Биологический круговорот веществ: круговорот углерода и серы

Биологический круговорот веществ: круговорот углерода и серы. Круговорот углерода.

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород.

Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах.

Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации. По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31 CO32 Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков.

Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду.

С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта. Круговорот серы. Сера является важным составным элементом живого вещества. Большая часть ее в живых организмах находится в виде органических соединений.

Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ: витаминов, а также ряда веществ, выступающих в качестве катализаторов окислительно-восстановительных процессов в организме и активизирующих некоторые ферменты. Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от окислительно-восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше 420 минералов. В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных минералов: пирита, пирронита, халькопирита, в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов.

Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические соединения. В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан.

Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные. 3. Антропогенное влияние на атмосферу и связанные с ним последствия В начале ХХ века во взаимодействии природы и общества наступила новая эра. Воздействие общества на географическую среду, антропогенное воздействие, резко возросло. Это привело к превращению природных ландшафтов в антропогенные, а также к возникновению глобальных проблем экологии, т.е. проблем не знающих границ.

Чернобыльская трагедия поставила под угрозу всю Восточную и Северную Европу. Выбросы отходов влияют на глобальное потепление, озоновые дыры угрожают жизни, происходит миграция и мутация животных. Антропогенные факторы, т.е. результаты деятельности человека, приводящие к изменению среды обитания можно рассматривать на уровне региона, страны или глобальном уровне. Антропогенное загрязнение атмосферы приводит к глобальному изменению. Загрязнения атмосферы поступают в виде аэрозолей и газообразных веществ.

Наибольшую опасность представляют газообразные вещества, на долю которых приходится около 80% всех выбросов. Прежде всего — это соединения серы, углерода, азота. Углекислый газ сам по себе не ядовит, но с его накоплением связана опасность такого глобального процесса как «парниковый эффект». Последствие мы видим по потеплению климата на Земле. С попаданием в атмосферу соединений серы и азота связано выпадение кислотных дождей.

Двуокись серы и окислы азота в воздухе соединяются с парами воды, затем вместе с дождями выпадают на землю фактически в виде разбавленных серной и азотной кислот. Такие осадки резко нарушают кислотность почвы, способствуют гибели растений и высыханию лесов, особенно хвойных. Попадая в реки и озера угнетающе действуют на флору и фауну, нередко приводя к полному уничтожению биологической жизни — от рыб до микроорганизмов. Расстояние между местом образования кислотных осадков и местом их выпадения может составлять тысячи километров.

Эти отрицательные воздействия глобального масштаба усугубляются процессами опустынивания и вырубки лесов. Главный фактор опустынивания — это деятельность самого человека. Среди антропогенных причин — это избыточный выпас скота, вырубка лесов, чрезмерная и неправильная эксплуатация земель. Ученые подсчитали, что общая площадь антропогенных пустынь превысила площадь естественных. Вот почему опустынивание относят к числу глобальных процессов.

Теперь рассмотрим примеры антропогенного воздействия на уровне нашей страны. Россия занимает одно из первых мест в мире по запасам пресной воды. И учитывая, что общие ресурсы пресной воды составляют от общего объема гидросферы Земли всего 2-2,5%, становится ясно каким богатством мы обладаем. Главною опасность для этих ресурсов представляет загрязнение гидросферы. Основные запасы пресной воды сосредоточены в озерах, площадь которых в нашей стране больше территории Великобритании.

В одном только Байкале находится примерно 20% мировых запасов пресной воды. Существует три вида загрязнения водной среды: физическое (прежде всего тепловое), химическое и биологическое. Химические загрязнения возникают в результате попадания различных химических веществ и соединений. К биологическим загрязнениям относятся прежде всего микроорганизмы. В водную среду они попадают вместе со стоками химической и целлюлозно-бумажной промышленности. От таких загрязнений пострадал и Байкал, и Волга, и многие большие и малые реки России.

