Практична робота №2 Аналіз схем біогеохімічних циклік (кругообігу)основних речовин у природі на предмет змінності їх ланок

Практична робота № 2

Тема: Аналіз схем біогеохімічних циклів (кругообігу) основних речовин у 

            природі на предмет змінності їх ланок .

Мета: узагальнити знання про екосистеми, охарактеризувати коло обіг речовин та потік енергії в них,його тип ланки та закономірності, з’ясувати значення живих організмів в перетворенні оболонок землі та колообіг основних речовин: води, кисню, азоту, вуглекислого газу.

Основні поняття: біогеохімія; кругообіг; біосфера; біогенні елементи; біогеоцилрезервний фонд;обмінний фонд.

Теоретичні відомомсті

     Біосфера є глобальною екосистемою, єдність якої забезпечується перемі-щенням хімічних елементів і речовин у великому (геологічному) та малому (біологічному) кругообігу. Кругообіг речовин у біосфері має циклічний характер і для біогенних елементів здійснюється у вигляді біогеохімічних циклів.

БІОГЕОХІМІЧНИЙ ЦИКЛ (біогеоцикли) – це перетворення і переміщення хімічного елемента, що відбуваються за сумісної дії біотичних та абіотичних компонентів біосфери.

    Поняття «біогеохімічних циклів» увів у науку В. І. Вернадський у 1910 р. Рушійними силами цих циклів є потік енергії Сонця і частково енергія геологічних процесів, що відбуваються на планеті.

У біогеоциклах розрізняють дві частини:

1) резервний фонд – з більшою кількістю й масою речовини або елемента та повільнішим обміном;

2) обмінний фонд – з меншою часткою елемента (речовини), що швидко переміщуються по

етапах циклу.

 Виокремлюють два основні типи біогеоциклів:

1) цикли елементів з резервним фондом в атмосфері або гідросфері (цикли Карбону, Нітро-

гену, Оксигену);

2) цикли елементів з резервним фондом у літосфері (осадові цикли Фосфору, Сульфуру, Кальцію, Калію, Феруму).

Кругообіг речовин

Біологічний кругообіг — це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які відбуваються в біосфері. Причина кругообі­гу — обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів.

У біосфері відбувається постійний біогеохімічний цикл  (кругообіг) елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами під час гниття, надходять у ґрунт і атмосферу, знову включаються в кругообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організма­ми. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів. Для біо­генної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення в результаті розкла­ду мертвих організмів. Біогенна міграція викликається трьома процесами:

• обміном речовин в організмах;

• ростом;

• розмноженням.

Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викликана силами життя, дав В. І. Вернадський (Закон біогенної міграції атомів). Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона, пропускаючи через себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери й атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію.

З екологічної точки зору, найважливішими є біогеохімічні цикли (кругообіги) речовин, які є основними компонентами живої речовини:

• біогеохімічний цикл  (кругообіг) Оксигену;

• біогеохімічний цикл  (кругообіг) Карбону;

• біогеохімічний цикл  (кругообіг) Нітрогену;

• біогеохімічний цикл  (кругообіг) Сульфуру;

• біогеохімічний цикл  (кругообіг) Фосфору;

• біогеохімічний цикл  (кругообіг) води

Біогеохімічний цикл Оксигену

Оксиген поширений у живих організмах у складі хімічних сполук, а в атмосфері він представлений двома простими речови­нами — киснем O₂ і озоном O₃. Кисень потрапляє в атмосферу вна­слідок фотосинтезу, коли виділяється як побічний продукт фото­хімічної реакції. Озон утворюється у верхніх шарах атмосфери внаслідок поглинання киснем ультрафіолетового випромінювання Сонця. Живі організми використовують кисень у процесі дихання для окиснення органічних сполук до карбон(ІУ) оксиду й води, які потім знову можуть використовуватися у процесі фотосинтезу.

Біогеохімічний цикл Карбону

 Природні сполуки, до складу яких входить Карбон, постійно зазна­ють змін, унаслідок яких здійснюється кругообіг Карбону. Важлива роль у кругообігу Карбону належить карбон(IV) оксиду, який входить до складу атмосфери. Цей газ надходить в атмосферу внаслідок бага­тьох процесів —виверження вулканів, горіння палива, розкладан­ня вапняку, дихання живих організмів, процесів бродіння і гниття.

З повітря СO₂ у значних кількостях поглинається наземними рослинами та фітопланктоном Світового океану. Процес поглинан­ня СO₂ відбувається тільки на світлі — фотосинтез, унаслідок якого утворюються органічні сполуки, що містять Карбон.

Із рослин, які поїдаються тваринами, Карбон переходить у тва­ринні організми. Тварини виділяють Карбон у вигляді вуглекис­лого газу під час дихання. Рослини і тварини з часом відмирають, починають гнити, окислюватись і частково перетворюватися на СO₂, що повертається у повітря й знову поглинається рослинами. А частково рослинні та тваринні рештки у ґрунті перетворюються на горючі копалини — кам’яне вугілля, нафту, природний газ. Горючі копалини використовують як паливо, внаслідок згоряння якого _СO2 знову повертається в атмосферу.

            Карбон – це основа органічних речовин усіх живих організмів. Особливостями циклу Карбону є: 1) основне депо – газуватий СО₂, а основна доступна форма для організмів – органічні речовини й карбонати;

2) наявність резервного фонду у вигляді СО2, СН4, СО в атмосфері та осадових (вапняки, крейда) і горючих (торф, вугілля, нафта) корисних копалин у літосфері;

3) основні біотичні перетворення пов’язані з фотосинтезом, диханням, біоакумуляцією

та мінералізацією;

 4) абіотичні перетворення відбуваються завдяки процесам розчинення, окиснення, горіння

Біогеохімічний цикл Нітрогену

 У природі Нітроген трапляється як у вільному стані, так і у зв’язаному. У вільному стані Нітроген у вигляді азоту входить до складу повітря (об’ємна частка N₂ становить 78 %, масова — 75,6 %). Оскільки азоту з повітря витрачається мало, його запаси в атмосфері залишаються сталими. У складі неорганічних сполук Нітроген у невеликих кількостях є в ґрунті. Проте у складних ор­ганічних сполуках — білках — він входить до складу всіх живих організмів, беручи участь у їх життєдіяльності.

Безпосередньо з повітря Нітроген у вигляді азоту засвоюють лише деякі бактерії, а всі інші організми здатні засвоювати Ні­троген тільки у складі сполук. Рослини засвоюють Нітроген неор­ганічних сполук, як і у ґрунті, у вигляді іонів NH₄ i NO₃. У рослинах здійснюється синтез білків. Рослини частково поїдаються травоїдними тваринами, і білкові речовини потрапляють до орга­нізму тварин. Під час гниття залишків рослин і тварин під впли­вом спеціальних бактерій відбуваються складні біохімічні проце­си, внаслідок яких органічні сполуки, що містять Нітроген, перетворюються на неорганічні сполуки Нітрогену, які повертаються в ґрунт.

          Нітроген – елемент, що входить до складу важливих нітрогеновмісних органічних речовин (амінокислот, білків, нуклеїнових кислот). Основне депо й резервний фонд Нітрогену – це атмосферний азот, а основна доступна форма – нітрати.

Біотичні перетворення здійснюються переважно мікроорганізмами в ґрунті. Нітроген стає доступним для живого в результаті азотофіксації, що здійснюють мутуалістичні бульбочкові бактерії й актиноміцети, вільноживучі азотофіксуючі бактерії, пурпурні сіркобактерії й ціанобактерії. Розклад органічних сполук з утворенням амоніаку здійснюється амоніфікувальними бактеріями. Виділений внаслідок амоніфікації амоніак розчиняється у ґрунтових водах і перетворюється на амоній NH₄⁺  Амоніак і сполуки амоніаку здатні до біокаталітичного окиснення з утворенням нітратної і нітритної кислот, що їх використовують нітрифікувальні бактерії в процесі нітрифікації.  Завдяки їхній діяльності в ґрунті утворюються нітрити і нітрати. Замикають цикл Нітрогену мікробіологічні процеси денітрифікації, які перетворюють нітрити й нітрати на молекулярний азот, що надходить в атмосферу. Абіотичні перетворення (абіотична фіксація за участі грозових розрядів, утворення й розчинення покладів селітри, окиснення) відбуваються в повітрі та ґрунті

          Біогеохімічний цикл Фосфору

        Фосфор належить до макроелементів, що входять до складу нуклеїнових кислот, АТФ, багатьох білків, ліпідів. Основним депо Фосфору є гірські породи і мінерали, а доступною формою – фосфати. Після вивітрювання гірських порід Фосфор у доступній формі надходить до рослин

внаслідок мінерального живлення й використовується для асиміляції органічних речовин, що передаються ланцюгами живлення. Після відмирання організмів редуценти здійснюють мінералізацію й перетворюють Фосфор залишків на фосфати, що знову використовуються росли-

нами. Втрати Фосфору в циклі пов’язані з його винесенням в моря та океани й формуванням порід

          Біогеохімічний цикл Сульфуру

   Сульфур є макроелементом, необхідним для синтезу сульфуровмісних амінокислот (метіоніну і цистеїну), вітаміну В1 й деяких ферментів. У живленні рослин посідає третє місце після Нітрогену й Фосфору. Цей цикл включає перетворення, що відбуваються в усіх трьох оболонках –гідро-, літо- й атмосфері. Резервний фонд утворений Сульфуром осадових порід, мінералів, горючих копалин. Основною доступною формою для перетворень є сульфати й Н₂S. У вигляді сульфат-іонів Сульфур поглинають рослини й фіксують його у складі органічних речовин. Через рослинну їжу Сульфур потрапляє до тварин. Основні біотичні перетворення здійснюються бактеріями: хемосинтезуючі аеробні сіркобактерії і фотосинтезуючі анаеробні пурпурні сіркобактерії використовують сірководень як джерело Гідрогену, сульфатовідновлювальні бактерії перетворюють сполуки Сульфуру на сульфати (знову використовуються рослинами) або Н₂S (надходить в атмосферу). Сірководень й газуваті оксиди Сульфуру в атмосфері зазнають абіотичних перетворень з утворенням сульфатів, які з опадами потрапляють у ґрунт і Океан

Хід роботи:

1.Розгляньте приклади схеми біохімічного циклу  (кругообігу) води

 Біогеохімічний цикл ( кругообіг) води

Заповніть схему:

1.________________; 2. ________________; 3. ________________; 4. _______________;

5. _______________;  6. ________________.

Заповніть таблицю:

2. Розгляньте приклади схем  біогеохімічних циклів( кругообігів)   Карбону, Нітрогену, Сірки, Фосфору

2.1  Біогеохімічний цикл (кругообіг) Карбону

Заповніть схему:

1.________________;  2. ________________;  3. ________________;  4. _______________;

5. _______________;   6. ________________;  7.________________;   8. ________________;

9. ________________; 10. _______________;  11. _______________;  12. ________________.

Яка основна особливість біогеоциклу Карбону?

__________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________

2.2 Біогеохімічний цикл (кругообіг)  Нітрогену

Біотичні перетворення:

Азотфіксація _________________________________________________________

Амоніфікація_________________________________________________________

Нітрифікація_________________________________________________________

Денітрифікація_______________________________________________________

Абіотичні перетворення:

Абіотична фіксація____________________________________________________

2.3 Біогеохімічний цикл (кругообіг)   Сульфуру                                                        

Біотичні перетворення:

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

Абіотичні перетворення:

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

2.4 Біогеохімічний цикл (кругообіг) Фосфору

3. За допомогою таблиці схарактеризуйте ключові біогеохімічні цикли біосфери. Визначте подібність й відмінність між ними.

Запитання для самоконтролю

1. Що таке біогеохімічні цикли?

2. Назвіть два типи біогеохімічних циклів.

 3. Наведіть приклади ключових біогеоциклів.

4. Назвіть причини порушень біогеоциклів.

5. Яка основна особливість біогеоциклів Карбону й Нітрогену?

6. Яка особливість біогеоциклів Фосфору й Сульфуру?

7. Які особливості біогеохімічних циклів у біосфері?

 8. Чому біогеоцикли з резервним фондом в атмосфері або гідросфері є досконалішими?

 9. Як відбуваються цикли елементів з резервним фондом у літосфері?

Рекомендована література

1. Біологія і екологія: підручник для 11 класу/ В.І.Соболь  § 44 стор. 167.