоросли (фитопланктон), в то время как в глубоких озерах (и океанах) практически весь фотосинтез происходит только за счет фитопланктона. В процессе обратной реакции разложения органического вещества, т. е. окисления или дыхания, высвобождается энергия, которая поддерживает жизнь:
СН2О(тв)+О2(г) → СО2(г) + Н2О(ж) (3.10)
ΔG° = - 475 кДж / моль
Поскольку фотосинтез требует света, он сосредоточен в поверхностных слоях воды —эуфотической зоне (область, получающая >1% излучения, попадающего на поверхность воды). Глубина эуфотической зоны варьирует в зависимости от положения солнца, количества света, абсорбируемого взвешенным веществом (включая фитопланктон) и наличия в воде растворенных окрашенных соединений.
Разложение органических веществ (которое практически всегда осуществляется при участии бактерий) может происходить на любой глубине столба воды. В процессе разложения потребляется кислород, который поступает в воду в большей степени путем обмена газов на границе вода/воздух и частично — как побочный продукт фотосинтеза. Количество кислорода, способного раствориться в воде, зависит от температуры. Насыщенная кислородом пресная вода содержит около 450 мкмоль/л кислорода при 1°С и 280 мкмоль/л при 20°С.
В летний период приповерхностные слои многих озер нагреваются лучами солнца. Более теплые приповерхностные воды являются менее плотными, чем холодные глубинные, и это приводит к устойчивому расслоению по плотности. Такая стратификация ограничивает обмен между обогащенными кислородом поверхностными водами и глубинными водами.
Органическое вещество, образующееся в поверхностных водах, опускается в глубинные воды, где оно окисляется, еще более понижая концентрацию кислорода. В некоторых случаях содержание кислорода падает ниже уровня, необходимого для поддержания жизни животных. Скорость потребления кислорода увеличивается по мере того как возрастает количество поступающего органического вещества по причине как усиленного фотосинтеза в поверхностных водах, так и из-за прямого стока органических отходов, т. е. сточных вод.
В том случае, если кислород израсходован, бактерии используют другие окисляющие агенты для потребления органического вещества. Эти альтернативные окислители используются в порядке, зависящем от выхода энергии. Восстановление нитратов (денитрификация) энергетически выгодно бактериям, но в природных пресных водах оно обычно ограничено из-за низких концентраций нитратов. Однако в результате антропогенного привноса концентрации нитратов в реках повышены, что увеличило доступность нитратов для восстановления бактериями.
Железо и марганец (Мn), оба потенциальные акцепторы электрона, распространены в виде нерастворимых оксидов Fe(III) и Mn(IV). В восстановительной обстановке (при примерно тех же окислительно-восстановительных потенциалах, что и восстановление нитратов) эти оксиды могут быть восстановлены до растворимых Fe(II) и Mn(II).
Восстановление сульфатов в пресных водах не служит значительным механизмом потребления органического вещества, поскольку уровень растворенных сульфатов там обычно низкий. Однако в морской воде сульфатов много, и процесс их восстановления очень важен. В некоторых богатых органическим веществом речных и болотных осадках существенным деструкционным процессом может быть метаногенез. Известно, что восстановленный продукт реакции, метан (СН4), являющийся парниковым газом, выделяется в виде пузырей из некоторых заболоченных земель, что вносит значительный вклад в резервуар атмосферного CH4.
Все темы данного раздела:
Предмет и задачи химии окружающей среды
Проблема охраны окружающей среды сложна и многопланова. Она включает не только чисто научные аспекты, но и экономические, социальные, политические, правовые, эстетические.
В основе процесс
Происхождение и эволюция Земли
Принято считать, что Вселенная возникла в один момент в результате огромного взрыва, обычно называемого Большим взрывом. Планеты нашей Солнечной системы образовались, по-видимому, из облака
Образование земной коры и атмосферы
Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. За счет этих процессов сформировалась оболочка из породы толщиной менее
Эволюция атмосферы и происхождение жизни
Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение
Гидросфера
Вода - ключевой компонент в поддержании жизни на Земле. Вода в своих трех состояниях - жидкость, лед и водяные пары широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд. кмЗ
Состав атмосферы
Общий состав атмосферы почти одинаков по всей Земле в результате высокой степени перемешивания в пределах атмосферы. В горизонтальном направлении перемешивание осуществляется благодаря вращению Зем
Микрокомпонентные примеси в атмосфере
Многие микрокомпонентные примеси в атмосфере имеют постоянные концентрации, тo есть существует баланс между поступлением и выходом вещества в атмосферу
Fвх = Fвы
Геохимические источники
Самыми мощными геохимическими источниками служат переносимая ветром пыль и морские брызги, поставляющие огромные количества твердых веществ в атмосферу. Пыль — это в основном почва регионов Земли.
