Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Цыкало А.Л., Дыханов С.М. Методические указания и задания к контрольным работам по курсу Биогеохимия для студентов заочного (дистанционного) образования ОГАХ по спе - файл n1.doc


Цыкало А.Л., Дыханов С.М. Методические указания и задания к контрольным работам по курсу Биогеохимия для студентов заочного (дистанционного) образования ОГАХ по спе
скачать (265 kb.)

Доступные файлы (1):

n1.doc265kb.23.01.2013 17:17скачать

Загрузка...

n1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Министерство образования и науки Украины

Одесская государственная академия холода

Кафера химии, охраны окружающей среды и рационального природопользования

Методические указания и задания к контрольным работам

по курсу:

«Биогеохимия»

3 курс, 6 семестр

Для студентов заочного(дистанционного)

Образования ОГАХ

По специальности 7.070801

«экология и охрана окружающей среды»

Одесса-2003

Разработали: профессор, д.х.н. Цыкало А.Л.

Доцент, к.ф.-м.н. Дыханов С.М.

Программа курса и методические указания рассмотрены на заседании кафедры химии, охраны окружающей среды и рационального природопользования

(протокол № и рекомендовали к изданию мая 2003 года)

Заведующий кафедрой : д.х.н., профессор Цыкало А.Л. Рецензент: д.х.н., профессор Андрианов A.M.

Рекомендовано к использованию в учебном процессе учебно-методической комиссией

института теплофизики ОГАХ.

Председатель комиссии; д.т.н., профессор Онищенко В.П.

СОДЕРЖАНИЕ

1.Цели и задачи дисциплины.

2. Содержание программы и методические указания к темам курса. 2.1 Содержание программы курса. Введение. Основные понятия

  1. Общая геохимическая организация биосферы.

  2. Живое вещество. Состав и свойства.

2.4 Биогехимия газовой оболочки Земли.

  1. Биокосная система гидросферы.

  2. Глобальные биогеохимические циклы.

  3. Экологические проблемы современности и биогеохимия.

3. Выбор варианта задания и оформление работы.

4. Литература.

5. Приложение.


1.Цели и задачи дисциплины.

1.1. Цель курса "Биогеохимия" показать процессы миграции и массообмена химических элементов и влияние загрязняющих веществ на состояние среды, включая флору, фауну и человека. Дать представление о биогеохимических процессах, протекающих в окружающей среде под влиянием антропогенной деятельности.

1.2.Обеспечивающие курс дисциплины:"Химия", "Биология", "Геология" с основами геоморфологии", "Метеорология и климатология", "Общая Гидрология", "Почвоведение", "Основы общей экологии", "Радиоэкология".

  1. Курс "Биогеохимия" обеспечивает следующие дисциплины:"Основы ведения
    сельского хозяйства и охрана земель", "Биоиндикация","Утилизация и рекуперация отходов",
    "Экологические аспекты военной деятельности", "Основы экологической токсикологии".

  2. Студенты в результате курса должны знать: влияние производственной деятельности человека на природные экосистемы, образование и распределение загрязнителей воздуха, воды, литосферы и биосферы. Их опасность для живых организмов.Биогеохимические циклы основных химических элементов в окружающей среде.

  3. Студенты должны уметь: использовать биогеохимическую информацию при
    оценке экологической ситуации, проведение экологической экспертизы, проводить расчеты
    биогеохимической миграции элементов в биосфере. Показать практическую важность
    изучения биогеохимических процессов для оценки деформации природных циклов
    массообмена в результате хозяйственной деятельности человека.

2. Содержание программы и методические указания к темам курса.

2.1 Содержание программы курса. Введение. Основные понятия.

Биогеохимия - наука , изучающая жизнедеятелъностъ организмов с к ведущего фактора миграции и распределения масс химических элементов на Земле. Основоположник биогеохимии — выдающийся естествоиспытатель и мыслитель XX в. В.И.Вернадский-созданием этой науки открыл совершенно новый и очень важный аспект познания сложного феномена жизни. Предметом изучения биогеохимии служат процессы миграции и массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой.

Теоретическую основу биогеохимии составляет учение о живом веществе и биосфере. При великом разнообразии размеров, морфологии и физиологии живых организмов общим для них всех условием существования является обмен веществ со средой обитания. Хотя живые организмы составляют ничтожную часть массы наружных оболочек Земли, суммарный эффект их геохимической деятельности с учетом фактора времени имеет важное планетарное значение. В силу того, что организмы поглощают химические элементы селективно, в соответствии с физиологическими потребностями, в окружающей среде происходит биогенная дифференциация элементов. Не менее существенное значение имеет геохимия метаболизма. Газообразные метаболиты, поступая в газовую оболочку, постепенно изменяют ее состав. Жидкие метаболиты и


продукты отмирания влияют на кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия природных вод, которые закономерно преобразуют верхнюю часть литосферы, извлекают из нее определенные химические элементы, вовлекают их в водную миграцию и в конечном итоге способствуют формированию химического состава Мирового океана и осадочных горных пород.

Индивидуальный организм смертен, но жизнь в форме продолжающихся поколений бесконечна. Воздействие организмов на окружающую среду, не прерываясь ни на мгновение, развивалось около 4 млрд. лет, на протяжении всей геологической истории. Поэтому постоянно существующая планетарная совокупность организмов с позиций геохимии мокнет рассматриваться как особая форма материи — живое вещество. Его главное свойство — постоянный к непрерывный массообмен химических элементов с окружающей средой. По этой причине живое вещество играет роль ведущего фактора геохимической эволюции наружной части Земли.

Учение о живом веществе — одна из точек соприкосновения естествознания и философии. В феномене живого вещества много неясного и загадочного. Образование живого только из живого не получило пока научного объяснения и дает основание рассматривать жизнь не только как земное, но и как космическое явление. Опираясь на труды Л.Пастера и П.Кюри, В.И.Вернадский считал, что живое вещество существует в особом пространстве, геометрия которого отличается от геометрии земных небиогенных тел. В.И.Вернадский был близок к взглядам другого замечательного ученого и мыслителя XX в.— П.Тейяра де Шардена и разделял его идею о том, что "наличие жизни предполагает существование до беспредельно простирающейся преджизни". Не углубляясь в эти проблемы, мы можем уверенно констатировать весьма важное значение живого вещества для существующего химического состава наружных оболочек нашей планеты.

Биосфера. Термин "биосфера" был введен в научный лексикон австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1831—1914) в 1875 г. Э.Зюсс этим термином обозначал сферу обитания организмов. В.И.Вернадский разработал представление о биосфере как о наружной оболочке Земли, охваченной геохимической деятельностью живого вещества. Важно подчеркнуть, что в современном понимангш биосфера не среда жизни, а глобальная система, в которой в неразрывной связи существуют, с одной стороны, инертное вещество в твердой, жидкой и газовой фазах, а с другой разнообразные формы жизни и их метаболиты. Биосфера представляет собой единство живого вещества и пронизанной им наружной части земного шара. Живое вещество так же немыслимо без биосферы, как последняя без живого вещества.

Бир_геохимические процессы. Нетрудно заметить, какое ответственное место в v изложенной системе представлений занимают процессы взаимодействия между живым веществом и инертной материей Земли. Это взаимодействие происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массообмена элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность организмов, благодаря им биосфера имеет и поддерживает определенную, как ее называл В.И.Вернадский, "геохимическую организованность". Эти процессы, геохимические по существу (как закономерные миграции химических элементов), но осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов, были названы Вернадским биогеохимическими. Очевидно, что биогеохимические процессы и их результаты должны служить главным предметом изучения биогеохимии. С первых шагов научного изучения взаимодействия живых организмов с окружающей средой было обнаружено, что процессы биогенного массообмена имеют циклический характер.

Исследования последних десятилетий показали, что жизненные циклы отдельных организмов и их групп сочетаются с циклическими процессами, обусловленными геофизическими и космическими причинами: вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, закономерностями эволюции солнечного вещества, перемещением солнечной системы в Галактике и пр. Циклы массообмена различной протяженности в пространстве и неодинаковой длительности во времени образуют динамическую систему биосферы.
В.И.Вернадский считал, что история большинства химических элементов, образующих 99,7 % массы биосферы, может быть понята лишь с учетом круговых миграций. Он специально отметил, что "эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементов неизбежно и постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т. е. круговой процесс не является вполне обратимым".

Неполная обратимость мигрирующих масс и несбалансированность миграционных циклов допускают определенные пределы колебания концентрации мигрирующего элемента, к которым организмы могут адаптироваться, но в то же время обеспечивают вывод избыточного количества элемента из данного цикла.

