Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция




Скачать 99.16 Kb.
НазваниеЛекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция
Дата публикации19.02.2014
Размер99.16 Kb.
ТипЛекция
zadocs.ru > Химия > Лекция
Лекция 23.11.11 Биогенез и техногенная миграция
Общий биогеохимический круговорот элементов включает биогеохимические циклы отдельных химических элементов. Наиболее важное значение в функционировании биосферы в целом и отдельных геосистем более низкого уровня играют круговороты нескольких химических элементов, самых необходимых для живых организмов в связи с их ролью в составе живого вещества и физиологических процессах. К числу таких наиболее необходимых химических элементов относятся углерод, кислород, азот, сера, фосфор, калий. кальций, железо.

^ Способы синтеза живой материи

Фотосинтез и минерализация. Растения, имеющие в качестве катализатора хлорофилл, способные с помощью реакции фотосинтеза генерировать исходные для всей остальной биосферы растительные углеводы, называются автотрофами. При фотосинтезе в качестве побочного продукта выделяется кислород, который поступает в атмосферу Для этого растениям необходимы углекислота, которую они берут из атмосферы, вода и минеральные вещества, которые они берут из почвы и еще – фотоны света, которые им дает солнце. Остальное дело техники. Углеводы, передвигаясь от листьев к стеблям и далее к корневой системе, превращаются затем в еще более сложные органические вещества. При этом азот и сера входят в состав белков, а фосфор, например, в состав нуклепротеидов. Так происходит геохимическая аккумуляция солнечной энергии в тканях растений и, которая потом переходит к травоядным животным, а далее к хищникам. Кроме этого происходит и биогенная аккумуляция химических элементов, которые с помощью весьма прочных ковалентных связей в органических молекулах запечатываются в них на срок жизни организма. После смерти животного с помощью микроорганизмов происходит обратный процесс – превращение сложных органических молекул в простые, происходит минерализация трупов. Образуются углекислота, аммиак, метан, вода, органические кислоты, гумус, гумины, которые поступают в почву и атмосферу - круг замыкается. Биотехнологический цикл почти замкнут, почти, потому что местами образуются некоторые избыточные вещества. Например, в болотах при недостатке кислорода, происходит накопление полуразложившихся фрагментов растительности, которые очень медленно превращаются сначала в торф и позже углефицируются. Избыток кальция, магния дает начало карбонатным породам: известнякам, доломитам, мергелям, избыток кремния при отмирании диатомовых водорослей – силицитам, железа и марганца, - осадочным месторождениям.

Хемосинтез

В 1890 году С.Н. Виноградский открыл бактерии, способные из аммиака углекислоты и воды синтезировать органические вещества. На первом этапе с помощью кислорода идет окисление аммиака до азаотистой и затем азотной кислоты с выделением энергии, которая микроорганизмами и используется для синтеза органических молекул. Этот процесс и получил название хемосинтеза. Однако по сравнению с фотосинтезом роль этого процесса в биосфере незначительна. С помощью фотосинтеза и хемосинтеза за миллиарды лет своего развития растения превратили атмосферу из первично аммиачно-углекислотной в кислородно-азотную.