Биологические источники.
В отличие от геологических источников биологические не являются крупным прямым источником поступления частиц в атмосферу, за исключением лесных пожаров (лесные пожары служат значительным источнико
Антропогенные источники
Антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. Изменения, вызванные человеком, значител
Радиоактивное загрязнение атмосферы
К опасным, факторам антропогенного характера, способствующим серьезному ухудшению качества атмосферы, следует отнести радиоактивность.
Радиоактивностью называется, самопро
Основные радиоактивные изотопы, обнаруживаемые в атмосфере после ядерного взрыва
Изотоп
8938Sr
9038Sr
9540Zr
13153I
Озоновый защитный слой
Как известно, в атмосфере на высоте около 15-25 км (в зависимости от широты) расположен озоновый защитный слой Земли, определяющий верхний предел жизни в биосфере. Озоновый слой появился вм
Механизмы разрушения озона
Выше рассматривался механизм образования озона в атмосфере только на основе кислорода как компонента воздуха. Между тем в образовании и разрушении озона атмосферы играют существенную роль и другие
Состав и строение литосферы
Сейсмические исследования свидетельствуют о том, что при землетрясениях возникают различные сейсмические волны, распространяющиеся в породах Земли с разными скоростями. Наиболее быстрые из них - пе
Процессы выветривания
Поверхность земной коры подвержена действию атмосферы, что делает ее восприимчивой к физическим и химическим процессам.
Физическое выветривание является механическим проце
Общие для большинства почв реакции
При характеристике почв наиболее информативны не отдельные индивидуальные соединения, а их группы, то есть совокупность соединений со сходными строениями и свойствами. Такими группами могут быть мо
Катионный обмен
Для почв наиболее характерны реакции катионного обмена между твердой частью почвы, которая поглощает катионы, и почвенным раствором, который можно рассматривать как раствор электролитов. Если твёрд
Потенциальная кислотность почв
Обменные катионы участвуют также в формировании потенциальной кислотности почв. Такая кислотность встречается в кислых дерново-подзолистых, серых лесных, красноземных почвах. Проявляется о
Щелочность почв
Щелочными считают почвы, водная суспензия которых имеет рН 7,5 — 8,0 или выше. Эти почвы формируются в степных и сухо-степных природных зонах; к ним относятся солонцы, некоторые солончаки. Щелочно
Окислительно-восстановительные режимы
Практически в каждой почве происходят реакции окисления или восстановления химических соединений или элементов. Эти реакции являются сопряженными, и если какой-либо компонент почвы окисляется, то
Гумификация
Это один из самых важных почвенных биохимических процессов. Сущность его заключается в трансформации растительных остатков в своеобразные, темноокрашенные органические гуминовые вещества преимуще
Химическое загрязнение и охрана почв
В последние десятилетия человек стал причиной быстрой деградации почв, хотя потери почв имели место на протяжении всей человеческой истории. Во всех странах мира сейчас распахивают около 1,5 млрд.
Пресные воды подземной гидросферы
Существенную роль в процессах биосферы играет и так называемая подземная гидросфера. Пресные воды после ледников вносят основной вклад в общий баланс пресной воды на планете. Обширные запасы
Химия пресных поверхностных вод
Озера. Озера— это водоемы, не имеющие прямой связи с системой Мирового океана. Они распространены на равнинных и горных территориях, во влажных и засушливых, холодных и жарких ги
Химия воды и режимы выветривания
Состав растворенных ионов в пресных водах зависит от: варьирующего состава дождевых осадков и сухих атмосферных выпадений; изменений в поступлениях в атмосферу вследствие эвапотранспирации; варьи
Растворенные твердые вещества пресных вод
Кремний высвобождается при выветривании силикатов и переносится в природных водах в виде недиссоциированной кремниевой кислоты H4SiО4. Силикаты выветриваются медленно, поэто
Диаграммы Eh-pH
Кислотность (рН) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh) могут определять поведение элементов и их соединений в окружающей среде. Теоретически возможно бесконечное разнообразие сочетаний
Питательные вещества и эвтрофикация
Кроме СO2, воды и света растениям для роста нужны определенные ионы (питательные вещества). Некоторых из этих ионов, на пример Mg2+ , довольно много в пресной воде, однако др
Кислотные осадки
Кислотными называют атмосферные осадки (дождь, снег, роса) с рН<5,5. Естественная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН=б), так как находится в контакте с СО2 и растворяет ее, о
Процессы в дельтах и эстуариях
Очень интересна химия морской воды вблизи континентальных областей — в переходной зоне между средами обитания суши и открытого океана.
