Дослідження екологічного впливу антропогенних факторів на геохімічний колообіг фосфору

     2.4.2 Колообіг Карбону у гідросфері

 

     Гідросфера  — водна оболонка Землі, до складу якої входять океани, моря та континентальні водні маси, сніговий покрив і льодовики.

     Океан є виключно важливим резервуаром  вуглецю. Загальна кількість елемента в ньому в 100 разів більше ніж міститься в атмосфері. Океан через поверхню може обмінюватися з вуглекислим газом з атмосферою, і за допомогою осадження і розчинення карбонатів з осадовим чохлом Землі. Розчинений в океані вуглець існує в трьох основних формах:

Неорганічний  вуглець: СО₂, НСО₃^-, СО₃^2- ; органічний вуглець, зосереджений в океанічних організмах.

     Гідросферу  можна розділити на три геохімічних  резервуари: приповерхневий шар, глибокі води і шар реактивних морських опадів, здатних до обміну вуглекислотою з водою. Ці резервуари розрізняються за часом відгуку на зовнішні зміни вуглецевого циклу.

     Між суходолом і Світовим океаном  відбувається постійна міграція вуглецю. Переважає винесення цього елемента у формі карбонатних і органічних сполук з суші в океан. Надходження вуглецю з Світового океану на сушу відбувається в незрівнянно менших кількостях, і то лише у формі вуглекислого газу, що дифундує в атмосферу і стерпного повітряними течіями.

     Сумарна кількість вуглекислого газу в атмосфері  планети становить не менш 2,3 ∙ 10¹² т., в той час як вміст його в Світовому океані оцінюється в 1,3 ∙ 10¹⁴ т. У літосфері у зв'язаному стані знаходиться 2 ∙ 10¹⁷ т. вуглекислого газу. Значна кількість вуглекислого газу міститься і в живій речовині біосфери (близько 1,5 ∙ 10¹² т.), тобто майже стільки, скільки у всій атмосфері. Вуглекислий газ атмосфери та гідросфери обмінюється і оновлюється живими організмами за 395 років.

     Кругообіг вуглецю в гідросфері є більш  складним у порівнянні з континентальним, оскільки повернення цього елемента у формі вуглекислого газузалежить від надходження кисню у верхні шари води як з атмосфери, так і з нижележащей товщі. У цілому показники річного кругообігу маси вуглецю у Світовому океані майже в 2 рази нижче, ніж на суші (у тоннах за рік):     
 

Таблиця 2.1 Показники річного кругообігу маси вуглецю у Світовому океані 

      2.4.3 Колообіг Карбону  в грунті

 

     За  різними оцінками, сумарний вміст  вуглецю в грунті становить близько  т. Головна невизначеність існуючих оцінок обумовлена недостатньою повнотою відомостей про площі та змісті вуглецю в торфя-никах планети.

      Більш повільний процес розкладу  вуглецю в грунтах холодних  кліматичних зон призводить до  більшої концентрації вуглецю грунтів (на одиницю поверхні) в бореальних лісах і трав'янистих спільнотах середніх широт порівняно з тропічними екосистемами. Однак тільки невелику кількість (кілька відсотків або навіть менше) детриту, що надходить щорічно в резервуар грунтів, залишається в них протягом тривалого часу. Більша частина мертвої органічної речовини окислюється до СО₂ за кілька років. У чорноземах близько 98% вуглецю підстилки характеризується часом обігу близько 5 місяців, а 2% вуглецю підстилки залишаються в грунті в середньому протягом 500-1000 років. Ця характерна риса грунтоутворювального процесу проявляється також у тому, що вік грунтів в середніх широтах, визначений радіоізотопиним методом, складає від декількох сотень до тисячі років і більше. Проте швидкість розкладу органічної речовини при трансформації земель, зайнятих природною рослинністю, в сільськогосподарські угіддя зовсім інша. Наприклад, висловлюється думка, що 50% органічного вуглецю в грунтах, що використовуються в сільському господарстві Північної Америки, могло бути втрачено внаслідок окислення, так як ці грунти почали експлуатуватися до початку минулого століття, чи в самому його початку.

      Дані  про вміст органічної речовини в  грунті (гумусу) є одним з головних показників родючості грунтів. Оскільки аналіз структури і змісту тієї чи іншої складової органічної частини зразка практично неможливий через складність процедури, то уявлення про органічне речовині можуть скласти дані про валовий змісті вуглецю та азоту. За результатами визначення вуглецю в грунті можна обчислити вміст гумусу у грунті: шукане вагове процентний вміст гумусу знаходиться множенням вагового процентного вмісту вуглецю на коефіцієнт, що дорівнює 1,7-2.