2.2. Общая геохимическая организация биосферы.

Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием, - твердая земная кора, жидкая гидросфера и газовая атмосфера - тесно связаны между собой, а вещество каждой из них проникает, в пределы других. Известно, что подземные воды пронизывают верхнюю часть земной коры, значительная часть газов находится не в атмосфере, а растворена в гидросфере и заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, вода и мелкие твердые минеральные частицы насыщают нижние слои атмосферы.

Наружные оболочки связаны не только пространственно, но и генетически. Происхождение оболочек, формирование их состава и его дальнейшая эволюция взаимосвязаны. В настоящее время эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.

Массы оболочек сильно различаются. Масса земной коры оценивается в 28,46*1018 т, Мирового океана — 1,47*1018 т, атмосферы — 0,005*1018 т. Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы под воздействием живого вещества. Закономерности концентрации и распределения химических элементов в земной коре оказывают сильное влияние на состав живых организмов суши и всего живого вещества Земли. Рассматривая проблему состава живого вещества, В.И.Вернадский отмечал: "...химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему".

Химики и петрографы начиная со второй половины XIX в. изучали химический состав горных пород методами весового и объемного химического анализа. Суммируя результаты многочисленных анализов горных пород, Ф.Кларк показал, что в земной коре преобладают восемь химических элементов; кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод неоднократно подтвержден результатами последующих исследований.

В итоге общих усилий ученых разных стран в 20-х годах XX в. наметилась общая картина состава земной коры. Средние значения относительного содержания химических элементное в земной коре и в других глобальных и космических системах известный советский геохимик А.Е.Ферсман предложил называть кларками в честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов. Кларк — весьма важная величина в геохимии. Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов на Земле, в Солнечной системе и доступной нашим наблюдениям части Вселенной. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять математических порядков. Столь большое количественное различие должно отразиться на качественно неодинаковой роли двух групп элементов в земной коре. Наиболее ярко это проявляется в том, что элементы первой группы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют самостоятельные химические соединения, а элементы второй группы с малыми кларками преимущественно распылены, рассеяны среди химических соединений других элементов. Элементы первой группы мы называем главными, элементы второй -рассеянными. Их синонимами на английском языке являются minor elements, rare elements и наиболее широко употребляемый trase elements. Условной границей между группами главных и рассеянных элементов в земной коре может служить

0,1%, хотя кларки большей части рассеянных элементов значительно меньше и измеряются тысячными и еще меньшими долями процента. Понятие о состоянии рассеяния химических элементов, так же как и о их "всюдности", было введено в науку В.И.Вернадским. Большое количество независимых причин вызывает варьирование содержания элемента в разных пробах. Когда распределение величины определяется достаточно большим числом примерно равнодействующих и взаимно независимых причин, то оно подчиняется так называемому нормальному закону Гаусса. Его графичес­ким выражением является кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое (х), которое совпадает с наиболее часто встречающимися значениями — модой. Растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, т.е. разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, характеризуется средним квадратичным отклонением .

Нормальное распределение может также проявляться не для самой величины, а для логарифма (логарифмически нормалъный, или логнормалъный, закон распределения). В этом случае мода совпадает со средним геометрическим, а разброс значений характеризуется логарифмом а.

В 1940 г. Н.К.Разумовский чисто эмпирически обнаружил, что содержание металлов в рудах соответствует логарифмически нормальному распределению. Л.X.Арене в 1954 г., обработав обширный материал, независимо от Разумовского установил, что распределение рассеянных элементов в магматических породах аппроксимируется логарифмически нормальным законом. Многочисленные факты указывают на то, что распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных - логнормальному. Это еще раз указывает на принципиальное различие главных и рассеянных элементов.

С высокой вариабельностью низкокларковых элементов связана их способность образовывать очень высокие концентрации. Максимальная степень концентрации главных элементов составляет 10—20 раз по отношению к их кларку, а для рассеянных элементов — в сотни и тысячи раз больше. Например, в рудах промышленных месторождений степень концентрации свинца, никеля, олова, хрома составляет 1000*n.

Говоря об огромных массах тяжелых металлов, сосредоточенных в месторождениях руд, следует помнить, что эти массы — ничтожная часть общего количества металлов, рассеянных в земной коре. В частности, общемировые запасы руд цинка, меди, свинца, никеля составляют всего лишь тысячные доли процента от масс этих металлов, рассеянных в верхнем километровом слое земной коры континентов.

Залежи руд связаны с окружающими горными породами постепенными переходами Рудные тела находятся как бы в чехле постепенно убывающей концентрации металлов. Такие образования получили название ореолов рассеяния. Первичные, сингенетичные рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами и в результате одних и тех же процессов. Они имеют разнообразную конфигурацию, зависящую от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования.

В рудах наряду с одним или несколькими главными рудо-образующими элементами присутствуют сопутствующие элементы, концентрация которых также повышена, хотя и не так сильно, как главных. Элементы-спутники часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, в меньшем количестве — индий, галлий, германий. В медно-никелевых рудах присутствует значительная примесь кобальта, в меньшем количестве — селена и теллура. Все сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Обладая неоди­наковой геохимической подвижностью, они образуют переходные зоны разной протяженности. В итоге состав и строение ореолов рассеяния очень сложны.

Среднее содержание химического элемента представляет собой норму геохимический фон для данного типа пород в определенном районе. На геохимическом фоне выделяются геохимические аномалии: участки горных пород с повышенной концентрацией рассеянных элементов. Если они связаны с залежами руд, то мы имеем дело с ореолами рассеяния. Если же концентрация металлов не достигает

кондиций руды, то такие аномалии называются ложными. Используя статистическую обработку массовых аналитических данных, можно обнаружить закономерные изменения величины геохимического фона в пространстве и выявить геохимические провинции. В пределах провинций горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, в первую очередь значениями среднего содержания одного или нескольких рассеянных элементов. Среднее содержание некоторых элементов в одно­типных породах разных геохимических провинций может сильно различаться {в несколько раз). При этом химический состав этих пород, определяемый содержанием главных элементов, остается одинаковым или имеет очень слабые отличия. Например, в гранитах разных провинций, имеющих практически одинаковое количество кремния, алюминия, железа, калия, содержание олова, свинца, молибдена, урана может различаться в 2—3 раза (Л.В.Таусон, 1964). Изложенный материал свидетельствует о неравномерности рас­пределения рассеянных элементов в земной коре. Поэтому наряду с определением кларков, т.е. величины средней концентрации элементов в литосфере в целом, необходимо учитывать способность их концентрироваться или рассеиваться в различных объектах — разных типах горных пород или в однотипных породах, но находящихся в разных геохимических провинциях, в рудах и др. Чтобы количественно оценить неоднородность химических элементов в земной коре, В.И.Вернадский ввел специальный показатель — кларк концентрации Кк. Его числовое значение характеризует отклонение содержания элемента в данном объеме от кларка:

Кк = А/К ,

где А — содержание химического элемента в горной породе, руде, минерале и др.; K -кларк этого элемента в земной коре. Если кларк концентрации больше единицы, то это указывает на обогащение элементом, если меньше — означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом. Следует отметить, что изменение концентрации химических элементов в пространстве, отклонение от глобальной или местной геохимической нормы — не отдельные случаи, а характерная черта геохимической структуры земной коры. Это имеет очень важное значение для состава фотосинтезирующих организмов суши, которые образуют основную часть массы живого вещества Земли.

2.3. Живое вещество. Состав и свойства.

Обоснование В.И.Вернадским представления о живом веществе Земли как о планетарной совокупности всех организмов, характеризуемой массой и химическим составом, дает возможность для сравнения состава носителя жизни — живого вещества — с составом инертного вещества наружных оболочек Земли: земной коры, гидросферы и атмосферы. Для этого прежде всего необходимо установить массу живого вещества и его химический состав, т.е. средние значения концентраций (кларки) слагающих его химических элементов. Но значения кларков не исчерпывают характеристики состава живого вещества. Этот состав не статичен, он находится в непрерывном обновлении в результате взаимодействия с инертным веществом Земли. Поэтому наряду с определением кларков столь же необходимо выяснить главные черти упомянутою геохимического взаимодействия, а именно: установить селективность и интенсивность захвата живым веществом химических элементов из окружающей среды, количественно определить массообмен отдельных элементов между .живым веществом и инертной средой и па этой основе выявить направленность массообмена.Уже в конце XVIII в. стало ясно, что о составе живых организмов преобладают химические элементы, образующие на поверхности Земли пары и газы: кислород, углерод, азот. Действительно, все организмы в основном состоят из воды и органического вещества. В то же время в любом организме обязательно присутствует некоторое количество химических элементов, которые при полном разрушении организма (испарении воды и сгорании органического вещества до углекислого газа) образуют минеральный остаток (золу). Исходным источником минеральных веществ является земная кора. Сумма зольных элементов живого вещества есть сложный итог его взаимодействия с земной корой. Поэтому детальное изучение зольных элементов в организмах имеет столь же важное значение, как определение упомянутых главных элементов.

