Урок екології в 11 класі на тему: Колообіг речовин і енергії як основний системотворчий фактор. Поняття біогеохімічного циклу та його ролі у функціонуванні та розвитку геосистем

«Вода – вічна мандрівниця»

«Все пов'язане з усім»  - Перший із неписаних законів екології

Колообіг Карбону

Природні сполуки, до складу яких входить Карбон, постійно зазна­ють змін, унаслідок яких здійснюється колообіг Карбону. Важлива роль у колообігу 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.

В атмосфері міститься вуглекислий газ, Карбон(ІІ) оксид, як малі компоненти — вуглеводні, зокрема, метан та інші органічні сполуки. Карбон — основний хімічний елемент живої речовини, оскільки входить до складу різноманітних  органічних речовин.
Сполуки Карбону (у вигляді корисних копалин і карбонатів, а також алмазу і графіту) перебувають у літосфері. У воді містяться розчинні солі Карбону, на дні — карбонатні
мули, утворені внаслідок накопичення мертвих решток організмів, що будують своє тіло з кальцію карбонату. Сполуки Карбону в ґрунті — це рештки організмів, продукти їх метаболізму та вуглекислий газ, що виділяється під час дихання організмів і розкладання органічних речовин в аеробних умовах.
Вуглекислий газ рослини поглинають листям і кореневою системою для синтезу органічних речовин, які харчовими ланцюгами переходять до тіла тварин. Після загибелі організмів завдяки
діяльності редуцентів (мікроорганізмів) сполуки Карбону повертаються в біосферу у формі вуглекислого газу. У ґрунті дуже часто колообіг Карбону гальмується.
Органічні рештки мінералізуються частково, перетворюючись на нову органічну речовину — гумус. Частина органічної речовини, що повністю не розклалась, накопичується в осадових породах.
Величезні поклади вугілля, нафти, вапняків у водному середовищі є прикладом цього явища.

Людська діяльність значно впливає на колообіг цього біофільного елемента.
Сполуки Карбону у вигляді оксидів потрапляють у атмосферу при спалюванні пальних корисних копалин, вуглеводні — під час нафтовидобутку та нафтопереробки, численні органічні сполуки

Проте через різке збільшення спалювання різних видів палива вміст вуглекислого газу в атмосфері дедалі збільшується, а вміст кисню зменшується. Порушення рівноваги між вмістом кисню й вуглекислого газу в атмосфері може призвести до так званого «парникового ефекту» (шар СО₂ відіграє таку саму роль, як скло в теплиці). Це доволі загрозливе явище. Річ у тім, що вуглекислий газ вільно пропускає на Землю випромінювання Сонця, але сильно затримує теплове випромінювання Землі. Порушується нормальна тепловіддача Землі у космічний простір, а це спричинює потепління клімату.

Потепління клімату Землі може викликати танення льодовиків і призвести до підвищення рівня Світового океану. В результаті позатоплюються всі низько розташовані частини материків — низини, що межують з океаном і густозаселені. Почнеться танення вічної мерзлоти, що спричинить заболочування великих територій, випадання рясних дощів, а це позначиться на сільському господарстві тощо.

Відомо, що головним регулятором співвідношення вуглекислого газу і кисню в атмосфері Землі є фотосинтез. Ще 50 років тому це співвідношення було оптимальним: об'ємна частка кисню в атмосфері становила 21 %, вуглекислого газу — 0,03 %. Нині нормальне співвідношення порушується. Господарська діяльність людини, з одного боку, призводить до посилення викидів СО₂ в атмосферу, а з другого — до знищення «природних лабораторій», в яких здійснюється фотосинтез, тобто поглинається вуглекислий газ (вирубування лісів, масова загибель фітопланктону тощо).

