К. М. Ситника Допущено Міністерством освіти і науки України
|
|
Скачати 1.6 Mb.
|
|
Колообіг азоту Основна частина азоту міститься в атмосфері. Колообіг азоту є одним з найскладніших. Величезна кількість живих організмів забезпечує швидку циркуляцію азоту в різних екосистемах. Азот разом з вуглецем бере участь в утворенні протеїнових речовин. Газоподібний азот безперервно надходить в атмосферу завдяки діяльності денітрифікуючих бактерій. Бактерії-фіксатори разом з ціанофітами (синьозелені водорості) постійно поглинають його, перетворюючи на нітрати. Утворення нітратів неорганічним шляхом постійно відбувається в атмосфері в результаті електричних розрядів під час грози. Проте цей процес відіграє другорядну роль порівняно з діяльністю нітрифікуючих мікроорганізмів, головним чином аеробних, анаеробних та автотрофних бактерій. Найактивнішими споживачами азоту є симбіотичні бактерії бобових. Рослини постачають бактеріям вуглеводи, а вони рослинам – органічний азот, який синтезують з газоподібного азоту атмосфери. Азотфіксуючі бактерії збагачують на азот не лише наземну частину бобових рослин, а й ґрунт. Як каталізатор для синтезу азоту ці бактерії використовують молібден. Встановлено, що середнє надходження нітритного азоту абіотичного походження осадженням з атмосфери в ґрунт не перевищує 10 кг/(рік ∙ га), вільні бактерії синтезують 25, тоді як симбіоз з бобовими продукує його в середньому 200 кг/(рік ∙ га). У водному середовищі також існують різні види нітрифікуючих бактерій. Проте головна роль у фіксації атмосферного азоту належить численним видам фотосинтезуючих синьозелених водоростей. Нітритний азот, який виробляють численні наземні й водяні організми, поглинається рослинами і надходить у листя. Там він відновлюється до амонію. За наявності карбонових кислот амоній трансформується в азот амінів, а потім протеїнів. Колообіг азоту відбувається також за участю деструкторів. Цей елемент міститься в біомасі і безперервно надходить у середовище в складі органічного детриту, виділень і трупів. Протеїни та інші форми органічного азоту, що містяться у відходах, зазнають дії біоредукуючих мікроорганізмів (грибів, гетеротрофних бактерій і актиноміцетів). При цьому органічний азот перетворюється на аміак. Частина аміачного азоту може безпосередньо надходити в корені рослин і знову перетворюватися на азот протеїнів або використовуватися нітрифікуючими бактеріями. Денітрифікація, що відбувається в ґрунтах, призводить до зменшення нітратів. Деякі бактерії, наприклад Pseudomonas, здатні розкладати йон  до N2, який повертається в атмосферу. Процес денітрифікації відбувається в анаеробних умовах. Здебільшого процес денітрифікації завершується на стадії утворення нітритів або аміаку.Азот може надходити в атмосферу від діючих вулканів, які компенсують втрати азоту, виключеного з колообігу внаслідок осадження його на дно океанів. Біогеохімічні осадові колообіги характеризують усі інші біогенні елементи. Розглянемо як приклад тільки колообіги фосфору й сірки. Ці елементи мають велике значення для обміну речовин. Сірка відіграє особливу роль у побудові протеїнових структур, а фосфор – нуклеїнових кислот. Колообіг фосфору Фосфор належить до одного з основних елементів живої речовини і його запаси повністю зосереджені в літосфері. Основними джерелами неорганічного фосфору є вивержені та осадові породи (апатити, фосфорити). Неорганічний фосфор у земній корі розчиняється континентальною водою і поглинається рослинами суходолу. Таким чином він залучається до трофічних ланцюгів. Потім органічні фосфати разом з трупами, виділеннями та відходами живих речовин повертаються в землю. Тут вони зазнають дії мікроорганізмів і перетворюються на мінеральні ортофосфати, які споживають зелені рослини та інші автотрофи. У водні екосистеми фосфор постачають ріки. Останні безперервно збагачують океани фосфатами, які використовуються фітопланктоном та іншими живими організмами. Повернення мінеральних фосфатів у воду відбувається за допомогою біовідновників. У природі фосфор трапляється в розчинних і нерозчинних формах: органічні фосфати біомаси, які перетворюються на органічні фосфати переважно з мертвої неорганічної речовини, а потім на розчинні органічні фосфати. Останні трансформуються в розчинні мінеральні фосфати, які знову повертаються в біомасу у вигляді органічних фосфатів. Фосфорний цикл у природі повністю не замикається. Якщо в наземних екосистемах колообіг фосфору здійснюється в умовах, наближених до оптимальних, з мінімальними втратами на вилуження, то в океані відбувається безперервне осадження збагачених фосфатами органічних речовин. Фосфати, що відклалися на великих