Отравление рек и морей отходами промышленности, сельского хозяйства приводят еще к одной беде — уменьшению поступления в морскую воду кислорода и как следствие отравление морской воды сероводородом. Примером может служить Черное море. В Черном море существует установившийся режим обмена поверхности и глубинных вод, который препятствует проникновению в глубину кислорода. В результате на глубине накапливается сероводород.

В последнее время ситуация в Черном море резко ухудшилась и не только из-за постепенного нарушения равновесия между сероводородными и кислородными водами, идет нарушение гидрологического режима после строительства плотин на реках, впадающих в Черное море, так и из-за загрязнения прибрежных вод отходами промышленности и сточными водами. Остро стоят проблемы химического загрязнения водоемов, рек и озер в Мордовии. Одним из наиболее ярких примеров — сброс в водостоки и водоемы тяжелых металлов, среди которых особенно опасен свинец (антропогенные его поступления в 17 раз превышают естественные) и ртуть. Источниками этих загрязнений явились вредные производства светотехнической промышленности.

В недавнем прошлом тяжелыми металлами был отравлен водоем на севере Саранска под названием Саранское море. Не обошла стороной Мордовию и общая беда — чернобыльская авария. В результате многие районы пострадали от радиоизотопного загрязнения земель. И результаты этого антропогенного воздействия будут сказываться еще сотни лет. Человеческая деятельность приводит к тому, что загрязнения поступают в атмосферу в основном в двух видах — в виде аэрозолей (взвешенных частиц) и газообразных веществ.

Главные источники аэрозолей — промышленность строительных материалов, производство цемента, открытая добыча угля и руд, черная металлургия и другие отрасли. Общее количество аэрозолей антропогенного происхождения, поступающих в атмосферу в течение года составляет 60 млн. тонн. Это в несколько раз меньше объема загрязнений естественного происхождения (пыльные бури, вулканы). Гораздо большую опасность представляют газообразные вещества, на долю которых приходится 80-90% всех антропогенных выбросов.

Это соединения углерода, серы и азота. Соединения углерода, прежде всего углекислый газ сам по себе не ядовит, но с накоплением его связана опасность такого глобального процесса как «парниковый эффект». Кроме того выбрасывается угарный газ, в основном двигателями внутреннего сгорания.

Соединения азота представлены ядовитыми газами — окисью и перекисью азота. Они так же образуются при работе двигателей внутреннего сгорания, при работе теплоэлектростанций, при сжигании твердых отходов. Наибольшую опасность представляет собой загрязнение атмосферы соединениями серы, и прежде всего сернистым газом. Соединения серы выбрасываются в атмосферу при сжигании угольного топлива, нефти и природного газа, а также при выплавке цветных металлов и производстве серной кислоты.

Антропогенное загрязнение серой в два раза превосходит природное. Наибольших концентраций сернистый газ достигает в северном полушарии, особенно над территорией США, зарубежной Европы, европейской части России, Украины. В южном полушарии оно ниже. С попаданием в атмосферу соединений серы и азота непосредственно связано выпадение кислотных дождей. Механизм их образования очень прост. Двуокись серы и окислы азота в воздухе соединяются с парами воды. Затем вместе с дождями, туманами они выпадают на землю в виде разбавленных серной и азотной кислот.

Такие осадки резко нарушают нормы кислотности почвы, ухудшают водообмен растений, способствуют высыханию лесов, особенно хвойных. Попадая в реки и озера, они угнетают их флору и фауну, нередко приводя к полному уничтожению биологической жизни — от рыб до микроорганизмов. Большой вред кислотные дожди наносят и различным конструкциям (мостам, памятникам и т.д.). Главные регионы распространения кислотных осадков в мире — США, зарубежная Европа, Россия и страны СНГ. Но в последнее время они отмечены в промышленных районах Японии, Китая, Бразилии.

Расстояние между районами образования и районами выпадения кислотных осадков может достигать даже тысячи километров. Например, главные виновники кислотных осадков в Скандинавии — промышленные районы Великобритании, Бельгии и ФРГ. Ученые и инженеры пришли к выводу: главный путь предупреждения загрязнения атмосферы должен заключаться в постепенном сокращении вредных выбросов, ликвидации их источников.