Колообіг Нітрогену

У природі Нітроген зустрічається 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 азот з повітря витрачається мало, його запаси в атмосфері залишаються сталими. У вигляді неорганічних сполук Нітроген у невеликих кількостях є в ґрунті. Проте у вигляді складних органічних сполук — білків — він увіходить до складу всіх живих організмів, беручи участь у їх життєдіяльності.

З Нітрогену складається азот N2, його багато в повітрі. Проте 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, які у ґрунті, у вигляді йонів NH4 і 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. Ці сполуки знову засвоюються рослинами, і цикл перетворень замикається. Прянишников Дмитро Миколайович (1865—1948) видатний російський учений, академік, спеціаліст у галузі агрохімії, фізіології рослин і рослинництва. Розробив теорію нітратного живлення рослин (1916), наукові основи вапнування кислих грунтів, гіпсування солонців, застосування мінеральних добрив у землеробстві. Встановив, що нітратний нітроген (NО3-) тільки після відновлення до аміаку може бути використаний рослиною для синтетичного процесу. Розробив проблему використання фосфоритів безпосередньо на добриво і довів можливість переробки їх на суперфосфат, склав фізіологічну характеристику вітчизняних калійних добрив. Розробляв проблему розміщення добрив у сівозмінах, питання норм, строків і техніки внесення добрив у грунт, виробництва складних мінеральних добрив.

Крім того, під час грози атмосферний азот сполучається з киснем, утворюючи NО, що окиснюється киснем повітря до NО2 і зрештою перетворюється на нітратну кислоту (кислі дощі), яка потрапляє в ґрунт і там унаслідок взаємодії з мінералами переходить у нітрати.

Нітроген у вигляді газоподібних сполук перебуває в повітрі у вигляді органічних сполук — у тілах живих організмів, у ґрунті — у вигляді солей амонію, нітратів і нітритів.
У колообіг азот залучається завдяки біологічній (бактерії, синьо-зелені водорості), промисловій (виробництво мінеральних добрив) і атмосферній (блискавка) азотфіксаціям. Завдяки цим процесам атмосферний азот перетворюється на нітрати, які можуть засвоюватися рослинами. Іншим джерелом Нітрогену для рослин є розкладання органічних решток, унаслідок чого утворюються сполуки амонію, сечовина, аміак, які завдяки діяльності особливих бактерій перетворюються на речовини, доступні для рослин. Повернення азоту в атмосферу відбувається внаслідок розкладання сполук, що містять нітрати, до вільного азоту та кисню особливими ґрунтовими бактеріями. Людина своєю діяльністю здійснює значний вплив
на колообіг Нітрогену. Систематичне застосування азотних добривзумовлює збільшення концентрації сполук Нітрогену в ґрунтах, водах, продуктах харчування. Високий вміст нітратів у рослинах становить небезпеку для здоров’я людини і тварин, оскільки внаслідок споживання такої їжі нітрати перетворюються на нітрити, які, сполучаючись із гемоглобіном крові, перешкоджають переносенню кисню кров’ю.

Антропогенний вплив на колообіг азоту визначається наступними процесами:
1. Спалювання палива призводить до утворення нітроген(ІІ) оксиду, а після цього до реакцій: 2NO + O2 = 2NO2, 4NO2 + 2H2O ++ O2 = 4HNO3, сприяючи випаданню кислотних дощів.
2. У результаті впливу деяких бактерій на добрива і відходи тваринництва утворюється нітроген(ІV) оксид — один із компонентів, який спричинює парниковий ефект.
3. Видобуток корисних копалин, які містять нітрат-іони і йони амонію, для виробництва мінеральних добрив.
4. При збиранні врожаю з ґрунту виносяться нітрат-іонии і йони амонію.
5. Стоки з полів, ферм та каналізації збільшують кількість нітрат-іонів і йонів амонію у водних екосистемах, що прискорює ріст водоростей і інших рослин, при розкладанні яких
витрачається кисень, що зрештою призводить до загибелі риб.
 

Колообіг Оксигену

Приблизно четверта частина атомів усієї живої матерії припадає на частку Оксигену. Оскільки загальна кількість атомів Оксигену в природі незмінна, з видаленням кисню з повітря внаслідок дихання та інших процесів повинно відбуватися його поповнення. Найважливішими джерелами кисню в неживій природі є вуглекислий газ та вода. Кисень потрапляє в атмосферу головним чином внаслідок процесу фотосинтезу, в якому бере участь вуглекислий газ. Важливим джерелом Оксигену є атмосфера Землі. Частина кисню утворюється у верхніх частинах атмосфери внаслідок дисоціації води під дією сонячного випромінювання. Частина кисню виділяється зеленими рослинами в процесі фотосинтезу із води та вуглекислого газу У свою чергу атмосферний вуглекислий газ утворюється внаслідок реакцій горіння та дихання тварин. Атмосферний кисень витрачається на утворення озону у верхніх частинах атмосфери, окисні процеси вивітрювання гірських порід, у процесі дихання тварин і в реакціях горіння. Перетворення кисню у вуглекислий газ призводить до виділення енергії, відповідно, на перетворення вуглекислого газу в кисень енергія повинна витрачатись. Ця енергія надається Сонцем. Таким чином, життя на Землі залежить від циклічних хімічних процесів, можливих завдяки потраплянню сонячної енергії. Життєдіяльність живих організмів, як відомо, підтримується сучасним співвідношенням в атмосфері кисню і вуглекислого газу. Природні процеси споживання кисню і вуглекислого газу і їх надходження в атмосферу збалансовані.

Антропогенна дія робить помітний вплив на колообіг Оксигену в біосфері. З розвитком промисловості і транспорту кисень використовується на процеси горіння. Наприклад, на спалювання різних видів палива потрібне від 10 до 25% кисню, вироблюваного зеленими рослинами. Зменшується надходження кисню в атмосферу через скорочення площ лісів, степів і збільшення пустель. Скорочується число продуцентів кисню і у водних екосистемах. Головна причина — забруднення океанів і морів, річок і озер. Учені вважають, що в найближчі 150—180 років кількість кисню в атмосфері може скоротитися на 1/3 в порівнянні з його змістом в кінці XX в. Особливу тривогу останніми роками викликає часто спостережуване руйнування озонового шару.
 

Колообіг Фосфору

Особливістю колообігу Фосфору є те, що він має лише одну газоподібну сполуку — фосфін, який утворюється під час гниття органічних решток. Більшість фосфатів не розчинні у воді. Мінералами є апатити й фосфорити. У ґрунті фосфор входить до складу решток мертвих організмів. Поширеним фосфоровмісним добривом є гуано-послід морських птахів. Редуценти
(мікроорганізми) мінералізують органічні сполуки Фосфору з відмерлих організмів у фосфати, які знову споживаються коренями рослин. Сполуки Фосфору накопичуються на дні водойм і в прибережній зоні морів та океанів у вигляді решток живих організмів і фосфатів. На суходіл потрапляють з рибою та під час видобування корисних копалин. Кислотні дощі прискорюють міграцію Фосфору завдяки розчиненню фосфатів. Для підвищення родючості ґрунтів на поля вносять добрива, зокрема, й фосфорні. Змивання їх у водойми спричинює евтрофікацію водойм (підвищення біологічної продуктивності екосистеми внаслідок накопичення біогенних
елементів, головним чином, нітрогену й Фосфору).
 

Антропогенний вплив на колообіг фосфору полягає в наступному:
1. Видобуток великих кількостей фосфатних руд для мінеральних добрив та мийних засобів призводить до зменшення кількості фосфору в біотичному колообігу.
2. Стоки з полів, ферм та комунальні відходи призводять до збільшення фосфат-іонів у водосховищах, до різкого зростання водних рослин і порушення рівноваги у водних екосисте-
мах.