Определение состава любого организма, а тем более расчет среднего состава всего живого вещества представляет весьма сложную задачу по многим причинам. Прежде всего следует иметь в виду, что содержание основного компонента живых организмов — воды — варьируется в очень широких пределах. Например, в планктоне более 99% слабосвязанной воды, а в стволах деревьев — около 60%. Для того чтобы исключить влияние сильно варьирующих количеств воды и привести данные о содержании химических элементов к выражению, более удобному для сравнения, применяется расчет содержания элементов на абсолютно сухое органическое вещество, т.е. высушенное до постоянной массы при температуре 102 — 105 С. Разумеется, в таком случае мы получаем значения содержания элементов не в реальных живых организмах, а в их условной сухой биомассе.

В обезвоженном, высушенном до постоянной массы органическом веществе углерод составляет несколько менее половины, другими главными компонентами являются кислород, водород и азот. Первичное органическое вещество биоса Земли преимущественно образуется в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды, причем молекулы последней расщепляются. Атомы водорода входят в структуру органическото вещества, а кислород выделяется как метаболит. Если не только избавиться от воды в организме, но и сжечь сухое органическое вещество, то будут удалены четыре главных элемента и останется сумма так называемых минеральных веществ, входящих в состав организма, — зола. В золе можно более точно выяснить соотношение всех остальных (несколько десятков) химических элементов, входящих в состав органов и тканей живого организма. Знать относительное содержание химических элементов в золе наземных растений необходимо для сопоставления их с концентрацией элементов в минеральном субстрате, на котором они произрастают и из которого получают зольные элементы.

На основании изложенного понятно, что может быть три варианта выражения химического состава любого биологического объекта и глобального живого вещества. Относительное содержание химических элементов можно рассчитать, во-первых, на живое (сырое) вещество организмов, во-вторых, на их сухую биомассу и, в-третьих, на золу, т.е. на сумму минеральных веществ. Каждый из трех вариантов расчета используется для решения определенных задач.

Определение кларков живого вещества также затрудняется сильным колебанием концентрации химических элементов в индивидуальных организмах. Концентрация меняется в зависимости от систематического положения, среды обитания, стадии развития организма. Даже в одном организме концентрация одного и того же элемента в разных тканях и органах неодинакова. Особенно следует отметить, что масса разных групп организмов различается еще более сильно, чем концентрации элементов в разных организмах. Учет этого обстоятельства весьма важен, так как значение кларка элемента в живом веществе Мировой суши зависит не столько от его концентрации во всех организмах, сколько от концентрации в тех, которые составляют преобладающую часть массы живого вещества.

Благодаря усилиям широкого круга ученых разных стран установлено, что доминирующую часть массы живого вещества Мировой суши и всей планеты образуют высшие растения. Масса живого вещества океана в несколько сотен раз меньше. Масса наземных животных составляет около 1 % от фитомассы. По этой причине состав растительности суши обусловливает состав всего живого вещества Земли.

Учитывая преобладание высших растений, можно считать, что в живой (сырой) биомассе Мировой суши содержится: 60 % воды, 38% органического вещества, 2 % зольных элементов. При пересчете на абсолютно сухую биомассу мы имеем 95 % органического вещества и 5 % зольных элементов.

Предполагается, что в органическом веществе фитомассы континентов углеводы составляют несколько более 60 %, лигнин — около 30, липиды и белки примерно по 5 %.

Химический состав живого вещества суши и океана неодинаков. Живое вещество океана отличается более высоким содержанием воды (около 80 %), азота и серы,
а, также значительно большим содержанием зольных элементов, составляющих 40—50 % от и сухой биомассы. Изложенные факты свидетельствуют, что в живом веществе Мировой суши находятся практически все рассеянные элементы. Их биологическая роль неодинакова. Одни из них играют определенную, иногда очень важную роль в жизнедеятельности организмов, значение других пока не выяснено. Были выделили группы макро- и микрокомпонентов питания. Среди последних фигурировали некоторые рассеянные элементы, важное физиологическое значение которых было уже ясно к тому времени: медь, цинк, марганец, бор, молибден, кобальт. Наряду с ними была выделена большая группа элементов, которые более или менее часто обнаруживались в составе организмов, но их роль была совершенно неясна. Так впервые было сформулировано понятие о качественно неодинаковом состоять главных и рассеянных элементов в живом веществе.

На основании многолетних исследований В.В.Ковальский (1974) все рассеянные элементы, содержащиеся в млекопитающих животных, разделил на две группы. К первой он отнес цинк, медь, йод, марганец, ванадий, молибден, кобальт и селен, незаменимость которых для организмов установлена. Большая часть рассеянных элементов относится ко второй группе. Они также постоянно присутствуют в животных, но формы их соединений недостаточно изучены, а физиологическая роль неизвестна. Имеются также элементы, порядки содержания которых не установлены: скандий, ниобий, тантал, группа редкоземельных элементов, вольфрам и некоторые другие.

Следует подчеркнуть, что физиологическое значение рассеянного элемента не определяется величиной его концентрации. Например, кобальт, содержащийся в количестве n*(10-5—10-6)% от массы сухого вещества, в физиологии нормальных здоровых организмов играет более важную роль, чем стронций, содержание которого в тысячу раз больше.

Живое вещество постоянно находится в состоянии самообновления. Возобновляются отмирающие клетки и ткани; одни поколения организмов сменяются другими. Жизнь циклична по самой своей природе. Цикличность процесса жизни особенно наглядно проявляется в динамике высших растений, образующих основную массу живого вещества. Ежегодное отмирание и возобновление растительности сопровождается циклической миграцией громадных масс химических элементов. Наиболее важной стороной геохимичес­кой деятельности растений является синтезирование органического вещества и вследствие этого перераспределение газов на поверхности Земли. Одновременно в миграцию вовлекаются многочисленные химические элементы из почвы, остающиеся после сжигания в составе золы. Циклическая миграция "зольных" элементов в системе почва — растения, открытая Ю.Либихом. получила название биологическою круговорота.

Годовой прирост восстановленного растительного покрова Мировой суши оценивается в 172*109 т сухого органического вещества. Исходя из имеющихся данных, можно определить у количество главных элементов, ежегодно захватываемых наземной растительностью. Разумеется, среднепланетарные показатели нивелируют сильные колебания концентрации, которые обнаруживаются в многообразных растительных объектах. Цель таких расчетов — оценить порядок масс разных химических элементов, вовлекаемых в годовой глобальный биологический цикл. Общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биоло­гический круговорот на суше, составляет около 8 млрд. т. Это в несколько раз превышает величину ионного стока с континентов или массу продуктов извержений всех вулканов мира на протяжении года. Биологический круговорот на суше кальция и калия превышает 1 млрд т каждого, кремния, фосфора, серы, магния, натрия, хлора измеряется сотнями миллионов тонн в год.

Для живого вещества океана характерны иные закономерности биологического круговорота. Биомасса Мирового океана значительно меньше биомассы суши. Преобладающую часть первично синтезируемого органического вещества океана обеспечивает фитопланктон, сухая масса которого составляет около 3,4*109 т. В то же время благодаря быстрой воспроизводимости планктонных организмов скорость биологического круговорота в океане много больше, чем на суше. Основная часть солнечной энергии проникает в морскую воду до глубины 100 м: в этих пределах сосредоточена основная масса планктона. Поверхностный слой океана — область его наибольшей биогенной насыщенности и наибольшей интенсивности биогеохимических
процессов. Оборот вещества фитопланктона происходит в течение суток, что обусловлено низкой концентрацией многих элементов в поверхностном слое океана. Захват рассеянных элементов растительностью знаменует их вовлечение в совершенно особую форму движения — биологическую миграцию, которая характеризуется коэффициентом биологического поглощения Кб. Кб характеризует интенсивность биологического поглощения элемента и равен частному от деления его содержания в золе на содержание в горных породах. В первом приближении все элементы можно разделить по интенсивности биологического поглощения на две большие группы. К первой относятся те, концентрация которых в золе больше, чем в земной коре. Особенно активно захватываются бор, бром, иод, цинк и серебро. Величина их Кб> 10. Меньше 10, но больше единицы Кб значительной части рассеянных элементов: меди, молибдена, марганца, стронция, свинца, кобальта, никеля и других металлов. Их важная физиологическая роль твердо установлена или предполагается. Наряду с ними растения активно поглощают ртуть, селен, мышьяк и некоторые другие элементы, являющиеся ядовитыми для животных даже в небольших дозах. Это обстоятельство требует дальнейшего изучения и объяснения.