Дельта - устьевая часть реки, в которой происходит р
Изменения веществ в окружающем среде
Для целостного понимания биосферы как глобальной системы важно изучение как природных, так и антропогенных процессов, происходящих в ней.
Для предсказания того, как эта система может измен
Изменения во времени
Естественные (природные) изменения. Изменения геохимических, геофизических и метеорологических параметров за геологические периоды времени, эволюция живых организмов, обитающих в воде и н
Пространственные изменения
Критериями оценки природных и антропогенных веществ по степени их воздействия на изменение окружающей среды являются их количество, объем запасов, частота появления и распространенность. Учет изме
Распространение в окружающей среде
Оценка распространения в окружающей среде синтезированных человеком веществ включает физико-химические свойства этих веществ, физические процессы, связанные с их переносом, биологические п
Перенос между различными средами
Рис. 19. Схема процессов переноса вещества между различными средам
Перенос почва — вода
Перенос веществ на границе раздела почва — вода играет важную роль в процессе загрязнения вод в результате применения химических препаратов или их поступления в почву с дождем, в результате искус
Перенос вода — воздух
Переход вещества в природных условиях из водного раствора в атмосферу называют летучестью; этот процесс осуществляется в результате диффузии, обратный перенос называют сухим осаждением в воду.
Перенос почва -—воздух
В миграционных процессах между почвой и воздухом большое значение имеют обменные процессы жидкость/твердая фаза, жидкость/газ и твердая фаза/газ.
Переход вещества из почвы в атмосферу пут
Поступление и накопление в живых организмах
В принципе любое химическое вещество поглощается и усваивается живыми организмами. Равновесное состояние или состояние насыщения в процессе усвоения достигается в том случае, если его поступлени
Сравнение содержания химических элементов в морской воде и теле рачка Calanus finmarchicue
Химические элементы
Морская вода,
масс,%
Calanus finmarchicus, масс.%
Коэффициент обогащения
Кислород
Географический и биотический перенос
После того как произошло распределение поступивших в окружающую среду химических веществ между воздухом, водой и почвой, необходимо проследитьих дальнейшую миграцию на более или менее далекие рас
Геохимические барьеры
Участки биосферы, на которых в миграционном потоке на коротком расстоянии резко уменьшается интенсивность миграции химических элементов, и как следствие этого процесса, повышается их концентрация
Круговороты макроэлементов
Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический). Большой круговорот наиболее четко проявляется в
Вещества, попавшие в окружающую среду исключительно в результате.человеческой деятельности
ДДТ(2,2-ди (р-хлорфенил) - 1,1,1 -трихлорэтан)
Пестицид
Неселективный ряд, концентрируется в пищевой цепи
ПХД (полихлориро-ванные
Углерод
Самым важным компонентом природного цикла углерода является газообразный диоксид углерода СО2. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО2 относительно невелики в сравнении
АТМОСФЕРА
СО2
Круговороты второстепенных элементов
Микроэлементы, как и макроэлементы, мигрируют между организмами и средой. Многие из них концентрируются в тканях благодаря химическому сходству с какими-либо важными биогенными элементами, что мо
Соединения хлора
Химия соединений хлора в биосфере сравнительно проста. Практически все встречающиеся в почвах хлориды легко растворимы: NaCl, KC1, СаСl2, MgCl2. Растворимы также хлориды боль
Соединения йода
Содержание йода в земной коре колеблется от 0,01 до 6 мг/ кг, достигая максимума в обогащенных органическим веществом сланцах. Минеральные соединения йода легкорастворимы, поэтому йод энергично вы
Соединения брома
Содержание брома в земной коре колеблется от 0,2 до 10 мг/кг, причем максимальные концентрации характерны для глинистых отложений. Бром — сильнолетучий элемент, его соли легкорастворимые. К числу
Соединения фтора
Свойства соединений фтора значительно отличаются от свойств других галогенопроизводных.
Фториды щелочных металлов растворимы в воде и их растворимость уменьшается в ряду KF > NaF >
Тяжелые металлы
Металлы в очень высокой степени вовлечены в антропогенную деятельность, они отличаются настолько высокой технофильностью, что нередко говорят о современной «металлизации» биосферы. Особое значение
Атмосфера
Общий запас 15,6*109 г
Стронций
Sr -хороший пример ранее малоизученного элемента, который теперь служит объектом особого внимания в связи с большой опасностью его радиоактивного изотопа для человека и животных. По свойствам стро
Новости и инфо для студентов