Химические реакции и процессы в почве - раздел Экология, Дисциплина Химические основы экологии Почва — Самый Верхний И Плодородный Слой Литосферы, Является Связующим Звено...
Почва — самый верхний и плодородный слой литосферы, является связующим звеном между всеми оболочками планеты и живыми организмами, играет важную роль в процессах обмена веществом (энергией) между компонентами биосферы. Почва — среда обитания большого количества живых организмов, и многие химические процессы, происходящие в почве как части литосферы, напрямую связаны с процессами в биосфере. Через почву осуществляется газовый обмен между атмосферой и земной корой, атмосферой и подземной частью гидросферы. В почве одновременно могут протекать химические, физические и биологические процессы.
Любую почву можно рассматривать как гетерогенную систему, состоящую из трех фаз: твердой (минеральный «скелет», органическая и биологическая компоненты), жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух).
Почва обладает некоторыми свойствами, которых лишены воздушная и водная среды. Частицы почвы образуют «мелкоячеистый фильтр», который весьма эффективно задерживает твердые взвеси из вод, просачивающихся в почву. В то же время поры почвы служат копилкой питательных веществ. Всю систему «цементируют» частицы глины и гумуса, которые адсорбируют целый ряд веществ. Таким образом, почва в течение ряда лет или десятилетий может удерживать вредные вещества, не давая им возможности перейти в грунтовые воды. Почва обладает способностью к регенерации. Многие обитатели почвы служат источником ферментов, в присутствии которых вредные вещества расщепляются быстрее, чем в воде или на воздухе. Фильтруемость и накопление примесей в почвах, а также способность к регенерации определяют буферную способность почв по отношению к антропогенным воздействиям.
Химический состав почвы.
Основные химические процессы, а также плодородие почвы зависят от присутствия воды и кислорода, количество и доступность для растений которых во многом определяется физическими свойствами почвы.
Влага в почве может находиться во всех трех состояниях и в нескольких формах: гигроскопической, капиллярной, пленочной и свободной гравитационной. Гигроскопическая вода конденсируется на поверхности почвенных частиц, пленочная удерживается на поверхности почвенных частиц под действием молекулярных сил, капиллярная находится между частицами почвы благодаря поверхностному натяжению, а свободная гравитационная вода находится под влиянием силы тяжести и гидростатического напора и заполняет крупные промежутки почвы. Гигроскопическая вода прочно связана с почвенными частицами и поэтому не усваивается ни корнями растений, ни бактериями. Пленочная вода может использоваться только бактериями, а капиллярная и свободная гравитационная формы воды хорошо усваиваются корнями растений и всеми организмами почвы. Способность накапливать воду поверхностными слоями литосферы называется водоудерживающей способности почвы, а способность почвы впитывать воду с поверхности называется инфильтрацией. Таким образом, идеальной почвой будет та, которая имеет хорошую инфильтрацию, хорошую водоудерживающую способность и иметь растительный покров, снижающий потери воды от испарения.
Многие вещества содержатся в свободной воде в виде истинных или коллоидных растворов. Литосферный раствор, можно назвать кровью литосферы, которая находится в состоянии динамического равновесия с твердым веществом и газами литосферы.
Естественный состав почвенного воздуха зависит в первую очередь от глубины. На глубине 20 см почвенный воздух имеет состав очень близкий к атмосферному. Состав почвенного воздуха регулируется потреблением кислорода и образованием СО2 в результате микробиологических процессов минерализации органических веществ и способностью почвы выделять СО2 в атмосферу с одновременным поглощением О2 из атмосферы. Поступление О2 происходит непосредственно с атмосферным воздухом и с дождевой водой. Чем ниже температура воды, тем больше с ней поступает О2 и СО2. Растворимость газов в литосферном растворе зависит от давления газа, от температуры, а также от содержания различных химических веществ.
Наиболее энергично растворяется в литосферном растворе углекислый газ, причем с повышением температуры его растворимость понижается почти в три раза, менее растворим кислород и еще меньше азот. В литосферном растворе почти все химические соединения находятся в ионной форме. Основные анионы литосферного раствора – НСО3-, NО2-, NО3- - поступают в него преимущественно в результате биологических процессов. Так, окислы азота в литосфере образуются в средних широтах при микробиологических процессах нитрофикации. В тропических широтах азот и окислы азота поступают в литосферу из атмосферы при грозовых разрядах в количествах, достигающих 30 кг/га. Фосфат - ионы, хлор - ионы, сульфат - ионы и другие преимущественно поступают в литосферный раствор из горных минералов и при разрушении растительных остатков.
Среди катионов в литосферном растворе постоянно находятся в значительном количестве Са2+, Мg2+, Nа+, К+, NН4+, Н+, Fе+, Fе2+, Аl3+. В весьма незначительном количестве присутствуют в литосферном растворе йод, медь, цинк, свинец, никель, кобальт, молибден, бор, стронций, марганец и другие микроэлементы. Кроме минеральных химических соединений, в литосферном растворе постоянно присутствуют водорастворимые органические соединения, такие, как фульвокислоты, органические кислоты, аминокислоты, сахара, ферменты, витамины, спирты и пигменты.
Литосферный раствор имеет определенное осмотическое давление, которое зависит от количества ионов, молекул или мицелл, от сезонов года. Так, в средних широтах летом осмотическое давление повышается из-за уменьшения влажности литосферы при испарении, что ведет к увеличению концентрации ионов. В другие сезоны года за счет усиленного увлажнения литосферы осмотическое давление понижается.
Минеральную основу почвы в основном составляют кварц (песок), глина и известняк (СаСО3). В зависимости от размера частиц различают почвы песчаные, суглинистые и глинистые. Содержание органических веществ в разных почвах колеблется от ~2 % (песчаные, глинистые почвы) до 20 % (болотистые почвы). С научной точки зрения органические вещества почвы подразделяются на негуминовые и гумус. Первые включают не полностью разложившиеся остатки растений и животных, жиры и дубильные вещества, сложные углеводы, пектины и другие. Они легко разлагаются и поэтому не попадают под понятия «гумус». В литературе под термином «гумус» (от лат. — земля, почва) чаще всего понимают темноокрашенное органическое вещество почвы (перегной), образующееся в результате биохимического разложения растительных и животных останков и накапливающееся в верхнем почвенном горизонте. По химическому составу гумус представляет собой сложную смесь гуминовых, фульвокислот и их комплексов с металлами; по элементному составу основными компонентами гумуса являются водород, углерод, кислород, а также азот (2—5 %), сера (~1 %), фосфор, калий. Исходным материалом для образования гумуса служит растительный опад. Основная его часть состоит из лигноцеллюлозы. Главными агентами разложения этих биополимеров служат почвенные грибы, выделяющие в окружающую среду экзоферменты (целлюлазы), легко гидролизующие углеводы.
Почвы, называемые черноземами, содержат максимальное количество гумуса: в среднем 500 т на 1 га. По оценкам ученых, общие запасы гумуса в почвах мира составляют около 2 561 млрд т (на 1 м).
Биологическая составляющая почвенных экосистем представлена зелеными растениями, микроорганизмами и животными. Основная почвообразующая роль принадлежит лесной растительности, второе место занимает травянистая растительность. Переработка и деструкция растительных остатков происходят главным образом в верхних горизонтах почвы. В этой переработке участвуют многочисленные беспозвоночные (почвенная мезофауна) и микроорганизмы. Биомасса беспозвоночных в верхних горизонтах почв может достигать 200 т/км2, причем наибольшая ее часть приходится на долю дождевых червей (до 40—50 т/км2) и членистоногих (до 10—30 т/км2).
Важную роль в почвенном круговороте веществ играют бактерии. Согласно данным различных исследователей, живая масса почвенных бактерий также очень значительна. Она приблизительно оценивается в 6 • 109 т, т. е. примерно в полтора раза превышает биомассу сухопутных и морских животных.
Автотрофные бактерии осуществляют в почве процессы окисления минеральных соединений — продуктов жизнедеятельности гетеротрофов. Например, аэробные бактерии играют роль в процессах нитрификации и нитрофикации:
2NН3 + 3О2 = 2НNО2 + 2Н2О (нитрификация)
2 НNО2 + О2 = 2 НNО3 (нитрофикация)
Широко распространенные в почвах так называемые серобактерии окисляют Н2S, S и другие соединения серы до Н2SО4 (процесс сульфофикации):
2Н2S + О2 = 2Н2О + 2S
2S + 3О2 + 2Н2О = 2Н2SО4
При участии железоокисляющих бактерий, наиболее распространенных в заболоченных почвах, происходит окисление солей Fе (II). В конечном итоге результат происходящих процессов (в том числе гидролиза), можно записать в следующем виде:
4FеСО3 + О2 + 6Н2О = 4Fе(ОН)3 + 4СО2
Живое население педосферы, выполняя основную глобальную биогеохимическую функцию — разложение органического вещества на простые соединения, участвует в формировании самого почвенного покрова и его плодородия.
Таким образом, педосфера предстает как полифункциональная и интерактивная система. В отличие от других внешних геосфер (атмосферы и гидросферы) она не обладает свойствами быстрого рассеяния попадающих извне загрязняющих компонентов. Кроме того, формирование ее занимает тысячи и десятки тысяч лет. Поэтому почвы относятся к очень уязвимым и практически невозобновимым ресурсам нашей планеты.
Восстановление ионов NО3 в процессе жизнедеятельности микроорганизмов протекает по схеме (процесс денитрификации):
NО3- →NО2- → NО → N2О → N2
Поскольку продукты реакции (N2О и N2) улетучиваются из почвы, растения ощущают большой недостаток азота. Эти потери могут составлять от 11 до 40 % усвояемых растениями азотных удобрений. На залитых водой рисовых чеках эти потери еще больше
БАЛАКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ... ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Химические реакции и процессы в почве
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Атмосфера
Атмосфера — газообразная (газовая) оболочка планет. Атмосфера Земли состоит из смеси газов, водяных паров и мелких частиц твердых веществ. Основа атмосферы, воздух, представляет собой смесь газов,
Состав атмосферы
Атмосфера представляет собой чрезвычайно сложную систему. Ее пронизывает излучение Солнца и испускаемые им частицы высокой энергии, а также космическое излучение. Этот поток энергии
Химические процессы в атмосфере
К особенностям химических процессов в атмосфере относят следующие:
1) Большинство химических реакций инициируются не термически, а фотохимически, т.е. при воздействии квантов света,
Действие озона на живые организмы и материалы
Действие озона на человека. Вдыхание озона — компонента фотохимического смога — вызывает кашель, одышку, раздражение носоглотки и осложняет хронические болезни, такие, как астма, бронхиты, сердечна
Химия аэрозолей и пыли
Возникновение атмосферной пыли и аэрозолей
Подобно тому, как в природных водах присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в атмосфере содержатся не только свободные молекулы и ион
Экологические проблемы, связанные с химией атмосферного аэрозоля
1. Влияние на формирование радиационного режима планеты. Аэрозоли, в зависимости от размера и состава частиц, вносят существенный вклад в отражение, рассеяние и поглощение коротковолновой радиации
Летучие органические соединения
Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в атмосферу больших масс различных химических соединений. Основные антропогенные источники сконцентрированы в городах, занимающих
Соединения серы и азота
Поступление в атмосферу соединений серы
1. Биологические процессы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органич
Парниковый эффект
Основной причиной влияния на климат считают нарастание в атмосфере доли парниковых газов, ведущее к повышению температуры, за которой следует таяние ледников и повышение уровня океана, что вызовет
Парниковые газы
Метан. Глобальное потепление на 12% обусловлено метаном (СН4). Он образуется в процессе анаэробного бактериального разложения в болотах, на рисовых полях и свалках, в желудках кор
Чтo тaкoе фреoны
В 1931 гoду, кoгдa был синтезирoвaн безвредный для челoвеческoгo oргaнизмa хлaдaгент – фреoн. Впoследствии былo синтезирoвaнo бoлее четырех десяткoв рaзных фреoнoв, oтличaющихся друг oт другa пo кa
Городская атмосфера
Лондонский смог — первичное загрязнение
В городской среде присутствуют загрязняющие вещества, непосредственно выброшенные в атмосферу и называемые первичными загрязнителями. Дым — п
Последствия первичного и вторичного загрязнения воздуха
Фотохимический смог, с которым сталкиваются все чаще в современных городах, создает в них атмосферу, непохожую на дымный воздух городов в прошлом. В отличие от угля бензин как топливо дает мало дым
Состав гидросферы
Гидросфера — водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, водных объектов суши (реки, озера, болота, водохранилища), подземных вод, включая запасы воды в твердой фазе (ледн
Качество природной воды
Показатели качества природной воды обычно подразделяют на физические (температура, цветность, взвешенные вещества, запах, вкус и др.), химические (жесткость, активная реакция, окисляе
Химические процессы в гидросфере
Рассмотрение химических процессов в гидросфере — задача очень сложная, более сложная, чем изучение процессов в атмосфере. Причина заключается в том, что природная вода представляет
Речные воды
Особенности речных вод:
1) в растворенном состоянии в химическом составе пресной воды преобладают четыре металла, присутствующие в виде простых катионов (Са2+
Основные особенности океанической воды
Вода в океанах и морях вода представляет собой слабый (около 4%), полностью ионизированный, исключительно однородный раствор, в состав которого входит 95 % воды,
Соленость воды.
Соленость определяется как вес в граммах неорганических ионов в 1 кг воды. Измеряется по проводимости электрического тока (электропроводности). Воды открытого океана имеют соленость порядка 32– 37
Активность
Свойства морской воды как концентрированной системы существенно отличаются от свойств идеальных растворов. Поэтому в физико- химии морских вод необходимо учитывать снижение реакционной способности
Состав ионов в морской воде и закон Дитмара
Среди катионов в водах Мирового океана преобладающими являются в порядке убывания: натрий — 0,47, магний — 0,053, калий — 0,01, кальций — менее 0,01 моль/л; из анионов: хлор — 0,55, сульфат-анион —
Химический состав неосновных ионов.
В химии морской воды преобладают семь основных ионов. Однако оказалось, что в ней есть и другие ионы и элементы (практически вся таблица элементов Менделеева). Концентрации растворенных металлов до
Вынос ионов
К основным процессам удаления ионов относят:
• выброс ионов в атмосферу (потоки «море — воздух»);
• процессы отложения в виде эвапоритов, химического осаждения карбонатов, абиоген
Эвапориты
Испарение воды способствует осаждению составляющих ее солей, так называемых эвапоритных минералов. Осаждение начинается с наименее растворимых солей и заканчивается наиболее растворимыми. Когда исп
Подземные воды
Подземные воды — часть водных ресурсов Земли; общие запасы подземных вод составляют свыше 60 млн. км³. Подземные воды содержатся в земной коре, находятся в активном взаимодейс
Происхождение подземных вод и их распространение
В земной коре находится большое количество воды, физически и химически связанной, свободной гравитационной, капиллярной, а также в виде водяного пара и льда.
По современным представлениям,
Формирование кислотности поверхностных вод
Выпадение кислых атмосферных осадков может привести к серьезным изменениям в состоянии поверхностных водных систем (озер, прудов и т. д.). Можно условно выделить три стадии процесса их закисления.
Глобальное загрязнение Мирового океана
Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления
Загрязнения речных и морских вод
90 % забираемой воды для водоснабжения городов и промышленных предприятий сбрасывается обратно в реки и водоемы в виде сточных вод, загрязненных отходами хозяйственной деятельности. Сточные воды —
Органическое загрязнение
При наличии кислорода органические вещества распадаются на более простые в результате активности бактерий — биохимическое окисление (биологическая очистка воды), т.е. при достаточном количестве O
Нефть и нефтепродукты
Категория веществ, которые плохо поддаются разложению. Вода становится непригодной для использования при попадании 1 л нефти в объем воды 106 л. Нефть и нефтепродукты являются наиболее
Неорганические токсины
Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, ка
Соединения тяжелых металлов.
Решением Европейской экологической комиссии ООН в группу наиболее опасных тяжелых металлов выделены ртуть, свинец, кадмий, хром, марганец, никель, кобальт, ванадий, медь, железо, цинк, сурьма, а
Поведение тяжелых металлов в водной среде.
В водные экосистемы атомы тяжелых металлов поступают из почв и горных пород в результате химического и микробиологического выщелачивания минералов, с паводковыми и дождевыми водами, а также при
SiО2 + СаО →СаSiО3 — метасиликат кальция
Образующиеся соли часто входят в состав минералов, объединенных общим названием — алюмосиликаты. Минералы — основа земной коры. Среди них большую часть составляют (масс. %): сили
Химические процессы в литосфере
В недрах Земли и на ее поверхностях постоянно происходит разрушение горных пород. Разрушающее действие оказывают высокая и низкая температуры (резкое колебание температур), вода, С
Химическое загрязнение почв
В последние десятилетия человек стал причиной быстрой деградации почв, хотя потери почв имели место на протяжении всей истории человечества. Во всех странах мира сейчас распахивают около 1
Пестициды.
Пестициды без исключений являются ядами широкого спектра действия.
Обычно пестициды подразделяют следующим образом:
инсектициды — химические средства для борьбы с вредными
Методы и способы утилизации и ликвидации отходов
Основными направлениями оперирования промышленными твердыми отходами являются:
- захоронения на полигонах и свалках;
переработка конкретных твердых отходов по заво
Некоторые особенности биосферы
1. Биосфера – закономерный продут эволюции планеты Земля.
2. Биосфера Земли – большая (глобальная) открытая система, у которой на входе – поток солнечного излучения, а на выходе – минералы
Процессы в биосфере
Специфической чертой биосферы как особой оболочки Земли является происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. Живое вещество выполняет в биосфере следующие би
Основные функции живого вещества в биосфере
Функции
Краткая характеристика процессов
Энергетическая
Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии в результат
Химические процессы в биосфере
Для химических процессов в биосфере характерны следующие особенности:
– участие в химических и биохимических реакциях большого числа органических и неорганических веществ;
– проте
Химические основы экологического анализа
Изучение и контроль состояния окружающей среды включают исследование таких природных ресурсов, как разнообразные воды, атмосферный воздух, почвы, совокупность этих систем в плане определения в них
Меры токсичности веществ
Количественная характеристика токсичности веществ сложна. Судить о ней приходится по результатам воздействия вещества на живой организм, для которого характерна индивидуальная вариабельность, т.е.
Экологическое нормирование
Регулирование качества природной среды основано на определении экологически допустимого воздействия на нее, когда самоочищение природы еще способно работать. Определенными нормами т
Аналитическая химия в экологических исследованиях
Высокоэффективные методы контроля состояния окружающей среды исключительно важны для диагностики токсикантов. Принципиально важно, чтобы предел обнаружения загрязняющих веществ аналитическими метод
Токсичные металлы
Установлено, что 70 % токсичных металлов попадает в организм человека с пищей. Контролируется восемь наиболее опасных токсичных примесей: ртуть, свинец, олово, кадмий, медь, цинк, железо, мышьяк. Э
Вредные вещества в пищевых продуктах. Нитраты
Само по себе присутствие нитратов в растениях — нормальное явление, но излишнее увеличение их крайне нежелательно, т. к. они обладают высокой токсичностью для человека. Особой токсичностью обладает
Пестициды
Будучи малополярными органическими веществами, хлорорганические пестициды обладают кумулятивным токсическим эффектом — накапливаются в жировых тканях. Способность атома хлора к нукл
Диоксины
Особую опасность представляют содержащиеся в летучей золе полихлорированные дибензо-n-диоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ).
Диоксины и близкие им по структуре хлорорганич
Биотрансформация экотоксикантов
Неорганические экотоксиканты. Многие организмы имеют естественные механизмы метаболизма и удаления тяжелых металлов, чаще всего в форме металлорганических соединений. Один из наиб
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов