ИЭФ / 1 группа / Общая экология / Реферат - Круговорот фосфора - Соловьев - Кетов - 2008 / Реферат Круговорот фосфора
Одно из замечательных открытий геохимии заключается в установлении того, что движение многих химических элементов осуществляется в виде круговых процессов - круговоротов. Именно эти элементы слагают земную кору, жидкую и газовую оболочки нашей планеты. Их круговороты могут происходить на ограниченном пространстве и на протяжении небольших отрезков времени, а может охватывать всю наружную часть планеты и огромные периоды. При этом малые круговороты входят в более крупные, которые в своей совокупности складываются в колоссальные биогеохимические круговороты. Они тесно связаны с окружающей средой.
В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется круговорот углерода, азота, кислорода, фосфора, серы и других химических элементов. Энергия поступает в экосистемы во время фотосинтеза, а рассеивается главным образом в виде тепла, когда организмы используют ее для своей жизнедеятельности. Вследствие непрерывно происходящих потерь энергии необходимо, чтобы она столь же непрерывно поступала в экосистемы в виде энергии солнечного света. В отличие от этого вода и элементы питания совершают непрерывный круговорот.
Как уже было сказано, энергия протекает через биосферу, происходит непрекращающийся обмен энергией между Землей и космосом. Однако веществом Земля и космос не обмениваются. Различают два круговорота - большой, или геологический, малый (биологический). Причем только малый круговорот совершается в пределах биосферы. Очень важным элементом круговорота является живое вещество, а "мотором", который "раскручивает колесо круговорота", является энергия Солнца.
Никогда новый цикл круговорота не является точным повторением старого, но обязательно имеет что-то новое, пусть и очень малозаметное. Эти различия, постепенно накапливаясь с каждым новым циклом, приводят к заметным изменениям. Таким образом и происходит развитие биосферы.
Что же такое биогеохимический круговорот фосфора?
Деятельность живых организмов сопровождается извлечением из окружающей их неживой природы больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный круговорот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами.
Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основные источники неорганического фосфора – изверженные или осадочные породы. В земной коре содержание фосфора не превышает 1%, что лимитирует продуктивность экосистем. Из пород земной коры неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию континентальными водами. Он поглощается растениями, которые при его участии синтезируют различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.
В экосистеме океана фосфор приносится текучими водами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов. Если в наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь, то в океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах, не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности. Таким образом, фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно.
Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут. Запасы фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор – основной фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор – главный регулятор всех других биогеохимических циклов, это – наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.
Исследование цикла фосфора в природе.
Современные технологии и методы исследования помогают ученым получить новые представления об одном из самых распространенных элементов Земли – фосфоре, лучше понять его круговорот в природе. Фосфор очень важен для жизни, так как является строительным материалом для нуклеиновых кислот, белков и липидов. Он также входит в состав аденозин-трифосфата (АТФ) и никотинамид-аденозин-динуклеотид-фосфата (НАДФ), молекул, которые преобразуют энергию в органических системах. При фотосинтезе, растения используют АТФ и НАДФ, чтобы превратить солнечную энергию, атмосферный углекислый газ и воду в сахар и кислород. Благодаря этому процессу, организмы, от мельчайших морских водорослей, до гигантских деревьев, становятся частью глобальной “воронки”, которая засасывает избыточный углекислый газ. В экосистемах, где относительно слабо проявлена человеческая деятельность, рост растения может быть ограничен пригодностью фосфора и/или азота.
Фосфор также играет ключевую роль в циклах таких биологически важных элементов как азот, кислород и сера.
На первый взгляд вопрос об исследовании циркуляции элементарного фосфора кажется не очень сложным. Но это на практике все гораздо сложнее. Ведь для получения полной биогеохимической картины его передвижения необходимо учесть множество факторов на всей планете. А для этого нужны обширные и очень точные измерения.
До недавнего времени было немного известно о рециркуляции фосфора в природе. Многое в развитие данного направления внесли такие известные ученые как Вернадский В.И., Ковда В.А. и многие другие талантливые люди. Но, к сожалению тогда не было ни современных вычислительных приборов ни совершенной аналитической аппаратуры.
Новые технологии и методы позволяют ученым измерять состав фосфатов в воде и почве; оценивать, как быстро совершается цикл обращения фосфора в естественной среде, подсчитывать количество фосфора, отложившегося в океанах в течение длительного времени, находить источники фосфора в различных экосистемах; определять колебание концентраций фосфатов в определенное время и в определенном месте; изучать влияние фосфорного загрязнения озер и рек на экосистемы.
Как же изучается круговорот фосфора и что это дает?
Проблемы циркуляции фосфора.
Как уже было сказано, больше всего фосфора встречается в горных породах, где он входит в состав минералов (обычно фосфатов). Процессы природного выветривания выщелачивают фосфор из горных пород, и тот попадает в почву, где используется и рециркулируется растениями и бактериями. В конечном счете, фосфор попадает по водотокам в океаны и осаждается там в виде океанических отложений.
Как элемент, фосфор неравномерно распределен на Земле. Его слишком много в Североамериканских и Европейских почвах, некоторых дельтах рек, однако недостаточно в почвах тропиков, Южной Америки, Сахары и в открытом океане.
Хотя фосфор является необходимым элементом на Земле, но большое его количество может быть вредно. Избыточное содержание фосфора в удобрениях, детергентах и других человеческих источниках, делает процесс его попадания в озера и прибрежные воды необратимым, выщелачивание и эрозия вызывают массовое цветение морских водорослей, которые влияют на вкус и чистоту питьевой воды. Кроме того, когда морские водоросли отмирают, то они толстыми слоями погружаются на дно и окисляются (разлагаются), используя растворенный в воде кислород. При этом создаются условия непригодные для жизни рыб.
С лишком малое количество фосфора также несет проблемы. В чахлых, выветренных грунтах и в океанских экосистемах, растения имеют достаточное количество нитратов (другие питательные вещества, дефицит которых ограничивает рост), но испытывают дефицит фосфора. Активная аграрная политика в сельскохозяйственных странах может сильно истощить запасы фосфора в почвах, в то время как, малоплодородные почвы удерживают пригодные для растений фосфаты. Большинство фосфорных удобрений получено из фосфоритов, которые относятся к невозобновляемым ресурсам. Органические удобрения могли бы заменить этот источник фосфора, однако необходимо знать формы существования фосфора в природе и временной период его рециркуляции.
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать выводы об антропогенных нарушениях связанных с оборотом фосфора в природе:
Добыча больших количеств фосфатных руд для минеральных удобрений и моющих средств приводит к уменьшению количества фосфора в биотическом круговороте.
Активная разработка фосфатных залежей приводит к эрозии почвенного покрова.
Стоки с полей, ферм и коммунальные отходы приводят к ускоренной эвтрофизации водоёмов в странах с интенсивным земледелием, и как следствие, резкому приросту биомассы за счет флоры, и нарушению равновесия в водных экосистемах. (Эвтрофизация это процесс обогащения водоёмов питательными веществами)
Рост биомассы в водоемах ведет к ухудшению качества питьевой воды
За счет повышения количества отмирающей биомассы, повышается потребность в ее переработке за счет окислительных процессов, и концентрация растворенного кислорода падает, что сказывается на пригодности для жизни данного водоема.
Искусственное внесение элементарного фосфора нарушает естественное равновесие экосистемы, что может привести к ее гибели, либо гибели определенных популяций.
Фосфатные руды являются невозобновляемым минералом.
Любое вещество в избытке является ядохимикатом, и фосфаты, не смотря на свою инертность не исключение.
Дополнительное внесение фосфора как лимитирующего фактора, дает возможность экосистеме активнее развиваться, ограничиваясь уже иным лимитирующим фактором.
Без искусственного внесения лимитирующих элементов (фосфор, азот), сельскохозяйственные земли быстро бы истощались, что приводило бы к новым и новым аграрным экспансиям.
На сегодняшний день многие ученые вплотную занялись изучением содержания и передвижения фосфора в биогеосфере. В дополнение к традиционным аналитическим методам, сейчас используют спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР), чтобы идентифицировать виды и количественный состав фосфатов, распространенных в лесах. Ведутся разработки в области адаптации методов исследования почв к океаническим образцам, а также, для того чтобы проследить какие соединения разлагаются быстрее, высвобождая фосфор назад в воду и делая его доступным для организмов.
Помимо того выясняется влияние процессов освоения земель, путем вырубки лесов или их сжигания на динамику развития питательных характеристик почв. На примере прибрежных лесов Британской Колумбии (Гайана) было показано, что во время пожара, огонь, как сильный минерализующий фактор, превращает большое количество связанного фосфора из органических форм в неорганические. В этих сильно дождливых природных условиях, где естественные пожары в лесах происходят очень редко, фосфор становится связанным и недоступным к повторному усвоению растениями. Это приводит к дефициту фосфора, несмотря на его высокие концентрации в биомассе. В засушливых же экосистемах, где регулярно происходят пожары, огонь может быть важным средством, с помощью которого фосфор преобразуется в доступные для растений формы, что способствует развитию данной системы.
В свою очередь, морские геохимики занимаются исследованием глобальных проблем – взаимодействия между материками и океанами на уровне биогеохимических циклов, которые, в целом, воздействуют на планетарную окружающую среду и климат.
В своих исследованиях они рассматривают круговорот фосфора в природе, как в прошлом, так и в настоящем. Изучение фосфорных циклов прошлого может дать ключ к решению вопросов касающихся будущего нашей планеты.
Исследуя химический состав морских отложений, можно скоррелировать зависимость древних отложений фосфоритов с уровнем углекислого газа атмосферы того периода. Например, представляет интерес такой вопрос: играли ли роль погодные условия в Гималаях на перенос большого количества фосфатов с континента в океан, что привело к усилению процессов фотосинтеза, а это, в свою очередь, снизило уровень углекислого газа в атмосфере. Понимание последствий естественных колебаний древних фосфорных циклов, может помочь понять, как подобные колебания в наши дни могут влиять на современный климат планеты.
В заключении, к сожалению, я не смогу сказать что-то оригинальное, потому что все уже сказано до меня еще полвека назад. Ведь с начала ХХ столетия деятельность человека стала главным способом перемещения элементов географически и химически (по циклу). При добыче полезных ископаемых огромное количество веществ изымается из земной коры. Их промышленная переработка сопровождается выбросами химических элементов с отходами производства в атмосферу, воды, почвы. Это загрязняет среду обитания живых организмов. На земле появляются новые участки с высокой концентрацией химических элементов рукотворные геохимические аномалии. Они распространены вокруг рудников цветных металлов (меди, свинца). Эти участки иногда напоминают лунные пейзажи, потому что практически лишены жизни из-за высоких содержании вредных элементов в почвах и водах. Остановить научно-технический прогресс невозможно, и это понимает каждый ребенок, не представляющий жизни без металла вокруг себя, тонн продуктов питания в супермаркетах и прочих благ. Но человек должен помнить, что существует порог во всем, в том числе и в загрязнении природной среды, переходить который нельзя, за которым неизбежны болезни людей и даже вымирание цивилизации.
1. М.Д. Гольдфейн, Н.В. Кожевников, А.В. Трубников, С.Я. Шулов – «Проблемы
жизни в окружающей среде. Учебное пособие». Химия. 1996г, №16.
2. А.А. Горелов. «Структура и функции экосистем». Экология. 1998г.
3. В.А. Ковда, «Биогеохимические циклы в природе и их нарушение человеком», М., 1976.