морських глибинах, виключаються з біосфери і більше не беруть участі в колообігах. Однак поступово за допомогою геологічних процесів фосфорні осади підіймаються на поверхню і знову залучаються до колообігів, тривалість яких вимірюється десятками й сотнями мільйонів років. Фосфор виноситься на суходіл з виловленою рибою та птахами, що живляться рибою. Проте кількість фосфору, яка щороку надходить на сушу за рахунок рибальства, незначна і не перевищує 60 000 т. Ця кількість значно менша за ту, що надходить внаслідок змивання мінеральних добрив, які вносять в агроекосистеми. Таким чином, у природних умовах повернення фосфору з океанів не здатне компенсувати втрати цього елемента на осадження. Людина прискорює цю тенденцію, постійно збільшуючи використання мінеральних фосфорних добрив. Колообіг сірки У природі сірка трапляється у вигляді водних розчинів неорганічних сполук (переважно сульфатів), газоподібних речовин (Н2S і SO2 та різних осадів. Колообіг сірки відбувається головним чином за рахунок осадового механізму в ґрунті й воді. Основне джерело сірки, доступної для живих організмів, – це сульфати завдяки їх добрій розчинності у воді. Рослини поглинають їх, відновлюють і перетворюють на сірковмісні амінокислоти (цистин, метіонін, цистеїн). Чорний намул, який трапляється на дні багатьох морів (наприклад, Чорного), озер та інших прісноводних водойм, багатий на організми, що розкладають сірковмісні речовини в анаеробних умовах. Деякі різновиди бактерій можуть відновлювати гідрогенсульфід до елементного сульфуру. Існують також хемосинтезуючі бактерії, що знову окиснюють сірководень до сульфатів, які використовують автотрофні продуценти. Ці бактерії здатні виробляти клітинну енергію без доступу світла за рахунок окиснення неорганічних сульфатів. Остання фаза колообігу сірки є осадовою. Вона полягає в осадженні сірки залізом в анаеробних умовах: Н  2S+Fе3+aq Fе(ОН) (SН) FеS FеS2.Таким чином відбувається повільне і поступове накопичення сірки в глибоко розташованих осадових породах. Ці породи в біосфері містять основні запаси сірки, яка трапляється переважно у вигляді піритів і сульфатів (гіпс). В атмосферу сірка може надходити також у результаті вулканічної діяльності. 4.9. ЕНЕРГЕТИКА ПРИРОДНИХ ЕКОСИСТЕМ Єдиним джерелом енергії, яка підтримує життя в біосфері нашої планети, є сонячна радіація. Чим більше надходить на Землю сонячної енергії, тим інтенсивніший перебіг життєвих процесів за сталості інших екологічних факторів. Близько 99 % сонячної енергії припадає на випромінювання з довжиною хвиль 0,2-4 мкм. Майже половина цієї енергії-це хвилі видимого спектра (0,38-0,77 мкм), друга частина – хвилі ультрафіолетової та інфрачервоної ділянок спектра. Понад 30 % сонячного випромінювання, яке досягає верхньої межі стратосфери, відбивається в космічний простір хмарами, 8 % – пилом повітря (див. схему на с. 56). Понад 10 % усієї енергії поглинається водяною парою, озоном та іншими газами. Лише 52 % сонячної енергії досягає поверхні Землі, з якої близько 10 % відбивається (рис. 4.7). Отже, тільки приблизно 40 % сонячної енергії надходить до екосистем, з яких близько 25 % використовують рослини для здійснення фотосинтезу. Хлорофіл поглинає сонячну енергію з довжиною хвиль 0,4-0,5 мкм і 0,61-0,69 мкм, які знаходяться відповідно в голубій і червоній частинах спектра. І тільки 10 % енергії, отриманої рослинами, трансформується в біомасу. Таким чином, коефіцієнт корисної дії фотосинтезу дуже низький і знаходиться в межах 0,1-1,6%.   Енергія, яку споживають рослини, становить у середньому 1 % сонячної радіації, яка надходить на земну поверхню. Тільки невелике число рослин використовують до 3 % енергії. Отже, рушійною силою розвитку живої речовини в будь-якій екосистемі є різниця в кількості енергії, яка надходила в систему і яка розсіялася нею в навколишнє середовище (А. К. Запольський). Відповідно до закону однонапрямленості потоку енергії, енергія, яку одержує екосистема і яка засвоюється продуцентами, розсіюється або разом з їхньою біомасою незворотно передається консументами першого, другого, третього та інших порядків, а потім редуцентам, що супроводжується втратою певної кількості енергії на кожному трофічному рівні в результаті процесів, які супроводжують дихання. 4.10. РЕСУРСНИЙ ЦИКЛ В АНТРОПОГЕННИХ ЕКОСИСТЕМАХ До недавнього часу, приблизно до середини XVIII ст., коли людина користувалась природними ресурсами, як і всі інші живі організми, її ресурсний цикл включався в загальний природний колообіг речовини та енергії і динамічна рівновага в біосфері не порушувалась. При цьому мали місце тільки втрати внаслідок недосконалої технології зберігання продуктів, що являли собою органічні речовини. Останні за допомогою редуцентів перероблялися на неорганічні речовини, які знову використовували рослини. Мінеральні сполуки, що не використовувалися живою речовиною біосфери, накопичувалися у вигляді родовищ мінеральних ресурсів у природних коморах. Значне зростання населення планети супроводжувалось відчутним зростанням його потреб. Уже в середні віки сталися істотні зміни, коли для задоволення зростаючих потреб людина змушена була звернутися до природної комори – почала видобувати корисні копалини та організувала різноманітні виробництва для їх переробки. З цих ресурсів виготовляли певні предмети, які в кінцевому підсумку використовували як предмети виробництва або як готові вироби (машини, верстати, споруди, будинки, предмети побуту й культури тощо). У такий спосіб людина почала залучати природні ресурси до ресурсного циклу:  Під ресурсним циклом розуміють сукупність перетворень і просторових переміщень певної речовини або групи речовин на всіх етапах використання її людиною (включаючи її пошук, підготовку до експлуатації, добування з природного середовища, переробку, перетворення, повернення в природу). Слово «цикл» передбачає замкнутість процесу. Природний ресурсний цикл справді є відносно замкнутим. У ньому майже всі хімічні речовини (вода, гази, метали), що входять до складу живої речовини, рухаються по замкнутому циклу. Якби цей цикл не був замкнений, то речовини вичерпалися б як ресурс і перейшли б у якийсь інший стан. Якщо в природному колообігу речовин вуглець, спожитий рослинами у вигляді вуглекислого газу, в процесі синтезу зазнає ряду біохімічних перетворень на органічні речовини і в кінцевому підсумку за допомогою редуцентів знову перетворюється на вуглекислий газ і споживається тими самими рослинами, то в антропогенних екосистемах цього не відбувається. Добутий з родовищ вуглець у вигляді кам’яного вугілля спалюється людиною для отримання певного виду енергії, яку використовують для вироблення різних продуктів з природної сировини. В результаті спалювання вугілля отримують також вуглекислий газ, який включається в природний коло-обіг вуглецю і використовується рослинами, а не в антропогенному ресурсному циклі, оскільки для останнього потрібен вуглець у вигляді мінерального палива. А щоб утворилось кам’яне вугілля, знадобиться багато мільйонів років. Отже, споживання вуглецю в антропогенному ресурсному циклі відбувається значно швидше, ніж його відтворення в природі. Прискорити відтворення вуглецю з вуглекислого газу можна, якщо використовувати рослинне паливо у вигляді змертвілої органіки або відновлювати вуглець з оксиду карбону (IV). Проте здійснення останнього процесу потребує багато енергії. Таким чином, характерною ознакою ресурсного циклу в антропогенних екосистемах є його незамкнутість. Природні ресурси безперервно надходять у цикл, перетворюються на певний продукт, який споживає людина. Отже, для функціонування цього циклу необхідне постійне втручання людини, яка б здійснювала постачання природних ресурсів. За законом розвитку довкілля, будь-яка природна система розвивається лише за рахунок використання матеріально-енергетичних та інформаційних можливостей навколишнього середовища. Абсолютно ізольований саморозвиток неможливий, про що свідчать закони термодинаміки. З цього закону випливають важливі наслідки:
На кожному етапі ресурсного циклу (добування ресурсів, їх транспортування, перероблення) відбуваються неминучі втрати. Під час видобування частина сировини (Q1) залишається в родовищах, а до відвалів потрапляє так звана «пуста порода», на видобуток та транспортування якої витрачається енергія. Значна кількість видобутих копалин втрачається під час транспортування до підприємств (Q2), під час перевантажень і переробки на продукти (Q3). Якщо ресурсом є паливо (наприклад, кам’яне вугілля) для вироблення теплової або електричної енергії, то під час його спалювання утворюється значна кількість попелу, шлаків, різних оксидів, які видаляються в атмосферу з викидними газами або у відвали на поверхню землі. Вироблені продукція і вироби в процесі користування зазнають спрацювання та корозії, що також призводить до безповоротних втрат відповідно Q4 i Q5. Відпрацьовані вироби можуть частково утилізуватися у вигляді утилю чи брухту і знову повернутися у виробництво як сировина. Проте частина з них (Q6) втрачається. Отже, загальні втрати природного ресурсу в процесі його переробки дорівнюватимуть сумі всіх втрат Q1...Q6, тобто QВ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6. Якщо від загальної кількості природного ресурсу Qпр, що знаходиться в місці його природної локалізації, відняти кількість втрат QB, то дістанемо кількість природного ресурсу, який використано. Отже, коефіцієнт корисної дії ресурсного циклу в антропогенній екосистемі (антропогенний ресурсний цикл) можна записати у вигляді такої формули:  З цієї формули випливає, що ККД антропогенного ресурсного циклу тим більший, чим менші втрати QB на всіх етапах переробки природного ресурсу. Якщо взяти до уваги, що всі втрати природного ресурсу призводять до забруднення навколишнього природного середовища, то чим меншими будуть втрати цього ресурсу, тим меншим буде забруднення довкілля. У зв’язку зі значним зростанням чисельності населення на планеті постійно зростають потреби його в природних ресурсах. Як стверджує закон зменшення енерговіддачі в природокористуванні, у процесі одержання з природних систем корисної продукції з часом (в історичному аспекті) на її виготовлення витрачається в середньому дедалі більше енергії (зростають енергетичні витрати на одну людину). Так, витрати енергії на одну людину за добу збільшилися майже в 60 разів, ніж кілька тисяч років тому. Розглядаючи еволюційний розвиток людського суспільства, можна дійти такого важливого висновку: розвиток людського суспільства характеризується безперервним зростанням потреб. Однак ці потреби слід оптимізувати. Особливо потрібно зменшити темп їх зростання. Кількість ресурсів, що залучаються в антропогенний ресурсний цикл, наближається до тієї кількості речовин, які беруть участь у природному колообігу. Так, під час спалювання видобутого палива утворюється величезна кількість вуглекислого газу, який насичує атмосферне повітря. Якщо раніше весь вуглекислий газ, що утворювався під час дихання рослин і тварин і надходив в атмосферу, утилізувався тими самими рослинами, то нині спостерігається накопичення його в атмосфері. Різке збільшення вмісту вуглекислого газу в атмосфері мало б сприяти накопиченню біомаси рослинами. Проте цього не спостерігається, оскільки, з одного боку, процес фотосинтезу рослин еволюційно скоординований з певною відносно сталою величиною сонячної енергії, а з другого – енергоємність хлоропластів (де здійснюється фотосинтез) також є величиною сталою, з певною кількістю фотосинтетичної роботи. Фактично ж збільшення вмісту вуглекислого газу в атмосфері супроводжується зниженням загальної фотоенергоємності біосфери, оскільки більш продуктивні лісонасадження поступаються місцем менш продуктивним окультуреним екосистемам, а фотосинтетична активність водних продуцентів зменшується внаслідок забруднення океану. Оскільки підвищення вмісту вуглекислого газу не компенсується інтенсивністю його асиміляції, колообіги не лише вуглецю, а й інших біогенних елементів (азоту, фосфору, сірки) не збалансовані внаслідок антропогенної діяльності. |
Схожі:
|
Допущено Міністерством освіти України Ф 59 Фінанси підприємств: Підручник / За ред професора А. М. Поддєрьогіна. — К.: КНЕУ, 1998. — 368 с |
Підручник Рекомендовано Міністерством освіти і науки України Рекомендовано Міністерством освіти і науки України (лист №14/18. 2-590 від 21 березня 2003року) |
|
Навчальних програм, підручників та навчально-методичних посібників,... Міністерством освіти і науки України з природознавства та хімії для використання в основній і старшій школі у загальноосвітніх навчальних... |
А. М. Колодія Рекомендовано Міністерством освіти і науки України За редакцією \В. В. Копєйчикова\ А. М. Колодія Рекомендовано Міністерством освіти і науки України |
|
М. Тодики доктора юридичних і політичних наук, професора В. С. Журавського... Затверджено Міністерством освіти і науки України як підручник для студентів вищих навчальних закладів |
ПЕРЕЛІК програм та навчально-методичної літератури з проблем виховання,... Міністерство освіти і науки Автономної Республіки Крим, управління освіти і науки обласних, Київської та Севастопольської міських... |
|
ПЕРЕЛІК програм, підручників та навчально-методичних посібників,... Міністерством освіти і науки України для використання у загальноосвітніх навчальних закладах з навчанням українською мовою |
Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів Рекомендовано... Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів |
|
ПЕРЕЛІК програм, підручників та навчальних посібників, рекомендованих... Міністерство освіти і науки Автономної Республіки Крим, управління освіти і науки обласних, Київської та Севастопольської міських... |
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАКА З «Деякі питання запровадження зовнішнього незалежного оцінювання та моніторингу якості освіти», наказу Міністерства освіти і науки... |
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua