Koloběh živin. Kromě uvažovaných základních prvků se na metabolickém procesu živého organismu podílí řada dalších. Některé z nich jsou přítomny ve významném množství a patří do kategorie makroživin, jako je sodík, draslík, vápník, hořčík. Některé prvky jsou obsaženy ve velmi malých koncentracích (mikroprvky), ale jsou také životně důležité (železo, zinek, měď, mangan atd.).[...]

Koloběhy základních živin a prvků. Uvažujme cykly nejvýznamnějších látek a prvků pro živé organismy (obr. 3-8). Koloběh vody je velký geologický cyklus; a cykly biogenních prvků (uhlík, kyslík, dusík, fosfor, síra a další biogenní prvky) - až po drobné biogeochemické.[...]

Rychlost cyklů živin je poměrně vysoká. Doba obratu atmosférického uhlíku je asi 8 let. Každý rok se přibližně 12 % oxidu uhličitého ve vzduchu recykluje do koloběhu v suchozemských ekosystémech. Celková doba cyklu pro dusík se odhaduje na více než 110 let, pro kyslík na 2500 let.[...]

Biotický cyklus. Koloběh živin způsobený syntézou a rozpadem organických látek v ekosystému se nazývá biotický cyklus látek. Kromě biogenních prvků zahrnuje biotický cyklus minerální prvky, které jsou nejdůležitější pro biotu, a mnoho různých sloučenin. Proto se celý cyklický proces chemických přeměn způsobených biotou, zejména pokud jde o celou biosféru, nazývá také biogeachemický cyklus. [...]

Biotický cyklus je cirkulace živin a dalších látek v nich obsažených v ekosystémech, v biosféře mezi jejich biotickou a abiotickou složkou. Nejdůležitější vlastností biosférického biotického cyklu je vysoký stupeň izolace.[...]

Na druhou stranu biogenní prvky jako složky biomasy jednoduše mění molekuly, mezi které patří např. nitrátový N-protein N-odpad N. Lze je použít opakovaně a cyklování je jejich charakteristickým znakem. Na rozdíl od energie slunečního záření nejsou zásoby živin konstantní. Proces vázání některých z nich do živé biomasy snižuje množství zbývající pro komunitu. Pokud by se rostliny a fytofágy nakonec nerozložily, zásoby živin by byly vyčerpány a život na Zemi by ustal. Činnost heterotrofních organismů je rozhodujícím faktorem pro udržení cyklů živin a tvorbu produktů. Na Obr. 17.24 ukazuje, že k uvolňování těchto prvků ve formě jednoduchých anorganických sloučenin dochází pouze ze systému rozkladačů. Ve skutečnosti určitý podíl těchto jednoduchých molekul (zejména CO2) poskytuje i spotřební systém, ale do koloběhu se tak vrací velmi malá část biogenních prvků. Rozhodující roli zde má systém rozkladačů.[...]

Hnacími silami koloběhu látek jsou toky sluneční energie a činnost živé hmoty, vedoucí k pohybu obrovských mas chemických prvků, koncentraci a redistribuci energie nahromaděné při procesu fotosyntézy. Díky fotosyntéze a nepřetržitě fungujícím cyklickým cyklům živin vzniká stabilní organizace všech ekosystémů a biosféry jako celku a probíhá jejich normální fungování.[...]

Při absenci vnějších toků biogenních sloučenin může biosféra stabilně existovat pouze tehdy, existuje-li uzavřený koloběh látek, během kterého živiny provádějí uzavřené cykly, střídavě se přesouvají z anorganické části biosféry do organické a tak dále. naopak. Tento cyklus provádějí živé organismy biosféry. Předpokládá se, že biosféra obsahuje asi 1027 živých organismů, které spolu navzájem nekorelují. V procesu evolučního vývoje biosféry se vytvořily následující tři skupiny organismů lišících se svým funkčním účelem a účastí v koloběhu živin: producenti, rozkladači a konzumenti.[...]

Hmotné procesy v živé přírodě, cykly biogenních prvků jsou spojeny s energetickými toky se stechiometrickými koeficienty, které se u nejrůznějších organismů liší pouze v rámci jednoho řádu. Navíc díky vysoké účinnosti katalýzy je spotřeba energie na syntézu nových látek v organismech mnohem menší než u technických analogů těchto procesů.[...]

Pro praxi velmi důležitý závěr, vyplývající z mnoha intenzivních studií koloběhu živin, je ten, že přebytek hnojiv může být pro člověka stejně nerentabilní jako jejich nedostatek. Pokud je do systému zavedeno více materiálu, než mohou aktuálně aktivní organismy využít, přebytek se rychle váže půdou a sedimenty nebo se ztrácí vyluhováním a stává se nedostupným právě v době, kdy je růst organismů nejvíce žádoucí. Mnoho lidí se mylně domnívá, že pokud se pro určitou oblast jejich zahrady nebo jezírka doporučuje 1 kg hnojiva (nebo pesticidu), pak 2 kg přinesou dvojnásobný užitek. Tito zastánci více je lepší by udělali dobře, kdyby porozuměli vztahu dotace a stresu znázorněnému na obrázku 1. 3.5. Dotace se nevyhnutelně stávají zdrojem stresu, pokud nejsou aplikovány opatrně. Nadměrné hnojení ekosystémů, jako jsou rybníky, je nejen plýtvání z hlediska dosažených výsledků, ale může způsobit nepředvídatelné změny v systému a také kontaminovat ekosystémy navazující na tok. Vzhledem k tomu, že různé organismy jsou přizpůsobeny různým úrovním obsahu prvků, vede dlouhodobé přehnojení ke změnám v druhovém složení organismů a ty, které potřebujeme, mohou vymizet a mohou se objevit nepotřebné. [...]

Mnoho procesů probíhajících v půdě je spojeno s životně důležitou činností půdních mikroorganismů - cykly živin, mineralizace živočišných a rostlinných zbytků, obohacování půdy o formy dusíku dostupné rostlinám. Úrodnost půdy souvisí s činností mikroorganismů. Půdní mikroorganismy tak přímo ovlivňují život rostlin a jejich prostřednictvím i zvířata a lidi, protože jsou jednou z hlavních součástí suchozemských ekosystémů.[...]

Rybníky a jezera jsou zvláště vhodné pro výzkum, protože během krátké doby lze cykly živin v nich považovat za nezávislé. Hutchinson (1957) a Pomeroy (1970) publikovali recenze prací o cyklu fosforu a cyklech dalších životně důležitých prvků.[...]

Transpirace má i své pozitivní stránky. Odpařování ochlazuje listy a kromě jiných procesů podporuje koloběh živin. Dalšími procesy jsou transport iontů půdou ke kořenům, transport iontů mezi kořenovými buňkami, pohyb uvnitř rostliny a vyplavování z listů (Kozlowski, 1964, 1968). Některé z těchto procesů vyžadují metabolickou energii, která může omezit rychlost transportu vody a solí (Fried a Broeshart, 1967). Transpirace tedy není pouze funkcí exponovaných fyzických povrchů. Lesy nemusí nutně ztrácet více vody než travnatá vegetace. Role transpirace jako energetické dotace ve vlhkých lesních podmínkách byla diskutována v kap. 3. Pokud je vzduch příliš vlhký (relativní vlhkost se blíží 100 %), jak se to stává v některých tropických mlžných lesích, stromy jsou zakrnělé a většinu vegetace tvoří epifyty, zřejmě kvůli nedostatečné transpiraci. trakce“ (N. Odum, Pigeon, 1970).[...]

Energii nelze přenášet v uzavřených cyklech a znovu využívat, ale hmota ano - Hmota (včetně živin) může procházet komunitou v „smyčkách“ - Koloběh živin není nikdy dokonalý. - Studie Hubbard Brook Forest ■-The přísun a výdej živin je obvykle nízký ve srovnání s množstvím účastnícím se cyklu, ačkoli síra je důležitou výjimkou z tohoto pravidla (hlavně kvůli „kyselým dešťům“) - Odlesňování otevírá cyklus a vede ke ztrátě živin.- Suchozemské biomy se liší distribucí živin mezi mrtvou organickou hmotou a živými tkáněmi, - Proudění a sedimentace jsou důležitými ■ faktory ovlivňujícími tok živin ve vodních ekosystémech.[...]

Všichni lidé konzumují potraviny, jsou spotřebiteli 1. a 2. řádu v potravinových řetězcích. Vylučují produkty fyziologického metabolismu, které jsou využívány rozkladači účastnícími se koloběhu živin. Člověk je jedním ze 3 milionů v současnosti známých biologických druhů na Zemi.[...]

Jakýkoli ekosystém lze považovat za řadu bloků, kterými procházejí různé materiály a ve kterých tyto materiály mohou zůstat po různou dobu (obrázek 10.3). V cyklech minerálních látek v ekosystému se zpravidla účastní tři aktivní bloky: živé organismy, odumřelé organické detrity a dostupné anorganické látky. Dva další bloky - nepřímo přístupné anorganické látky a srážející organické látky - jsou spojeny s cykly živin v některých okrajových částech obecného cyklu (obr. 10.3), nicméně výměna mezi těmito bloky a zbytkem ekosystému je pomalá. k výměně mezi aktivními bloky [...]

Uhlík, dusík a fosfor jsou důležité pro život organismů. Právě jejich sloučeniny jsou nezbytné pro tvorbu kyslíku a organické hmoty v procesu fotosyntézy. Spodní sedimenty hrají významnou roli v koloběhu živin. V jednom případě jsou zdrojem, v jiném - akumulátorem organických a minerálních zdrojů nádrže. Jejich přísun ze spodních sedimentů závisí na pH a také na koncentraci těchto prvků ve vodě. Se zvýšením pH a nízkou koncentrací živin se zvyšuje přísun fosforu, železa a dalších prvků ze spodních sedimentů do vody.[...]

Důležitým úkolem studia struktury a fungování společenstev (biocenóz) je studium stability společenstev a jejich schopnosti odolávat nepříznivým vlivům. Při studiu ekosystémů je možné kvantitativně analyzovat koloběh hmoty a změny toku energie během přechodu z jedné nutriční úrovně na druhou. Tento produkčně-energetický přístup na populační a biocenotické úrovni nám umožňuje porovnávat různé přírodní a člověkem vytvořené ekosystémy. Dalším úkolem environmentální vědy je studium různých typů vazeb v suchozemských a vodních ekosystémech. Je obzvláště důležité studovat biosféru jako celek: stanovení primární produkce a ničení na celém světě, globální cyklus živin; tyto problémy lze vyřešit pouze společným úsilím vědců z různých zemí.[...]

Periodický systém v chemii, zákony pohybu nebeských těles v astronomii atd.) Tyto vzorce se projevují např. v přítomnosti stejného druhu (nebo stejných forem růstu, produktivity, rychlostí cirkulace biogenních prvků atd.) na různých místech. To následně vede k vytváření hypotéz o důvodech takového opakování. Hypotézy lze následně ověřovat dalšími pozorováními nebo experimenty.[...]

Všechny formy vztahů společně tvoří mechanismus přirozeného výběru a zajišťují stabilitu společenství jako formy organizace života. Komunita je minimální forma organizace života. schopné fungovat po téměř neomezenou dobu v určité oblasti území. Pouze na komunitní úrovni lze v určité oblasti území provádět koloběh živin, bez nichž nelze zajistit neomezenou délku života s omezenými životními zdroji území. [...]

V důsledku životní činnosti organismů dochází ke dvěma protichůdným a neoddělitelným procesům. Živá organická hmota se na jedné straně syntetizuje z jednoduchých abiotických složek, na druhé straně se organické sloučeniny rozkládají na jednoduché abiotické látky. Tyto dva procesy zajišťují výměnu látek mezi biotickou a abiotickou složkou ekosystémů a tvoří hlavní jádro biogeochemického cyklu živin. [...]

Ještě v sedmdesátých letech 20. století předložili chemik James Lovelock a mikrobioložka Lynn Margulis teorii komplexní regulace zemské atmosféry biologickými objekty, podle níž rostliny a mikroorganismy spolu s fyzikálním prostředím zajišťují udržování určitých geochemických podmínky na Zemi příznivé pro život. Jedná se o relativně vysoký obsah kyslíku v atmosféře a nízký obsah oxidu uhličitého, určitou vlhkost a teplotu vzduchu. Zvláštní roli v této regulaci mají mikroorganismy suchozemských a vodních ekosystémů, zajišťující oběh živin. Regulační role mikroorganismů ve Světovém oceánu při udržování určitého množství oxidu uhličitého v zemské atmosféře a při prevenci skleníkového efektu je dobře známá.[...]

Reprodukční potenciál živé hmoty je obrovský. Pokud by se na nějakou dobu zastavilo umírání a reprodukce a růst nebyly nijak omezeny, došlo by k „biologické explozi“ v kosmickém měřítku: za méně než dva dny by byla biomasa mikroorganismů několikanásobně větší než hmotnost mikroorganismů. zeměkoule. To se nestane kvůli omezení látky; Biomasa ekosféry je udržována na relativně konstantní úrovni po stovky milionů let. Neustálým čerpáním toku sluneční energie překonává živá příroda omezení živin tím, že organizuje cykly živin. To zajišťuje vysokou produktivitu mnoha ekosystémů (viz tabulka 2. 1).[...]

Antropogenní tlak na přírodu se neomezuje pouze na znečištění. Neméně důležité je využívání přírodních zdrojů az toho vyplývající narušení ekologických systémů. Environmentální management je velmi nákladný – mnohem více, než je obvyklá peněžní hodnota spotřebovaných zdrojů. Především proto, že v ekonomice přírody, stejně jako v ekonomice člověka, neexistují volné zdroje: vesmír, energie, sluneční světlo, voda, kyslík, jakkoli se jejich zásoby na Zemi mohou zdát nevyčerpatelné, jsou přísně placeny. jakýmkoli systémem, který je spotřebovává, zaplacený za úplnost a rychlost návratnosti, obrat hodnot, uzavřenost materiálových koloběhů - živiny, energie, jídlo, peníze, zdraví... Protože ve vztahu k tomu všemu platí zákon omezených zdrojů.

Cyklus v přírodě
Činnost živých organismů je doprovázena těžbou velkého množství nerostů z okolní neživé přírody. Po
Když organismy zemřou, jejich chemické prvky se vracejí zpět do prostředí. Tak vzniká v přírodě biogenní koloběh látek, tzn.
oběh látek mezi atmosférou, hydrosférou, litosférou a živými organismy.
Uveďme pár příkladů.
Vodní cyklus.
Voda se vlivem sluneční energie odpařuje z hladiny nádrží a je transportována na velké vzdálenosti vzdušnými proudy. Padá dál
povrch země ve formě srážek přispívá k ničení hornin a zpřístupňuje rostlinám jejich minerální látky,
mikroorganismy a zvířata. Eroduje horní vrstvu půdy a listy spolu s chemickými sloučeninami v ní rozpuštěnými a suspendovanými
organické a anorganické částice do moří a oceánů. Cirkulace vody mezi oceánem a pevninou je nejdůležitějším článkem pro udržení života na Zemi.
Rostliny se účastní koloběhu vody dvěma způsoby: extrahují ji z půdy a vypařují do atmosféry; část vody v rostlinných buňkách
se rozkládá během fotosyntézy. V tomto případě je vodík fixován ve formě organických sloučenin a kyslík vstupuje do atmosféry.
Zvířata konzumují vodu, aby udržovala osmotickou a solnou rovnováhu v těle a uvolňovala ji do vnějšího prostředí spolu s potravou
metabolismus.
Uhlíkový cyklus.
Uhlík se do biosféry dostává v důsledku jeho fixace během fotosyntézy. Množství uhlíku sekvestrovaného rostlinami každý rok je
se odhaduje na 46 miliard t. Část se dostává do těla zvířat a uvolňuje se v důsledku dýchání ve formě CO2, který se opět dostává do atmosféry.
Zásoby uhlíku v atmosféře se navíc doplňují díky sopečné činnosti a lidskému spalování fosilních paliv. I když hlavní část
oxid uhličitý vstupující do atmosféry je absorbován oceánem a ukládán ve formě uhličitanů, obsah CO2 ve vzduchu pomalu, ale trvale
vychází.
Cyklus dusíku.
Dusík, jeden z hlavních biogenních prvků, se nachází v obrovském množství v atmosféře, kde tvoří 80 % celkové hmotnosti jejího plynného
komponenty. V molekulární formě jej však nemohou využívat ani vyšší rostliny, ani živočichové.
Atmosférický dusík se přeměňuje do využitelné formy elektrickými výboji (při nichž vznikají oxidy dusíku v kombinaci s
voda produkující kyselinu dusitou a dusičnou), bakterie vázající dusík a modrozelené řasy. Zároveň se tvoří čpavek, který ostatní
chemosyntetické bakterie se postupně přeměňují na dusitany a dusičnany. Poslední jmenované jsou pro rostliny nejstravitelnější. Biologická fixace dusíku
na souši je to přibližně 1 g/m2 a v úrodných oblastech dosahuje 20 g/m2.
Poté, co organismy zemřou, hnilobné bakterie rozkládají sloučeniny obsahující dusík na amoniak. Něco jde do atmosféry, něco
se redukuje denitrifikačními bakteriemi na molekulární dusík, ale hlavní část se oxiduje na dusitany a dusičnany a znovu se používá.
Určité množství sloučenin dusíku se usazuje v hlubokomořských sedimentech a je na dlouhou dobu (miliony let) vyloučeno z koloběhu. Tyto ztráty
kompenzován vstupem dusíku do atmosféry sopečnými plyny.
Cyklus síry.
Síra je součástí bílkovin a je také životně důležitým prvkem. Ve formě sloučenin se sulfidy kovů se vyskytuje ve formě rud
na souši a je součástí hlubokomořských sedimentů. Tyto sloučeniny jsou převedeny na rozpustnou formu dostupnou pro absorpci chemosyntetikou
bakterie schopné získávat energii oxidací redukovaných sloučenin síry. V důsledku toho vznikají sírany, které se používají
rostliny. Hluboce pohřbené sírany jsou zapojeny do cyklu další skupinou mikroorganismů, které redukují sírany na sirovodík.
Fosforový cyklus.
Zásobníky fosforu jsou ložiska jeho sloučenin v horninách. Vlivem vyluhování končí v říčních systémech a je částečně využíván
rostlin a částečně je zanášen do moře, kde se usazuje v hlubokomořských sedimentech. Kromě toho se ve světě ročně vytěží 1 až 2 miliony tun minerálů obsahujících fosfor.
plemen Velká část tohoto fosforu je také vymyta a odstraněna z cyklu. Rybolov vrací část fosforu do půdy v malých množstvích.
velikosti (asi 60 tisíc tun elementárního fosforu ročně).
Z výše uvedených příkladů je zřejmé, jakou významnou roli hrají živé organismy v evoluci neživé přírody. Jejich činnost je výrazně
ovlivňuje utváření složení atmosféry a zemské kůry. Velký přínos k pochopení vztahů mezi živou a neživou přírodou měli vynikající
Sovětský vědec V.I. Vernadsky. Odhalil geologickou roli živých organismů a ukázal, že jejich činnost je nejdůležitějším faktorem
transformace minerálních obalů planety.
Živé organismy, ovlivněné faktory neživé přírody, tak svou činností mění podmínky prostředí.
prostředí, tzn. jejich stanoviště. To vede ke změně struktury celého společenství biocenóz.
Bylo zjištěno, že dusík, fosfor a draslík mohou mít největší pozitivní vliv na výnosy pěstovaných rostlin, a proto tyto tři
Prvek se v největším množství přidává do půdy pomocí hnojiv používaných v zemědělství. Hlavním důvodem se proto ukázal být dusík a fosfor
urychlená eutrofizace jezer v zemích s intenzivním zemědělstvím. Eutrofizace je proces obohacování vodních útvarů živinami. Ona
je přirozený výskyt v jezerech, protože řeky přivádějí živiny z okolních povodí. Nicméně tento proces
obvykle jde velmi pomalu, po tisíce let.
Nepřirozená eutrofizace, která vede k rychlému zvýšení produktivity jezer, nastává v důsledku odtoku ze zemědělství
pozemky, které lze obohatit živinami z hnojiv.
Existují také dva další důležité zdroje fosforu: odpadní voda a detergenty. Odpadní vody, a to jak v původní podobě, tak i
zpracované, obohacené o fosfáty. Prací prostředky pro domácnost obsahují 15 % až 60 % biologicky odbouratelného fosfátu. Lze to stručně shrnout
Eutrofizace nakonec vede k vyčerpání zásob kyslíku a smrti většiny živých organismů v jezerech a v extrémních situacích
řeky
Organismy v ekosystému spojuje shoda energie a živin a je nutné tyto dva pojmy jasně rozlišovat. Celý ekosystém
lze přirovnat k jedinému mechanismu, který ke své práci spotřebovává energii a živiny. Živiny zpočátku
pocházejí z abiotické složky systému, do které se nakonec vracejí buď jako odpadní produkty, nebo po smrti
a ničení organismů. V ekosystému tedy probíhá neustálý koloběh živin, na kterém se podílejí živé i neživé věci.
Komponenty. Takové cykly se nazývají biogeochemické cykly.
V hloubkách desítek kilometrů jsou horniny a minerály vystaveny vysokým tlakům a teplotám. V důsledku toho se to stane
metamorfóza (změna) jejich struktury, minerálního a někdy i chemického složení, která vede ke vzniku metamorfovaných hornin.
Jak metamorfované horniny sestupují dále do Země, mohou tát a vytvářet magma. Vnitřní energie Země (tj. endogenní
síla) zvedá magma na povrch. S roztavenými horninami, tzn. magma, chemické prvky jsou přenášeny na povrch Země během
sopečné erupce, tuhnou v mocnosti zemské kůry v podobě intruzí. Horské stavební procesy zvedají hluboké horniny a minerály
zemní povrch. Zde jsou horniny vystaveny slunci, vodě, zvířatům a rostlinám, tzn. jsou zničeny, přepravovány a uloženy jako
srážky na novém místě. V důsledku toho se tvoří sedimentární horniny. Hromadí se v pohyblivých zónách zemské kůry a při opětovném ohýbání dolů
sestoupit do velkých hloubek (přes 10 km).
Znovu začínají procesy metamorfózy, transportu, krystalizace a chemické prvky se vracejí na povrch Země. Takový
"Cesta" chemických prvků se nazývá velký geologický cyklus. Geologický cyklus není uzavřen, protože součástí chemických prvků
vychází z koloběhu: je unášena do vesmíru, fixována pevnými vazbami na zemském povrchu a část přichází zvenčí, z vesmíru, s meteority.
Geologický cyklus je globální cesta chemických prvků v rámci planety. Dělají kratší cesty na Zemi
v rámci jeho jednotlivých sekcí. Hlavním iniciátorem je živá hmota. Organismy intenzivně přijímají chemické prvky z půdy, vzduchu a vody. Ale
zároveň je vrátit. Chemické prvky jsou z rostlin vyplavovány dešťovou vodou, uvolňovány do atmosféry při dýchání a ukládány
půda po smrti organismů. Vrácené chemické prvky jsou znovu a znovu zapojeny do „cestování“ živou hmotou. Vše dohromady tvoří
biologický nebo malý cyklus chemických prvků. Také není uzavřený.
Některé z „cestovatelských“ prvků jsou odneseny za jeho hranice s povrchovou a podzemní vodou, zatímco některé jsou „vypnuty“ z
kolo a setrvává ve stromech, půdě a rašelině.
Další cesta chemických prvků probíhá shora dolů od vrcholů a povodí do údolí a koryt řek, prohlubní, prohlubní. Na
do povodí se chemické prvky dostávají pouze se srážkami a jsou unášeny vodou i vlivem gravitace. Spotřeba látky
převládá nad nabídkou, o čemž svědčí i samotný název eluviálních povodí.
Na svazích se mění životnost chemických prvků. Rychlost jejich pohybu se prudce zvyšuje a „řídí“ svahy jako cestující,
pohodlně sedí v kupé vlaku. Svahové krajiny se nazývají tranzitní.
Chemické prvky si mohou „odpočinout“ od silnice pouze v akumulované krajině umístěné v prohlubních reliéfu. V
Často na těchto místech zůstávají a vytvářejí dobré nutriční podmínky pro vegetaci. V některých případech se vegetace již musí potýkat
přebytek chemických prvků.
Před mnoha lety do distribuce chemických prvků zasáhl člověk. Od počátku dvacátého století se hlavní cestou stala lidská činnost
jejich cestování. Při těžbě se ze zemské kůry odstraňuje obrovské množství látek. Jejich průmyslové zpracování je doprovázeno
emise chemických prvků z výrobního odpadu do atmosféry, vody a půdy. To znečišťuje životní prostředí živých organismů. Na zemi
objevují se nové oblasti s vysokou koncentrací chemických prvků, člověkem vytvořené geochemické anomálie. V okolí dolů jsou běžné
neželezné kovy (měď, olovo). Tyto oblasti někdy připomínají měsíční krajinu, protože v nich kvůli vysokému obsahu prakticky nežije
škodlivé prvky v půdách a vodách. Je nemožné zastavit vědecký a technologický pokrok, ale lidé si musí pamatovat, že existuje práh znečištění
přírodní prostředí, které nelze překročit, za nímž jsou lidské nemoci a dokonce i zánik civilizace nevyhnutelné.
Tím, že příroda vytvořila biogeochemické „skládky“, mohla chtít člověka varovat před nedomyšlenými, nemorálními činnostmi, aby mu ukázala
na názorném příkladu toho, k čemu vede narušení distribuce chemických prvků v zemské kůře a na jejím povrchu.

V rámci biosféry prochází téměř každý chemický prvek řetězcem živých organismů a je zařazen do systému biogeochemických přeměn. Veškerý kyslík na planetě – produkt fotosyntézy – se tedy obnovuje každých 2000 let a veškerý oxid uhličitý – každých 6,3 roku. Proces úplné výměny vody na Zemi (v hydrosféře) trvá 2800 let. K obnově živé hmoty v biosféře dochází v průměru za 8 let, zatímco fytomasa pevniny (biomasa suchozemských rostlin) je 14 let, a pro oceán, kde převažují organismy s krátkou dobou života (například plankton) - 33 dní.

Syntéza živé hmoty vyžaduje přibližně 40 prvků. Nejdůležitější látky jsou ty, které tvoří molekuly bílkovin – uhlík, dusík, kyslík, fosfor a síra. Další prvky jsou vyžadovány v menším množství, ale jsou také nezbytné. Jedná se o vápník, železo, draslík, hořčík atd. Všechny prvky střídavě přecházejí z živé hmoty do inertní (neživé) hmoty, účastní se složitých biogeochemických cyklů. Ten lze rozdělit do dvou skupin: koloběh plynů, ve kterém je hlavním rezervoárem prvků atmosféra (cyklus uhlíku, dusíku, kyslíku a vody), koloběh sedimentární, jehož prvky jsou v pevném skupenství sedimentární horniny (cyklus fosforu, železa, síry). Elementární cyklování se velmi liší od prosté fyzické přeměny energie, která se nakonec uvolní jako teplo a už se nikdy nevyužije.

3.2.1. Uhlíkový cyklus

Uhlík (C) se na naší planetě nachází v různých sloučeninách, od čistého uhlíku (uhlí, grafit atd.) až po organické sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností. Základem biogenního cyklu tohoto prvku je anorganická sloučenina - oxid uhličitý (oxid uhličitý CO 2), vznikající při rozkladu kyseliny uhličité (obr. 3.2).

Jediným zdrojem uhlíku, který rostliny využívají k syntéze organických látek, je oxid uhličitý, který je součástí atmosféry nebo je rozpuštěný ve vodě.

Fotosyntéza produkuje sacharidy z oxidu uhličitého a vody a uvolňuje kyslík do atmosféry. Část vzniklých sacharidů využívá samotný fotosyntetický organismus (zelená rostlina) k získávání energie použité pro růst a vývoj a část je spotřebována zvířaty při využití fotosyntetiky k potravě. Oxid uhličitý přitom uniká do prostředí kořeny, listy, uvolňují ho i živočichové při dýchání. Mrtvá zvířata a rostliny jsou postupně rozkládány půdními mikroorganismy, uhlík v jejich tkáních se opět oxiduje na oxid uhličitý a vrací se zpět do atmosféry. Podobný proces probíhá v oceánu.

Díky fotosyntéze se v atmosféře nashromáždilo dostatek volného kyslíku pro rozkvět proteinového života. Fotosyntetické zelené rostliny a mořský uhličitanový systém účinně odstraňují přebytečný CO 2 z atmosféry, což může způsobit přehřátí planety. Zvýšená spotřeba fosilních paliv, emise plynů z průmyslu, ale i pokles absorpční kapacity zelených rostlin v důsledku výrazné redukce lesů a vliv chemických polutantů na samotný proces fotosyntézy začínají výrazně měnit atmosférický fond uhlíkového cyklu. Doba trvání uhlíkového cyklu je ~ 300...1000 let. V současné době se obsah oxidu uhličitého nesnižuje, protože jeho zásoby jsou neustále doplňovány dýcháním, fermentací a spalováním. Existuje reálné nebezpečí, že v důsledku rozvoje průmyslové výroby a narušení rovnovážného stavu biosféry může dojít ke zvýšení obsahu CO 2 v atmosféře, což povede ke zvýšení skleníkového efektu a globální změně klimatu. .

Snímek 2

Účel a cíle projektu. Cíl: Cíle: Zvažte cykly látek a jejich vzájemné interakce. 1) Prostudujte si literaturu na toto téma. 2) Studujte cykly chemických prvků a jejich vztahy. 3) Zvažte antropogenní vliv na koloběhy látek v přírodě.

Snímek 3

Snímek 4

Úvod. Oběh látek v přírodě je nejdůležitější ekologický koncept, který odráží přirozený vzorec distribuce a přeměny látek v biosféře. Pomocí tohoto konceptu se utvářejí představy o cyklických procesech v přírodě, mechanismech jejich vzniku a významu existence života na Zemi.

Snímek 5

Kapitola I. Koloběhy chemických prvků v přírodě. Hlavní funkcí biosféry je zajišťovat koloběh chemických prvků, který se projevuje v oběhu látek mezi atmosférou, půdou, hydrosférou a živými organismy.

Snímek 6

1.1. Cyklus dusíku. Hlavním úložištěm dusíku je atmosféra, kde existuje ve formě jednoduché látky N2, která je chemicky inertní. Teprve při bouřkách nebo v důsledku činnosti nitrifikačních bakterií se volný dusík mění na dusík vázaný. Ve vázané formě (NH4+) se dostává do půdy nebo oceánu, kde je okamžitě absorbován rostlinami. Když zemřou, dusík se vrací do půdy nebo oceánu a je rychle reabsorbován rostlinami.

Snímek 7

Schéma koloběhu dusíku v přírodě.

Snímek 8

1.2. Uhlíkový cyklus. Stejně jako ostatní prvky nejsou atomy uhlíku v přírodě trvale drženy ve stejné sloučenině, ale přecházejí z jedné látky do druhé. V důsledku životně důležité činnosti zelených rostlin - fotosyntézy - přechází uhlík z atmosféry, ve které je obsažen v oxidu uhelnatém (IV), do rostlin. V přírodě tak vzniká volný kyslík a organické rostlinné látky, které slouží živočichům jako potrava. V tomto případě uhlík přechází do těla zvířat, kde se opět přeměňuje na oxid uhelnatý (IV) a vrací se dýchacím systémem do atmosféry. Oxid uhelnatý (IV) se také váže při zvětrávání minerálů a hornin a vrací se do atmosféry vulkanickými a minerálními zdroji.

Snímek 9

Schéma koloběhu uhlíku v přírodě.

Snímek 10

Fosforový cyklus. 1.3. Cyklus fosforu je poněkud jednodušší než cyklus dusíku, protože fosfor se vyskytuje pouze v několika chemických formách: tento prvek cirkuluje a postupně se mění z organických sloučenin na fosfát, který mohou rostliny absorbovat. Na rozdíl od dusíku však rezervním fondem fosforu není atmosféra, ale horniny a další sedimenty vzniklé v minulých geologických érách. Tyto horniny postupně erodují a uvolňují fosfáty do ekosystémů. Velké množství fosforu se dostává do moře a tam se ukládá. Proto návrat fosforu do koloběhu nekompenzuje jeho ztráty. Cyklus fosforu je pro živé organismy stejně důležitý jako cyklus dusíku.Tento prvek je jednou z hlavních součástí nukleových kyselin, buněčných membrán, systémů přenosu energie, kostní tkáně a dentinu.

Snímek 11

Schéma cyklu fosforu v přírodě.

Snímek 12

Kapitola II. Antropogenní vliv na koloběh chemických prvků v přírodě. Lidská výrobní činnost zavádí další toky toxických prvků do koloběhů látek. Migrace těchto prvků do půdy a řek zvyšuje pravděpodobnost jejich kontaktu s živými organismy. Mikroorganismy se tedy účastní mnoha cyklů. V některých případech přeměňují nerozpustné chemické sloučeniny na rozpustné, z nichž mnohé jsou jedovaté. V jiných jsou jejich aktivity utlumeny (někdy úplně) kvůli znečištění životního prostředí. Oba narušují stabilitu biochemických cyklů. Cykly kyslíku, uhlíku a dusíku se snadno obnovují díky samoregulačnímu mechanismu (díky přítomnosti velkých atmosférických nebo oceánských fondů rychle doplňují ztráty látek). Druhý typ zahrnuje sedimentační cykly (cykly síry, fosforu, železa). Jsou snadno rozrušitelné a obtížně obnovitelné, protože převážná část látky je soustředěna v relativně neaktivním a neaktivním fondu v zemské kůře. Antropogenní vliv na cykly spočívá v tom, že člověk využívající při své činnosti téměř všechny prvky v přírodě výrazně zrychluje pohyb mnoha látek a narušuje tím cyklický charakter cyklů. Cykly látek se tak stávají nevyváženými, když se chemické prvky buď hromadí v ekosystému, nebo jsou z něj odstraněny. Proto by environmentální opatření měla přispívat k návratu látek do jejich koloběhů.

Snímek 13

Závěr. V této práci jsme uvedli pojem koloběh chemických prvků v přírodě. Pomocí tohoto konceptu jsme si vytvořili představu o cyklických procesech v přírodě, mechanismech jejich vzniku a jejich významu pro existenci života na Zemi. Cykly chemických prvků mají zvláštní význam pro vznik a vývoj života. Hodnotili také vliv člověka na různé cykly. Lidský zásah má tedy nepříznivý vliv na koloběhy chemických prvků v přírodě. V dnešní době existuje mnoho ekologických zákonů. Všechny jsou zaměřeny na ochranu přírody před škodlivými zásahy člověka, tedy na zachování koloběhů chemických prvků v přírodě.

Snímek 14

Děkuji za pozornost!

Zobrazit všechny snímky

BIOGENNÍ CYKLUS

Podívejme se na cykly, které hrají v biosféře největší roli, mezi něž patří biogeochemické cykly uhlíku, dusíku, kyslíku, síry a fosforu.

Uhlíkový cyklus. Zdroje uhlíku v přírodě jsou stejně četné jako rozmanité. Zdrojem uhlíku, který slouží jako základ pro zpracování, je zatím pouze oxid uhličitý, který je buď v plynném stavu v atmosféře nebo v rozpuštěném stavu ve vodě.

do organické hmoty živých bytostí. Absorbován rostlinami během fotosyntézy se přeměňuje na cukry a v dalších biosyntetických procesech se přeměňuje na bílkoviny, lipidy atd. Tyto různé látky poskytují uhlohydrátovou výživu zvířatům a nezeleným rostlinám. Saprofágní živočichové a mikroorganismy žijící v půdě přeměňují odumřelé rostliny a zbytky živočichů na nový útvar organické hmoty, více či méně silnou vrstvu hnědé nebo černé hmoty – humus. Rychlost, jakou rozkládající se organismy působí na humus, není zdaleka stejná a řetězce hub a bakterií vedoucí ke konečné mineralizaci uhlíku jsou různě dlouhé. Někdy může být řetězec krátký a neúplný: organické zbytky se hromadí ve formě rašeliny a vytvářejí rašeliniště. V některých rašeliništích se silnou pokrývkou rašeliníkových mechů může vrstva rašeliny dosahovat 20 m i více. Zde se koloběh uhlíku zastaví. Ložiska fosilních organických sloučenin ve formě uhlí a ropy indikují stagnaci oběhu v geologickém časovém měřítku (obr. 3).

Koloběh uhlíku stagnuje i ve vodě, protože se oxid uhličitý hromadí ve formě CaCO 3 (křída, vápenec nebo korály) chemického nebo biogenního původu. Tyto masy uhlíku často zůstávají mimo cyklus po celá geologická období, dokud CaCO3 nevystoupí nad hladinu moře v podobě horských řetězců. Od tohoto okamžiku začíná do koloběhu vstupovat uhlík a vápník v důsledku vyplavování vápence srážkami, pod vlivem lišejníků, a také kořeny kvetoucích rostlin. Lidské aktivity hrají v koloběhu uhlíku velkou roli. Lidstvo ročně spotřebuje asi 6 10 9 tun uhlíku ve fosilní formě. Pokud by oxid uhličitý vzniklý spalováním nebyl z atmosféry odstraňován, byl by roční nárůst jeho obsahu ve vzduchu 2,3 ​​mil. tun. Za posledních 100 let se obsah oxidu uhličitého zvýšil z 290 na 320 mil. tun , přičemž více než 1/5 tohoto nárůstu klesla za poslední desetiletí. Celkový nárůst obsahu oxidu uhličitého v atmosféře je tedy přibližně pouze 1/3 množství plynu uvolněného při spalování (absolutní hmotnost - 200 · 10 9 tun). Zbytek oxidu uhličitého jde ke zvýšení rostlinné hmoty (protože je známo, že rostliny rostou rychleji, pokud je obsah CO2 v atmosféře vyšší); část se rozpouští ve vodách oceánu. Ačkoli se podle některých odhadů mohla biomasa půdy za posledních 100 let zvýšit o 15 · 10 9 tun, neexistují žádné přímé důkazy.

Intenzita lidské činnosti se zvyšuje. Spotřeba fosilních paliv se také rok od roku zvyšuje. Za 15 let se obsah CO 2 v atmosféře zvýší z 320 na 375 -

400 milionů t. Zvýšení obsahu CO 2 v atmosféře nevyhnutelně povede ke zvýšení teploty zemského povrchu a následně k tání ledovců, zvyšování hladiny oceánů a dalším neméně závažným následkům. Lidstvo proto stojí před úkolem hledat zdroje energie a technologické postupy, při kterých nebude obsah oxidu uhličitého v ovzduší růst tak výrazným tempem. Je také známo, že odlesňování a využívání půdy pro silnice a budovy snižují plochu zeleného krytu na Zemi a snižují rychlost asimilace. Při použití přírodních fytocenóz a jejich nahrazení kultivovanými je třeba mít na paměti nutnost zachovat obecnou úroveň fotosyntézy, a ještě lépe zajistit její zvýšení.

Cyklus dusíku- obtížný proces. Přestože dusík tvoří 70 % atmosféry, jeho fixace vyžaduje

takže je ve formě určitých chemických sloučenin. Cesty pro fixaci dusíku jsou velmi rozmanité (obr. 4). K fixaci dusíku dochází při vulkanické činnosti, při výbojích blesků v atmosféře, kdy dochází k jeho ionizaci a při spalování meteoritů. Nesrovnatelně velkou roli v procesu fixace dusíku však mají mikroorganismy, a to jak volně žijící, tak i ty, které žijí na kořenech ve speciálních uzlinách a někdy i na listech některých rostlin.

Obrovský rezervoár volného molekulárního dusíku v atmosféře není přímo využíván vyššími rostlinami, protože ke zničení silných vazeb mezi atomy v molekule N 2 je potřeba hodně energie. Pouze 0,001 % dusíku v biosféře je vázáno v biomase a metabolitech organismů. Přenos molekulárního dusíku do vázaného stavu provádějí v přírodě mikroorganismy fixující dusík, které z něj tvoří sloučeniny s aminoskupinou NH 2 - hlavním produktem fixace dusíku, který do biogenního cyklu zařazují všechny ostatní organismy. : mikroby, rostliny, houby, zvířata. Následně jsou sloučeniny bohaté na dusík (amoniak, amonné ionty, aminokyseliny) oxidovány ve vodě a v půdách bakteriemi tvořícími dusitany a dusičnany na oxidy dusíku NO 2 a NO 3 a v poslední fázi cyklu jsou tyto oxidy přeměněn denitrifikačními bakteriemi zpět na molekulární dusík, který vstupuje do atmosféry. Každý rok bakterie přemění minimálně 1 miliardu tun dusíku na vázanou formu, přičemž množství vázaného dusíku v minerálních hnojivech nepřesahuje 90 milionů tun ročně.

Organismy vázající dusík na kořenech rostlin představují bakterie a méně často houby. Na kořenech zástupců čeledi bobovitých a dalších rostlin různých taxonomií se vyvíjejí uzliny s organismy fixujícími dusík. Výnos fixovaného dusíku pro nodulové bakterie žijící na kořenech luskovin je často 350 kg/ha za rok, tzn. přibližně 100krát vyšší než u volně žijících organismů fixujících dusík.

Asi největším zásahem člověka do koloběhu látek v přírodě je průmyslová fixace dusíku. Podle K. Delwiche (1972) průmysl ročně fixuje tolik dusíku, kolik bylo fixováno živými organismy před zavedením moderní zemědělské techniky.

Cyklus kyslíku. Většina kyslíku v atmosféře je nepochybně biogenního původu, jen malá část se objevila v důsledku fotolýzy (rozklad vody na kyslík a vodík světelnou energií). Nesporná je také role živých bytostí a organických látek při tvorbě atmosférického oxidu uhličitého. S jistotou lze konstatovat, že vznikl život

Rýže. 4. Odhad množství fixovaného dusíku ztraceného a získaného biosférou v různých procesech (P. Duvigneau, M. Tang, 1968). Během roku se do biosféry (nezastíněné sloupce) dostane téměř 92 milionů tun fixovaného dusíku, přibližně 83 milionů tun (zastíněné sloupce) se vrátí do atmosféry v důsledku denitrifikace. „Zmizelých“ asi 9 milionů tun se zřejmě ročně ukládá v biosféře v půdě, podzemních vodách, jezerech, řekách a oceánech.

na Zemi vedlo postupně ke vzniku moderního složení atmosféry, které je podporováno činností živých bytostí. Z kvantitativního hlediska je kyslík hlavní složkou živé hmoty. Vezmeme-li v úvahu vodu obsaženou ve tkáních, pak například lidské tělo obsahuje 62,8 % kyslíku a 19,4 % uhlíku. Pokud vezmeme v úvahu biosféru jako celek, je tento prvek ve srovnání s uhlíkem a vodíkem tím hlavním mezi jednoduchými látkami.

Cyklus kyslíku je velmi komplikovaný schopností prvku tvořit četné chemické sloučeniny, prezentované v různých formách. V důsledku toho dochází k mnoha epicyklům, které se vyskytují mezi litosférou a atmosférou nebo mezi hydrosférou a těmito dvěma prostředími.

Kyslík obsažený v atmosféře a četné povrchové minerály (sedimentární kalcity, železné rudy) jsou biogenního původu. Obrovská postkambrická ložiska oxidů železa svědčí o velké aktivitě primitivních organismů, které někdy vázaly veškerý volný kyslík hydrosféry do své biomasy a metabolitů. Vytváření ozónové clony v atmosféře, schopné blokovat nejnebezpečnější ultrafialové záření, začalo od okamžiku, kdy kyslík dosáhl koncentrace přibližně 1 % svého současného obsahu. Poté se autotrofní eukaryotické organismy mohly vyvíjet v horních vrstvách vody (kde byl sluneční tok nejsilnější), což zvýšilo intenzitu fotosyntézy a tím i produkci kyslíku.

Spotřeba vzdušného kyslíku a jeho náhrada primárními producenty nastává poměrně rychle. Odhaduje se, že úplná obnova veškerého atmosférického kyslíku trvá 2 tisíce let. Ale trvá 2 miliony let, než všechny molekuly vody v hydrosféře podstoupí fotolýzu a znovu je syntetizují živé organismy. Pokud jde o atmosférický oxid uhličitý, jeho úplný cyklus probíhá velmi rychle, protože jeho úplná obnova trvá pouze 300 let. Většina kyslíku produkovaného během geologických epoch nezůstala v atmosféře, ale byla fixována v litosféře ve formě uhličitanů, síranů, oxidů železa atd. Tato hmotnost je 590 · 10 14 tun versus 39 · 10 14 tun kyslíku cirkulujícího v biosféře ve formě plynu nebo síranů rozpuštěných v oceánských a kontinentálních vodách.

Cyklus síry. Převážná část koloběhu tohoto prvku je sedimentární povahy a vyskytuje se v půdě a vodě za přítomnosti četných plynných sloučenin síry, jako je sirovodík a oxid siřičitý.

Hlavním zdrojem síry dostupným pro živé bytosti jsou všechny druhy síranů. Dobrá rozpustnost mnoha síranů ve vodě

usnadňuje přístup anorganické síry do ekosystémů. Absorpcí síranů je rostliny obnovují a produkují aminokyseliny obsahující síru (methionin, cystein, cystin).

Všechny druhy organických zbytků v biocenóze jsou rozkládány heterotrofními bakteriemi, které v konečném důsledku tvoří sirovodík ze sulfoproteinů obsažených v půdě.

Černé kaly, které se přirozeně vyskytují na dně některých moří (například Černého moře), jezer a také v různých sladkovodních kontinentálních nádržích po kontaminaci člověkem jsou bohaté na organismy rozkládající síru, které fungují v anaerobních podmínkách. Některé druhy bakterií, např. beggiatoa, může redukovat sirovodík na elementární síru. Existují však bakterie, které opět dokážou oxidovat sirovodík na sírany, což opět zvyšuje nabídku síry dostupné pro výrobce.

Poslední fáze cyklu síry je zcela sedimentární. Spočívá ve vysrážení tohoto prvku za anaerobních podmínek v přítomnosti železa. Různé stupně tohoto procesu, zejména reverzibilní, dále umožňují využití zásob sedimentů.

Poslední fáze koloběhu síry tak končí jejím pomalým a postupným hromaděním v hluboko uložených sedimentárních horninách.

Fosforový cyklus. Tento prvek je jednou z hlavních složek živé hmoty, ve které je obsažen v dosti velkých množstvích.

Zásoby fosforu dostupné živým bytostem jsou zcela soustředěny v litosféře. Hlavními zdroji anorganického fosforu jsou vyvřelé (například apatity) nebo sedimentární (například fosfority) horniny. Minerální fosfor je vzácný prvek v biosféře, v zemské kůře jeho obsah nepřesahuje 1 %, což je hlavní faktor limitující produktivitu ekosystémů. Anorganický fosfor z hornin zemské kůry se účastní oběhu vyluhováním a rozpouštěním v kontinentálních vodách. Dostává se do suchozemských ekosystémů a je absorbován rostlinami, které za jeho účasti syntetizují různé organické sloučeniny, a zařazují se tak do potravních řetězců. Organické fosfáty spolu se zbytky, odpady a sekrety živých bytostí jsou pak vráceny zpět do půdy, kde jsou opět vystaveny působení mikroorganismů a přeměněny na minerální ortofosfáty, připravené ke konzumaci zelenými rostlinami a dalšími autotrofy.

Fosfor se do vodních ekosystémů dostává tekoucími vodami. Řeky neustále obohacují oceány fosfáty, což podporuje rozvoj fytoplanktonu a živých organismů nacházejících se na různých úrovních sladkovodních nebo mořských potravinových řetězců.

nádrže Návrat minerálních fosforečnanů do vody se provádí pomocí bioreduktorů Ve všech vodních ekosystémech, stejně jako v kontinentálních, se fosfor nachází ve čtyřech formách, a to nerozpustný nebo rozpustný

Po vysledování všech přeměn fosforu v měřítku biosféry si lze všimnout, že jeho cyklus není uzavřený (obr. 5.) V suchozemských ekosystémech probíhá koloběh fosforu v optimálních přírodních podmínkách s minimálními ztrátami v důsledku vyplavování. (fosilizace koster obratlovců na souši je poměrně vzácný jev, takže její vliv na koloběh fosforu si nezaslouží pozornost) V oceánu tomu tak zdaleka není, je to dáno neustálou sedimentací organických látek, zejména zbytky ryb obohacených fosforem, jejichž úlomky, nevyužívané k potravě detritivory a ničiteli, se neustále hromadí na dně moří. Organický fosfor se usadil v pásmu přílivu a mělkých vodách, možná

se po mineralizaci vrátit do koloběhu, ale to neplatí pro sedimenty na dně hlubokomořských zón, které zabírají 85 % celkové plochy oceánů. Fosfáty uložené ve velkých mořských hloubkách jsou vyloučeny z biosféry a již se nemohou účastnit cyklu. Samozřejmě, jak poznamenal V.A. Kovda (1968), prvky biogeochemického sedimentačního cyklu se nemohou donekonečna hromadit na dně oceánu. Tektonické pohyby přispívají k pomalému stoupání sedimentu nahromaděného na dně geosynklinály k povrchu. Uzavřený cyklus sedimentárních prvků má tedy trvání měřené geologickými obdobími, tzn. desítky a stovky milionů let.