Влияние антропогенной деятельности на круговорот биогенных элементов

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ  СООБЩЕНИЯ

(ФГБОУ ВПО  ПГУПС)

Кафедра: «Техносферная и экологическая безопасность»

 

 

Реферат

Тема: Влияние антропогенной деятельности на круговорот биогенных элементов

 

 

 

 

Выполнил:

 

Проверил:

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2011

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Экологические требования определены объективными законами природы. Окружающая среда — единое целое.

В частности, под биосферой понимают область распространения жизни на Земле, включающую населенную организмами верхнюю часть земной коры (литосферу), воды рек, озер, водохранилищ, морей, океанов, т.е. всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы (тропосферу). Биосфера представляет собой равновесную систему, в которой процессы обмена веществ и энергии происходят главным образом за счет организмов и их жизнедеятельности.

Фундаментом связей между популяциями в экосистеме является характер питания особей и способы получения ими энергии.

В состав экосистем входят три основных вида живых организмов: продуценты (такие, как бактерии и растения, которые, потребляя неорганические вещества, производят органику), консументы (такие, как человек и животные), редуценты (бактерии разложения и грибы, разлагающие органическое вещество на компоненты, которые вновь могут быть использованы растениями-продуцентами), так как производство органического вещества, его потребление и опять разложение — основные функции любой экологической системы.

Поэтому полная экосистема не может сложиться в центре города, поскольку такие функции, как водоснабжение, производство продуктов питания и утилизация отходов осуществляются за его пределами. На территориях, подверженных сильному загрязнению, также не могут возникнуть и существовать целостные экосистемы.

В работе рассматривается кругооборот биогенных элементов и проблема загрязнения окружающей среды.

 

§ 1. Основные понятия

С химической точки зрения все органические вещества состоят из углерода, водорода, кислорода и азота - биогенных (т. е. основных) элементов. В составе клеток человеческого тела преобладают кислород (более 60%), углерод (около 20%) и водород (около 10%). Рассмотрим все эти элементы отдельно.

Водород. Биологическое значение водорода определяется тем, что он входит в состав молекул воды и всех важнейших групп природных соединений, в том числе белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов. Примерно 10 % массы живых организмов приходится на водород. Способность водорода образовывать водородную связь играет решающую роль в поддержании пространственной четвертичной структуры белков, а также в осуществлении принципа комплементарности в построении и функциях нуклеиновых кислот (то есть в хранении и реализации генетической информации), вообще в осуществлении «узнавания» на молекулярном уровне. Водород (ион Н+) принимает участие в важнейших динамических процессах и реакциях в организме — в биологическом окислении, обеспечивающем живые клетки энергией, в фотосинтезе у растений, в реакциях биосинтеза, в азотфиксации и бактериальном фотосинтезе, в поддержании кислотно-щелочного равновесия и гомеостаза, в процессах мембранного транспорта. Так, наряду с кислородом и углеродом водород образует структурную и функциональную основы явлений жизни.

Кислород. Кислород — основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. В каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем любого другого элемента (в среднем около 70%). Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная ткань — 28.5%; всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В организм животных и человека кислород поступает в основном через органы дыхания (свободный кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма в кислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условий и др.

И водород, и кислород входят в состав молекулы воды. Немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон назвал человека «одушевленной водой». Содержание воды в органах и тканях человека варьируется от 20% (в костной ткани) до 85% (в головном мозге).

Вода обладает уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны для живых организмов, что нельзя представить жизнь без этого соединения водорода и кислорода. Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. Одна молекула представляет собой диполь; положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, а отрицательный - у кислорода. Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи. По прочности водородная связь слабее ковалентной, поэтому она легко разрывается. Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, что немаловажно для процессов обмена веществ. Молекулы воды легко проникают сквозь клеточные мембраны.

В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их клетки и организма в целом.

Таким образом, можно выделить некоторые важные биологические функции воды в организме человека:

• Обеспечивает поддержание структуры клетки (высокое содержание в протоплазме)
• Служит растворителем и средой для диффузии
• Участвует в реакциях гидролиза
• Служит средой, в которой происходит оплодотворение
• Обеспечивает транспорт веществ
• Способствует охлаждению тела (потоотделение, тепловая одышка)
• Служит одним из компонентов смазки, например в суставах
• Выполняет защитную функцию, например в слезной жидкости.

Углерод. Углерод — важнейший биогенный элемент, является

структурной единицей органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, витамины, гормоны, медиаторы и другие). Содержание углерода в организме в расчете на сухое вещество составляет 45,4-46,5%. В процессе жизнедеятельности организмов происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду С02. Углекислый газ, растворенный в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизнедеятельности кислотности среды.

Азот. Азот присутствует во всех живых организмах (1-3% на сухую массу), являясь важнейшим биогенным элементом. Он входит в состав молекул белков, нуклеиновых кислот, коферментов, гемоглобина и многих других биологически активных веществ.

Фосфор. Фосфор присутствует в живых клетках в виде орто- и пирофосфорной кислот, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита 3Ca3(P04)3*CaF2. В состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D. Суточная потребность человека в фосфоре 1-2 г. При недостатке фосфора в организме развиваются различные заболевания костей.

Фосфор полезен для развития костей, он помогает организму усваивать протеин, жиры и углеводы. Недостаток фосфора вызывает беспокойство и раздражительность, слабость и боли в костях. Много фосфора содержится в рыбе, мясе, молоке, запеченном в мундире картофеле, женьшене.

Сера. Сера постоянно присутствует во всех живых организмах, являясь важным биогенным элементом. Ее содержание в растениях составляет 0,3-1,2 %, в животных 0,5-2 % (морские организмы содержат больше серы, чем наземные). Биологическое значение серы определяется, прежде всего, тем, что она входит в состав аминокислот метионина и цистеина и, следовательно, в состав пептидов и белков. Дисульфидные связи -S-S- в полипептидных цепях участвуют в формировании пространственной структуры белков, а сульфгидрильные группы (-SH) играют важную роль в активных центрах ферментов. Кроме того, сера входит в молекулы гормонов, важных веществ. Много серы содержится в кератине волос, костях, нервной ткани. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 1402 г серы. Суточная потребность взрослого человека в сере — около 4 г. Поступает с белковой пищей (постное мясо, рыба, молоко).

Как и все живые организмы, тело человека состоит из воды, белков, жиров, углеводов. Соотношение этих веществ в клетке по сравнению с общим ее весом в среднем примерно такие: вода составляет 80-85%, белки - 7-10%, жировые вещества - 1-2%, углеводы - 1-2%.

 

§ 2. Основные виды кругооборота биогенных элементов в биосфере

Основными видами круговорота биогенных элементов в биосфере являются 6 циклов:

1. Гидрологический цикл. Хотя вода является наиболее распространенным веществом в биосфере, ее распределение в ней таково, что человек зависим лишь от незначительной части гидрологического цикла. Из всех запасов воды на планете, которые доступны человеку и могут быть им использованы, 4,1% находится в литосфере, включая подземные воды, и только 0,52% — в озерах, реках и атмосферном воздухе. При этом объем реально пригодных для потребления пресных вод составляет всего 0,31% от общего количества водных ресурсов.

В биосфере вода находится в постоянном движении. В глобальном масштабе объем испарения равен объему осадков, которые выпадают на землю. Дождевая вода либо сразу испаряется, либо используется растениями и затем испаряется с их поверхности, либо попадает в реки и озера. В конце концов, вода снова оказывается в океанах. Здесь она опять испаряется и выпадает на сушу. Этот цикл завершается только тогда, когда отдельные атомы водорода отрываются от атмосферы и исчезают навсегда в космическом пространстве. Однако вода возникает вновь при извержении вулканов.

Круговорот воды в природе, поддерживаемый энергией солнца, играет основную роль в формировании природных условий, в которых человек осуществляет свою деятельность.

Гидросфера, являясь замыкающим звеном миграции загрязняющих веществ, становится наиболее подверженной неблагоприятным воздействиям. Таким образом, обостряется противоречие между возрастанием общественных потребностей в воде высокого качества с одной стороны и продолжающимся ее ухудшением — с другой. Сброс сточных вод и других отходов деятельности человека в реки и иные водные объекты изменяет химический состав воды. Во - первых, вода может быть загрязнена органическими веществами, поступающими вместе со сточными водами. Во-вторых, в воде могут быть химические вещества, изменяющие кислотность водной среды, другими словами, уничтожающие многие виды живых организмов. В-третьих, в воде могут находиться различные бактерии и вирусы, опасные для здоровья человека. Загрязненные водоемы не могут использоваться для рекреационных, рыбохозяйственных и иных целей.

2. Цикл углерода. Наличие углерода в биосфере является одним из условий существования жизни на Земле. Он содержится в атмосфере в виде углекислого газа, в каменном угле и нефти, а также в тканях животных и растений. Углерод находится в постоянном движении между живой и неживой природой. Использование человеком угля и нефти для энергетических целей уже нарушило баланс углерода, сложившийся в природе за миллионы лет. Уничтожение лесных массивов может еще более ухудшить ситуацию.

Фотосинтез растений обеспечивает движение углерода в общем круговороте веществ. Растения, потребляя из атмосферы и воды углекислый газ, производят сахар и кислород, т.е. возникает органическое вещество. Углерод снова попадает в атмосферу вследствие дыхания живых существ, выделения углерода растениями или с газами, образующимися в процессе гниения.

Однако дальнейшее повышение содержания углерода в атмосфере, вследствие роста промышленного производства, может привести к значительным изменениям климата, как в отдельных географических регионах, так и на всей планете.

3. Цикл кислорода. Цикл кислорода имеет много общего с циклом углерода. Подобно воде и углероду, он находится в постоянном движении в биосфере. Считается, что время полного цикла углерода составляет 300 лет, кислорода — 2000 лет, воды — 2 млн. лет. Кислород в свободном состоянии — необходимое условие жизни на Земле. Атмосферный воздух содержит приблизительно 21% всех запасов кислорода на Земле.

Источником кислорода на нашей планете является фотосинтез растений. С появлением жизни на планете начинается и увеличение объема кислорода. Первые растения появились в глубинах океана, там, где они были защищены от смертоносного действия - ультрафиолетового излучения. Позднее, с ростом содержания кислорода в атмосфере, образовался озоновый слой, который поглощает ультрафиолетовое излучение и защищает биоту от разрушения.

В результате деятельности человека содержание кислорода и углекислого газа, всегда взаимосвязанное, претерпевает изменения. С увеличением содержания последнего в атмосфере происходит уменьшение первого.

4. Цикл азота. Цикл азота более сложный, чем циклы углерода и кислорода. Азот является важнейшим элементом протоплазмы. Хотя 79% атмосферы состоит из азота и инертного газа, он не может быть непосредственно использован живыми организмами до тех пор, пока не вступит в соединение с другими химическими веществами.

Эту работу выполняют почвенные бактерии. Они делают азот доступным для растений, которые потребляют его соединения вместе с питательными веществами почвы. Далее по пищевым цепям азот вновь поступает в почву вместе с органическими остатками, которые разрушаются бактериями. Затем азот снова возвращается в атмосферу с выделенными при гниении газами.

С быстрым ростом производства азота в промышленности (в том числе, при производстве минеральных удобрений) равновесие этого процесса может быть нарушено.

Смыв азотных удобрений в реки и озера создает в них благоприятную питательную среду для размножения водорослей, которые поглощают кислород. В результате гибнет рыба, растительность. Наступает эвтрофикация.