Заканчивая рассмотрение основных черт химического состава живого вещества Земли, нельзя не отметить следующее: при всей уникальности живого вещества как феномена нашей планеты существуют факты, свидетельствующие о его связях с Космосом. Это проявляется как в структурной организации (проявления диссим-метрии), так и в составе. При расчете сравнительной распространенности атомов химических элементов А.Дельсемм (1981) обнаружил замечательную близость соотношения атомов в составе микроорганизмов, с одной стороны, и в межзвездном газе и газовом веществе комет - с другой.

2.4 Биогехимия газовой оболочки Земли.

История формирования атмосферы служит ярким примером воздействия живого вещества на окружающую среду. Факты, полученные в последние годы, свидетельствуют, что состав современной газовой оболочки Земли является итогом длительного процесса, в котором ведущее значение имела геохимическая деятельность живых организмов. Масса атмосферы около 5,2*1015 т. Основная часть газового вещества (80%) заключена в тропосфере, верхняя граница которой расположена на высоте около 17 км на экваторе, к полюсам она снижается до 8—10 км. Верхняя граница тропосферы — тропопауза намечает область сильного снижения температуры и отсутствия скопления паров воды. Тропосфера яв­ляется областью активного взаимодействия с океаном и сушей, в ней сосредоточена основная масса паров воды и мелких твердых частиц, переносимых воздушными массами. В тропосфере происходят фотохимические реакции, имеющие важное значение для биосферы. Выше тропопаузы, на протяжении стратосферы и мезосферы, нарастает разреженность газов, сложно меняются термические условия. На высоте 25—30 км под воздействием солнечной радиации происходит фотодиссоциация молекул кислорода и образуется озон. Молекулы озона сильно рассеяны. Если бы они находились в условиях, обычных для поверхности Земли, под давлением 1 атм (101 325 Па), то мощность озонового слоя была бы меньше 1 см. Тем не менее этот очень разреженный слой озона поглощает 97% ультрафиолетовой части солнечной радиации. Без этого экрана существование жизни на поверхности суши было бы невозможно.

На удалении от 80 до 800 км от поверхности Земли располагается ионосфера — область сильно разреженного, ионизированного газа. Самая наружная часть газовой оболочки — экзосфера — простирается до 1 800 км. Из этой сферы происходит диссипация — потеря Землей наиболее легких атомов водорода и гелия.
Состав газовой оболочки Земли так же, как и состав Океана, в значительной мере обусловлен деятельностью живых организмов и поддерживается системой биогеохимических циклов. В настоящее время газовое вещество атмосферы на 99,8% состоит из атомов кислорода и аргона. Среди компонентов, содержащихся в малых количествах, можно выделить пары воды, инертные газы и соединения, обусловленные биологическими процессами и фотохимическими реакциями. Под воздействием солнечной радиации в атмосфере происходит диссоциация паров воды. Непрерывное удаление главного восстановителя — водорода — в результате диссипации вызвало прогрессирующее накопление окислителей. Это имело два важных пос­ледствия. Во-первых, постепенно образовывался экран, предохраняющий поверхность Земли от ультрафиолетовой радиации. Во-вторых, возник процесс окисления восстановленных газов, непрерывно поступавших из мантии, окислителями фотохимического происхождения, которые постоянно возобновлялись в результате диссипации водорода. Окисленные соединения растворялись в конденсирующейся атмосферной влаге и вымывались из атмосферы дождями. Этот процесс, имевший циклический характер, наметил направленность будущих биогеохимических циклов.

Подобно тому как в природных водах присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в атмосфере содержатся не только свободные молекулы и ионы газов, но также распыленные частицы твердых и жидких веществ.

Взвеси твердых и жидких частиц в газообразной среде называются аэрозолями. Твердые аэрозольные частицы играют очень важную роль: они служат центрами конденсации паров воды. Размеры этих частиц колеблются от нескольких микрометров до сотых и тысячных долей микрометра. Более мелкие частицы самостоятельно существовать не могут и присоединяются к другим. Есть электронейтральные и заряженные частицы (ионы). Последние состоят из молекул, группирующихся вокруг иона. Количество электронейтральных частиц меньше 0,1 мкм (так называемых ядер Айткена) очень большое, но в силу своих ничтожных размеров они составляют всего 10—20% от общей массы аэрозолей.

Как суша, так и океан находятся в состоянии непрерывного циклического обмена с нижними слоями атмосферы, поставляя аэрозольные частицы в воздух и получая их обратно в составе атмосферных осадков и в форме сухих осаждений. Частицы конти­нентального происхождения относительно крупные, их средние размеры около 2—3 мкм. Над океаном преобладают более мелкие частицы размером около 0,25 мкм.

На суше в процесс обмена с атмосферой вовлекаются не только испаряющиеся поверхностные воды, но и твердое вещество литосферы. Среди аэрозольных частиц морского происхождения преобладают растворимые в морской воде соли. С поверхности континентов выносятся мелкие частицы почвы, горных пород, вулканического пепла. Как показали наблюдения А.П.Лисицына (1978), обломки величиной 0,1—0,01 мм могут переноситься в нижних слоях тропосферы на расстояние в сотни — первые тысячи километров. Частицы величиной 1 —10 мкм мигрируют во всей толще тропосферы, дальность их переноса достигает 10 тыс. км. Состав аэрозолей континентального и океанического происхождения существенно различается. В аэрозолях, поступивших в атмосферу с поверхности континентов, содержатся на уровне клар,ков литосферы такие типичные терригенные элементы, как кремний, алюминий, железо, титан, цирконий, иттрий, лантан, скандий. В океанических аэрозолях доминируют катионогенные элементы морских солей: натрий, магний, кальций, стронций. В то же время для аэрозолей характерна повышенная (относительно терригенных химических элементов) концентрация некоторых тяжелых металлов и близких им поливалентных элементов: мышьяка, сурьмы, висмута.

Для оценки избирательной аккумуляции химических элементов в аэрозолях автор предложил использовать коэффициент, аэрозольной аккумуляцш Kа:

Ка = А /К,

где А - содержание элемента в твердой фазе аэрозоля; К - кларк этого же элемента в гранитном слое континентальной земной коры.

Имеющиеся факты позволяют заключить, что дифференциация химических элементов в системе поверхность суши — атмосфера — поверхность океана является результатом длительной деятельности живого вещества, а существующая динамика циклического массообмена тяжелых химических элементов обусловлена главным образом современными биогеохимическими процессами.

2.5. Биокосная система гидросферы.

Вода имеет особое значение для живого вещества Земли, она является обязательным условием его существования и главной составной частью. Вода составляет около 60% суммарной массы живых организмов суши и 80% массы организмов океана. Все физиологические процессы и биохимические реакции протекают в водных растворах. Огромное количество воды разлагается при фотосинтезе. Взаимодействие живого вещества с гидросферой является одним из генеральных процессов в биосфере. Установлено, что состав вод мирового океана есть результат биогеохимической деятельности организмов. Основную массу водной оболочки Земли образуют соленые воды Мирового океана, покрывающие 2/3 поверхности Земли. Их объем примерно равен 1379*106 км3, в то время как объем всех вод суши (включая ледники и подземные воды до глубины 5 км) — менее 90*106 км3 . Так как океанические воды составляют около 93% всех вод биосферы, можно считать, что их химический состав определяет основные черты состава гидросферы в целом.

Современный химический состав океана представляет собой итог длительного изменения под влиянием деятельности живых организмов. Образование первичного океана было обусловлено теми же процессами дегазации твердого вещества планеты, которые привели к формированию газовой оболочки Земли. По этой причине состав атмосферы и гидросферы тесно связан, их эволюция развивалась также взаимосвязанно.

Как отмечено ранее, среди продуктов дегазации преобладали пары воды и углекислый газ. С того момента, как температура поверхности планеты опустилась ниже 100°С, пары воды стали конденсироваться и образовывать первичные водоемы. На поверхности Земли возник процесс круговорота воды, который положил начало циклической миграции химических элементов в системе суша — океан — суша.

В соответствии с составом выделявшихся газов первые скопления воды на поверхности планеты были кислыми, обогащенными главным образом НС1, а также HF, Н3ВО3, H2S. Вода океана прошла множество круговоротов. Кислые дожди энергично разрушали алюмосиликаты, извлекая из них легко растворимые катионы — натрий, калий, кальций, магний, которые накапливались в океане. Катионы постепенно нейтрализовывали сильные кислоты, и воды древней гидросферы приобрели хлор-кальциевый состав. Среди разнообразных процессов трансформации дегазируемых соединений, по-видимому, протекала деятельность сгущений термолитот-рофных бактерий. Появление цианобактерий, обитавших в воде, предохранявшей их от губительной ультрафиолетовой радиации, знаменовало начало фотосинтеза и биогеохимического продуцирования кислорода.

Свободный кислород стал поступать в воды древнего океана. Па протяжении огромного отрезка времени восстановленные и недоокисленные соединения серы, двухвалентного железа и марганца были окислены. Состав океанической воды приобрел хлоридно-сульфатный состав, близкий к современному.

Химические элементы в гидросфере находятся в разнообразных формах. Среди них наиболее характерны простые и сложные ионы, а также молекулы, находящиеся в состоянии сильно разбавленных растворов. Распространены ионы, сорбционно связанные с частицами коллоидных и субколлоидных размеров, находящимися в морской воде в виде тонкой взвеси. Особую группу составляют элементы, входящие в состав органических соединений.

Общее количество растворенных соединений в морской воде (соленость) в поверхностных слоях океанов и окраинных морей колеблется от 3,2 до 4%. Во внутриконтинентальных морях соленость меняется в более широких пределах.

Еще в середине прошлого века ученые обнаружили замечательную геохимическую особенность океанической воды. Эта особенность заключается в том, что, несмотря на колебания солености, соотношение главных ионов остается постоянным. Солевой состав океана является своего рода геохимической константой,

Основную массу растворенных соединений в океане составляют хлориды распространенных щелочных и щелочно-земельных элементов, меньше содержится сульфатов еще меньше гидрокарбонатов. Концентрация рассеянных элементов на три математических порядка ниже, чем в горных породах, единицей измерения служит мкг/л. Диапазон значений кларков рассеянных элементов достигает 10 математических порядков, т.е. примерно такой же, как в земной коре, но соотношения элементов совершенно иные. Отчетливо доминируют бром, стронций, бор и фтор, концентрация которых выше 1000 мкг/л. В значительном количестве присутствуют литий, рубидий, иод, барий; их концентрация превышает 10 мкг/л. Часть рассеянных в воде металлов — молибден, цинк, уран, ванадий, титан, медь — имеет концентрацию от 1 до 10 мкг/л. Концентрация никеля, марганца, кобальта, хрома, ртути, кадмия значительно ниже — сотые и десятые доли мкг/л. В то же время железо и алюминий, играющие роль главных элементов в земной коре, в океане имеют концентрацию более низкую, чем молибден и цинк. В наименьшем количестве в океане растворены такие элементы, как ниобий, скандий, бериллий и торий. Одновременно часть растворенных в воде химических элементов в телах организмов переходит в нерастворимые соединения. Наиболее распространенными примерами биогеохимического связывания растворенных элементов в нерастворимые соединения могут служить образования известковых (кальцитовых) и кремниевых (опаловых) скелетов планктонных организмов, а также извлечение карбоната кальция известковыми водорослями и кораллами.

Среди пелагических илов (глубоководных отложений океана) можно выделить две группы. Первые состоят преимущественно из биогенных образований планктона, вторые образованы в основном частицами небиогенного происхождения. В первой группе наиболее распространены известковые (карбонатные) илы, во второй — гли­нистые илы. Карбонатные илы занимают около трети площади дна Мирового океана, глинистые — более четверти. В карбонатных осадках возрастает концентрация не только кальция и магния, но также стронция и иода. В илах, в которых преобладают глинистые компоненты, значительно больше металлов. Некоторые элементы очень слабо выносятся из раствора в илы и постепенно накапливаются в морской воде. Их следует называть талассофильными. Рассчитав отношение между концентрациями в сумме растворимых солей морской воды и в илах, мы получим величину коэффициента талассофильности Кт, показывающего, во сколько раз данного элемента больше в солевой части океанической воды по сравнению с осадком.

Зная массу элемента в Мировом океане и величину его годового поступления, можно определить скорость его удаления из океанического раствора. Например, количество мышьяка в океане составляет примерно 3,6*109 т, с речным стоком приносится 74*103 т/год. Следовательно, за период, равный 49 тыс. лет, происходит полное удаление всей массы мышьяка из Мирового океана.

Океан беспрестанно пополняется за счет стока воды с суши ранен примерно 44*103 м3/год. Следовательно, меньше чем за 35 тыс. лет в океан поступит столько воды, сколько в нем имеется в настоящее время. Динамическое постоянство объема океана поддерживается испарением и переносом через атмосферу в парообразном состоянии 44*103 км3/год воды, выпадающей на сушу в виде атмосферных осадков. Химический состав выпавших осадков при взаимодействии с растительностью и почвой изменяется под влиянием гумусовых кислот, метаболических выделений высших растений и почвенных микроорганизмов. Конечный продукт разрушения органического вещества — углекислый газ — хорошо растворяется в воде с образо­ванием угольной кислоты. Все это усиливает растворяющую способность поверхностных вод по отношению к минеральному веществу земной коры. В то же время стекающая по поверхности суши вода захватывает частицы минерального вещества, преобразованного под влиянием жизнедеятельности организмов, и переносит их в форме взвеси. Таким образом, состав как растворимых соединений, так и тонких взвесей в значительной мере обусловлен жизнедеятельностью организмов

В.Б.Полынов в 1933 г. показал, что интенсивность водной миграции элемента определяется не его количеством в воде, а отношением содержания в воде и в дренируемой горном породе. А.И. Перельман (1974) предложил использовать коэффициент водной миграции Кв, который равен отношению концентраций элемента в сухом остатке води и в породе. Оценивая интенсивность вовлечения элемента в водную миграцию в глобальном масштабе, необходимо рассчитать отношение среднего содержания в твердом остатке речных вод к кларку этого же элемента в гранитном сдое континентов.

2.6. Глобальные биогеохимические циклы.

Имеющиеся факты позволяют предполагать, что в биосфере существует глубокая связь химического состава земной коры, Мирового океана и атмосферы. Эта связь обусловлена процессами массообмена между наружными оболочками Земли. Указан­ные процессы изначально имели циклический характер прежде всего по причине суточных, сезонных, годовых и более протяженных ритмичных колебаний поступавшей от Солнца энергии. Цикличности массообмена также способствовало непрерывное удаление водорода вследствие его диссипации. Окисленные соединения, возникавшие в результате фотохимических реакций в верхней атмосфере, возвращались на поверхность Земли.

Процессы циклического массообмена непрерывно изменялись на протяжении геологической истории, что влекло за собой изменение состава наружных оболочек. Главным фактором направленного изменения глобальных циклов массообмена и преобразования исходной системы фазовых оболочек в современную систему биосферы было живое вещество. Встраиваясь в систему циклов и выполняя те же функции, что абиогенные химические процессы, живые организмы одновременно продуцировали продукты метаболизма и отмирания. Накопление этих продуктов на протяжении длительного времени сильно изменяло геохимические условия окружающей среды, что в свою очередь стимулировало эволюцию организмов применительно к новым условиям. Фракционирование химических элементов в биогеохимических циклах наложило глубокий отпечаток на состав осадочной оболочки, Мирового океана, атмосферы. Посредством непрерывного циклического массообмена жизнь формировала среду обитания. Наиболее ярким примером служит образование педосферы, порожденной жизнедеятельностью наземной биоты и вместе с тем обеспечивающей существование и воспроизводство главной части биомассы Земли - растительности Мировой суши.

Расчеты распределения масс химических элементов в биосфере и масс, участвующих в процессах биогенной миграции, основываются на двух группах данных. Во-первых, необходимы сведения о средних значениях концентрации элементов в компонентах биосферы: в биомассе растительности Мировой суши, воде рек, педосфере и др. Во-вторых, должны быть сведения о массе каждого из компонентов биосферы.