Найпростішим  методом визначення органічного вуглецю є метод Тюріна, який полягає в розкладанні органічної речовини біхроматом калію в кислому середовищі: 

      3C + 2K₂Cr₂O₇ + 8H₂SO₄ = 3CO₂ + 2Cr₂(SO₄)₃ + 8H₂O + 2K₂SO₄             (2.5) 

Хромат, що залишився після реакціх відтитровуєм сіллю Мора: 

      K₂Cr₂O₇ + 6FeSO₄ + 7H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3Fe₂(SO₄)₃ + 7H₂O + K₂SO₄   (2.6) 

     Індикатором служить N-фенілантранілова кислота. Визначенню заважають хлориди, які треба  враховувати або маскувати сульфатом  срібла. На результати аналізу може, за певних обставин, впливати наявність  у пробах окису марганцю і солей двозарядних заліза. [8]

     2.4.4 Накопичення енергії  та органічних  речовин рослинами.  Рівняння фотосинтезу.

 

     Зелена рослина використовує вуглець різними способами. Наприклад, він може накопичуватися в складі крохмалю, що запасається в клітинах, або целюлозі. І крохмаль і целюлоза засвоюються в якості їжі тільки після розщеплення їх на складові 6-вуглецеві цукри (тобто цукри, що містять по шість атомів вуглецю в молекулі). Проростки, наприклад, розщеплюють запасені в сім'ї крохмаль і жири, отримуючи з них більш прості органічні речовини, що використовуються в процесі клітинного дихання (для вивільнення їх енергії) і для зростання.

     Одна з характерних особливостей всього живого – постійна потреба в енергії. Організм отримує енергію за допомогою дихання – цілої серії процесів, в ході яких складні карбоновмісні молекули перетворюються на прості. Після своєї смерті рослини і тварини стають їжею для так званих редуцентів - організмів, які здійснюють розкладання органічної речовини. Як правило, редуценти мають обмежений набір ферментів і відповідно використовують в якості їжі і джерела енергії тільки деякі типи органічних речовин. Звичайні дріжджі, наприклад, переробляють лише 6 - і 12-вуглецеві цукри, що містяться в зруйнованих клітинах перестиглих фруктів або в густому (з м'якоттю) соку, отриманому при їх роздавлюванні. Проте при достатній тривалості впливу різноманітних редуцентів всі карбоновмісні речовини рослин або тварин в кінці кінців руйнуються до диоксиду вуглецю і води, а вивільнена енергія використовується організмами, що здійснюють розкладання. Багато штучно синтезовані органічні сполуки теж піддаються біологічному руйнуванню (біодеградації) - процесу, в ході якого редуценти отримують енергію і необхідний будівельний матеріал, а в атмосферу виділяється вуглець у формі діоксиду вуглецю.

     Процеси фотосинтезу органічної речовини з  неорганічних компонентів тривають мільйони років і за такий час  хімічні елементи повинні були перейти  з однієї форми в іншу. Однак  цього не відбувається завдяки їх кругообігу в біосфері. Щорічно фотосинтезуючі організми засвоюють майже 350 млрд. тонн вуглекислого газу, виділяють до атмосфери біля 250 млрд. тонн кисню і розщеплюють 140 млрд. тонн води, утворюючи понад 230 млрд. тонн органічної речовини (в перерахунку на суху вагу). Значна частина необхідної для організмів енергії утворюється в клітинах за рахунок окиснення вуглецю. Виникнення життя на Землі розглядається сучасною наукою як складний процес еволюції вуглецевих сполук. З виникненням життя єдиним джерелом неорганічного вуглецю, за рахунок якого утворюється вся органічна речовина біосфери, є двооксид вуглецю, який перебуває в атмосфері, а також розчинений в природних водах у вигляді H₂CO₃.

     Щорічно фотосинтезом до кругообігу включається 6 млрд. тонн азоту, 210 млрд. тонн фосфору та велика кількість інших елементів (калій, натрій, кальцій, магній, сірка, залізо та ін.) Існування цих кругообігів надає екосистемам певну тривалість.

     Найпотужніший механізм засвоєння вуглецю (у формі  СО₂) — фотосинтез, який здійснюється повсюдно зеленими рослинами. Щороку асимілюється близько 100 млрд. т СО₂. Рослини поглинають вуглекислий газ з повітря, виділяючи в атмосферу такий же об'єм кисню. У присутності хлорофілу СО₂ взаємодіє з водою, перетворюючись на більш складні вуглецеві сполуки, наприклад вуглеводи. Схематично процес утворення вуглеводів може бути представлений рівнянням: 

                                6СО₂ + 6Н₂О 

  C₆Н₁₂О₆ + 6О₂                                        (2.7) 

     Одночасно утворюється крохмаль та різноманітні інші речовини, з яких складаються рослини. На Землі існує еволюційно більш древній спосіб засвоєння СО₂ шляхом хемосинтезу. В цьому випадку мікроорганізми-хемосинтетики використовують не променисту енергію Сонця, а енергію окиснення неорганічних сполук. Більшість тварин споживає вуглець у вигляді вже готових органічних речовин.

     2.5 Антропогенний колообіг Карбону

 

     Людина  інтенсивно трансформує процеси  кругообігу всіх хімічних елементів  не тільки на локальному, а й біосферному  рівні. Людство - це частина біосфери (з його виробництвом). Принципових відмінностей в утилізації природних ресурсів між людиною та іншими організмами немає з точки зору екології: відмінності полягають лише в масштабах. Той факт, що людина навчилася утилізувати природні ресурси, створюючи для цього спеціальні засоби, суті справи не міняє. Наскільки б не були масштабними процеси антропогенної трансформації речовини, вони здійснюються в рамках глобальних біогеохімічних циклів. Людина не в силах радикально змінити ці цикли. Найбільше, що він може – це змінити баланс речовини на певних етапах глобальних циклів чи на певних територіях.

Людина  знаходить і видобуває природні ресурси, перевозить їх до місця переробки, виробляє з них енергію, яку-небудь продукцію і предмети, які в  підсумку надходять в користування у вигляді засобів виробництва чи виробів, споруд і т.д., тобто людина залучає природні ресурси (речовини) в ресурсний цикл.

     Під ресурсним циклом розуміють сукупність перетворень і переміщень певної речовини або груп речовин на всіх етапах використання його людиною (виявлення, вилучення з природного середовища, переробку, використання, повернення в природу). Але якщо природні цикли речовин замкнуті, то ресурсний цикл як кругообіг практично не замкнутий, тобто використані речовини не повертаються в місця їх вилучення.

На кожному  етапі ресурсного циклу неминучі втрати. При видобутку частина  сировини залишається в місцях залягання, а у відвали йде так звана  «порожня порода», на витяг якої витрачається енергія. Значна частка добутого викопного  втрачається при транспортуванні до заводам і фабрикам при перевантаженні, переробці. Якщо ресурс використовується як паливо, то при його згорянні утворюються шлаки, що йдуть у відвали, оксиди, які летять в атмосферу, і т.д.[9]

     2.5.1 Твердість води

 

     Загальна  твердість води переважно зумовлюється наявністю в ній гідрокарбонатів, хлоридів, сульфатів та інших сполук кальцію і магнію. Загальна твердість поділяється на карбонатну (усувну) і постійну (неусувну).

Карбонатна  твердість зумовлена наявністю  у воді розчинних бікарбонатів кальцію і магнію, які при кип'ятінні води розкладаються на вуглекислоту і нерозчинні монокарбонати. Останні є причиною утворення накипу на стінках парових котлів, стерилізаторів, радіаторів, самоварів, чайників та інших водонагрівних приладів. Тому в медичній практиці інструменти багаторазового використання кип'ятять у дистильованій воді, рідше – у чистій дощовій воді. Карбонатна твердість часто співпадає з усувною твердістю. При кип'ятінні усувається переважно та частина карбонатної твердості, яка залежить від гідрокарбонату кальцію. При великій кількості у воді гідрокарбонату магнію різниця між карбонатною і усувною твердістю буває досить значною.

     Постійною твердістю води називають ту, яка  залишається після тривалого  кип'ятіння води і зумовлюється наявністю у ній хлоридів, сульфатів, нітратів і фосфатів кальцію і магнію.

     Твердість води оцінюють у мг-екв/дм3. 1 мг-екв/дм:і  твердості відповідає 20,0 мг/дм Са²⁺ або 12,2 мг/дм3 Мg²⁺. Воду з твердістю до 3,5 мг-екв/дм³ називають м'якою, від 3,5 до 7 — середньої твердості, від 7 до 14 - твердою, понад 14 мг-екв/дм³ – дуже твердою. Гранична норма твердості води не повинна перевищувати 7, а в окремих випадках - 10 мг-екв/дм³. При вживанні маломінералізованої води загальна твердість її повинна становити не менше 1,5 мг-екв/дм³. Вода, що не містить солей кальцію і магнію, неприємна на смак.