Harika biyolojik döngü. Madde döngüleri

Gezegenimizdeki tüm maddeler dolaşım halindedir. Güneş enerjisi, Dünya üzerinde büyük veya biyosfer (tüm biyosferi kapsayan) ve küçük veya biyolojik (ekosistemler içinde) olmak üzere iki madde döngüsüne neden olur.

Maddelerin biyosfer döngüsünden önce, oluşum ve yıkımla ilişkili jeolojik bir döngü vardı. kayalar ve ardından yıkım ürünlerinin - enkaz ve kimyasal elementlerin hareketi. Kara ve su yüzeyinin termal özellikleri bu süreçlerde önemli bir rol oynadı ve oynamaya devam ediyor: güneş ışığının yansıması yoluyla emilim, ısı iletkenliğinin ısı kapasitesine oranı. Su daha fazla emer Güneş enerjisi ve aynı enlemlerdeki kara yüzeyi daha fazla ısınır. Dünya yüzeyinin dengesiz hidrotermal rejimi, gezegensel atmosferik dolaşım sistemi ile birlikte, Dünya'nın gelişiminin ilk aşamasında endojen süreçlerle birlikte kıtaların, okyanusların ve modern oluşumlarla ilişkili olan maddelerin jeolojik dolaşımını belirledi. jeosferler. Jeolojik tezahürü, ayrışma ürünlerinin hava kütleleri ve içinde çözünmüş su - mineral bileşikleri tarafından aktarılmasıyla da belirtilmektedir. Biyosferin oluşmasıyla birlikte organizmaların atık ürünleri de büyük döngüye dahil oldu. Jeolojik döngü, varlığını durdurmadan yeni özellikler kazandı: maddenin biyosfer hareketinin ilk aşamasıdır. Canlı organizmalara besin sağlayan ve onların varoluş koşullarını büyük ölçüde belirleyen odur.

Biyosferdeki büyük madde döngüsü iki önemli noktayla karakterize edilir:

Dünyanın tüm jeolojik gelişimi boyunca gerçekleştirilen;

Biyosferin daha da gelişmesinde öncü rol oynayan modern bir gezegensel süreçtir (Radkevich, 1983).

Açık modern sahne büyük döngünün bir sonucu olarak insanlığın gelişimi uzun mesafeler kükürt ve nitrojen oksitler, toz ve radyoaktif yabancı maddeler gibi kirleticiler de aktarılır. Kuzey Yarımküre'nin ılıman enlemleri bölgesi en büyük kirlenmeye maruz kaldı.

Küçük veya biyolojik döngü maddeler, bir bütün olarak biyosferi kapsayan geniş, jeolojik bir arka planda ortaya çıkıyor. Ekosistemlerde meydana gelir ancak kapalı değildir, bu da dışarıdan ekosisteme madde ve enerji akışı ve bunların bir kısmının ekosisteme salınması ile ilişkilidir. biyosfer döngüsü. Bu nedenle insanlar bazen biyolojik döngüden değil, ekosistemlerdeki ve bireysel organizmalardaki enerji alışverişinden bahseder.

Karadaki bitkiler, hayvanlar ve toprak örtüsü, biyokütleyi oluşturan, güneş enerjisini, atmosferik karbonu, nemi, oksijeni, hidrojeni, nitrojeni, fosforu, kükürt, kalsiyumu ve organizmaların yaşamında yer alan diğer elementleri bağlayan ve yeniden dağıtan karmaşık bir dünya sistemi oluşturur. Su ortamındaki bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmalar, güneş enerjisini ve maddelerin biyolojik döngüsünü birbirine bağlama işlevini yerine getiren başka bir gezegen sistemi oluşturur.

Biyolojik döngünün özü, iki zıt fakat birbirine bağlı sürecin ortaya çıkmasında yatmaktadır - organik maddenin yaratılması ve yok edilmesi. İlk aşama organik maddenin ortaya çıkışı yeşil bitkilerin fotosentezinden kaynaklanmaktadır; bu maddenin Güneş'in ışınım enerjisini kullanarak karbondioksit, su ve mineral bileşiklerinden oluşması. Bitkiler topraktan kükürt, fosfor, kalsiyum, potasyum, magnezyum, manganez, silikon, alüminyum, bakır, çinko ve diğer elementleri çözünmüş halde çıkarır. Otçul hayvanlar zaten bu elementlerin bileşiklerini bitki kökenli gıda formunda emer. Yırtıcı hayvanlar otçul hayvanlarla beslenir, proteinler, yağlar, amino asitler vb. dahil olmak üzere daha karmaşık bir bileşime sahip yiyecekleri tüketir. Ölü bitkilerin ve hayvan kalıntılarının organik maddesinin mikroorganizmalar tarafından yok edilmesi sürecinde, basit mineral bileşikleri toprağa ve suya girer. çevre, bitkiler tarafından emilmeye hazır hale gelir ve bir sonraki tur biyolojik döngü başlar.

Büyük girdaptan farklı olarak, küçük girdap farklı bir süreye sahiptir: mevsimsel, yıllık, çok yıllık ve laik küçük girdaplar ayırt edilir. Maddelerin biyolojik döngüsünü incelerken, bitki örtüsü gelişiminin yıllık dinamikleri tarafından belirlenen yıllık ritime asıl dikkat gösterilir.

Büyük (jeolojik) ve küçük (biyojeokimyasal) madde döngüsü

Gezegenimizdeki tüm maddeler dolaşım halindedir. Güneş enerjisi Dünya üzerinde iki madde döngüsüne neden olur:

Büyük (jeolojik veya abiyotik);

Küçük (biyotik, biyojenik veya biyolojik).

Madde döngüleri ve kozmik enerji akışları biyosferin istikrarını yaratır. Eylemden kaynaklanan katı madde ve su döngüsü abiyotik faktörler(cansız doğaya) büyük jeolojik döngü denir. Büyük bir jeolojik döngü sırasında (milyonlarca yıl süren), kayalar yok edilir, aşınır, maddeler çözülür ve Dünya Okyanuslarına girer; jeotektonik değişiklikler, kıtaların çökmesi ve deniz yatağının yükselmesi meydana gelir. Buzullarda su döngüsü süresi 8.000 yıl, nehirlerde ise 11 gündür. Canlı organizmalara besin sağlayan ve onların varoluş koşullarını büyük ölçüde belirleyen büyük döngüdür.

Biyosferdeki büyük jeolojik döngü iki önemli noktayla karakterize edilir: oksijen, karbon, jeolojik

• a) Dünyanın tüm jeolojik gelişimi boyunca gerçekleştirilir;
• b) önde gelen bir rol oynayan modern bir gezegensel süreçtir. Daha fazla gelişme biyosfer.

İnsan gelişiminin mevcut aşamasında, büyük döngünün bir sonucu olarak, kükürt ve nitrojen oksitler gibi kirleticiler, toz ve radyoaktif yabancı maddeler de uzun mesafelere taşınmaktadır. Kuzey Yarımküre'nin ılıman enlem bölgeleri en çok kirlenen bölgelerdi.

Maddelerin küçük, biyojenik veya biyolojik döngüsü, canlı organizmaların katılımıyla katı, sıvı ve gaz halinde meydana gelir. Biyolojik döngü, jeolojik döngünün aksine daha az enerji gerektirir. Küçük döngü, büyük döngünün bir parçasıdır, biyojeosinoz düzeyinde (ekosistemler içinde) meydana gelir ve toprak besinlerinin, suyun ve karbonun bitki maddesinde birikmesi ve vücudun inşası için harcanması gerçeğinden oluşur. Organik maddenin bozunma ürünleri mineral bileşenlere ayrışır. Maddelerin ve enerjinin dışarıdan ekosisteme akışı ve bir kısmının biyosfer döngüsüne salınması ile ilişkili olan küçük döngü kapalı değildir.

Birçok kimyasal element ve bunların bileşikleri büyük ve küçük döngülere dahil olur, ancak bunlardan en önemlileri, insanın ekonomik faaliyetleriyle ilişkili olarak biyosferin mevcut gelişim aşamasını belirleyenlerdir. Bunlar arasında karbon, kükürt ve nitrojen döngüleri (oksitleri atmosferin ana kirleticileridir) ve ayrıca fosfor (fosfatlar kıtasal suların ana kirleticisidir) döngüleri yer alır. Neredeyse tüm kirleticiler zararlı maddeler gibi davranır ve ksenobiyotik olarak sınıflandırılır. Şu anda büyük önem ksenobiyotikler - toksik elementler - cıva (bir gıda kirleticisi) ve kurşun (benzinin bir bileşeni) döngüsüne sahiptirler. Ayrıca biyotaya ve insan sağlığına zarar veren antropojenik kökenli birçok madde (DDT, pestisitler, radyonüklidler vb.) büyük döngüden küçük döngüye doğru gelmektedir.

Biyolojik döngünün özü, iki zıt fakat birbirine bağlı sürecin ortaya çıkmasında yatmaktadır - organik maddenin yaratılması ve onun canlı madde tarafından yok edilmesi.

Büyük girdaptan farklı olarak, küçük girdap farklı bir süreye sahiptir: mevsimsel, yıllık, çok yıllık ve laik küçük girdaplar ayırt edilir. Girdap kimyasal maddelerİnorganik ortamdan bitki örtüsü ve hayvanlar yoluyla güneş enerjisi kullanılarak kimyasal reaksiyonlar yoluyla inorganik ortama geri dönmesine biyojeokimyasal döngü denir.

Gezegenimizin bugünü ve geleceği, canlı organizmaların biyosferin işleyişine katılımına bağlıdır. Madde döngüsünde, canlı madde veya biyokütle biyojeokimyasal işlevleri yerine getirir: gaz, konsantrasyon, redoks ve biyokimyasal.

Biyolojik döngü, canlı organizmaların katılımıyla oluşur ve organik maddenin inorganikten çoğaltılmasından ve bu organik maddenin besin zinciri yoluyla inorganiğe ayrışmasından oluşur. Biyolojik döngüdeki üretim ve yıkım süreçlerinin yoğunluğu, ısı ve nem miktarına bağlıdır. Örneğin kutup bölgelerinde organik maddenin ayrışma hızının düşük olması ısı eksikliğine bağlıdır.

Biyolojik döngünün yoğunluğunun önemli bir göstergesi, kimyasal elementlerin dolaşım hızıdır. Yoğunluk, orman çöpü kütlesinin çöpe oranına eşit bir indeks ile karakterize edilir. Endeks ne kadar yüksek olursa dolaşımın yoğunluğu o kadar düşük olur.

Dizin girişi iğne yapraklı ormanlar- 10 - 17; geniş yapraklı 3 - 4; savan 0,2'den fazla değil; tropik yağmur ormanlarında 0,1'den fazla değil, yani. Burada biyolojik döngü en yoğundur.

Elementlerin (azot, fosfor, kükürt) mikroorganizmalar yoluyla akışı, bitki ve hayvanlardan çok daha yüksektir. Biyolojik döngü tamamen tersine çevrilemez; biyojeokimyasal döngüyle yakından ilişkilidir. Kimyasal elementler biyosferde biyolojik döngünün çeşitli yolları boyunca dolaşır:

• - canlı madde tarafından emilir ve enerji ile yüklenir;
• - canlı maddeyi bırakın, enerjiyi dış ortama bırakın.

Bu döngüler iki türdendir: gaz halindeki maddelerin döngüsü; tortul döngü (yer kabuğundaki rezerv).

Girdapların kendisi iki bölümden oluşur:

• - rezerv fonu (bu, maddenin canlı organizmalarla ilişkili olmayan kısmıdır);
• - mobil (değişim) fonu (organizmalar ve yakın çevreleri arasında doğrudan değişimle ilişkili maddenin daha küçük bir kısmı).

Girdiler ikiye ayrılır:

• - girdaplar gaz tipi yer kabuğunda bir rezerv fonu (karbon, oksijen, nitrojen döngüleri) ile - hızlı bir şekilde kendi kendini düzenleme yeteneğine sahip;
• - yer kabuğunda rezerv fonu bulunan tortul döngüler (fosfor, kalsiyum, demir vb. döngüleri) daha atıldır, maddenin büyük kısmı canlı organizmalar için "erişilemez" bir biçimdedir.