Количественная оценка геохимической роли живого вещества

По сравнению с литосферой масса живого вещества ничтожна, недаром используется такая метафора как пленка жизни. Но эта пленка отличается чрезвычайной активностью, которую можно оценить по скорости экспансии – стремлении захватить жизненное пространство. Например, для холерного эмбриона она составляет 330м/сек. Зоомасса составляет всего 2 и редко 10% от фитомассы Беспозвоночных в 10 раз больше чем позвоночных, а масса хищников в сотни и тысячи раз меньше фитофагов (травоядных). Понятно, что наоборот не могло быть никак, чтобы не разорвать трофические цепи, соединяющие всю биосферу в единое целое. Регулятором соотношения масс являются пищевые резервы, благодаря которым в биосфере происходит саморегуляция численности популяций биологических видов. По данным Н.И. Базилевич общее количество биомассы на Земле рано 2,4 *1012 т. Распределена она крайне неравномерно. Больше всего ее в лесах, особенно в тропических и меньше всего конечно в пустынях. Фитомассы на 1 га площади в океане не больше чем в пустыне, а в целом 1,7 108 , что т не более 0,007% от фитомассы всей планет, микро- и зоомассы на порядок больше фитомассы -3,3109т . В целом живого вещества в океане меньше, чем на суше но вот годовая биопродуктивность океана в 3000 раз выше за счет более быстрого круговорота. Суммарная продукция биосферы за все время ее существования превысила массу всей земной коры.
^ Кларки живого вещества
Для биологических объектов есть три основных способа выражения химического состава: на живую массу; на массу сухого органического вещества и на золу. Каждый из них имеет свои оттенки информационной ценности, а главное удобство или неудобство проведения химического анализа. Особенность живой массы в наличие большого количества воды от 50 до 99%. Высушивая или сжигая пробы растений мы удаляем из них прежде всего воду и газы и определяем по сути минеральный остаток. Кларки живого вещества определены А.П Виноградовым и В.В. Доборвольским. Все элементы состава сырой или живой массы они подразделили на макро – и микро-, граница между которыми проходит на уровне 10-3%, а также по способу миграции водной или воздушной.

Воздушные макромигранты это 99,8%, доля в которой О -70%, С – 18% , Н – 10,5 и N -0,3%

Водные макромигранты (1,2%). Из них приходится на:

Ca

0.5

Si

0.2

Mg

0.04

K

0.3

P

0.07

Cl

0.02

Na

0.2

S

0.05

Fe

>0.01




















Итак, мы видим, все ту же картину: жизнь также идет по легкому пути, но предпочтение отдает не водороду, а кислороду, но это по массе, а по атомам разница будет , но поменьше. Макроэлементы все входят в структуру органических молекул, а вода занимает больше клеточный уровень. Главные исходные элементы жизни – газы, в газ же превращается органическое вещество и после смерти организма, замыкая биогеохимический цикл.

Из водных преобладают подвижные, но не пропорционально коэффициенту водной миграции по которому она больше у хлора, затем у натрия, а потом у других. Здесь на первом месте кальций, но это, потому что он играет больше роль наполнителя – идет на постройку скелета, панциря, зубов. Совпадение – но и в техногенезе этот элемент играет почти ту же роль. Если сравнивать с земной корой, то там больше малоподвижных элементов, Но это и понятно, земную кору можно в целом рассматривать в качестве зольного остатка биосферы.

Главная особенность живой материи это способность избирательной концентрации элементов, независимо от того сколько их имеется в окружающей среде. Но при этом, концентрации элементов в последней не могут не отражаться на их концентрации в организмах. Например, химический состав микроэлементов в растениях в значительной мере коррелируется с содержанием их в почвах произрастания. Но до определенной степени, после чего включаются биохимические барьеры, препятствующие дальнейшему накоплению избыточных элементов. Есть еще одна замечательная геохимическая особенность растений – генетическая память геохимической родины на видовом уровне. Многие виды растений эндемики вначале, позже становятся «космополитами», но сохраняют в особенностях своего химического состава, тот геохимический фон, на котором жили их предки. Так появляются цинковые, литиевые, селеновые и прочие флоры, Например, ягель – олений мох, произрастающий в Якутии вовсе не случайно отличает повышенное содержание золота, а ведь этого металла там и в земной коре много, самые крупные и многочисленные месторождения золота России именно здесь. Информативным показателем биологического поглощения элементов из почвы является коэффициент БП как отношение содержания элемента в золе растения к содержанию его в почве. Но здесь важно учитывать не валовое содержание элемента в почве, а лишь то которое доступно растениям, то есть находится в подвижной растворимой форме. Геохимиками используется масса других показателей накопления, относительно например не только почвы, но и всей биосферы. И это правильно, потому что растения для своего питания вещества берут не только из почвы, но и из воды и атмосферы.

Своим химическим составом как типоморфным признаком различаются не только разные виды растений, со своей геохимическо-генетической памятью, но и отдельные морфоэлементы одного организма. А еще один и тоже элемент, но у растений одного вида, но разного возраста. Старые растения содержат больше зольных элементов, недаром про стариков говорят – песок сыпется. Весной листья имеют один химический состав, а осенью другой. Так что жизнь штука непростая во всех смыслах.
Техногенная миграция.
С появлением человека и развитием человеческого общества появляется новый и самый сложный вид миграции химических элементов – техногенная миграция. Особенно быстро её роль возрастает в последние два столетия. При этом многократно возрастает техногенная нагрузка на природные системы и биосферы в целом. Биосфера трансформируется и переходит в новое качество. В то же время мы пока мало знаем законы, которым подчиняется техногенная миграция, механизмы влияния этих процессов на природные системы. Лишь в начале ХХ в. эти вопросы были поставлены В.И. Вернадским, и им же заложены концептуальные подходы к решению данного круга проблем. Но систематические исследования их начались только с 50-х годов ХХ в.

Концептуальная идея перехода биосферы в качественно новое состояние получила у Вернадского название ноосферы (сферу разума).

Для характеристики техногенной миграции и связанного с нею распределения химических элементов на земной поверхности используются понятия:

  1. Техногенные ореолы рассеяния.

  2. Техногенные аномалии выделяются в депонирующих, т.е. накапливающих средах как геохимических барьерах Могут быть не только вредными, но и полезными. Например, те, которые являются результатом известкования кислых почв, что улучшает агрохимические свойства. Практикуется также непосредственное внесение дефицитных минеральных компонентов не в среду, а непосредственно в пищу животных и человека (пищевые добавки).

  3. Техногенные потоки миграции формируются в транзитных средах – в атмосфере, в поверхностном и подземном водном стоке, из которых химические элементы выпадают в донные осадки водотоков и водоемов.

  4. Техногенные зоны выщелачивания. В большинстве связаны с выщелачиванием элементов из отвалов горнодобывающих предприятий. В этих случаях с ними могут быть связаны техногенные потоки рассеяния и ореолы загрязнения в сопряжённых ландшафтах, где выщелоченные компоненты будут накапливаться. Нередко выщелачивание применяется искусственно как технология извлечения минерального компонента из руд.

  5. Техногенные геохимические барьеры. Понятие двоякого употребления, что не очень удобно. С одной стороны – так называют природные барьеры, на которых концентрируются элементы, попавшие в ландшафт в результате техногенной миграции. С другой – искусственно создаваемые барьеры для локализации загрязнения. Например, известковые валы, служащие для осаждения элементов, переносимых кислыми водами. Или искусственные сорбционные барьеры.

В общем виде эти процессы сводятся к изъятию элементов из одних ландшафтно-геохимических систем, их переносу и поступлению в другие ландшафтно-геохимические системы, включая и накопление в последних. Для этих процессов, как и собственно в биосфере, используется, главным образом, преобразованная солнечная энергия, причём формы её использования более разнообразны. Широко используется в том числе и солнечная энергия, аккумулированная в прошлые геологические эпохи (горючие полезные ископаемые). Используются и эндогенные источники энергии, в том числе и энергия радиоактивного распада, использование которой в таких масштабах чуждо биосфере и возможные последствия её применения ясны ещё далеко не в полной мере.

Выделяется два геохимических типа процессов техногенной миграции.

  1. Миграция, унаследованная от биосферы, но техногенно изменённая. Это процессы, связанные с биологическим круговоротом, водной и воздушной миграцией элементов. Для их характеристики можно использовать те же понятия, которые разработаны применительно к процессам биогенной и физико-химической миграции.

  2. Собственно техногенная миграция в формах, чуждых биосфере. Производство веществ, не существующих в природе, использование атомной энергии, перемещения вещества, подчиняющиеся социальным законам. Здесь требуется новый понятийный аппарат, который сейчас находится в стадии разработки.

Один из важнейших геохимических показателей техногенеза – технофильность химических элементов. Это отношение ежегодной добычи или производства элемента (в тоннах) к его кларку в литосфере. Таким образом, эта величина характеризует относительные масштабы извлечения элементы из природных сред в целях его промышленного использования человеком. При этом не учитываются параметры обратного выхода этих элементов из техногенного оборота, что делает показатель не вполне совершенным. То есть, в отличие от биофильности, этот показатель не является точным отражением концентрации элемента в продуктах техногенеза. (Ещё Вернадский отмечал, что абсолютная тенденция к концентрации на современном этапе ноосферогенеза характерна только для золота, остальные элементы в конечном счёте попадают в отходы производственной и бытовой деятельности и рассеиваются). Вторая особенность – динамичность показателя. В древности использовалось 18 элементов, в 18 веке – 28, к началу ХХ – около 70, а сейчас в техногенез вовлечены все известные элементы, плюс некоторые созданные искусственно элементы и изотопы. Развитие экономики и технологий приводит к постоянному изменению соотношения технофильности различных элементов. Сейчас наибольшая величина технофильности свойственна углероду, что характеризует интенсивность использования горючих полезных ископаемых. Высокие показатели – для фосфора, золота, свинца, цинка, меди… С другой стороны, низки величины технофильности для таких распространённых элементов, как магний, титан, и особенно – кремний. По существу это характеризует низкую степень использования этих элементов в техногенезе, что со временем, вероятно, изменится. Для кремния время этих изменений уже наступает в связи с началом внедрения керамики в качестве замены металлам и пластмассам (здесь лидирует Япония). В целом по мере развития науки и техники всё большей становится регулирующая роль кларка, так как богатые месторождения истощаются и со временем, видимо, человечество вынуждено будет перейти к извлечению элементов из пород, где их содержания ненамного отличаются от кларковых.

Установлено, что существуют циклы миграции: геохимические и биологические. Вопросы цикличности в техногенных процессах пока целенаправленно не изучались.





Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция iconВопросы к зачету по дисциплине
Техногенная безопасность как состояние запрещённости населения и территорий от последствий чс техногенного характера

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция iconКурс лекций (под редакцией профессора В. Ф. Беркова) 2-е издание...
Авторский коллектив: Н. С. Щекин (лекция 8); Г. И. Касперович (лекция 9); В. Ф. Берков (лекция 10); И. Г. Подпорин (лекция 11); В....

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция iconКонспект лекции № Тема. Теории возникновения жизни (биогенез). основные этапы развития биологии
Каждая из них, в определенное историческое время, считалась доказанной гипотезой и получала статус "теории"

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция iconЛекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое...
Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного...

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция iconЛекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое...
Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного...

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция iconМеждународное движение капитала
Международная миграция капитала: понятие, причины, формы (классификация), особенности и тенденции

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция icon1 Миграция нефти и газа в земной коре. Формирование и скопление углеводородов....
Миграция нефти и газа в земной коре. Формирование и скопление углеводородов. Закономерности скопления и смещения нефти и газа

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция iconМетодические рекомендации вводная лекция введение в курс лекция 2
Лекция 15. Финансирование государственной службы. Контроль и надзор за соблюдением законодательства о государственной службе

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция iconЛекция религии современных неписьменных народов: человек и его мир...
Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой

Лекция 23. 11. 11 Биогенез и техногенная миграция iconКак форма мэо
Международная миграция рабочей силы представляет собой переселение трудоспособного населения из одних государств в другие с целью...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов