Круговорот кислорода, углерода, азота, фосфора и серы в биосфере


                   Российский Государственный Университет


                       нефти и газа имени И.М. Губкина



                                   РЕФЕРАТ

                                  На тему:
                      «Круговорот кислорода, углерода,
                               азота, фосфора
                             и серы в биосфере»



                                                                   Выполнил:
                                                              студент группы
                                                                     АИ-96-7

                                                               Гринберг Яков



                                Москва, 1999



                                 Содержание:

     1. Круговорот кислорода

     2. Круговорот углерода

     3. Круговорот азота

     4. Круговорот фосфора

     5. Круговорот серы

     6. Литература



                            КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА

      Кислород является наиболее  распространенным  элементом  на  Земле.  В
морской воде содержится 85,82% кислорода, в атмосферном  воздухе  23,15%  по
весу  или  20,93%  по  объему,  а  в  земной  коре  47,2%  по  весу.   Такая
концентрация  кислорода  в  атмосфере  поддерживается  постоянной  благодаря
процессу  фотосинтеза.  В  этом  процессе  зеленые  растения  под  действием
солнечного света превращают диоксид углерода и воду в углеводы  и  кислород.
Главная  масса  кислорода  находится  в  связанном   состоянии;   количество
молекулярного  кислорода  в  атмосфере  оценивается  в  1,5*  1015  m,   что
составляет всего лишь 0,01% от общего содержания кислорода в земной коре.  В
жизни  природы  кислород  имеет  исключительное  значение.  Кислород  и  его
соединения незаменимы для поддержания жизни. Они  играют  важнейшую  роль  в
процессах обмена веществ и дыхании. Кислород входит в состав белков,  жиров,
углеводов, из  которых  «построены»  организмы;  в  человеческом  организме,
например, содержится около 65% кислорода.  Большинство  организмов  получают
энергию, необходимую для выполнения их жизненных функций, за счет  окисления
тех или иных веществ с помощью кислорода.  Убыль  кислорода  в  атмосфере  в
результате процессов дыхания,  гниения  и  горения  возмещается  кислородом,
выделяющимся при фотосинтезе. Вырубка лесов, эрозия почв,  различные  горные
выработки  на  поверхности  уменьшают  общую  массу  фотосинтеза  и  снижают
круговорот на значительных территориях. Наряду  с  этим,  мощным  источником
кислорода является, по-видимому, фотохимическое разложение водяного  пара  в
верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых  лучей  солнца.  Таким
образом,   в   природе   непрерывно   совершается   круговорот    кислорода,
поддерживающий постоянство состава атмосферного воздуха.
Кроме описанного выше круговорота кислорода в несвязанном виде, этот
элемент совершает еще и важнейший круговорот, входя в состав воды.
Круговорот воды (H2O) заключается в испарении воды с поверхности суши и
моря, переносе ее воздушными массами и ветрами, конденсации паров и
последующее выпадение осадков в виде дождя, снега, града, тумана.


                             КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА
      Углерод по распространенности на  Земле  занимает  шестнадцатое  место
среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы  земной  коры.
В  несвязанном  состоянии  он  встречается  в   виде   алмазов   (наибольшие
месторождения  в  Южной   Африке   и   Бразилии)   и   графита   (наибольшие
месторождения в ФРГ, Шри-Ланка и  СССР).  Каменный  уголь  содержит  до  90%
углерода. В связанном  состоянии  углерод  входит  также  в  разные  горючие
ископаемые, в карбонатные минералы, например кальцит и доломит,  а  также  в
состав всех биологических веществ. В форме  доксида  углерода  он  входит  в
состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы.
      Углерод имеет  исключительное  значение  для  живого  вещества  (живым
веществом в  геологии  называют  совокупность  всех  организмов,  населяющих
Землю). Из углерода в биосфере создаются миллионы  органических  соединений.
Углекислота из атмосферы в процессе  фотосинтеза,  осуществляемого  зелеными
растениями,  ассимилируется  и  превращается  в  разнообразные  органические
соединения    растений.    Растительные    организмы,    особенно     низшие
микроорганизмы,  морской  фитопланктон,  благодаря  исключительной  скорости
размножения, продуцируют в год около 1,5*1011m углерода в виде  органической
массы. Растения частично поедаются животными (при  этом  образуются  пищевые
цепи). В конечном счете, органическая масса в результате дыхания, гниения  и
горения превращается в углекислый  газ  или  отлагается  в  виде  сапропеля,
гумуса,  торфа,  которые,  в  свою  очередь,  дают  начало   многим   другим
соединениям –  каменным  углям,  нефти.  В  процессах  распада  органических
веществ,  их  минерализации,  огромную  роль  играют   бактерии   (например,
гнилостные),  а  также  многие  грибы  (например,  плесневые).  В   активном
круговороте углекислый газ ( живое вещество участвует очень небольшая  часть
всей массы углерода.  Огромное  количество  углекислоты  законсервировано  в
виде ископаемых известняков и других пород.
      Между углекислым газом атмосферы и водой океана  существует  подвижное
равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты,  а
затем  из  них  образуются   пласты   известняков.   Атмосфера   пополняется
углекислым  газом  благодаря  процессам  разложения  органических   веществ,
карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы  которых
состоят главным образом из паров воды и углекислого газа.


                              КРУГОВОРОТ АЗОТА
      Азот входит в состав земной  атмосферы  в  несвязанном  виде  в  форме
двухатомных молекул. Приблизительно 78% всего  объема  атмосферы  приходится
на долю азота.  Кроме  того,  азот  входит  в  состав  растений  и  животных
организмов в форме белков. Растения синтезируют белки, используя нитраты  из
почвы.  Нитраты  образуются  там  из   атмосферного   азота   и   аммонийных
соединений, имеющихся в почве.  Процесс  превращения  атмосферного  азота  в
форму,  усвояемую  растениями  и  животными,  называется  связыванием   (или
фиксацией) азота.
      При гниении органических веществ значительная  часть  содержащегося  в
них азота превращается в  аммиак,  который  под  влиянием  живущих  в  почве
нитрифицирующих бактерий окисляется  затем  в  азотную  кислоту.  Последняя,
вступая в реакцию с находящимися в почве карбонатами, например с  карбонатом
кальция СаСОз, образует нитраты:
   2HN0з + СаСОз = Са(NОз)2 + СОС + Н0Н

  Некоторая же часть азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в
атмосферу.  Свободный  азот  выделяется  также  при   горении   органических
веществ, при сжигании дров, каменного угля, торфа.  Кроме  того,  существуют
бактерии, которые при недостаточном доступе воздуха могут отнимать  кислород
от нитратов, разрушая их с выделением свободного  азота.  Деятельность  этих
денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что  часть  азота  из  доступной
для зеленых растений формы  (нитраты)  переходит  в  недоступную  (свободный
азот). Таким образом, далеко не  весь  азот,  входивший  в  состав  погибших
растений, возвращается обратно в почву; часть его  постепенно  выделяется  в
свободном виде.
      Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была  бы
привести к полному  прекращению  жизни  на  Земле,  если  бы  в  природе  не
существовали  процессы,  возмещающие  потери  азота.   К   таким   процессам
относятся, прежде всего, происходящие  в  атмосфере  электрические  разряды,
при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота;  последние
с водой дают азотную кислоту,  превращающуюся  в  почве  в  нитраты.  Другим
источником пополнения азотных соединений  почвы  является  жизнедеятельность
так  называемых  азотобактерий,  способных   усваивать   атмосферный   азот.
Некоторые из этих  бактерий  поселяются  на  корнях  растений  из  семейства
бобовых, вызывая образование характерных вздутий — «клубеньков», почему  они
и  получили  название  клубеньковых  бактерий.  Усваивая  атмосферный  азот,
клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения,  а  растения,
в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества.
      Таким образом, в природе  совершается  непрерывный  круговорот  азота.
Однако ежегодно с урожаем с полей убираются наиболее богатые  белками  части
растений, например зерно. Поэтому  в  почву  необходимо  вносить  удобрения,
возмещающие убыль в ней важнейших элементов  питания  растений.  В  основном
используются нитрат кальция Ca(NO3)2, нитрат аммония NH4NO3,  нитрат  натрия
NANO3, и  нитрат  калия  KNO3.  Например,  в  Таиланде  используются  листья
лейкаены  как  органическое  удобрение.  Лейкаена  принадлежит   к   бобовым
растениям и, как и все они, содержит очень много  азота.  Поэтому  ее  можно
использовать вместо химического удобрения.
   В последнее время наблюдается повышения содержания  нитратов  в  питьевой
воде, главным  образом  за  счет  усилившегося  использования  искусственных
азотных удобрений в сельском хозяйстве. Хотя сами нитраты не так уж   опасны
для взрослых людей, в организме человека они могут превращаться  в  нитриты.
Кроме того, нитраты и нитриты используются для обработки  и  консервирования
многих пищевых продуктов, в том числе ветчины,  бекона,  солонины,  а  также
некоторых сортов сыра и рыбы. Отдельные ученые  полагают,  что  в  организме
человека нитраты могут превращаться в нитрозамины :
        Известно,   что   нитрозамины   способны   вызывать   онкологические
заболевания у  животных.  Большинство  из  нас  уже  подвержено  воздействию
нитрозаминов,  которые  в  небольшом  количестве  находятся  в  загрязненном
воздухе, сигаретном дыму и некоторых пестицидах. Полагают,  что  нитрозамины
могут   быть   причиной   70-90%   случаев    онкологических    заболеваний,
возникновение которых приписывают действию факторов окружающей среды.



                             КРУГОВОРОТ ФОСФОРА

       Источником  фосфора  биосферы  является   главным   образом   апатит,
встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора  большую
роль играет живое вещество.  Организмы  извлекают  фосфор  из  почв,  водных
растворов. Усвоение фосфора растениями  во  многом  зависит  от  кислотности
почвы. Фосфор  входит  в  многочисленные  соединения  в  организмах:  белки,
нуклеиновые кислоты, костная ткань, лецитины,  фитин  и  другие  соединения;
особенно много фосфора входит в состав  костей.  Фосфор  жизненно  необходим
животным в процессах  обмена  веществ  для  накопления  энергии.  С  гибелью
организмов фосфор возвращается в почву и в илы морей. Он  концентрируется  в
виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, что создает  условия
для создания  богатых  фосфором  пород,  которые  в  свою  очередь  являются
источником фосфора в биогенном цикле.
      Содержание фосфора в земной коре составляет 8*10-20  %  (по  весу).  В
свободном состоянии фосфор в природе не встречается  вследствие  его  легкой
окисляемости. В земной коре  он  находится  в  виде  минералов  (фторапатит,
хлорапатит, вивианит и др.), которые входят в состав  природных  фосфатов  –
апатитов и  фосфоритов.  Фосфор  имеет  исключительное  значение  для  жизни
животных и растений.
      Так как растения уносят из почвы значительное  количество  фосфора,  а
естественное пополнение фосфорными соединениями почвы крайне  незначительно,
то  внесение  в  почву  фосфорных  удобрений  является  одним  из  важнейших
мероприятий   по   повышению   урожайности.   Ежегодно   в   мире   добывают
приблизительно 125 млн. т. фосфатной руды. Большая ее часть  расходуется  на
производство фосфатных удобрений.



                               КРУГОВОРОТ СЕРЫ

      Круговорот серы также тесно связан с живым веществом. Сера в виде SO2,
SO3, H2S и элементарной серы выбрасывается вулканами в атмосферу.  С  другой
стороны,  в  природе  в  большом  количестве  известны  различные   сульфиды
металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в  биосфере
при участи многочисленных микроорганизмов до сульфатной  серы  SO42  почв  и
водоемов. Сульфаты  поглощаются  растениями.  В  организмах  сера  входит  в
состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, -  в  состав  эфирных
масел и т.д. Процессы разрушения остатков  организмов  в  почвах  и  в  илах
морей сопровождаются  очень  сложными  превращениями  серы.  При  разрушении
белков   при   участии   микроорганизмов   образуется   сероводород.   Далее
сероводород окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В  этом
процессе участвуют разнообразные  микроорганизмы,  создающие  многочисленные
промежуточные  соединения  серы.  Известны  месторождения  серы   биогенного
происхождения. Сероводород может вновь образовать  «вторичные»  сульфиды,  а
сульфатная  сера  создает  гипс.  В  свою  очередь  сульфиды  и  гипс  вновь
подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию.



                                 ЛИТЕРАТУРА:
     1. БСЭ, 1953
     2. Стадницкий, Родионов. «Экология»
М. Фримантл «Химия в действии»
Г. Рудзидис, Ф.Фельдман Химия 7-11.
-----------------------
[pic]