В настоящее время выделяют глобальные циклы натрия - одного из главных элементов, аккумулированного в земной коре в процессе ее выплавления; хлора -типичного талассофильного элемента; циклы элементов, поступивших в бисферу в результате дегазации (углерод, сера, азот); циклы элементов, поступивших в биосферу в результате мобилизации из земной коры (кальций, калий, кремний, фосфор); циклы массообмена тяжелых металлов.

Рассмотрим глобальные циклы натрия и хлора, геохимия которых в биосфере весьма тесно связана.

Глобальный цикл натрия. Натрий - один из главных элементов, аккумулированных в земной коре в процессе ее выплавления. Основная масса этого элемента выпадает на последних стадиях магматической кристаллизации и частично остается в постмагматических растворах. Натрий занимает в кристаллохимических структурах силикатов позиции между устойчивыми алюмокремнекислородными группировками и поэтому легко освобождается из структур гипогенных силикатов при выветривании кристаллических пород. Концентрация Na}0 в "гранитном" слое земной коры 2,71%. в осадочно_й оболочке - 1,5%. Соответственно масса натрия в гранитном слое равна 165*1015 т, в осадочной оболочке - 26,7*1015 т. Освобождаясь из кристаллического вещества земной коры, натрий в форме хорошо растворимого катиона переносится с континентальным стоком в океан, в водах которого содержится 14,7*1015 т этого элемента.

Главный миграционный поток натрия в биосфере связан с водным стоком с суши, с которым выносится 0,185*109 т ионов этого элемента. Одновременно натрий выносится в составе твердого стока, находясь преимущественно в сорбированном состоянии. Принимая среднюю концентрацию натрия во взвесях речного стока равной 4,6 мг/л, можно оценить массу элемента, выносимую в составе взвесей, в 0,19* 109 т/год.

В цикле массообмена между поверхностью океана и тропосферой участвует около 1,3*109 т/год водорастворимых форм натрия, между поверхностью суши и тропосферой - примерно 0,14*109 т/год. С воздушными массами морского происхождения на сушу переносится более 0,1*109 т/год растворимых форм натрия. В то же время с поверхности суши в океан выносится с ветровой пылью примерно 0,01*1 09 т натрия в сорбированном состоянии.

Преобладание растворимого катиона Na в биосфере обусловливает присутствие больших масс натрия во всех типах природных вод, в которых он связан эквивалентными соотношениями с анионами СL-, SO42- и отчасти с HCO3-1. В организмах соли натрия (главным образом хлориды) имеют важное значение. Хлорид натрия является обязательным компонентом жидких тканей животных (плазмы, крови, лимфы) и клеточного сока растений, играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давление и влияет на содержание воды в тканях и др. В силу важной физиологической роли хлорид натрия в большом количестве поглощается растительными и особенно животными организмами, его недостаток вызывает тяжелые заболевания.

Разные авторы расходятся в оценке средней концентрации натрия в живом веществе. По данным Х.Боуэна, средняя концентрация натрия в биомассе растительности Мировой суши около 0,12% массы сухого вещества. Исходя из этого значения; можно считать, что в биомассе суши содержится 3*109 т натрия. Концентрация в живом веществе океана значительно выше - 3,3% массы сухого вещества, но общее количество натрия, связанное в океанической биомассе, на два порядка меньше, чем в наземной.

В структуре глобального биологического круговорота натрия ярко проявляется его талассофильность. Живое вещество Земли на протяжении года пропускает через себя около 4,6*109 т натрия, причем на суше в биологический круговорот вовлекается 0,2*109 т, а в океане почти в 20 раз больше.

Из растительных остатков соли натрия легко выщелачиваются, поэтому концентрация натрия в неживом органическом веществе и гумусе педосферы невелика - около 0.01%, а масса близка к 0,2 -0,3*109 т. Натрий активно сорбируется осадками морей, поэтому в осадочной оболочке содержится его большая масса.

Глобальный цикл хлора. Этот цикл имеет много общего с циклом натрия. Xлop типичный талассофилъный элемент. Его распределение в биосфере характеризуется ясно выраженной аккумуляцией в воде Мирового океана, в которой в форме растворенных ионов СL- содержится преобладающая часть массы элемента. . Содержание хлора в гранитном слое земной коры составляет 0,021%, масса -1,7*1015 т. В осадочной оболочке концентрация хлора в 10 раз выше - 0.27%. а масса равна 6,5*1015 т. Подобно натрию, среди форм нахождения хлора в биосфере доминируют хорошо растворимые ионы СL. Они определяют основные черты глобального цикла массообмена элемента, среди которых главная - исключительно высокая способность к водной миграции. Значительные массы хлора, так же как и натрия, многие миллионы лет мигрируют с поверхности Мировой суши в океан. Вторая особенность глобального геохимического цикла хлора, выраженная еще более сильно, чем в цикле натрия, - активная миграция в атмосфере в составе аэрозолей и возврат значительной массы элемента на сушу. На протяжении года из океана в атмосферу поступает 2,4*109 т/год (с учетом сухих осаждений}, а возвращается с осадками и в форме сухих осаждений 2,2*109 т/год. Разница в 0,2* 109 т/год переносится с воздушными массами на сушу и там выпадает. Таким образом, значительная масса СL- циркулирует в системе суша -океан - суша. В химической метеорологии хлор называют циклическим элелементом. Хлор имеет важное физиологическое значение и содержится в живых организмах в виде соляной кислоты, ее солей, среди которых наиболее распространен хлорид натрия, а также разнообразных хлорорганических соединений. Средняя концентрация хлора в массе живого вещества суши равна 0,2% (сухая масса), в фитомассе океана значительно выше - около 1% . Можно считать, что в живом веществе суши находится 5*109 т, в биомассе фитосинтетиков - 0,17*109 т хлора. Концентрация рассматриваемого элемента в неживом органическом веществе педосферы и гумусе примерно равна 0,01%, следовательно, масса хлора в педосфере составляет около 0,3*109 т.

В биологический круговорот на суше захватывается около 0,34*109 т/год хлора. В морской воде его концентрация значительно выше и он составляет около 3% сухой массы организмов. На протяжении года биота Мирового океана вовлекает в круговорот примерно 4,4*109 т хлора, т.е. на порядок больше, чем на суше.

Как следует из изложенного, в структуре глобальных циклов массообмена натрия и хлора много общего: преобладание хорошо растворимых форм, активная водная миграция с континентов в океан и возвратный атмосферный перенос значительных масс с океана на сушу. Важной чертой биосферной геохимии рассматриваемых элемен­тов является их сильно выраженная талассофильность, результатом которой является превышение массы биологического круговорота в океане над массой биологического круговорота на суше. Сближает биогеохимию этих элементов важное физиологическое значение их главного химического соединения — хлорида натрия.

Вместе с тем распределение масс хлора и натрия в биосфере принципиально различается. Огромное количество натрия, сосредоточенное в осадочных породах и в океане (40,7*1015 т), составляет всего лишь 19,8% массы элемента, содержащейся в исходном гранитном слое земной коры, из которой натрий постепенно извлекался и включался в процессы циклического массообмена. Совершенно иная картина распределения масс хлора. В осадочных породах и в основном резервуаре — океане хлора почти в 20 раз больше, чем в гранитном слое. Если бы весь огромный гранитный слой был разрушен, то освободившейся при этом массы хлора было бы меньше его массы, находящейся в настоящее время в океане. Очевидно, что источники поступления рассматриваемых элементов в циклы массообмена, происходившие на протяжении геологической истории в биосфере, были разные. Натрий поступал в результате процессов мобилизации и выщелачивания из гранитного слоя коры континентов, хлор — благодаря процессам дегазации мантии и выносу вулканических газов.

2.7. Экологические проблемы современности и биогеохимия.

Ход событий поставил человечество во второй половине XX в. перед проблемой, с которой оно никогда раньше не сталкивалось. Производственная деятельность достигла такого уровня, что стала сказываться на геохимическом состоянии окружающей среды. Загрязнение атмосферы, природных вод, почвенного покрова и растительности производственными и бытовыми отходами стало ощутимым фактором воздействия на глобальную систему биосферы. Губительные события происходят на отдельных территориях, где загрязнение окружающей среды создает угрозу для здоровья не только существующего населения, но и будущих поколений. По этой причине проблему загрязнения окружающей среды надо рассматривать с позиций биогеохимии. В зависимости от особенностей циклов массообмена загрязняющий компонент может распространяться на всю биосферу, на более или менее значительную территорию или иметь локальный характер. Одной из проблем, имеющих глобальное значение, является предполагаемое возрастание углекислого газа в атмосфере в связи с промышленным производством.

Основания для беспокойства имеются. С изобретением паровой машины в качестве топлива стал широко использоваться каменный уголь; с появлением двигателей внутреннего сгорания — нефть и ее производные. Таким образом, использование природных соединений углерода происходит в столь значительном количестве, что это можно сравнить с крупным природным процессом. Все виды минерального топлива, сгорал, превращаются в углекислый газ. Возникает вопрос: какова его дальнейшая судьба?

Наблюдения за концентрацией СО2 в атмосфере показали, что его масса в атмосфере за последние годы возрастает на 2,2*109 т/год. Суммарное поступление в атмосферу углерода в составе углекислого газа из индустриальных источников в настоящее время оценивается в 5*109 т/год. Это количество примерно в 15 раз меньше, чем ассимиляция углерода при фотосинтезе растительности Мировой суши.

При сжигании дров, лесных пожарах в атмосферу выделяется еще 4,8*109 т СО2 в год, но половина этой массы вновь захватывается растительностью.

Рост концентрации СО2 сам по себе опасности не представляет, но повышение содержания молекул СO2 может вызвать повышение температуры воздуха благодаря "парниковому эффекту" , что может иметь катострофические последствия.

Среди многих последствий хозяйственной деятельности человеческого общества особо важное значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов а окружающей среде. Особая биогеохимическая обстановка сложилась в крупных городах и центрах промышленности. Атмосфера городов, насыщенная газами и техногенными аэрозолями, также сильно загрязнена тяжелыми металлами, в первую очередь свинцом от выбросов двигателей автомобилей. В промышленных и бытовых отходах городов аккумулируются разнообразные химические элементы и соединения. Установлено, что в пыли металлообрабатывающих предприятий высокая концентрация легирующих металлов и твердых сплавов (вольфрама, молибдена, хрома), в илах очистных сооружений гальванических цехов накапливаются кадмий, висмут, серебро, олово. В бытовом мусоре повышена концентрация очень многих элементов. Ежегодно с отходами городов поступает на свалки такое количество тяжелых металлов, которое соизмеримо с продукцией горнорудных предприятий. Растущие массы отходов влияют на повышение уровня концентрации тяжелых металлов в растительности и почвенном покрове зоны вокруг городов. Применение компостов из бытовых отходов для удобрения почв пригородных хозяйств способствует аномально высокой концентрации тяжелых металлов и некоторых других элементов в выращиваемых овощах и фруктах.

Появление мыслящих организмов и начало их деятельности знаменовало наступление качественно новою этапа взаимодействия живого с окружающей средой. Хозяйственная деятельность человеческого общества развивалась с прогрессирующей скоростью и в настоящее время достигла уровня природных процессов. При этом массы элементов, мобилизуемые хозяйственной деятельностью человека, находятся в совершенно иных соотношениях, чем в системе природных массопотоков. Это вызывает деформацию природных циклов массообмена и в силу обратной связи изменение состава окружающей среды. Указанные изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы генетической адаптации организмов и видообразования. Во многих местах хозяйственные действия настолько непродуманны или несовершенны, что создают ост­рую экологическую опасность.

В этой ситуации биогеохимия как наука приобретает особую актуальность. Изучая процессы массообмена, связывающие в единое целое окружающую среду и живое вещество на разных уровнях организации биосферы, биогеохимия создает научно-теоретическую базу для выяснения сложных закономерностей взаимодействия организмов со средой в конкретных условиях. Биогеохимией накоплен обширный фактический материал и создан научно-методический аппарат, который может быть успешно использован для создания действенной системы контроля за эколого-геохимическим состоянием окружающей среды, а также для разработки научно обоснованного прогноза экологических последствий хозяйственных действий и новых технологий.

3. Выбор варианта задания и оформление работы.

  1. Контрольная работа выполняется в отдельной тетради. На титульном листе
    указывается: наименование академии, института или факультета, специальность,
    учебная дисциплина, а также фамилия и имя, отчество студента, его учебный шифр и
    домашний адрес. Писать следует разборчивым подчерком.

  2. Каждый вопрос задания пишется полностью.

  3. В конце контрольной работы указывается список использованной литературы.

  4. Индивидуальные номера вопросов определяются по шифру (сумма двух последних
    цифр номера зачетной книжки студента). Например, номер зачетной книжки 01132,
    сумма двух последних цифр 3+2 = 5, следовательно, вариант контрольной работы
    №5. В контрольной работе студент выполняет индивидуальные задания под №5. Если
    сумма больше 10 , то от полученного шифра отнимается 10. Если равна нулю, то
    выполняется десятый вариант.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Вопрос 1. Основные понятия биогехимии

  1. В чем заключается сущность и научное новаторство идей В.И.Вернадского о живом веществе?

  2. Дайте определение понятия «биосфера».

  3. Каковы соотношения биогеохимии с геохимией, биологией и почвоведением?

  4. Охарактеризуйте основные этапы развития научных взглядов на цикличность мшрации вещества под
    воздействием проявлений жизни.

  5. В каких отраслях народного хозяйства используются результаты биогеохимических исследований?

  6. Для решения каких актуальных общемировых проблем принципы биогеохимии приоритетны?

  7. В чем заключается сущность и научное новаторство идей В.И.Вернадского о живом веществе?

  8. Дайте определение понятия «биосфера».

9. В каких отраслях народного хозяйства используются результаты биогеохимических исследований?

10. Для решения каких актуальных общемировых проблем принципы биогеохимии приоритетны?

Вопрос 2. Общая геохимическая организация биосферы.

  1. Каковы принципиальные различия главных и рассеянных -элементов в земной коре?

  2. Изложите представления В.И.Вернадского о рассеянии химических элементов и формах их
    нахождения.

  3. Какие термины на европейских языках используются для обозначения рассеянных элементов? Опишите три
    наружные оболочки Земли.

  4. Перечислите распространенные формы нахождения элементов в земной коре.




  1. Дайте определение геохимических параметров «кларк» и «кларк концентрации» применительно к земной
    коре.

  2. Приведите примеры геохимической неоднородности земной коры как главного компонента состава
    окружающей среды.

  3. Дайте определение понятий «геохимический фон». «Геохимическая аномалия». «Геохимическая провинция».

  4. Каковы принципиальные различия главных и рассеянных элементов в земной коре''
    9. Перечислите распространенные формы нахождения элементов в земной коре.

10. Дайте определение геохимических параметров «кларк» и «кларк концентрации» применительно к земной коре.
Вопрос 3. Живое вещество. Состав и свойства.

  1. Какие существуют виды расчета состава живых организмов? Укажите преимущества и недостатки каждого
    вида расчета.

  2. Укажите главные особенности состава живого вещества Земли. Какие группы организмов определяют
    основные черты состава живого вещества планеты?

  3. Дайте определение понятия <микроэлементьг>, рассмотрите их биологическое значение.

  4. Раскройте понятие «биологический круговорот»; сопоставьте отличительные черты биологического
    круговорота в океане и на суше.

  5. Кем предложен и как определяется биологический параметр, характеризующий интенсивность
    биологического поглощения элементов?

6. Какие зольные элементы наиболее активно вовлекаются и биологический криоворот и какие являются наиболее инертными?рассмотрите классификацию элементов по интенсивности их вовлечения в биологический круговорот.

  1. Что представляет собой биогеохимический метод поиска месторождений руд? Что такое биогеохимическая
    аномалия?

  2. Приведите примеры биогеохимического эндемизма.

  3. Раскройте понятие «биологический круговорот»; сопоставьте отличительные черты биологического

круговорота в океане и на суше.

10. Дайте определение понятия <микроэлементы>. рассмотрите их биологическое значение.

Вопрос 4. Биогехимия газовой оболочки Земли.

  1. В какой группе современных организмов связана большая часть углерода углекислого газа (Со, ,рг).
    фиксированного при фотосинтезе?

  2. В остатках каких организмов связана большая часть С0рг фиксированного в фотосинтезе за всю
    геологическую историю?

  3. Какие группы организмов в настоящее время выделяют большую часть кислорода?

  4. В каких формах находится кислород, выделенный фотосинтезирующими организмами за всю
    геологическую историю?

  5. Охарактеризуйте глобальные газовые функции микроорганизмов.

6. Каковы биогеохимические факторы, влияющие на «парниковый» эффект?

  1. Что собой представляют процессы биометилизации и каково их глобальное значение?

  2. Благодаря каким биогеохимическим процессам в аэрозолях аккумулируются тяжелые металлы?
    9 В чем существо аэробиогеохимического метода поиска месторождений руд?

10. Структура а атмосферы и роль озона.

Вопрос 5. Биокосная система гидросферы.

1. Как изменялся состав Мирового океана под влиянием биогеохимической деятельности организмов на

протяжении геологической истории?

2. Изложите основные положения биофильтрационной теории А.П.Лисицина.

  1. Какие биогеохимические факторы влияют на состав речных вод?

  2. Перечислите главные формы нахождения химических элементов в речных водах.

  3. Какова роль продуктов метаболизма живых организмов и их остатков в миграции тяжелых металлов в
    поверхностных водах суши?




  1. Как оценивается согласно Б.Б.Полынову интенсивность водной миграции химических элементов?

  2. Как группируются (классифицируются) химические элементы по значениям коэффициента водной
    миграции Ка Б.Б.Полынова — А. И. Перельмана?

9. Каково соотношение масс элементов, мигрирующих в растворимой форме и и составе взвесей в речных

водах в настоящее время?

10. Опишите миграцию элементов в составе речных взвесей.
Вопрос 6. Глобальные биогеохимические циклы.

1.Почему большую часть циклических процессов массообмена. протекающих в биосфере, можно рассматривать как биогеохимические? Назовите основные звенья глобального цикла натрия.

2.Каковы источники поступления масс химических элементов, вовлекаемых в глобальные миграционные циклы в биосфере? Опишите основные звенья глобального цикла калия.

  1. Чем обусловлено неодинаковое время оборота масс углерода, связанных в живом веществе суши и океана? Опишите основные звенья глобального цикла углерода.

  2. Опишите влияние живого вещества на геохимию кислорода и водорода в биосфере.

  3. Какие биогеохимические процессы обусловливают структуру глобального цикла серы?

  4. Опишите основные звенья глобального цикла азота.

  5. Каковы общие черты циклов и распределения масс дегазированных химических элементов в биосфере?

  6. Какие биогеохимические процессы обусловливают структуру глобального цикла кремния?

  7. Какие биогеохимические процессы обусловливают структуру глобального цикла фосфора?
    10.Какие биогеохимические процессы обусловливают структуру глобального цикла кальция?

Вопрос 7. Глобальные биогеохимические циклы и экологические проблемы современности

1 .Каковы роль и особенности тяжелых металлов в биосфере?

2.1 Перечислите основные процессы миграции тяжелых металлов в окружающей среде. Какова роль в этих

процессах живых организмов? Какими причинами можно объяснить повышенную концентрацию металлов

в аэрозолях по сравнению с развеиваемыми ветром горными породами?

3.Какое значение для массообмена металлов в биосфере имеют процессы биометилизаци

4.Рассмотрите биогеохимию свинца и цинка. Чем они отличаются?

5.Перечислите общие черты глобальных циклов и распределения масс тяжелых металлов в биосфере.

6.Каковы роль и особенности тяжелых металлов в биосфере?

7.Перечислите основные процессы миграции тяжелых металлов в окружающей среде. Какова роль в этих процессах живых организмов? Какими причинами можно объяснить повышенную концентрацию металлов в аэрозолях по сравнению с развеиваемыми ветром горными породами?

8.Какое значение для массообмена металлов в биосфере имеют процессы биометилизаци?

9.Рассмогрите биогеохимию свинца и цинка Чем они отличаются?

10.Перечислите общие черты глобальных циклов и распределения масс тяжелых металлов в биосфере.

Задачи к вопросам 1-3.

А) Рассчитайте кларк концентрации свинца в ...

1.кварце ; 2. полевом шпате; 3.Биотите; 4.Магнетите; 5. полевом шпате;

6.кварце ; 7. полевом шпате; 8.Биотите; 9.Магнетите; 10. полевом шпате;

Б) Рассчитайте интенсивность биологического поглощения и ежегодный захват химических элементов растительностью суши для ...

I.Mn и Ag.; 2. Zi и Cd; 3. Sr и Ga.; 4. Ti и Se; 5.В и Be. 6. Ва и Сs; 7. Си и As: 8. Zr n Sn: 9. N и Fe: 10.S и Mg:

Задачи к вопросам 4-5.


Задачи к вопросам 6-7.

Л) Исходя из средней концентрации свинца в атмосферных осадках над с\ шей. равной 1—3 мкг/л.

определите массу свинца, выпадающего на поверхность континентов на протяжении i a.ui. ofbci ыс па вопрос: каковы главные источники поступления свинца в атмосферу1? (.Варианты 1-5)

Б) Сопоставьте числовые значения масс фосфора, участвующих в биологическом круговороте на с\ те и в океане. Какие между ними различия и чем они обусловлены? (Варианты 6-10)

4.Литература.

1. Добровольский В. В. Основы биогеохимии: М: Высшая школ а. -1998. -41 6 с.

2. Химия окружающей среды. -Пер. с англ. /Под ред. А. П. Цыганкова. -М.:Химия7
1982. -672 с.

З.Богдановский Г. Л. Химическая экология.: Учеб. пособие. -М.:Ичд-во МГУ.

1994-237 с.

4.Беккер А.А., Тамерлан Б. А. Охрана и контроль -загрязнения природной среды :Учеблюсобие.-

Л.:Гидрометеоиздат, 1989. -286 с.

5.Одум Ю. Основы -экологии : М.: Мир, 1975 -742 с.

б.Кучерявий В.П Гколопя Льв1в.: «Сшт». 2001. -500 с.

7. Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружение: М. : Наука. 1 987. 420 с.

5. ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1. Кларки химических элементов гранитного слоя коры континентов (в порядке убывания значений)(по А.А.Беусу,1976)

Элемент

Атомный номер

Среднее содержание,

1*10 %

Элемент

Атомный номер


Среднее содержание,

1* 10 %

О

Si

Al

Fe

K

Ca

Na

Ma

Ti

Н

?

F

Mn

Ba

S

C

Sr

Rb

Cl

Zr

Ce

V

Zn

La

Y

Cr

Nd

Li

N

Ni

Cu

Nb

Ga

Pb

Bi

Te


8

14

13

26

19

20

11

12

22

1

15

9

25

56

16

6

38

37

17

40

58

23

30

57

39

24

60

3

7

28

29

41

31

82

83

52


481000

399000

80000

36000

27000

25000

22000

12000

3300

1000

800

700

700

680

400

300

230

180

170

170

83

76

51

46

38

34

33

30

26

26

22

20

18

16

0,010

0,0010

Th

Sc

B

Sm

Gd

Pr

Co

Dy

Cs

Er

Yb

Hf

Sn
Be

Br

Ta

As

W

Ho

Tl

Eu

Tb

Ge

Mo

Lu

I

Tu

In

Sb

Cd

Se

Aq

Hq

Au

Re


90

21

5

62

64

59

27

66

55

68

70

72

50

92

4

35

73

33

74

67

81

63

65

32

42

71

53

69

49

51

48

34

47

80

79

75

16

11

10

9

9

7,9

7,3

6,5

3,8

3,6

3,6

3,5

2,7

2,6

2,5

2,2

2,1

1,9

1,9

1,8

1,8

1,4

1,4

1,3

1,3

1,1

0,5

0,3

0,25

0,20

0,16

0,14

0,088

0,033

0,0012

0,0007

Таблица 2. Распределение свинца в минералах, слагающих граниты ( по Л.В.Таусону,1961)


Минералы

Содержание минерала %

Содержание свинца в минерале мг/кг

Общее количество свинца в природе

Мг/кг

%

Кварц

Полевые шпаты

Биотит

Магнетит

сумма

35,3

59,5

3,7

0,7

4

40

20

17

-

1,4

23,8

0,7

0,1

26,0

5,4

91,5

2,7

0,4

100


Таблица 2,5. Концентрация элементов в ежегодном приросте растительности суши.


Элементы

Средняя концентрация мкг/г

В золе

В сухой фитомассе

В живой фитомассе

Mn

Zn

Sr

Ti

B

Ba

Cu

Zr

Rb

Br

F

Ni

Cr

V

Li

Pb

I

Sn

As

Cs

N

Ca

4100

600

700

650

500

450

160

150

100

80

70

40

35

30

30

25

6

5

3

3

-

-

205

30

35

32.5

25

22.5

8

7.5

5

4

3.5

2

1.8

1.5

1.5

1.25

0.3

0.25

0.12

0.12

2%

1.8%

82

12

14

13

10

9

3.2

3

2

1.6

1.4

0.8

0.7

0.6

0.6

0.5

0.12

0.10

0.06

0.06

-

-



Скачать файл (265 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru