Круговорот фосфора в биосфере.

Фосфор – «элемент – одиночка». Простое вещество при обычных условиях существует в виде целого ряда аллотропных модификаций, главные из них – белый, красный и черный фосфор. Фосфор в свободном состоянии в природе не встречается, а входит в состав минералов типа апатитов 3Ca3(PO4)2 CaF2 и фосфатов Ca3(PO4)2 . Фосфор – важная составная часть цитоплазмы и нуклеиновых кислот. Редуценты, минерализуют органические соединения фосфора в фосфаты, которые вновь потребляются корнями растений. Много фосфора накапливается в горных породах, в глубинных отложениях, откуда с помощью животных снова возвращается в круговорот.

Круговорот воды на поверхности земного шара известен: действием солнечной энергии в результате испарения создается атмосферная влага, она конденсируется в форме облаков, с их охлаждением вода выпадает виде осадков (дождь, снег, град), которые поглощаются почвой или стекают в реки, озера, моря и океаны. Количество воды, испаряемой растениями с помощью транспирации, всегда больше, чем испаряемой с поверхности водоемов. Круговорот воды в бассейне реки Конго – пример регионального круговорота воды. Вода, теряемая в процессе испарения тропическим лесом и саванной, впоследствии возвращается с осадками в почву. Притом осадки более обильны, чем сток воды в море.

Круговороты, происходящие в биосфере, очень сложны и тесно связаны между собой. Вливаясь в общий биологический круговорот, они составляют основу существования и развития глобальной экосистемы, обеспечивая ее динамическую устойчивость и поступательное развитие. Движущей силой биологического круговорота веществ на нашей планете является жизнедеятельность организмов.

Круговорот азота

Атмосфера на ~ 79% состоит из азота. Азот - биогенный элемент, входит в состав аминокислот и белков в живых организмах. Биохимический цикл азота приведен на рис. 1.8 . Азот может стать доступным для живых организмов только в связанной форме, т. е. в результате азотфиксации. Фиксация азота (в порядке значимости)

1. Промышленная фиксация (см.рис 1.8 в Приложении5).

2. Сине-зеленые водоросли и бактерии.

3. Действие физических сил природы: молний, космического излучения

(N2 + 02 → NО → нитраты) .

Промышленная фиксация - это производство удобрений (КNO3, NаNО3, NН4NO3 и т.п.).

Самый богатый природный источник связанного азота - это бобовые: горох, клевер, соя, люцерна и т. д. На их корнях имеются клубеньки, в которых находятся колонии азотфиксирующих бактерий. Это симбиоз растений и бактерий: растения получают азот, бактерии -углеводы и другое питание. Распад органического вещества и нитрификация происходит с участием сапрофитов - бактерий. Они возвращают азот белков, содержащихся в мертвых растениях и животных, в общий круговорот в форме нитратов. Денитрификация производится особыми бактериями денитрификаторами, которые расщепляют нитраты и возвращают азот. Такие бактерии живут в почвах и водах с малым содержанием 02. Естественный круговорот азота происходит с очень малой скоростью, поэтому он сильно подвержен антропогенным воздействиям. В настоящее время равновесие по азоту в природе нарушено в результате человеческой деятельности: происходит накопление нитратов и других промежуточных продуктов нитрификации в окружающей среде.

Проблемы, связанные с нарушениями в круговороте азота.

Первая проблема связана с накоплением нитратов. Это соединения азота, соли азотной кислоты с радикалом NO3-, входят в состав удобрений, применяются как пищевые добавки. Сами по себе нитраты относительно не токсичны. Но бактерии, обитающие в организме человека, могут превращать их в токсичные нитриты. Нитриты реагируют в желудке с аминами, образуя весьма канцерогенные нитрозамины. (Нитрозамины - самые сильные канцерогены из известных). Нитрит натрия (NaNO2) в смеси с поваренной солью используется для посола мяса и рыбы. В ФРГ 95% мясных изделий подсаливается этой смесью.

Нитриты опасны:

1). Образуются нитрозамины - канцерогены.

2). У грудных и маленьких детей развивается цианоз или синюшность.

Источниками нитрозаминов (Н) являются: машинные масла (было обнаруженодо 3% Н), табачный дым ~ 1 мкг и некоторые косметические средства.

Второй проблемой является проблема оксидов азота. Оксиды азота образуются при всех процессах горения в результате соединения N и О. При горении образуется сначала NO, который затем окисляется до N02, который более токсичен и вреден для живой природы. Из N02 , образуются кислотные осадки в условиях влажного воздуха (кислотные туманы, кислотная роса, кислотные дожди)

N02 + Н20 → HNO3

ПДК по N02 равен 0,08 мг/м3 при длительном воздействии. Признаки хронического отравления N02: головные боли, бессоница, изъязвление слизистых оболочек.

Фотохимический смог образуется в условиях большого количествах выхлопных газов ( около 500 различных углеводородов ), оксидов азота, интенсивного солнечного излучения. Продуктами происходящих химических реакций являются множество опасных веществ – фотооксиданты, озон, ПАН (пироксиацетилнитрат, являющийся смертельно опасным веществом).

Круговорот серы. Проблема кислотных осадков

Круговорот серы в природе сложен и до конца не ясен. Сера распространена в природе в виде множества неорганических соединений. (Известно более 200 серосодержащих минералов). Сера участвует также и в биотическом круговороте: она входит в состав некоторых аминокислот, а также участвует в биохимических процессах образования белков.

В атмосферном воздухе сера присутствуете основном, в виде трех соединений - газообразных оксида серы (1У), сероводорода и аэрозолей сульфатов. Природным источником серы в атмосферном воздухе является сероводород. Среднее время жизни Н2S в атмосфере ~ 2 суток. Он быстро окисляется до SO2. Антропогенный источник SO2 - сжигание топлива, т. к. ископаемое топливо содержит значительное количество серы почти до 4%. В атмосферном воздухе SO2 приводит к образованию аэрозолей и "кислых" дождей. Время жизни SO2 в атмосфере ~ 4 сут.

Существует и природный загрязнитель атмосферного воздуха соединениями серы (SO2, Н2S, сульфаты) - это вулканическая деятельность. При извержениях вулканов эти соединения попадают в нижние слои атмосферы - тропосферу.

Диоксид серы - газ, вредный для здоровья людей, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Доказана прямая зависимость частоты заболеваний бронхитом от концентрации SO2 в воздухе:

у = 14,5х - 1,3

где у - процент заболевших бронхитом;

х - концентрация SO2 в воздухе, мг/м3. Примеры: При х = 1,0 мг/м3 число заболевших бронхитом составит 13,2%, при х=5 мг/м3 - у = 71,2%, при х=6,8 мг/м3 - все население заболеет бронхитом. Эти прогнозыподтверждаются исследованиями, проведенными в Европе. В атмосферном воздухе SO2 окисляется до SO3. Газообразный SO3 растворяется в каплях влаги с образованием серной кислоты

SO3(г)+ Н2O(ж) —> H2SO4(ж)

Это приводит к выпадению кислотных осадков, что губительно влияет на живые организмы в природе: в водоемах гибнут рыбы и другие организмы. Кислотные осадки изменяют структуру и состав почв, приводят к гибели растений. Особенно страдают хвойные деревья. И, наконец, кислотные осадки приводят к разрушению и творения человеческих рук. Под влиянием кислоты разрушаются здания, архитектурные и другие памятники, под действием кислотных дождей ускоряется коррозия металлических конструкций.