Зміст 

Індивідуальне завдання

 

ВСТУП

 

     Кругообіг елементів і речовин в природі здійснюється за рахунок саморегулюючих процесів, в яких беруть участь всі складові екосистем. Ці процеси є безвихідними. У природі немає нічого даремного або шкідливого, навіть від вулканічних вивержень є користь, бо з вулканічними газами в повітря надходять потрібні елементи, наприклад, азот. Існує закон глобального замикання біохімічного кругообігу в біосфері, діючий на всіх етапах її розвитку, як і правило збільшення замкнутості біохімічного кругообігу в ході сукцесії. У процесі еволюції біосфери збільшується роль біологічних компонентів в замиканні біохімічного кругообігу. Ще більшу роль в біохімічному кругообігу виявляє людина. Але її роль здійснюється в протилежному напрямку. Людина посилює кругообіг речовин, який вже склався, і в цьому позначається його геологічна сила, руйнівна по відношенню до біосфери на сьогоднішній день. Коли 2 млрд. років тому на Землі з'явилося життя, атмосфера складалася з вулканічних газів. Нині вміст вуглекислого газу в атмосфері збільшується в результаті спалювання великих кількостей горючих копалин і зменшення поглинаючої можливості «зеленого поясу». У результаті антропогенної діяльності ступінь замкненості біохімічних кругообігів зменшується. Вважають, що до настання індустріальної ери потоки вуглецю між атмосферою, материками і океанами були збалансовані. Останні 100 років вміст СО₂ постійно зростає в результаті нових антропогенних наступів. Основним джерелом цих надходжень вважається згоряння горючих копалин, проте свій внесок вносять розвиток сільського господарства і знищення лісів. Ліси - важливі накопичувачі вуглецю, тому що в їх біомасі міститься в 1,5 рази, а в лісовому гумусі - в 4 рази більше вуглецю, ніж в атмосфері.

     Таким чином, слід говорити не про зміну  людиною того, що не повинно змінюватися, а скоріше про вплив людини на швидкість та напрямок змін та на поширення їх границь, яка піднімає правило міри перетворення природи. Останнє формулюється таким чином: у процесі експлуатації природних систем не можна перевищувати деякі межі, які дозволяють цим системам зберігати рівновагу.

     Метою курсової роботи є дослідження екологічного впливу антропогенних факторів на геохімічний  колообіг вуглецю, визначення факторів, які чинять вплив або порушують даний колообіг.

     Об’єктом  вивчення даної курсової роботи є  структура перебігу геохімічного колообігу  вуглецю. Предметом дослідження  є вплив змін у геохімічному колобігу вуглецю на життєдіяльність та продуктивність флори і фауни, визначення впливу окремих антропогенних чинників. 

1 БІОХІМІЧНІ КОЛООБІГИ  В БІОГЕОЦЕНОЗІ

     1.1 Поняття про біохімічні  цикли

 

     Жива  речовина є найбільш активним компонентом  біосфери. Вона здійснює гігантську геохімічну роботу, перетворюючи інші оболонки Землі в геологічному масштабі часу.

     Всі хімічні елементи живої матерії циркулюють у біосфері за характерними шляхами, переходячи з зовнішнього середовища в організми, а потім повертаючись в зовнішнє середовище. Ці більшою чи менше мірою замкнуті шляхи називають біогеохімічніми циклами (або колообігами), причому «біо» відноситься до живих організмів, а «гео» - до гірських порід, повітря і воді.

     Важливу роль при переносі матерії в екосистемі відіграють постійні цикли елементів, які суттєво відрізняються від перетвореної енергії, котра врешті-решт, деградує у вигляді тепла і ніколи не буде використана знову.

     В більшості випадків обмін біогенних  елементів між живими організмами  і неорганічним середовищем є  збалансованим. Відтік біогенних елементів із системи врівноважується притоком їх з інших систем — з атмосфери і підстилаючої поверхні. Ці більш-менш замкнуті шляхи руху речовини називають біохімічними кругообігами (рис.1.1). 

   Рисунок 1.1 Біогеохімічний кругообіг (заштриховане коло) на тлі потоку енергії: Рд — валова продукція, Рп — чиста первинна продукція, Р — вторинна продукція, R — дихання. 

     Для синтезу протоплазми живими організмами  необхідно близько 40 елементів, з  яких найважливішими є вуглець, азот, водень, кисень,  фосфор і сірка. Інші елементи потрібні в менших кількостях, але вони також необхідні: це кальцій, залізо, калій, магній, натрій та ін. Вони почергово переходять із живої матерії в матерію неорганічну, беручи участь у біохімічних циклах різної складності. Останні можна поділити на дві групи: 1) кругообіги газів, в яких 

     атмосфера служить головним резервуаром елемента (вуглець, азот, вода); 2) кругообіги осадочні, елементи яких у твердому стані входять  до складу осадочної породи (наприклад, фосфор і сірка).

     Кругообіг вуглецю і кисню забезпечується відомими процесами фотосинтезу і дихання. Більш складний шлях у біогеоценозі проходять азот, фосфор і сірка, причому велику допомогу їм у цьому надають мікроорганізми зі спеціалізованими метаболічними функціями.

     Р.Ріклефс  (1979) зображає екосистему (рис.1.2) у вигляді ряду блоків, через які проходять різні матеріали і в яких ці матеріали можуть залишатися протягом різних періодів часу. В кругообізі мінеральних речовин в екосистемі переважно беруть участь три активних блоки: живі організми, мертвий органічний детрит і доступні неорганічні речовини. Два додаткових блоки — опосередковано доступних неорганічних і органічних поживних речовин — пов'язані із кругообігом біогенних елементів лише частково, інтервали і активність цих зв'язків значно нижчі від тих, які існують між активними блоками.

     Деяка частина вуглецю і кисню внаслідок  дихання повертається безпосередньо  у фонд доступних неорганічних поживних речовин. Кальцій, натрій та іони інших  мінеральних речовин виділяються  або ж вимиваються з листя дощем або водою, яка оточує водні організми, і також швидко знову вступають у кругообіг. Включені в процесі асиміляції в живу біомасу, вуглець і азот після загибелі організмів переносяться в детритний блок. Завдяки детритоїдним організмам біогенні елементи, які містяться в детриті, внаслідок вимивання і розкладу знову потрапляють у фонд доступних неорганічних речовин. 

 

Рис. 1.2 Блочна модель екосистеми із зазначенням деяких найбільш важливих шляхів обміну мінеральних речовин. 

     Обмін між фондами мінеральних речовин, що беруть активну участь у кругообігу, і величезним резервуаром опосередковано доступних біогенних елементів, які є в атмосфері, вапняках, кам'яному вугіллі і в гірських породах земної кори, протікає повільно, головним чином внаслідок геологічної діяльності.

     Процеси асиміляції і розпаду, завдяки яким відбувається кругообіг біогенних  елементів у біогеоценозі, тісно  пов'язані із поглинанням і вивільненням організмами енергії. Шляхи біогенних елементів у біогеоценозі паралельні потоку енергії.

У лісових  біогеоценозах, як зазначає П.С.Погребняк (1968), існує постійний сезонний обмін  азотом і зольними речовинами між  деревами і ґрунтом. Обмін має характер повного, майже замкнутого кругообігу речовини, що значною мірою попереджує від вимивання за межі ризосфери поживних елементів, які там обертаються. У лісовому біогеоценозі існує два його основних цикли кругообігу (С):

     С — малий цикл, який здійснюють поживні  елементи між листям, дрібними гілками  і корінням, з одного боку, і ґрунтом — з іншого. Тривалість малого циклу 1-5 років. Протягом цього строку листя та більша частина дрібних гілочок і корінчиків відмирає, перетворюючись у складові елементи ґрунту, які готові до повторного циклу;

     С₂ — великий цикл, у процесі якого поживні елементи надходять до стовбура, крупних гілок і коріння та повертаються назад у ґрунт. Поживні елементи задіяні в цьому циклі надовго, деколи на декілька століть. У природному лісі лише після відмирання дерева елементи його циклу повертаються в ґрунт.

     Вивчення  кругообігу поживних речовин у біогеоценозі дає підстави виділити в кожному кругообігу дві частини, або, як їх називає Ю.Одум, "фонди": 1) резервний фонд — більша маса рухомої речовини, яка пов'язана з організмами (у Ріклефса — блоки опосередковано доступних неорганічних і органічних поживних речовин; П.С.Погребняк називає цей фонд "великим циклом"— С₂); 2) обмінний фонд — менший, але активніший, для якого є характерним швидкий обмін між організмами і їх безпосереднім оточенням (у Погребняка — "малий цикл", С₁). [1]

     1.2 Структура і типи  біохімічних колообігів

 

     Розрізняють два основних кругообіги: великий (геологічний) і маленький (біологічний).

     Великий кругообіг, триває мільйони років і  полягає в тому, що гірські породи підлягають руйнуванню, а продукти вивітрювання (в тому числі розчинні у воді поживні речовини) зносяться потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу із опадами . Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і підняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на суходол і процес починається знову.

     Маленький кругообіг (частина великого) відбувається на рівні екосистеми і полягає  в тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і на життєві процеси як самих цих рослин, так і інших організмів (як правило тварин), які з'їдають ці рослини (консументи). Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черві) знов розкладаються до мінеральних компонентів, доступних рослинам і що втягуються ними у потоки речовини. Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні та тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій називається біохімічним циклом. У такі цикли втягнуті практично всі хімічні елементи і насамперед ті, що беруть участь в побудові живої клітини. Так, тіло людини складається з кисню (62.8%), вуглецю (19.37%), водню (9.31%), азоту (5.14%), кальцію (1.38%), фосфору (0.64%) і ще приблизно 30 елементів.

  Основними типами біохімічних кругообігів є кругообіг води, вуглецю, кисню, азоту, фосфору та сірки. [2]

     1.2.1 Колообіг води

 

     Вода  знаходиться в постійному русі. Випаровуючись  із поверхні водойм, грунту, рослин, вода накопичується в атмосфері і, рано чи пізно, випадає у вигляді  опадів, поповнюючи запаси в океанах, річках, озерах і т.п. Таким чином, кількість води на Землі не змінюється, вона тільки змінює свої форми - це і є кругообігом води в природі.

     Кругообіг води є одним з грандіозних  процесів на поверхні земної кулі. Він  грає головну роль у зв'язуванні геологічного та біотичного кругообігів. У біосфері вода, безперервно переходячи з одного стану в інший, робить малий і великий кругообіг. Випаровування води з поверхні океану, конденсація водяної пари в атмосфері і випадання опадів на поверхню океану утворюють малий кругообіг. Якщо ж водяна пара переноситься повітряними течіями на

сушу, кругообіг  стає значно складніше.

     У цьому випадку частина опадів випаровується і поступає назад  в атмосферу, інша - живить ріки й  водойми, але в результаті знову  повертається в океан річковим і  підземним стоком, завершуючи тим  самим великий кругообіг. Важлива властивість кругообігу води полягає в тому, що він, взаємодіючи з літосферою, атмосферою і живою речовиною, пов'язує воєдино всі частини гідросфери: океан, річки, грунтову вологу, підземні води і атмосферну вологу. Найбільш сповільненою частиною кругообігу води є діяльність полярних льодовиків, що відображають повільний рух і якнайшвидше танення льодовикових мас. Найбільшою активністю обміну після атмосферної вологи відрізняються річкові води, які змінюються в середньому кожні 11 днів. Надзвичайно швидка возобновляемость основних джерел прісних вод і опріснення вод у процесі кругообігу є відображенням глобального процесу динаміки вод на земній кулі. [3]

     1.2.2 Кругообіг вуглецю

 

     Вуглець в біосфері часто представлений  найбільш рухомою формою - вуглекислим газом. Джерелом первинної вуглекислоти біосфери є вулканічна діяльність, пов'язана з віковою дегазацією мантії і нижніх горизонтів земної кори.

     Міграція  вуглекислого газу в біосфері Землі  протікає двома шляхами. Перший шлях полягає у поглинанні його в процесі фотосинтезу з утворенням органічних речовин і в подальшому похованні їх в літосфері у вигляді торфу, вугілля, гірських сланців, розсіяною органіки, осадових гірських порід. Так, в далекі геологічні епохи сотні мільйонів років тому значна частина органічної речовини не використовувалася ні консументами, ні редуцентами, а накопичувалася і поступово погребалась під різними мінеральними опадами. Перебуваючи в породах мільйони років, цей детрит під дією високих температур і тиску (процес метаморфізації) перетворювався на нафту, природний газ і вугілля, у що саме - залежало від вихідного матеріалу, тривалості та умов перебування в породах. Тепер ми у величезних кількостях видобуваємо це викопне паливо для забезпечення потреб в енергії, а спалюючи його, в певному сенсі завершуємо круговорот вуглецю. Якщо б не цей процес в історії планети, ймовірно, людство мало б зараз зовсім інші джерела енергії, а може бути і зовсім інший напрямок розвитку цивілізації.