Girdaplar ayrıca aşağıdakilere de ayrılabilir:

• - kapalı (oksijen, karbon ve nitrojen gibi gaz halindeki maddelerin döngüsü - okyanusun atmosferinde ve hidrosferinde bir rezerv, bu nedenle kıtlık hızla telafi edilir);
• - açık uçlu (yer kabuğunda, örneğin fosforda bir rezerv fonu oluşturmak - bu nedenle kayıplar yetersiz şekilde telafi edilir, yani bir açık yaratılır).

Dünyadaki biyolojik döngülerin varlığının ve bunların ilk bağlantılarının enerji temeli, fotosentez sürecidir. Her yeni döngü bir öncekinin tam olarak tekrarı değildir. Örneğin, biyosferin evrimi sırasında bazı süreçler geri döndürülemezdi, bu da biyojenik çökeltilerin oluşmasına ve birikmesine, atmosferdeki oksijen miktarında artışa, bazı elementlerin izotoplarının nicel oranlarında değişikliklere neden oldu. , vesaire.

Maddelerin dolaşımına genellikle biyojeokimyasal döngüler denir. Maddelerin ana biyojeokimyasal (biyosfer) döngüleri: su döngüsü, oksijen döngüsü, nitrojen döngüsü (nitrojen sabitleyen bakterilerin katılımı), karbon döngüsü (aerobik bakterilerin katılımı; jeolojik döngüye yılda yaklaşık 130 ton karbon boşaltılır), fosfor döngüsü (toprak bakterilerinin katılımı; yılda 14 milyon ton fosforun okyanuslardan yıkanması), kükürt döngüsü, metal katyonlarının döngüsü.

Su döngüsü

Su döngüsü, yukarıda da belirtildiği gibi, yaşamın yokluğunda bile gerçekleşebilen, ancak canlı organizmaların bunu değiştirdiği kapalı bir döngüdür.

Döngü şu prensibe dayanmaktadır: buharlaşma ve terleme yağışla telafi edilir. Gezegenin tamamı için buharlaşma ve yağış birbirini dengeliyor. Aynı zamanda, okyanuslardan yağışla geri dönen sudan daha fazla su buharlaşıyor. Karada ise tam tersine daha fazla yağış düşer, ancak fazla yağış göllere ve nehirlere, oradan da tekrar okyanusa akar. Kıtalar ve okyanuslar arasındaki nem dengesi nehir akışıyla sağlanır.

Böylece, küresel hidrolojik döngünün dört ana akışı vardır: yağış, buharlaşma, nem transferi ve terleme.

Biyosferdeki en yaygın madde olan su, yalnızca birçok organizma için bir yaşam alanı görevi görmekle kalmaz, aynı zamanda ayrılmaz parça tüm canlıların vücutları. Biyosferde meydana gelen tüm yaşam süreçlerinde suyun muazzam önemine rağmen, canlı maddeler dünya üzerindeki büyük su döngüsünde belirleyici bir rol oynamamaktadır. Bu döngünün itici gücü, su havzalarının veya karaların yüzeyinden suyun buharlaşması için harcanan güneş enerjisidir. Buharlaşan nem, rüzgarın taşıdığı bulutlar şeklinde atmosferde yoğunlaşır; Bulutlar soğuduğunda yağış meydana gelir.

Serbest bağlanmamış suyun toplam miktarı (sıvı tuzlu su içeren okyanus ve denizlerin oranı) %86 ila 98'dir. Geriye kalan su miktarı (tatlı su) kutup kapaklarında ve buzullarda depolanarak su havzalarını ve yeraltı suyunu oluşturur. Bitki örtüsüyle kaplı arazi yüzeyine düşen yağış kısmen yaprak yüzeyi tarafından tutulur ve daha sonra buharlaşarak atmosfere karışır. Toprağa ulaşan nem yüzey akışına katılabilir veya toprak tarafından emilebilir. Toprak tarafından tamamen emilen (bu, toprağın türüne, kayaların özelliklerine ve bitki örtüsüne bağlıdır) aşırı tortu, yeraltı suyunun daha derinlerine sızabilir. Yağış miktarı toprağın üst katmanlarının nem tutma kapasitesini aşarsa, hızı toprağın durumuna, eğimin dikliğine, yağış süresine ve bitki örtüsünün doğasına bağlı olan yüzey akışı başlar ( bitki örtüsü toprağı koruyabilir su erozyonu). Toprakta tutulan su, yüzeyinden buharlaşabilir veya bitki kökleri tarafından emildikten sonra yapraklar aracılığıyla atmosfere geçebilir (buharlaşabilir).

Suyun terleme akışı (toprak - bitki kökleri - yapraklar - atmosfer), gezegenimizdeki büyük döngüsünde suyun canlı maddeler arasındaki ana yoludur.

Karbon döngüsü

Dünyadaki organik maddelerin, biyokimyasal süreçlerin ve yaşam formlarının tüm çeşitliliği, karbonun özelliklerine ve özelliklerine bağlıdır. Çoğu canlı organizmadaki karbon içeriği kuru biyokütlenin yaklaşık %45'idir. Gezegendeki tüm canlı maddeler, sürekli olarak ortaya çıkan, değişen, ölen, ayrışan Dünya üzerindeki tüm karbon ve organik madde döngüsüne katılır ve bu sırayla karbon, besin zinciri boyunca bir organik maddeden diğerinin yapımına aktarılır. . Ayrıca tüm canlılar nefes alıp karbondioksit açığa çıkarır.

Karada karbon döngüsü. Karbon döngüsü, kara bitkileri ve okyanus fitoplanktonunun fotosenteziyle sağlanır. Bitkiler, karbondioksiti emerek (inorganik karbonu sabitleyerek), güneş ışığının enerjisini kullanarak onu organik bileşiklere dönüştürerek biyokütlelerini oluşturur. Geceleri tüm canlılar gibi bitkiler de nefes alır ve karbondioksit salar.

Ölü bitkiler, cesetler ve hayvan dışkıları çok sayıda heterotrofik organizma (hayvanlar, saprofitik bitkiler, mantarlar, mikroorganizmalar) için besin görevi görür. Bütün bu organizmalar esas olarak toprakta yaşar ve yaşam sürecinde organik karbon içeren kendi biyokütlelerini yaratırlar. Ayrıca karbondioksit salarak "toprak solunumu" yaratırlar. Çoğu zaman ölü organik madde tamamen ayrışmaz ve toprakta humus (humus) birikerek toprağın verimliliğinde önemli rol oynar. Organik maddelerin mineralizasyon ve nemlenme derecesi birçok faktöre bağlıdır: nem, sıcaklık, fiziki ozellikleri toprak, organik kalıntıların bileşimi vb. Bakteri ve mantarların etkisi altında humus, karbondioksit ve mineral bileşiklere ayrışabilir.

Dünya Okyanusunda karbon döngüsü. Okyanustaki karbon döngüsü karadaki döngüden farklıdır. Okyanus, daha yüksek trofik seviyelerdeki organizmaların zayıf halkasıdır ve dolayısıyla karbon döngüsünün tüm bağlantılarıdır. Karbonun okyanusun trofik bağlantısından geçmesi için gereken süre kısadır ve salınan karbondioksit miktarı önemsizdir.

Okyanus, atmosferdeki karbondioksitin ana düzenleyicisi olarak görev yapar. Okyanus ve atmosfer arasında yoğun bir karbondioksit değişimi vardır. Okyanus suları yüksek çözünme ve tamponlama kapasitesine sahiptir. Karbonik asit ve tuzlarından (karbonatlar) oluşan bir sistem, CO difüzyonu yoluyla atmosfere bağlanan bir tür karbondioksit deposu mudur? sudan atmosfere ve geriye.

Gün içerisinde okyanuslarda fitoplankton fotosentezi yoğun olarak gerçekleşirken, serbest karbondioksit yoğun olarak tüketilirken karbonatlar da hizmet vermektedir. ek kaynak onun eğitimi. Geceleri hayvanların ve bitkilerin solunumu nedeniyle serbest asit içeriği arttığında bunun önemli bir kısmı tekrar karbonatların bileşimine girer. Gerçekleşen süreçler şu yönlerde ilerliyor: Canlı madde mi? BU YÜZDEN?? N?SO?? Sa(NSO?)?? CaCO?.

Doğada, oksijen eksikliği, ortamın yüksek asitliği, özel gömme koşulları vb. nedeniyle belirli miktarda organik madde mineralizasyona uğramaz. Karbonun bir kısmı biyolojik döngüden inorganik (kireçtaşı, tebeşir, mercan) ve organik (şeyl, petrol, kömür) birikintiler şeklinde ayrılır.

İnsan faaliyeti katkıda bulunur önemli değişiklikler gezegenimizdeki karbon döngüsüne. Manzaralar, bitki örtüsü türleri, biyosinozlar ve bunların besin zincirleri değişir, arazi yüzeyinin büyük alanları kurutulur veya sulanır, toprak verimliliği artar (veya kötüleşir), gübreler ve pestisitler eklenir vb. En tehlikelisi yakıtın yanması sonucu atmosfere karbondioksit salınmasıdır. Aynı zamanda karbon dolaşım hızı artar ve döngüsü kısalır.

Oksijen döngüsü

Oksijen önkoşul Dünya'da yaşamın varlığı. Hemen hemen tüm biyolojik bileşiklere dahil edilir, organik maddelerin oksidasyonunun biyokimyasal reaksiyonlarına katılır, biyosferdeki organizmaların tüm yaşam süreçlerine enerji sağlar. Oksijen atmosferde, toprakta, suda hayvanların, bitkilerin ve mikroorganizmaların solunumunu sağlar ve kayalarda, topraklarda, siltlerde ve akiferlerde meydana gelen kimyasal oksidasyon reaksiyonlarına katılır.

Oksijen döngüsünün ana dalları:

• - fotosentez sırasında serbest oksijenin oluşması ve canlı organizmaların (bitkiler, hayvanlar, atmosferdeki mikroorganizmalar, toprak, su) solunumu sırasında emilmesi;
• - bir ozon perdesinin oluşturulması;
• - redoks bölgelerinin oluşturulması;
• - volkanik patlamalar sırasında karbon monoksitin oksidasyonu, sülfat tortul kayalarının birikmesi, insan faaliyetlerinde oksijen tüketimi vb.; Fotosentezin moleküler oksijeni her yerde bulunur.

Nitrojen döngüsü

Azot, tüm canlı organizmaların biyolojik olarak önemli organik maddelerinin bir parçasıdır: proteinler, nükleik asitler, lipoproteinler, enzimler, klorofil vb. Havadaki nitrojen içeriğine (%79) rağmen canlı organizmalar için yetersizdir.

Biyosferdeki nitrojen, organizmaların erişemeyeceği gaz formundadır (N2) - kimyasal olarak çok az aktiftir, bu nedenle yüksek bitkiler (ve çoğu alt bitki) ve hayvanlar dünyası tarafından doğrudan kullanılamaz. Bitkiler topraktan nitrojeni amonyum iyonları veya nitrat iyonları formunda emer; sabit nitrojen denir.

Atmosferik, endüstriyel ve biyolojik azot fiksasyonu vardır.

Atmosferin kozmik ışınlar tarafından iyonize edilmesi ve fırtınalar sırasında güçlü elektrik deşarjları sırasında atmosferik fiksasyon meydana gelirken, havadaki moleküler nitrojenden nitrojen ve amonyak oksitler oluşur ve atmosferik yağış sayesinde amonyum, nitrit ve nitrat nitrojene dönüştürülür. ve toprak ve su havzalarına girin.

Endüstriyel fiksasyon, insanın ekonomik faaliyetinin bir sonucu olarak ortaya çıkar. Azot bileşikleri üreten fabrikalar tarafından atmosfer azot bileşikleri ile kirlenmektedir. Termik santrallerden, fabrikalardan, uzay gemilerinden ve süpersonik uçaklardan kaynaklanan sıcak emisyonlar havadaki nitrojeni oksitler. Azot oksitler, havadaki su buharı ve yağışla etkileşime girerek toprağa geri döner ve iyonik formda toprağa girer.

Biyolojik fiksasyon nitrojen döngüsünde önemli bir rol oynar. Toprak bakterileri tarafından gerçekleştirilir:

• - nitrojen sabitleyen bakteriler (ve mavi-yeşil algler);
• - daha yüksek bitkilerle simbiyoz halinde yaşayan mikroorganizmalar (nodül bakterileri);
• - amonifikasyon;
• - nitrifikasyon;
• - nitrifikasyondan arındırma.

Toprakta serbest yaşayan nitrojen sabitleyen aerobik (oksijen varlığında mevcut) bakteriler (Azotobacter), solunum sırasında toprak organik maddesinin oksidasyonundan elde edilen enerjiyi kullanarak atmosferik moleküler nitrojeni sabitleyebilir, sonuçta onu hidrojenle bağlayabilir ve tanıtabilir. bir amino grubu (-NH2) formunda vücudunun amino asit bileşimine katar. Moleküler nitrojen ayrıca toprakta bulunan bazı anaerobik (oksijen yokluğunda yaşayan) bakterileri (Clostridium) sabitleyebilme özelliğine sahiptir. Öldükçe her iki mikroorganizma da toprağı organik nitrojenle zenginleştiriyor.

Özellikle pirinç tarlalarının toprakları için önemli olan mavi-yeşil algler aynı zamanda moleküler nitrojeni biyolojik olarak sabitleyebilmektedir.

Atmosferdeki nitrojenin en etkili biyolojik fiksasyonu, baklagil bitkilerinin nodüllerinde (nodül bakterileri) simbiyoz halinde yaşayan bakterilerde meydana gelir.

Bu bakteriler (Rizobium), konakçı bitkinin enerjisini nitrojeni sabitlemek için kullanır, aynı zamanda konağın karasal organlarına mevcut nitrojen bileşiklerini sağlar.

Bitkiler, topraktaki nitrojen bileşiklerini nitrat ve amonyum formlarında özümseyerek vücutlarının gerekli nitrojen içeren bileşiklerini oluşturur (nitrat nitrojeni bitki hücrelerinde önceden indirgenir). Üretici bitkiler tüm dünyaya azotlu maddeler sağlar hayvan dünyası ve insanlık. Ölü bitkiler biyoredüktör olarak trofik zincire göre kullanılır.

Amonifiye edici mikroorganizmalar, nitrojen içeren organik maddeleri (amino asitler, üre) amonyak oluşturmak üzere ayrıştırır. Topraktaki organik nitrojenin bir kısmı mineralize olmayıp humus maddelerine, bitüme ve tortul kayaç bileşenlerine dönüştürülür.

Amonyak (amonyum iyonu formunda) girebilir kök sistem tesislerde veya nitrifikasyon proseslerinde kullanılır.

Nitrifikasyon mikroorganizmaları kemosentetiktir; tüm yaşam süreçlerini sağlamak için amonyağın nitratlara ve nitritlerin nitratlara oksidasyonunun enerjisini kullanırlar. Nitrifikasyon maddeleri bu enerjiyi kullanarak karbondioksiti azaltır ve vücutlarında organik madde oluşturur. Nitrifikasyon sırasında amonyak oksidasyonu aşağıdaki reaksiyonlarla ilerler:

NH mi? + 3O? ? 2HNO? + 2H?O + 600 kJ (148 kcal).

HNO? +O mu? ? 2HNO? + 198 kJ (48 kcal).

Nitrifikasyon işlemleri sırasında oluşan nitratlar tekrar biyolojik döngüye girer, bitki kökleri tarafından topraktan emilir veya su akışıyla birlikte su havzalarına (fitoplankton ve fitobentos) girdikten sonra emilir.

Biyosferde atmosferik nitrojeni sabitleyen ve nitrifiye eden organizmaların yanı sıra, nitratları veya nitritleri moleküler nitrojene indirgeyebilen mikroorganizmalar da vardır. Denitrifikasyon maddeleri olarak adlandırılan bu tür mikroorganizmalar, sularda veya toprakta serbest oksijen eksikliği olduğunda, organik maddeleri oksitlemek için nitrat oksijeni kullanır:

C?H??O?(glikoz) + 24KNO? ? 24KHCO? + 6CO? +12N? + 18H?O + enerji

Bu durumda açığa çıkan enerji, denitrifikasyon yapan mikroorganizmaların tüm yaşam aktivitelerinin temelini oluşturur.

Bu nedenle canlı maddeler döngünün her bölümünde olağanüstü bir rol oynar.

Şu anda, atmosferik nitrojenin insanlar tarafından endüstriyel olarak sabitlenmesi, toprağın nitrojen dengesinde ve dolayısıyla biyosferdeki tüm nitrojen döngüsünde giderek daha önemli bir rol oynamaktadır.

Fosfor döngüsü

Fosfor döngüsü daha basittir. Azotun deposu hava iken, fosforun deposu ise erozyonla açığa çıkan kayalardır.

Karbon, oksijen, hidrojen ve nitrojen gaz halinde olduklarından atmosferde daha kolay ve hızlı bir şekilde göç ederek biyolojik döngülerde gazlı bileşikler oluştururlar. Canlı maddenin varlığı için gerekli olan kükürt dışındaki diğer tüm elementler için, biyolojik döngülerde gaz halindeki bileşiklerin oluşumu karakteristik değildir. Bu elementler esas olarak suda çözünmüş iyonlar ve moleküller halinde göç eder.

Bitkiler tarafından ortofosforik asit iyonları şeklinde asimile edilen fosfor, tüm canlı organizmaların yaşamında büyük yer tutar. ADP, ATP, DNA, RNA ve diğer bileşiklerin bir parçasıdır.

Biyosferdeki fosfor döngüsü kapalı değildir. Karasal biyojeosinozlarda fosfor, besin zinciri yoluyla bitkiler tarafından topraktan emildikten sonra tekrar fosfat formunda toprağa girer. Fosforun ana miktarı bitkilerin kök sistemi tarafından yeniden emilir. Fosfor kısmen yağmur suyunun topraktan su havzalarına akmasıyla yıkanarak giderilebilir.

Doğal biyojeosinozlarda genellikle fosfor eksikliği vardır ve alkali ve oksitlenmiş bir ortamda genellikle çözünmeyen bileşikler formunda bulunur.

Litosfer kayaları büyük miktarda fosfat içerir. Bazıları yavaş yavaş toprağa geçiyor, bazıları insanlar tarafından fosfatlı gübre üretimi için geliştiriliyor ve çoğu da süzülüp hidrosfere yıkanıyor. Orada, karmaşık besin zincirlerinin farklı trofik seviyelerinde bulunan fitoplankton ve ilgili organizmalar tarafından kullanılırlar.

Dünya Okyanuslarında, bitki ve hayvan kalıntılarının büyük derinliklerde birikmesi nedeniyle biyolojik döngüden kaynaklanan fosfat kaybı meydana gelir. Fosfor esas olarak litosferden hidrosfere suyla birlikte hareket ettiğinden biyolojik olarak (deniz kuşlarının balık yemesi, bentik alg ve balık ununun gübre olarak kullanılması vb.) litosfere göç eder.

Bitki mineral beslenmesinin tüm unsurları arasında fosforun eksik olduğu düşünülebilir.

Kükürt döngüsü

Canlı organizmalar için kükürt büyük önem taşır çünkü kükürt içeren amino asitlerin (sistin, sistein, metiyonin vb.) bir parçasıdır. Proteinlerin bir parçası olan kükürt içeren amino asitler, protein moleküllerinin gerekli üç boyutlu yapısını korur.

Kükürt bitkiler tarafından topraktan yalnızca oksitlenmiş formda, iyon formunda emilir. Bitkilerde kükürt indirgenir ve sülfhidril (-SH) ve disülfid (-S-S-) grupları formunda amino asitlere dahil edilir.

Hayvanlar yalnızca organik maddede bulunan indirgenmiş kükürdü özümser. Bitki ve hayvan organizmalarının ölümünden sonra kükürt toprağa geri döner ve burada çok sayıda mikroorganizma türünün faaliyeti sonucunda dönüşümlere uğrar.

Aerobik koşullar altında bazı mikroorganizmalar organik kükürdü sülfatlara oksitler. Bitki kökleri tarafından emilen sülfat iyonları tekrar biyolojik döngüye dahil olur. Bazı sülfatlar su göçüne katılarak topraktan uzaklaştırılabilir. Hümik maddeler açısından zengin topraklarda, organik bileşiklerde sızıntıyı önleyen önemli miktarda kükürt bulunur.

Anaerobik koşullar altında organik kükürt bileşiklerinin ayrışması hidrojen sülfit üretir. Sülfatlar ve organik maddeler oksijensiz ortamda bulunursa sülfat indirgeyen bakterilerin aktivitesi aktive olur. Organik maddeleri oksitlemek için sülfatların oksijenini kullanırlar ve böylece varlıkları için gerekli enerjiyi elde ederler.

Sülfat indirgeyen bakteriler yeraltı sularında, çamurda ve durgun deniz suyunda yaygındır. Hidrojen sülfit çoğu canlı organizma için bir zehirdir, bu nedenle suyla dolu toprakta, göllerde, haliçlerde vb. birikmesi yaşam süreçlerini önemli ölçüde azaltır veya hatta tamamen durdurur. Bu fenomen Karadeniz'de yüzeyinden 200 m'nin altında bir derinlikte gözlenmektedir.

Bu nedenle, uygun bir ortam yaratmak için, hidrojen sülfürün zararlı etkilerini yok edecek olan hidrojen sülfürü sülfat iyonlarına oksitlemek gerekir, kükürt, sülfat tuzları şeklinde bitkilerin erişebileceği bir forma dönüşecektir. Bu rol doğada özel bir grup kükürt bakterisi (renksiz, yeşil, mor) ve tiyonik bakteriler tarafından gerçekleştirilir.

Renksiz kükürt bakterileri kemosentetiktir: hidrojen sülfürün oksijenle elementel kükürte oksidasyonundan ve bunun sülfatlara daha fazla oksidasyonundan elde edilen enerjiyi kullanırlar.

Renkli kükürt bakterileri, karbondioksiti azaltmak için hidrojen donörü olarak hidrojen sülfür kullanan fotosentetik organizmalardır.

Yeşil kükürt bakterilerinde ortaya çıkan elementel kükürt hücrelerden salınır ve mor bakterilerde hücrelerin içinde birikir.

Bu sürecin genel reaksiyonu foto indirgemedir:

CO?+ 2H?S ışığı? (CH?O)+ H?O +2S.

Tiyonik bakteriler, serbest oksijeni kullanarak elementel kükürdü ve onun çeşitli indirgenmiş bileşiklerini sülfatlara oksitler ve onu biyolojik döngünün ana akışına geri döndürür.

Kükürtün dönüşümünün gerçekleştiği biyolojik döngü süreçlerinde canlı organizmalar, özellikle mikroorganizmalar büyük rol oynar.

Gezegenimizdeki ana kükürt rezervuarı Dünya Okyanusudur, çünkü sülfat iyonları sürekli olarak topraktan ona akar. Okyanustaki kükürtün bir kısmı, hidrojen sülfür şemasına göre atmosfer yoluyla karaya geri döner - kükürt dioksite oksidasyonu - ikincisinin yağmur suyunda sülfürik asit ve sülfat oluşumu ile çözülmesi - kükürtün yağışla birlikte toprak örtüsüne geri dönüşü Yeryüzünün.

İnorganik katyonların döngüsü

Canlı organizmaları oluşturan temel elementlerin (karbon, oksijen, hidrojen, fosfor ve kükürt) yanı sıra diğer birçok makro ve mikro element (inorganik katyonlar) hayati önem taşır. Bitkiler ihtiyaç duydukları metal katyonlarını su havzalarında doğrudan sudan alırlar. çevre. Karada inorganik katyonların ana kaynağı, ana kayaların yok edilmesi sırasında onları alan topraktır. Bitkilerde kök sistemleri tarafından emilen katyonlar yapraklara ve diğer organlara taşınır; bunlardan bazıları (magnezyum, demir, bakır ve diğerleri) biyolojik olarak önemli moleküllerin (klorofil, enzimler) bir parçasıdır; serbest formda kalan diğerleri, hücre protoplazmasının gerekli kolloidal özelliklerinin korunmasına katılır ve diğer çeşitli işlevleri yerine getirir.

Canlılar öldüğünde organik maddelerin mineralizasyonu sırasında inorganik katyonlar toprağa geri döner. Bu bileşenlerin topraktan kaybı, metal katyonlarının yağmur suyuyla süzülmesi ve uzaklaştırılması, tarım bitkilerinin yetiştirilmesi, ormanların kesilmesi, hayvan yemi için çim biçilmesi vb. sırasında organik maddenin insanlar tarafından reddedilmesi ve uzaklaştırılması sonucu meydana gelir.

Mineral gübrelerin akılcı kullanımı, toprak ıslahı, uygulama organik gübreler Uygun tarım teknolojisi, biyosferin biyosinozlarındaki inorganik katyonların dengesinin yenilenmesine ve korunmasına yardımcı olacaktır.

Antropojenik döngü: ksenobiyotiklerin döngüsü (cıva, kurşun, krom)

İnsanlık doğanın bir parçasıdır ve ancak onunla sürekli etkileşim halinde var olabilir.

Biyosferde meydana gelen doğal ve antropojenik madde ve enerji döngüsü arasında benzerlikler ve çelişkiler vardır.

Yaşamın doğal (biyojeokimyasal) döngüsü aşağıdaki özelliklere sahiptir:

• - Güneş enerjisinin bir yaşam kaynağı olarak kullanılması ve termodinamik yasalara dayanan tüm tezahürleri;
• - atık olmadan gerçekleştirilir, yani. hayati aktivitesinin tüm ürünleri mineralize edilir ve tekrar madde dolaşımının bir sonraki döngüsüne dahil edilir. Aynı zamanda harcanmış, değer kaybetmiş Termal enerji. Maddelerin biyojeokimyasal döngüsü sırasında atık oluşur, yani. kömür, petrol, gaz ve diğer maden kaynakları şeklinde rezervler. Atıksız doğal döngünün aksine antropojenik döngüye her yıl artan atıklar eşlik ediyor.

Doğada yararsız ve zararlı hiçbir şey yoktur; volkanik patlamaların bile faydaları vardır, çünkü gerekli elementler (örneğin nitrojen) volkanik gazlarla havaya salınır.

Gelişiminin her aşamasında işleyen biyosferdeki biyojeokimyasal döngünün küresel olarak kapanması yasasının yanı sıra, ardıllık sırasında biyojeokimyasal döngünün artan şekilde kapanması kuralı da vardır.

Büyük rol biyojeokimyasal döngü bir kişi bunu gerçekleştirir, ancak ters yönde. İnsan, mevcut madde döngülerini bozar ve bu, onun biyosferle ilgili olarak yıkıcı olan jeolojik gücünü gösterir. Antropojenik aktivitenin bir sonucu olarak biyojeokimyasal döngülerin kapalılık derecesi azalır.

Antropojenik döngü, gezegenin yeşil bitkileri tarafından yakalanan güneş ışığının enerjisiyle sınırlı değildir. İnsanlık enerjisini yakıt, hidro ve nükleer santrallerden kullanmaktadır.

Mevcut aşamada antropojenik aktivitenin biyosfer için büyük bir yıkıcı gücü temsil ettiği ileri sürülebilir.

Biyosferin özel bir özelliği vardır; kirleticilere karşı önemli bir direnç. Bu sürdürülebilirlik, doğal çevrenin çeşitli bileşenlerinin kendi kendini temizleme ve iyileştirme konusundaki doğal yeteneğine dayanmaktadır. Ama sınırsız değil. Olası bir küresel kriz inşaatı zorunlu kıldı matematiksel model Biyosferin olası durumu hakkında bilgi edinmek için bir bütün olarak biyosfer (Gaia sistemi).

Ksenobiyotik, antropojenik faaliyetlerin (pestisitler, ilaçlar) bir sonucu olarak ortaya çıkan, canlı organizmalara yabancı bir maddedir. ev kimyasalları ve diğer kirleticiler) biyotik süreçlerin bozulmasına neden olabilir; vücudun hastalığı veya ölümü. Bu tür kirleticiler biyolojik olarak parçalanmaz, ancak trofik zincirlerde birikir.

Cıva çok nadir bulunan bir elementtir. Yerkabuğu boyunca dağılmış durumdadır ve zinober gibi yalnızca birkaç mineral onu konsantre biçimde içerir. Cıva, gaz halinde ve sulu çözeltilerde göç ederek biyosferdeki madde döngüsüne katılır.

Buharlaşma sırasında, zinoberden salındığında volkanik gazlar ve termal kaynaklardan gelen gazlarla atmosfere hidrosferden girer. Atmosferdeki gaz halindeki cıvanın bir kısmı katı faza dönüşerek havadan uzaklaştırılır. Düşen cıva topraklar, özellikle killi topraklar, su ve kayalar tarafından emilir. Yanıcı mineraller (petrol ve kömür) 1 mg/kg'a kadar cıva içerir. Okyanusların su kütlesi yaklaşık 1,6 milyar ton, dip çökeltilerinde - 500 milyar ton ve planktonda - 2 milyon ton içerir. Nehir suları karadan yılda yaklaşık 40 bin ton taşıyor; bu, buharlaşma sırasında atmosfere giren miktarın (400 bin ton) 10 katı kadardır. Yılda yaklaşık 100 bin ton kara yüzeyine düşüyor.

Cıva, doğal çevrenin doğal bir bileşeni olmaktan çıkıp, insan sağlığı açısından biyosfere insan yapımı en tehlikeli emisyonlardan birine dönüşmüştür. Metalurji, kimya, elektrik, elektronik, kağıt hamuru ve kağıt ile ilaç endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve tıpta olduğu gibi patlayıcı, vernik ve boya üretiminde de kullanılmaktadır. Endüstriyel atıklar ve atmosferik emisyonların yanı sıra cıva madenleri, cıva üretim tesisleri ve kömür, petrol ve petrol ürünleri kullanan termik santraller (CHP'ler ve kazan daireleri), bu toksik bileşenle biyosferin kirlenmesinin ana kaynaklarıdır. Ayrıca cıva, tarımda tohumları işlemek ve mahsulleri zararlılardan korumak için kullanılan organ cıvalı pestisitlerin bir parçasıdır. İnsan vücuduna gıdayla (yumurta, salamura tahıl, hayvan ve kuş eti, süt, balık) girer.

Su ve nehir çökeltilerindeki cıva

Doğal su kütlelerine giren cıvanın yaklaşık %80'inin çözünmüş formda olduğu ve bunun da sonuçta su akışlarıyla birlikte uzun mesafelere yayılmasına katkıda bulunduğu tespit edilmiştir. Saf element toksik değildir.

Cıva genellikle dipteki alüvyon suyunda nispeten zararsız konsantrasyonlarda bulunur. İnorganik cıva bileşikleri, göl ve nehirlerin dip çamurlarında, balık vücutlarını kaplayan mukusta, döküntü ve tortularda yaşayan bakteriler tarafından metilcıva CH?Hg ve etilcıva C?H?Hg gibi toksik organik cıva bileşiklerine dönüştürülür. ve balık midesi mukusunda. Bu bileşikler kolaylıkla çözünür, hareketli ve çok zehirlidir. Cıvanın agresif etkisinin kimyasal temeli, sülfürle, özellikle de proteinlerdeki hidrojen sülfür grubuyla olan yakınlığıdır. Bu moleküller kromozomlara ve beyin hücrelerine bağlanır. Balık ve kabuklu deniz ürünleri, onları yiyen insanlar için tehlikeli olan konsantrasyonlara kadar biriktirebilir ve Minamata hastalığına neden olabilir.

Metalik cıva ve onun inorganik bileşikleri esas olarak karaciğere, böbreklere ve bağırsaklara etki eder, ancak normal koşullar altında vücuttan nispeten hızlı bir şekilde atılırlar ve insan vücudu için tehlikeli bir miktarın birikmeye zamanı yoktur. Metilcıva ve diğer alkil cıva bileşikleri çok daha tehlikelidir çünkü birikme meydana gelir; toksin vücuda vücuttan atıldığından daha hızlı girer ve merkezi sinir sistemini etkiler.

Alt çökeltiler önemli karakteristik Su ekosistemleri. Ağır metalleri, radyonüklitleri ve yüksek derecede toksik organik maddeleri biriktiren dip çökeltileri, bir yandan su ortamlarının kendi kendini temizlemesine katkıda bulunurken, diğer yandan su kütlelerinin sürekli bir ikincil kirlenme kaynağını temsil eder. Dip çökeltileri, uzun vadeli bir kirlilik modelini (özellikle düşük akışlı su kütlelerinde) yansıtan umut verici bir analiz nesnesidir. Ayrıca özellikle nehir ağızlarında dip sedimentlerinde inorganik cıva birikimi görülmektedir. Tortuların (silt, tortu) adsorpsiyon kapasitesi tükendiğinde gergin bir durum ortaya çıkabilir. Adsorpsiyon kapasitesine ulaşıldığında ağır metaller dahil. cıva suya girmeye başlayacak.

Denizdeki anaerobik koşullar altında ölü alg çökeltilerinde cıvanın hidrojen bağlayarak uçucu bileşiklere dönüştüğü bilinmektedir.

Mikroorganizmaların katılımıyla metalik cıva iki aşamada metillenebilir:

CH?Hg+ ? (CH?)?Hg

Metilcıva çevrede neredeyse tamamen inorganik civanın metilasyonu yoluyla ortaya çıkar.

Cıvanın biyolojik yarı ömrü uzundur; insan vücudundaki çoğu doku için bu süre 70-80 gündür.

Kılıç balığı ve ton balığı gibi büyük balıkların besin zincirinin başlangıcında cıva ile kirlendiği bilinmektedir. İstiridyelerde cıvanın balıklardan çok daha fazla biriktiği (biriktiği) dikkat çekicidir.

Cıva insan vücuduna solunumla, yiyeceklerle ve deri yoluyla aşağıdaki şemaya göre girer:

İlk olarak cıva dönüştürülür. Bu element doğal olarak çeşitli şekillerde oluşur.

Termometrelerde kullanılan metalik cıva ve onun inorganik tuzları (örneğin klorür) vücuttan nispeten hızlı bir şekilde atılır.

Alkil cıva bileşikleri, özellikle metil ve etil cıva çok daha toksiktir. Bu bileşikler vücuttan çok yavaş bir şekilde atılır - günlük toplam miktarın yalnızca %1'i. Doğal sulara giren cıvanın çoğu inorganik bileşikler formunda olmasına rağmen balıklarda her zaman çok zehirli olan metil cıva formunda görülür. Göllerin ve nehirlerin dip çamurunda, balık vücutlarını kaplayan mukusta ve balık midelerinin mukusunda bulunan bakteriler, inorganik cıva bileşiklerini metil cıvaya dönüştürebilme kapasitesine sahiptir.

İkincisi, seçici birikim veya biyolojik birikim (konsantrasyon), balıklarda ve kabuklu deniz hayvanlarında cıva seviyelerini körfez sularındakinden çok daha yüksek seviyelere çıkarır. Nehirde yaşayan balıklar ve kabuklu deniz ürünleri, metil cıvayı, onları yiyecek olarak kullanan insanlar için tehlikeli olacak konsantrasyonlarda biriktirir.

Dünya çapında yakalanan balıkların %95'i 0,5 mg/kg'ı aşmayan miktarlarda cıva içerirken, %95'i 0,3 mg/kg'dan daha az miktarda cıva içermektedir. Balıklardaki cıvanın neredeyse tamamı metil cıva formundadır.

Gıda ürünlerindeki cıva bileşiklerinin insanlar için farklı toksisitesi dikkate alındığında, inorganik (toplam) ve organik olarak bağlı cıvanın belirlenmesi gerekmektedir. Yalnızca toplam cıva içeriğini belirliyoruz. Tıbbi ve biyolojik gerekliliklere göre, tatlı su yırtıcı balıklarında cıva içeriğine 0,6 mg/kg, deniz balıklarında - 0,4 mg/kg, tatlı su yırtıcı olmayan balıklarda sadece 0,3 mg/kg ve ton balıklarında 0,7 mg'a kadar izin verilmektedir. /kgkg. Bebek maması ürünlerinde civa içeriği konserve etlerde 0,02 mg/kg'ı, konserve balıklarda 0,15 mg/kg'ı, diğerlerinde ise 0,01 mg/kg'ı geçmemelidir.

Kurşun doğal çevrenin hemen hemen tüm bileşenlerinde mevcuttur. Yerkabuğunda %0,0016 oranında bulunur. Atmosferdeki doğal kurşun miktarı 0,0005 mg/m3'tür. Çoğu tozla birikiyor, yaklaşık %40'ı yağışla düşüyor. Bitkiler kurşunu topraktan, sudan ve atmosferik birikimden elde ederken, hayvanlar da kurşunu bitki ve su tüketerek alırlar. Metal insan vücuduna yiyecek, su ve tozla birlikte girer.

Biyosferdeki kurşun kirliliğinin ana kaynağı benzinli motorlar Egzoz gazları trietil kurşun içeren, kömür yakan termik santraller, madencilik, metalurji ve kimya endüstrileri. Gübre olarak kullanılan atık sularla birlikte önemli miktarda kurşun da toprağa karışıyor. Çernobil nükleer santralinin yanan reaktörünü söndürmek için hava havzasına giren ve geniş alanlara yayılan kurşun da kullanıldı. Kurşunun çevre kirliliğinin artmasıyla kemiklerde, saçta ve karaciğerde birikmesi artar.

Krom. En tehlikelisi asidik ve alkali topraklarda, tatlı ve deniz sularında mobilize olan toksik kromdur (6+). Deniz suyunda kromun %10 - 20'si Cr (3+) formuyla, %25 - 40'ı Cr (6+) ve %45 - 65'i organik formla temsil edilir. pH 5 - 7 aralığında Cr (3+) baskındır ve pH > 7'de Cr (6+) baskındır. Cr(6+) ve organik krom bileşiklerinin deniz suyunda demir hidroksit ile birlikte çökelmediği bilinmektedir.

Maddelerin doğal döngüleri pratik olarak kapalıdır. Doğal ekosistemlerde madde ve enerji idareli kullanılır ve bazı organizmaların israfı diğerlerinin varlığı için önemli bir koşul görevi görür. Antropojenik madde döngüsüne büyük tüketim eşlik ediyor doğal Kaynaklar ve büyük miktarda atık çevre kirliliğine neden oluyor. En gelişmiş arıtma tesislerinin oluşturulması bile sorunu çözmüyor, dolayısıyla antropojenik döngüyü mümkün olduğu kadar kapalı hale getiren düşük ve atıksız teknolojilerin geliştirilmesi gerekiyor. Teorik olarak atıksız bir teknoloji yaratmak mümkündür ancak düşük atıklı teknolojiler gerçektir.

Doğal olaylara uyum

Adaptasyonlar, evrim sürecinde organizmalarda (en basitinden en yükseğine kadar) geliştirilen çevreye çeşitli adaptasyonlardır. Uyum sağlama yeteneği, canlıların var olma olasılığını sağlayan temel özelliklerinden biridir.

Adaptasyon sürecini geliştiren ana faktörler şunlardır: kalıtım, değişkenlik, doğal (ve yapay) seçilim.

Vücudun diğer maddelere maruz kalması halinde tolerans değişebilir. dış koşullar. Kendini bu tür koşullarda bulan, bir süre sonra alışır, onlara uyum sağlar (Latince uyarlamasından - uyum sağlamak). Bunun sonucu fizyolojik optimumun konumundaki bir değişikliktir.

Organizmaların belirli bir dizi çevresel faktöre uyum sağlama yeteneğine ekolojik esneklik denir.

Belirli bir organizmanın yaşayabileceği çevresel faktörlerin aralığı ne kadar geniş olursa, ekolojik esnekliği de o kadar büyük olur. Plastisite derecesine göre iki tür organizma ayırt edilir: stenobiont (stenoeki) ve eurybiont (euryek). Bu nedenle, stenobiontlar ekolojik olarak plastik değildir (örneğin, pisi balığı yalnızca tuzlu suda yaşar ve havuz sazanı yalnızca tatlı suda yaşar), yani. dayanıklı değildirler ve eurybiontlar ekolojik olarak plastiktir; daha dayanıklı (örneğin, üç dikenli dikenli balık hem tatlı hem de tuzlu sularda yaşayabilir).

Adaptasyonlar çok boyutludur çünkü organizma aynı anda pek çok şeye uyum sağlamak zorundadır. Çeşitli faktörlerçevre.

Organizmaların çevresel koşullara adaptasyonunun üç ana yolu vardır: aktif; pasif; olumsuz etkilerin önlenmesi.

Adaptasyonun aktif yolu, direncin güçlendirilmesi, faktörün optimumdan sapmalarına rağmen vücudun tüm hayati fonksiyonlarının yerine getirilmesine izin veren düzenleyici süreçlerin geliştirilmesidir. Örneğin, sıcakkanlı hayvanlar sabit bir vücut ısısını korurlar; bu, içinde meydana gelen biyokimyasal süreçler için idealdir.

Pasif adaptasyon yolu, organizmaların hayati işlevlerinin çevresel faktörlerdeki değişikliklere tabi kılınmasıdır. Örneğin, olumsuz çevresel koşullar altında, birçok organizma, vücuttaki metabolizmanın pratik olarak durduğu (kış uykusu durumu, böceklerin uyuşukluğu, kış uykusu, topraktaki sporların korunması) askıya alınmış bir animasyon (gizli yaşam) durumuna girer. spor ve tohum şeklinde).

Olumsuz etkilerden kaçınma - olumsuz koşulların önlenmesine yardımcı olan adaptasyonların gelişimi, organizmaların davranışları (adaptasyon). Bu durumda adaptasyonlar şunlar olabilir: morfolojik (vücudun yapısı değişir: kaktüsün yapraklarının değiştirilmesi), fizyolojik (yağ rezervlerinin oksidasyonu nedeniyle deve kendine nem sağlar), etolojik (davranış değişiklikleri: mevsimsel göçler) kuşların kış uykusu, kış uykusu).

Canlı organizmalar periyodik faktörlere iyi adapte olmuşlardır. Periyodik olmayan faktörler vücudun hastalığa ve hatta ölümüne neden olabilir (örneğin ilaçlar, pestisitler). Ancak bunlara uzun süre maruz kalındığında adaptasyon da meydana gelebilir.

Organizmalar günlük, mevsimsel, gelgit ritimlerine, güneş aktivitesinin ritimlerine, ayın evrelerine ve diğer kesinlikle periyodik olaylara uyarlanmıştır. Böylece mevsimsel uyum, doğadaki mevsimsellik ve kış uykusu durumu olarak ikiye ayrılır.

Doğada mevsimsellik. Organizmaların adaptasyonunda bitki ve hayvanlar için en önemli önem, yıllık sıcaklık değişimidir. Ülkemiz için yaşama elverişli dönem ortalama olarak altı ay kadar (ilkbahar, yaz) sürmektedir. Sabit donların gelmesinden önce bile doğada bir kış uykusu dönemi başlar.

Kış uykusu durumu. Kış uyuşukluğu sadece gelişimin durması değildir. Düşük sıcaklık ancak gelişimin yalnızca belirli bir aşamasında ortaya çıkan karmaşık bir fizyolojik adaptasyon. Örneğin, sıtma sivrisineği ve ürtiker kelebeği yetişkin böcek evresinde, lahana güvesi pupa evresinde ve çingene güvesi yumurta evresinde kışı geçirir.

Biyoritimler. Evrim sürecinde, her tür, yoğun büyüme ve gelişme, üreme, kışa hazırlık ve kışlamadan oluşan karakteristik bir yıllık döngü geliştirmiştir. Bu olguya biyolojik ritim denir. Her periyodu eşleştir yaşam döngüsü Yılın uygun zamanında yapılması türün varlığı açısından çok önemlidir.

Çoğu bitki ve hayvanda mevsimsel döngülerin düzenlenmesinde temel faktör gün uzunluğundaki değişikliktir.

Bioritmler şunlardır:

eksojen (dış) ritimler (çevredeki periyodik değişikliklere (gündüz ve gece değişimi, mevsimler, güneş aktivitesi değişimi) tepki olarak ortaya çıkar) endojen (iç ritimler) vücudun kendisi tarafından üretilir

Buna karşılık, endojenler ikiye ayrılır:

Fizyolojik ritimler (kalp atışı, nefes alma, endokrin bezlerinin çalışması, DNA, RNA, protein sentezi, enzimlerin çalışması, hücre bölünmesi vb.)

Ekolojik ritimler (günlük, yıllık, gelgit, ay vb.)

DNA, RNA, protein sentezi, hücre bölünmesi, kalp atışı, nefes alma vb. süreçlerin ritmi vardır. Dış etkiler bu ritimlerin fazlarını değiştirebilir ve genliklerini değiştirebilir.

Fizyolojik ritimler vücudun durumuna göre değişir, çevresel ritimler daha stabildir ve dış ritimlere karşılık gelir. Endojen ritimlerle vücut kendisini zamana göre yönlendirebilir ve yaklaşan çevresel değişikliklere önceden hazırlanabilir; bu, vücudun biyolojik saatidir. Birçok canlı organizma sirkadiyen ve sirkadiyen ritimlerle karakterize edilir.

Sirkadiyen ritimler (sirkadiyen) - 20 ila 28 saatlik bir süre ile biyolojik süreçlerin ve olayların tekrarlanan yoğunlukları ve doğası. Sirkadiyen ritimler, hayvanların ve bitkilerin gün içindeki aktiviteleriyle ilişkilidir ve kural olarak sıcaklığa ve ışık yoğunluğuna bağlıdır. Örneğin, yarasalar alacakaranlıkta uçarlar ve gündüzleri dinlenirler; birçok planktonik organizma geceleri su yüzeyine yakın kalır ve gündüzleri derinliklere iner.

Mevsimsel biyolojik ritimler ışığın - fotoperiyodun etkisiyle ilişkilidir. Organizmaların gün uzunluğuna tepkisine fotoperiyodizm denir. Fotoperiyodizm, çok çeşitli organizmalarda mevsimsel olayları düzenleyen genel ve önemli bir adaptasyondur. Bitkilerde ve hayvanlarda fotoperiyodizmin incelenmesi, organizmaların ışığa tepkisinin gün boyunca belirli bir süre boyunca değişen ışık ve karanlık dönemlerine dayandığını göstermiştir. Organizmaların (tek hücrelilerden insanlara kadar) gece ve gündüzün uzunluğuna verdikleri tepki, onların zamanı ölçebildiklerini göstermektedir. Bir çeşit biyolojik saatleri var. Biyolojik saatler, mevsimsel döngülere ek olarak, diğer birçok biyolojik olayı kontrol eder ve hem tüm organizmaların aktivitesinin hem de hücresel düzeyde, özellikle hücre bölünmesinde bile meydana gelen süreçlerin doğru günlük ritmini belirler.

Virüslerden mikroorganizmalara kadar tüm canlıların evrensel bir özelliği. yüksek bitkiler ve hayvanlarda, vücudun belirli özelliklerinde değişikliklere yol açan, genetik materyalde ani, doğal ve yapay olarak meydana gelen, kalıtsal değişiklikler olan mutasyonlar verme yeteneğidir. Mutasyonel değişkenlik çevresel koşulları karşılamaz ve kural olarak mevcut adaptasyonları bozar.

Pek çok böcek, gelişimin belirli bir aşamasında diapoza (gelişimde uzun bir duraklama) girer ve bu, olumsuz koşullarda dinlenme durumuyla karıştırılmamalıdır. Birçok deniz hayvanının üremesi ay ritimlerinden etkilenir.

Circanian (yıllık) ritimler, biyolojik süreçlerin ve olayların yoğunluğunda ve doğasında 10 ila 13 aylık bir süre boyunca tekrarlanan değişikliklerdir.

İnsanın fiziksel ve psikolojik durumunun da ritmik bir karakteri vardır.

Çalışma ve dinlenme ritminin bozulması performansı düşürür ve insan sağlığını olumsuz etkiler. Bir kişinin aşırı koşullardaki durumu, bu koşullara hazırlık derecesine bağlı olacaktır, çünkü pratikte uyum ve iyileşme için zaman yoktur.

Sayfa 1

Büyük Jeolojik Döngü, tortul kayaları yer kabuğunun derinliklerine çeker ve içerdikleri elementleri biyolojik dolaşım sisteminden kalıcı olarak dışlar. Jeolojik tarih boyunca, bir kez daha Dünya yüzeyinde bulunan dönüşmüş tortul kayaçlar, canlı organizmaların, suyun ve havanın faaliyetleriyle yavaş yavaş yok edilir ve yeniden biyosfer döngüsüne dahil edilir.

Büyük Jeolojik Döngü yüzbinlerce veya milyonlarca yıl boyunca gerçekleşir. Şöyle: Kayalar tahribata maruz kalıyor, hava koşullarına maruz kalıyor ve sonunda su akıntılarıyla Dünya Okyanusu'na sürükleniyor. Burada dipte birikerek tortu oluştururlar ve insanlar veya diğer hayvanlar tarafından sudan uzaklaştırılan organizmalarla birlikte yalnızca kısmen karaya geri dönerler.

Büyük jeolojik döngünün temeli, mineral bileşiklerinin canlı maddenin katılımı olmadan gezegen ölçeğinde bir yerden başka bir yere aktarılması sürecidir.

Küçük döngüye ek olarak büyük bir jeolojik döngü de vardır. Bazı maddeler Dünya'nın derin katmanlarına (deniz dibi çökeltileri veya başka yollarla) girer ve burada oluşumla birlikte yavaş dönüşümler meydana gelir. çeşitli bağlantılar, mineral ve organik. Jeolojik döngünün süreçleri esas olarak aktif çekirdeği olan Dünyanın iç enerjisi tarafından desteklenir. Aynı enerji, maddelerin Dünya yüzeyine salınmasına katkıda bulunur. Böylece maddelerin büyük döngüsü kapanır. Milyonlarca yıl sürer.

Maddelerin büyük jeolojik döngüsünün hızı ve yoğunluğu ile ilgili olarak, şu anda kesin bir veri sağlamak imkansızdır; yalnızca yaklaşık tahminler vardır ve bu da yalnızca genel döngünün dışsal bileşeni için, yani. mantodan yer kabuğuna madde akışını hesaba katmadan.

Bu karbon büyük jeolojik döngüde yer alır. Bu karbon, küçük biyotik döngü sürecinde biyosferin ve genel olarak yaşamın gaz dengesini korur.

Biyosfer ve teknosfer bileşenlerinin Dünya'nın maddelerinin geniş jeolojik döngüsüne katkısı çok önemlidir: İnsan üretim faaliyetinin kapsamının genişlemesi nedeniyle teknosfer bileşenlerinin sürekli artan bir büyümesi vardır.

O zamandan beri yeryüzü ana tekno-jeokimyasal akış, karaların %70'i okyanusa ve %30'u kapalı, drenajsız çöküntülere doğru, ancak her zaman yüksek kotlardan alçak olanlara doğru geniş bir jeolojik madde döngüsü çerçevesinde yönlendirilir. aksiyon yerçekimi kuvvetleri Buna göre yerkabuğunun maddesinde yükseklerden alçaklara, karalardan okyanuslara doğru bir farklılaşma söz konusudur. Ters akışlar (atmosferik taşınım, insan faaliyetleri, tektonik hareketler, volkanizma, organizmaların göçü), maddenin bu genel aşağıya doğru hareketini bir dereceye kadar karmaşıklaştırarak yerel göç döngüleri yaratır, ancak bunu bir bütün olarak değiştirmez.

Suyun kara ve okyanus arasındaki atmosferdeki dolaşımı büyük jeolojik döngünün bir parçasıdır. Su, okyanusların yüzeyinden buharlaşır ve ya karaya taşınır, burada yağış olarak düşer, yüzey ve yer altı akışı şeklinde okyanusa geri döner ya da okyanus yüzeyine yağış olarak düşer. Dünyadaki su döngüsüne yılda 500 bin km3'ten fazla su katılıyor. Genel olarak su döngüsü oluşumda önemli bir rol oynar. doğal şartlar gezegenimizde. Suyun bitkiler tarafından terlemesi ve biyojeokimyasal döngüde emilmesi dikkate alındığında, Dünya'daki tüm su kaynağı 2 milyon yıl içinde bozulmakta ve yenilenmektedir.

Formülasyonuna göre, maddelerin biyolojik döngüsü, doğadaki maddelerin büyük, jeolojik döngüsünün yörüngesinin bir kısmında gelişir.

Maddenin yüzey ve yeraltı suları yoluyla aktarımı, dünya topraklarının jeokimyasal açıdan farklılaşmasında ana faktördür, ancak tek faktör değildir ve genel olarak dünya yüzeyindeki maddelerin büyük jeolojik dolaşımından bahsedersek, o zaman akışlar olur. özellikle okyanus ve atmosferik ulaşımda çok önemli bir rol oynamaktadır.

Maddelerin büyük jeolojik döngüsünün hızı ve yoğunluğu ile ilgili olarak, herhangi bir doğru veri sağlamak şu anda imkansızdır; yalnızca yaklaşık tahminler vardır ve bu da yalnızca genel döngünün dışsal bileşeni için, yani. mantodan yer kabuğuna madde akışını hesaba katmadan. Maddelerin büyük jeolojik döngüsünün dışsal bileşeni, dünya yüzeyinin sürekli devam eden bir aşındırma sürecidir.

İLE endojen süreçler şunları içerir: magmatizma, metamorfizma (yüksek sıcaklık ve basınç etkisi), volkanizma, yer kabuğunun hareketi (depremler, dağ oluşumu).

İLE dışsal– hava koşulları, atmosferik ve yüzey suları denizler, okyanuslar, hayvanlar, bitki organizmaları ve özellikle insanlar - teknogenez.

İç ve dış ortam arasındaki etkileşim dış süreçler formlar maddelerin büyük jeolojik döngüsü.

Endojen süreçler sırasında dağ sistemleri, tepeler ve okyanus çöküntüleri oluşur, ekzojen süreçler sırasında magmatik kayaçlar yok edilir, yıkım ürünleri nehirlere, denizlere, okyanuslara taşınır ve tortul kayaçlar oluşur. Yer kabuğunun hareketi sonucunda tortul kayaçlar derin katmanlara batar, metamorfizma süreçlerine (yüksek sıcaklık ve basınç etkisi) uğrar ve metamorfik kayaçlar oluşur. Daha derin katmanlarda erimiş hale gelirler...
durum (magmatizasyon). Daha sonra volkanik süreçler sonucunda litosferin üst katmanlarına magmatik kayaçlar şeklinde yüzeyine girerler. Toprağı oluşturan kayaçlar bu şekilde oluşur ve çeşitli şekiller rahatlama.

Kayalar Toprağın oluştuğu toprak oluşturan veya ebeveyn olarak adlandırılır. Oluşum koşullarına göre magmatik, metamorfik ve tortul olmak üzere üç gruba ayrılırlar.

Volkanik taşlar silikon, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na bileşiklerinden oluşur. Bu bileşiklerin oranına bağlı olarak asidik ve bazik kayaçlar ayırt edilir.

Asidik (granitler, liparit, pegmatit) yüksek miktarda silika (%63'ten fazla), potasyum ve sodyum oksitler (%7-8), kalsiyum ve Mg oksitler (%2-3) içerir. Açık ve kahverengi renktedirler. Bu tür kayalardan oluşan topraklar gevşek bir dokuya, yüksek asitliğe ve düşük verimliliğe sahiptir.

Temel magmatik kayaçlar (bazaltlar, dünitler, perioditler), düşük SiO2 içeriği (%40-60), yüksek CaO ve MgO içeriği (%20'ye kadar), demir oksitler (%10-20), Na2 ile karakterize edilir. O ve daha az K 2 O %30'dan az.

Bazik kayaların ayrışma ürünleri üzerinde oluşan topraklar alkali ve nötr reaksiyona, bol miktarda humusa ve yüksek verimliliğe sahiptir.

Magmatik kayaçlar toplam kaya kütlesinin %95'ini oluşturur, ancak toprağı oluşturan kayalar olarak yer alırlar. küçük alanlar(dağlarda).

Metamorfik kayaçlar Magmatik ve tortul kayaçların yeniden kristalleşmesi sonucu oluşur. Bunlar mermer, gnays, kuvarstır. Küçük bir yer işgal et spesifik yer çekimi toprak oluşturan kayalar olarak.

Tortul kayaçlar. Oluşumları magmatik ve metamorfik kayaların ayrışması, ayrışma ürünlerinin su, buzul ve hava akımı ve kara yüzeyinde, okyanusların, denizlerin, göllerin dibinde ve nehir taşkın yataklarında birikme.

Bileşimlerine göre tortul kayaçlar kırıntılı, kemojenik ve biyojenik olarak ayrılır.

Klastik yataklar Enkaz ve parçacıkların boyutları farklılık gösterir: bunlar kayalar, taşlar, çakıl, kırma taş, kum, balçık ve kildir.

Kemojenik birikintiler tuzların çökelmesi sonucu oluşur sulu çözeltiler deniz koylarında, sıcak iklimlerdeki göllerde veya kimyasal reaksiyonlar sonucu ortaya çıkar.

Bunlar halojenürleri (kaya ve potasyum tuzu), sülfatları (alçıtaşı, anhidrit), karbonatları (kireçtaşı, marn, dolomit), silikatları, fosfatları içerir. Birçoğu çimento, kimyasal gübre üretimi için hammaddedir ve tarımsal cevher olarak kullanılır.

Biyojenik çökeltiler bitki ve hayvan kalıntılarının birikmesiyle oluşur. Bunlar: karbonat (biyojenik kireçtaşı ve tebeşir), silisli (dolomit) ve karbonlu kayaçlardır (kömür, turba, sapropel, petrol, gaz).

Tortul kayaçların ana genetik türleri şunlardır:

1. Elüvyal yataklar- oluşum tabakasında kalan kayaların ayrışma ürünleri. Eluvium, erozyonun zayıf bir şekilde ifade edildiği havzaların üst kısımlarında bulunur.

2. Kolüvyon yatakları– Yamaçların alt kısmında geçici yağmur akıntıları ve eriyen sular tarafından biriktirilen erozyon ürünleri.

3. Proluvial mevduat- geçici dağ nehirleri ve yamaçların eteklerindeki taşkınlar tarafından hava koşullarına maruz kalan ürünlerin taşınması ve birikmesi sonucu oluşmuştur.

4. Alüvyon çökeltileri- yüzey akışıyla birlikte giren nehir sularının ayrışma ürünlerinin birikmesi sonucu oluşur.

5. Göl çökeltileri– göllerin dip çökeltileri. Organik madde içeriği yüksek (%15-20) siltlere sapropel denir.

6. Deniz çökeltileri– denizlerin dip çökeltileri. Denizlerin geri çekilmesi (geçmesi) sırasında toprak oluşturan kayalar halinde kalırlar.

7. Buzul (buzul) veya moren yatakları- Buzul tarafından taşınan ve biriktirilen çeşitli kayaların ayrışma ürünleri. Bu, taş, kayalar ve çakıl taşları içeren, kırmızı-kahverengi veya gri renkli, sıralanmamış kaba bir malzemedir.

8. Flüvioglasiyal (fluvioglasiyal) yataklar Buzulun erimesiyle oluşan geçici su yolları ve kapalı rezervuarlar.

9. Kaplama kili Buzul dışı birikintilere aittir ve sığ buzul çevresi eriyik su taşkınlarının birikintileri olarak kabul edilir. Üstlerini 3-5 m. kalınlığında kök boyayla örterler, sarı-kahverengi renkte, iyi boylanmış, taş ve kaya içermezler. Örtü tınlı topraklar kök boyaya göre daha verimlidir.

10. Lös ve lös benzeri tınlılar Açık kahverengi bir renk, yüksek miktarda tozlu ve siltli fraksiyonlar, gevşek bir bileşim, yüksek gözeneklilik ve yüksek miktarda kalsiyum karbonat içeriği ile karakterize edilirler. Verimli gri ormanlar, kestane toprakları, çernozemler ve gri topraklar oluşturdular.

11. Aeolian yatakları Rüzgâr etkinliğinin bir sonucu olarak oluşmuştur. Rüzgârın yıkıcı etkisi korozyon (kayaların keskinleşmesi, kumun öğütülmesi) ve sönme (rüzgarla küçük toprak parçacıklarının uçup gitmesi ve taşınması) içerir. Bu süreçlerin her ikisi birlikte ele alındığında rüzgar erozyonunu oluşturmaktadır.

İçeriği gösteren temel diyagramlar, formüller vb.: ayrışma türlerinin fotoğraflarıyla sunum.

Kendini kontrol etmeye yönelik sorular:

1. Hava koşulları nedir?

2. Magmatizasyon nedir?

3. Fiziksel ve kimyasal ayrışma arasındaki fark nedir?

4. Maddelerin jeolojik döngüsü nedir?

5. Dünyanın yapısını açıklayınız?

6. Magma nedir?

7. Dünyanın çekirdeği hangi katmanlardan oluşur?

8. Irklar nelerdir?

9. Irklar nasıl sınıflandırılır?

10. Lös nedir?

11. Grup nedir?

12. Hangi özelliklere organoleptik denir?

Ana:

1.Dobrovolsky V.V. Toprak biliminin temelleri ile toprak coğrafyası: Üniversiteler için ders kitabı. — M.: İnsancıl. ed. VLADOS Merkezi, 1999.-384 s.

2. Toprak Bilimi / Ed. DIR-DİR. Kauricheva. M. Agropromiadat ed. 4. 1989.

3. Toprak Bilimi / Ed. V.A. Kovdy, B.G. Rozanov 2 bölümde M. Yüksek Lisans 1988.

4. Glazovskaya M.A., Gennadiev A.I. Toprak biliminin temelleri ile toprak coğrafyası MSU. 1995

5. Rode A.A., Smirnov V.N. Toprak Bilimi. M. Yüksek Okulu, 1972

Ek olarak:

1. Glazovskaya M.A. Genel toprak bilimi ve toprak coğrafyası. M. Yüksek Okulu 1981

2.Kovda V.A. Toprak çalışmalarının temelleri. M. Nauka.1973

3. Liverovsky A.S. SSCB'nin toprakları. M. Mysl 1974

4. Rozanov B. G. Dünyanın toprak örtüsü. M.ed. U.1977

5. Aleksandrova L.N., Naydenova O.A. Toprak biliminde laboratuvar ve uygulamalı dersler. L. Agropromizdat. 1985

Dünyanın biyosferi belirli bir madde döngüsü ve enerji akışı ile karakterize edilir. Maddelerin döngüsü, Dünya'nın biyosferinin bir parçası olan katmanlar da dahil olmak üzere atmosferde, hidrosferde ve litosferde meydana gelen süreçlere maddelerin tekrar tekrar katılımıdır. Maddenin dolaşımı, Güneş'ten sürekli olarak dış enerji ve Dünya'dan iç enerji sağlanmasıyla gerçekleşir.

Bağlı olarak itici güç Madde döngüsü içerisinde jeolojik (büyük döngü), biyolojik (biyojeokimyasal, küçük döngü) ve antropojenik döngüler ayırt edilebilir.

Jeolojik döngü (biyosferdeki maddelerin büyük döngüsü)

Bu döngü, maddeyi biyosfer ile Dünya'nın daha derin ufukları arasında yeniden dağıtır. Bu sürecin arkasındaki itici güç dışsal ve içsel jeolojik süreçlerdir. Endojen süreçler, Dünyanın iç enerjisinin etkisi altında meydana gelir. Bu, radyoaktif bozunma, mineral oluşumunun kimyasal reaksiyonları vb. sonucunda açığa çıkan enerjidir. Endojen süreçler, örneğin tektonik hareketleri ve depremleri içerir. Bu süreçler büyük yer şekillerinin (kıtalar, okyanus havzaları, dağlar ve ovalar) oluşmasına yol açar. Ekzojen süreçler Güneş'ten gelen dış enerjinin etkisi altında meydana gelir. Bunlar atmosferin, hidrosferin, canlı organizmaların ve insanların jeolojik aktivitesini içerir. Bu süreçler büyük kabartma formlarının (nehir vadileri, tepeler, vadiler vb.) yumuşatılmasına yol açar.

Jeolojik döngü milyonlarca yıl devam eder ve kayaların yok edilmesi ve hava koşullarına maruz kalan ürünlerin (suda çözünebilen besinler dahil) su akışlarıyla Dünya Okyanusu'na taşınması, burada deniz katmanlarını oluşturması ve ancak kısmen karaya geri dönmesinden oluşur. yağış. Jeotektonik değişimler, kıtaların çökmesi ve deniz yatağının yükselmesi süreçleri, denizlerin ve okyanusların uzun bir süre boyunca hareketi, bu tabakaların karaya dönmesine ve sürecin yeniden başlamasına yol açmaktadır. Bu madde döngüsünün sembolü daire değil spiraldir, çünkü yeni döngü eskisini tam olarak tekrarlamıyor, ancak yeni bir şey getiriyor.

Büyük döngü, atmosfer boyunca kara ve okyanus arasındaki su döngüsünü (hidrolojik döngü) ifade eder (Şekil 3.2).

Su döngüsü bir bütün olarak gezegenimizdeki doğal koşulların şekillenmesinde önemli bir rol oynuyor. Suyun bitkiler tarafından terlemesi ve biyojeokimyasal döngüde emilmesi dikkate alındığında, Dünya'daki suyun tamamı bozulur ve 2 milyon yıl içinde yeniden oluşur.

Pirinç. 3. 2. Biyosferdeki su döngüsü.

Hidrolojik döngüde hidrosferin tüm kısımları birbirine bağlıdır. Yılda 500 bin km3'ten fazla su katılıyor. Bu sürecin arkasındaki itici güç güneş enerjisidir. Güneş enerjisinin etkisiyle su molekülleri ısınarak gaz halinde atmosfere yükselir (her gün 875 km3 tatlı su buharlaşır). Yükseldikçe yavaş yavaş soğur, yoğunlaşır ve bulutları oluştururlar. Bulutlar yeterince soğuduktan sonra çeşitli yağışlar halinde suyu okyanusa geri bırakırlar. Yere ulaşan su iki farklı yolu izleyebilir: ya toprağın içine girerek (sızma) ya da içinden akarak (yüzey akışı). Yüzeyde su, okyanusa veya buharlaşmanın meydana geldiği diğer yerlere doğru akarsulara ve nehirlere akar. Toprağa emilen su tutulabilir üst katmanlar(ufuklar) ve terleme yoluyla atmosfere geri dönerler. Bu suya kılcal denir. Yerçekimi tarafından taşınan ve gözeneklerden ve çatlaklardan aşağıya sızan suya yerçekimi denir. Yerçekimi suyu, aşılmaz bir kaya veya yoğun kil tabakasına sızarak tüm boşlukları doldurur. Bu tür rezervlere yeraltı suyu denir ve bunların üst sınırı yeraltı suyu seviyesidir. Yeraltı suyunun yavaşça aktığı yeraltı kaya katmanlarına akiferler denir. Yerçekiminin etkisi altında, yeraltı suyu bir "çıkış yolu" bulana kadar akifer boyunca hareket eder (örneğin, gölleri, nehirleri, göletleri besleyen doğal kaynaklar oluşturarak, yani yüzey suyunun bir parçası haline gelirler). Böylece su döngüsü üç ana “döngü” içerir: yüzeysel akış, buharlaşma-terleme, yeraltı suyu. Dünyadaki su döngüsü yılda 500 bin km3'ten fazla su içerir ve doğal koşulların oluşmasında büyük rol oynar.

Biyolojik (biyojeokimyasal) döngü

(biyosferdeki küçük madde döngüsü)

Maddelerin biyolojik döngüsünün itici gücü canlı organizmaların aktivitesidir. Daha büyük olanın bir parçasıdır ve ekosistem düzeyinde biyosferde meydana gelir. Küçük döngü, besinlerin, suyun ve karbonun bitkilerin (ototroflar) maddesinde birikmesi, hem bitkilerin hem de bu bitkileri yiyen diğer organizmaların (genellikle hayvanlar - heterotroflar) vücutlarının inşasına ve yaşam süreçlerine harcanmasından oluşur. Ayrıştırıcıların ve mikroorganizmaların (bakteri, mantar, solucanlar) etkisi altındaki organik maddenin çürüme ürünleri tekrar mineral bileşenlere ayrışır. Bu inorganik maddeler, ototroflar tarafından organik maddelerin sentezi için yeniden kullanılabilir.

Biyojeokimyasal döngülerde, rezerv fonu (canlı organizmalarla ilişkili olmayan maddeler) ve değişim fonu (organizmalar ve yakın çevreleri arasında doğrudan değişimle ilişkili maddeler) arasında bir ayrım yapılır.

Rezerv fonunun konumuna bağlı olarak biyojeokimyasal döngüler iki türe ayrılır:

Atmosferde ve hidrosferde madde rezervi bulunan gaz tipi döngüler (karbon, oksijen, nitrojen döngüleri).

Yer kabuğunda rezerv fonu bulunan tortul döngüler (fosfor, kalsiyum, demir vb. döngüleri).

Büyük bir değişim fonuna sahip olan gaz tipi dolaşımlar daha mükemmeldir. Ayrıca hızlı bir şekilde kendi kendini düzenleme yeteneğine sahiptirler. Tortul döngüler daha az mükemmeldir, daha hareketsizdirler, çünkü maddenin büyük kısmı yer kabuğunun rezerv fonunda canlı organizmaların erişemeyeceği bir biçimde bulunur. Bu tür döngüler çeşitli etkilerle kolayca bozulur ve değiştirilen malzemenin bir kısmı döngüden çıkar. Ancak jeolojik süreçler sonucunda ya da canlı maddeler tarafından çıkarılmasıyla tekrar döngüye dönebilir.

Biyolojik döngünün yoğunluğu ortam sıcaklığına ve su miktarına göre belirlenir. Örneğin tropik yağmur ormanlarında biyolojik döngü tundraya göre daha yoğundur.

Ana girdaplar besinler ve elementler

Karbon döngüsü

Dünyadaki tüm yaşam karbona dayalıdır. Canlı bir organizmanın her molekülü bir karbon iskeleti temelinde inşa edilmiştir. Karbon atomları sürekli olarak biyosferin bir kısmından diğerine göç eder (Şekil 3.3.).

Pirinç. 3. 3. Karbon döngüsü.

Dünyadaki ana karbon rezervleri atmosferde bulunan ve okyanuslarda çözünmüş karbondioksit (CO2) formundadır. Bitkiler fotosentez sırasında karbondioksit moleküllerini emer. Bunun sonucunda karbon atomu çeşitli organik bileşiklere dönüştürülür ve böylece bitkilerin yapısına dahil edilir. Aşağıda birkaç seçenek bulunmaktadır:

· bitkilerde karbon kalıntıları ® bitki molekülleri ayrıştırıcılar (ölü organik maddelerle beslenen ve aynı zamanda onu basit inorganik bileşiklere parçalayan organizmalar) için besin olarak kullanılır ® karbon atmosfere CO2 olarak geri döner;

· bitkiler otçullar tarafından yenir ® karbon, hayvanların solunumu sırasında ve ölümden sonra çürümeleri sırasında atmosfere geri döner; ya da otoburlar etoburlar tarafından yenilecek ve daha sonra karbon aynı yollarla tekrar atmosfere geri dönecek;

· Bitkiler ölümden sonra fosil yakıtlara (örneğin kömür) dönüşürler. ® Karbon, yakıt kullanımı, volkanik patlamalar ve diğer jeotermal süreçlerin ardından atmosfere geri döner.

Orijinal CO2 molekülünün deniz suyunda çözünmesi durumunda, birkaç seçenek de mümkündür: karbondioksit basitçe atmosfere geri dönebilir (Dünya Okyanusu ile atmosfer arasında bu tür karşılıklı gaz değişimi sürekli olarak meydana gelir); karbon, deniz bitkilerinin veya hayvanlarının dokularına girebilir, daha sonra yavaş yavaş dünya okyanuslarının dibinde çökeltiler halinde birikecek ve sonunda kireç taşına dönüşecek veya çökeltilerden tekrar deniz suyuna geçecektir.

CO2 döngüsü oranı yaklaşık 300 yıldır.

Karbon döngüsüne insan müdahalesi (kömürün, petrolün, gazın yakılması, nem alma) atmosferdeki CO2 içeriğinin artmasına ve karbonun gelişmesine neden olur. sera etkisi. Şu anda, karbon döngüsünün incelenmesi, atmosfer çalışmasına katılan bilim adamları için önemli bir görev haline geldi.

Oksijen döngüsü

Oksijen Dünya'da en çok bulunan elementtir (deniz suyunda %85,82 oksijen bulunur), atmosferik hava%23,15, yer kabuğunda %47,2. Oksijen bileşikleri yaşamı sürdürmek için vazgeçilmezdir (metabolik süreçlerde ve solunumda hayati bir rol oynarlar, organizmaların "inşa edildiği" proteinlerin, yağların, karbonhidratların bir parçasıdırlar). Oksijenin büyük kısmı bağlı durumdadır (atmosferdeki moleküler oksijen miktarı, yer kabuğundaki toplam oksijen içeriğinin yalnızca %0,01'idir).

Oksijen birçok kimyasal bileşikte bulunduğundan biyosferdeki döngüsü çok karmaşıktır ve esas olarak atmosfer ile canlı organizmalar arasında gerçekleşir. Atmosferdeki oksijen konsantrasyonu fotosentez ile korunur, bunun sonucunda yeşil bitkiler güneş ışığının etkisi altında karbondioksit ve suyu karbonhidratlara ve oksijene dönüştürür. Oksijenin büyük kısmı kara bitkileri tarafından üretilir (neredeyse ¾'ü, geri kalanı ise) Dünya Okyanusu'ndaki fotosentetik organizmalar tarafından üretilir. Güçlü bir oksijen kaynağı, güneşin ultraviyole ışınlarının etkisi altında atmosferin üst katmanlarındaki su buharının fotokimyasal ayrışmasıdır. Ayrıca oksijen suyun bileşimine girerek en önemli döngüyü tamamlar. Ultraviyole radyasyonun etkisi altında ozondan az miktarda oksijen oluşur.

Oksijen döngüsünün hızı yaklaşık 2 bin yıldır.

Ormansızlaşma, toprak erozyonu ve çeşitli yüzey madenciliği, toplam fotosentez kütlesini azaltır ve geniş alanlardaki oksijen döngüsünü azaltır. Ayrıca asimilasyon sonucu oluşan oksijenin %25'i yıllık olarak endüstriyel ve evsel ihtiyaçlar için tüketilmektedir.

Nitrojen döngüsü

Biyojeokimyasal nitrojen döngüsü, önceki döngüler gibi biyosferin tüm alanlarını kapsar (Şekil 3.4).

Pirinç. 3. 4. Azot döngüsü.

Azot dünya atmosferine iki atomlu moleküller halinde bağlanmamış bir formda girer (atmosferin toplam hacminin yaklaşık% 78'i nitrojendir). Ayrıca azot bitki ve hayvan organizmalarında proteinler halinde bulunur. Bitkiler topraktan nitratları emerek protein sentezlerler. Nitratlar, toprakta bulunan atmosferik nitrojen ve amonyum bileşiklerinden oluşur. Atmosferdeki azotun bitki ve hayvanların kullanabileceği forma dönüştürülmesi işlemine azot fiksasyonu denir. Organik madde çürüdüğünde, içerdikleri nitrojenin önemli bir kısmı amonyağa dönüştürülür ve bu, toprakta yaşayan nitrifikasyon bakterilerinin etkisi altında daha sonra nitrik asite oksitlenir. Bu asit topraktaki karbonatlarla (örneğin kalsiyum karbonat CaCO3) reaksiyona girerek nitratları oluşturur. Azotun bir kısmı bozunma sırasında her zaman serbest formda atmosfere salınır. Ayrıca organik maddelerin yanması sırasında, odun, kömür ve turbanın yanması sırasında serbest nitrojen açığa çıkar. Ayrıca, hava erişiminin yetersiz olması durumunda nitratlardan oksijeni alıp onları yok eden ve serbest nitrojeni serbest bırakan bakteriler de vardır. Denitrifikasyon bakterilerinin aktivitesi, yeşil bitkilerde mevcut olan formdaki nitrojenin bir kısmının (nitratlar) erişilemez hale gelmesine (serbest nitrojen) yol açar. Bu nedenle, ölü bitkilerin bir parçası olan nitrojenin tamamı toprağa geri dönmez (bir kısmı yavaş yavaş serbest formda salınır).

Azot kayıplarını telafi eden işlemler, her şeyden önce atmosferde meydana gelen ve her zaman belirli miktarda nitrojen oksit üreten (ikincisi, suyla birlikte nitrik asit üretir ve bu da toprakta nitratlara dönüşür) elektrik deşarjlarını içerir. Toprak nitrojen bileşiklerinin yenilenmesinin bir başka kaynağı da, atmosferik nitrojeni özümseyebilen azotobakterilerin hayati aktivitesidir. Bu bakterilerin bir kısmı baklagil ailesinden bitkilerin köklerine yerleşerek karakteristik şişliklerin - nodüllerin oluşmasına neden olur. Nodül bakterileri, atmosferik nitrojeni asimile ederek onu nitrojen bileşiklerine dönüştürür ve bitkiler de ikincisini proteinlere ve diğerlerine dönüştürür. karmaşık maddeler. Böylece doğada sürekli bir azot döngüsü meydana gelir.

Her yıl hasatla birlikte bitkilerin protein açısından en zengin kısımlarının (örneğin tahıl) tarlalardan uzaklaştırılması nedeniyle toprak, besin maddelerinin en önemli elementlerinin kaybını telafi etmek için gübre uygulanmasına "ihtiyaç duyar". bitki beslenmesi. Başlıca kalsiyum nitrat (Ca(NO)2), amonyum nitrat (NH4NO3), sodyum nitrat (NANO3) ve potasyum nitrat (KNO3) kullanılmaktadır. Ayrıca kimyasal gübre yerine baklagiller familyasından bitkilerin kendisi kullanılmaktadır. Yapay sayısı ise azotlu gübreler Toprağa çok fazla karışırsa nitratlar insan vücuduna girer ve burada oldukça toksik olan ve kansere neden olabilen nitritlere dönüştürülebilir.

Fosfor döngüsü

Fosforun büyük kısmı geçmiş jeolojik çağlarda oluşan kayalarda bulunur. Yer kabuğundaki fosfor içeriği% 8 - 10 ila 20 (ağırlıkça) arasında değişir ve burada doğal fosfatların - apatit ve fosforitlerin bir parçası olan mineraller (florapatit, klorapatit vb.) formunda bulunur. Fosfor, kayaların aşınması sonucu biyojeokimyasal döngüye girebilir. Erozyon süreçleri fosforu denize apatit minerali şeklinde taşır. Canlı organizmalar fosfor dönüşümlerinde önemli bir rol oynar. Organizmalar fosforu topraktan ve sulu çözeltilerden alırlar. Fosfor daha sonra besin zincirleri yoluyla aktarılır. Organizmaların ölümüyle birlikte fosfor toprağa ve deniz çamuruna geri döner ve deniz fosfat birikintileri şeklinde yoğunlaşır, bu da fosfor açısından zengin kayaların oluşması için koşullar yaratır (Şekil 3. 5.).

Pirinç. 3.5. Biyosferdeki fosfor döngüsü (P. Duvigneau, M. Tang, 1973'e göre; değiştirildiği şekliyle).

Fosforlu gübreler yanlış kullanılırsa, su ve rüzgar erozyonu (su veya rüzgarın etkisi altında tahribat) sonucu topraktan büyük miktarda fosfor uzaklaştırılır. Bu, bir yandan aşırı fosforlu gübre tüketimine ve fosfor içeren cevher rezervlerinin tükenmesine yol açmaktadır.

Öte yandan, taşındığı su yollarında artan fosfor içeriği, su bitkilerinin biyokütlesinde hızlı bir artışa, “su kütlelerinin çiçek açmasına” ve bunların ötrofikasyonuna (besinlerin zenginleşmesine) neden olur.

Bitkiler topraktan önemli miktarda fosfor çıkardığından ve topraktaki fosfor bileşiklerinin doğal olarak yenilenmesi son derece önemsiz olduğundan, fosforlu gübrelerin toprağa uygulanması verimliliği artırmanın en önemli önlemlerinden biridir. Dünyada yılda yaklaşık 125 milyon ton fosfat cevheri çıkarılıyor. Çoğu fosfatlı gübre üretimine harcanıyor.

Kükürt döngüsü

Kükürtün ana rezerv fonu çökeltilerde, toprakta ve atmosferde bulunur. Kükürtün biyojeokimyasal döngüye dahil edilmesindeki ana rol mikroorganizmalara aittir. Bunlardan bazıları indirgeyici ajanlar, bazıları ise oksitleyici ajanlardır (Şekil 3. 6.).

Pirinç. 3. 6. Kükürt döngüsü (Yu. Odum, 1975'e göre).

Doğada, çeşitli demir, kurşun, çinko vb. sülfürler büyük miktarlarda bilinmektedir.Sülfit sülfür, biyosferde sülfat sülfüre oksitlenir. Sülfatlar bitkiler tarafından emilir. Canlı organizmalarda kükürt amino asitlerin ve proteinlerin bir parçasıdır ve bitkilerde ayrıca uçucu yağlar vesaire. Topraktaki ve deniz çamurundaki organizma kalıntılarının yok edilme süreçlerine kükürtün karmaşık dönüşümleri eşlik eder (mikroorganizmalar çok sayıda ara kükürt bileşiği oluşturur). Canlı organizmaların ölümünden sonra topraktaki kükürtün bir kısmı mikroorganizmalar tarafından H2S'ye indirgenir, diğer kısmı ise sülfatlara oksitlenir ve tekrar döngüye dahil olur. Ortaya çıkan hidrojen sülfür atmosferde oksitlenir ve çökelmeyle birlikte toprağa geri döner. Ek olarak, hidrojen sülfür "ikincil" sülfürleri yeniden oluşturabilir ve sülfat sülfür alçıtaşı oluşturur. Buna karşılık, sülfitler ve alçıtaşı yeniden yok edilir ve sülfür göçüne devam eder.

Ayrıca volkanlar tarafından atmosfere SO2, SO3, H2S ve elementel kükürt formundaki kükürt salınır.

Kükürt döngüsü insan müdahalesiyle bozulabilir. Bunun nedeni kömürün yakılması ve kimya endüstrisinden kaynaklanan emisyonlardır; bu da fotosentez süreçlerini bozan ve bitki örtüsünün ölümüne yol açan kükürt dioksit oluşumuna neden olur.

Böylece biyojeokimyasal döngüler biyosferin homeostazisini sağlar. Ancak insan etkisine karşı büyük ölçüde hassastırlar. Ve insanların en güçlü anti-ekolojik eylemlerinden biri, doğal döngülerin bozulması ve hatta yok edilmesiyle ilişkilidir (döngüsel olmayan hale gelirler).

Antropojenik döngü

Antropojenik döngünün itici gücü insan faaliyetleridir. Bu döngü iki bileşeni içerir: biyolojik, insanların canlı bir organizma olarak işleyişiyle ilişkili ve teknik, insanların ekonomik faaliyetleriyle ilişkili. Antropojenik döngü, jeolojik ve biyolojik döngülerin aksine kapalı değildir. Bu kapanma eksikliği doğal kaynakların tükenmesine ve doğal çevrenin kirlenmesine neden olmaktadır.