Поэтому необходим запрет на использование высокосернистых угля, нефти и топлива. В наше время последствия антропогенного воздействия на географическую среду многообразны и не все они контролируются человеком, многие из них проявляются позже. Разберем основные из них. Изменение климата (геофизики) Земли на основе усиления тепличного эффекта, выбросов метана и других газов, аэрозолей, радиоактивных газов, изменения концентрации озона. Ослабление озонового экрана, образование большой «озоновой дыры» над Антарктидой и «малых дыр» в других регионах.

Загрязнение ближайшего космического пространства и его замусоривание. Загрязнение атмосферы ядовитыми и вредными веществами с последующим выпадением кислотных дождей и разрушением озонового слоя, в котором участвуют фреоны, NO2, водяные пары и другие газовые примеси. Загрязнение океана, захоронение в нем ядовитых и радиоактивных веществ, насыщение его вод углекислым газом из атмосферы, загрязнение нефтепродуктами, тяжелыми металлами, сложноорганическими соединениями, разрыв нормальной экологической связи между океаном и водами суши из-за строительства плотин и других гидросооружений.

Истощение и загрязнение поверхностных вод суши и подземных вод, нарушение баланса между поверхностными и подземными водами. Радиоактивное загрязнение локальных участков и некоторых регионов, в связи с чернобыльской аварией, эксплуатацией атомных устройств и атомными испытаниями. Продолжающееся накопление на поверхности суши ядовитых и радиоактивных веществ, бытового мусора и промышленных отходов (особенно неразлагающихся пластмасс), возникновение в них вторичных химических реакций с образованием токсичных веществ.

Опустынивание планеты, расширение уже существующих пустынь и углубление самого процесса опустынивания. Сокращение площадей тропических и северных лесов, ведущее к уменьшению количества кислорода и исчезновению видов животных и растений. Нарушение регионального и глобального экологического равновесия в результате вышеперечисленных процессов, вследствие чего возникают незаполненные экологические ниши, которые заполняются нежелательными организмами — вредителями, паразитами, возбудителями новых болезней растений, животных и человека.

Вероятно, так возник и распространяется вирус иммунодефицита человека — ВИЧ, вызывающий неизлечимое заболевание — СПИД, и возбудителей лейкозов скота и коровьего бешенства. Абсолютное перенаселение Земли и относительное региональное демографическое переуплотнение. Ухудшение среды жизни в городах и сельской местности, увеличение шумового загрязнения, стрессов, загрязнение воздуха и почв, зрительная агрессия высотных домов и самого антропогенного ландшафта, напряжение темпа жизни в городе и потеря социальных связей между людьми, возникновение «психологической усталости». Поскольку человечество в современном мире стало глобально целостным физически, политически и экономически, но не социально, сохраняется угроза военных конфликтов, которые усугубляют экологические проблемы. Например, кризис в Персидском заливе показал, что страны готовы забыть о глобальных угрозах экологических катастроф при решении частных проблем.

Проблема антропогенного воздействия на географическую среду сложна и многогранна, она имеет глобальный характер.

Но решают ее на трех уровнях: государственном, региональном и глобальном. На первом уровне каждая страна решает свои экологические проблемы. На региональном уровне осуществляются мероприятия нескольких стран, имеющих общие природоохранные интересы. На глобальном уровне объединяют усилия все страны мирового сообщества.

Эти глобальные проблемы экологии заставляют все страны объединить свои усилия по их решению. Эти проблемы рассматривались и в июле 1997 года на встрече глав государств ведущей индустриальной «восьмерки» в Денвере. «Восьмерка» решила более активно бороться с эффектом глобального потепления и к 2000 году уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу на 15%. Но это еще не решение всех проблем, и основная работа еще предстоит не только самым развитым странам, но и тем, которые сейчас бурно развиваются.