Основні поняття міграції речовин на Землі

Хімічні елементи в біосфері. Кругообіг речовин на Землі

Як відомо, будь-яка речовина складається з хімічних елементів, які за своїм розповсюдженням і роллю у біосфері суттєво відрізняються один від одного. Близько 90 елементів існують у біосфері, інші добуті штучно за допомогою ядерних реакцій. Тільки 8 елементів -- Оксиген, Силіцій, Алюміній, Ферум, Кальцій, Натрій, Калій та Магній становлять за масою 99% земної кори, причому половина припадає на Оксиген, а чверть -- на Силіцій. Живі компоненти біосфери складаються з тих же хімічних елементів, що й неживі компоненти географічної оболонки (табл. 1). У складі живих організмів нараховується близько 70 елементів, причому 47 з них є постійними.

Таблиця 1 -- Вміст деяких хімічних елементів у біосфері та живих організмах, %

Хімічні елементи поширені в навколишньому середовищі дуже нерівномірно. Звертає на себе увагу величезний вміст таких мікроелементів (по відношенню до людського організму) як Si, Al, Fe, Zr, Mn, Zn, а також макроелементів К, Ca в земній корі (в верхній літосфері) і їх невеликі концентрації в гідросфері і атмосфері. Проте в біосфері відбувається накопичення багатьох з цих елементів, що свідчить про високу потребу в них живих організмів для здійснення процесів життєдіяльності. У біосфері концентруються такі хімічні елементи як О, К, S, Р, CI, N, відносно високий вміст Са, В, Zn, Ba, Sr, Rb, Cu, Pb.

Як відомо, основою динамічної рівноваги і стійкості біосфери є кругообіги речовин і перетворення енергії, які складаються з багатьох процесів. Причому окремі циклічні процеси являють собою послідовний ряд змін речовини в процесі міграції, що відповідає тимчасовому стану рівноваги. Кругова міграція може відбуватися на обмеженому просторі та протягом нетривалого часу й може охоплювати усю зовнішню частину планети та величезні періоди. При цьому малі кругові рухи входять у більш великі, які у своїй сукупності складаються в колосальні геохімічні цикли. Величезне число атомів безперервно залучається у ці міграційні потоки й вільно виходять з них. Характерною особливістю «великого» геологічного кругообігу речовини є його переважно горизонтальний напрям. Він відбувається між сушею та морем.

Кругообіг речовин на Землі складається з кругообігу окремих хімічних елементів. Саме кругообіг забезпечує тривалість і сталість існування життя, тому що без нього, навіть у масштабах усієї Землі, запаси необхідних елементів були б швидко вичерпані. Крім того, кругообіг забезпечує багатократність процесів та явищ, їх високу сумарну ефективність у разі обмеженого обсягу вихідної речовини, яка бере участь у цих процесах. Знання кількісних та якісних характеристик міграції та кругообігу елементів, їх ритму, інтенсивності, послідовності дає змогу прогнозувати поведінку речовин і елементів у біосфері, і, як наслідок цього, -- швидкість та масштаби формування біологічної продукції.

Під міграцією речовин на земній поверхні розуміють усі форми їх переміщення, розподілу і накопичення. Виділяють 4 основних типи міграції: механічна, фізико-хімічна, біогенна і техногенна.

Механічна міграції обумовлена роботою річок, течій, вітру, льодовиків, вулканів, тектонічних сил та інших факторів. Показником механічної міграції є річні витрати зважених частинок у створі річки (в т/км2 площі басейну). Показник механічної міграції залежить від клімату, геологічної будови місцевості і рельєфу. В механічній міграції велику роль відіграють еолові процеси.

Фізико-хімічна міграція -- це переміщення, перерозподіл хімічних елементів в земній корі і на її поверхні. Фізико-хімічна міграція обумовлюється такими процесами як дифузія, розчинення, осадження, сорбція, десорбція і т.д.

Біогенна міграція -- одна з найбільш складних форм міграції, зумовлена сукупною життєдіяльністю живих організмів. Біогенна міграція є складовою загальної міграції хімічних елементів у біосфері, усі переміщення яких підлягають законам динамічної рівноваги та мають циклічний характер. Біологічний кругообіг має переважно вертикальний напрям міграції і відбувається за участю живої речовини. Інтенсивність біогенної міграції характеризується коефіцієнтом біологічного поглинання (біоконцентрації) або біоакумуляції (BCF), який визначається як відношення концентрації сполуки в організмі до його концентрації в об'єкті навколишнього середовища. коефіцієнти біоконцентрації не є константою. Вони можуть змінюватися залежно від пори року, фази вегетації, віку рослини, властивостей ґрунту тощо. Залежить поглинання елементу з ґрунту і від виду рослин.

Техногенна міграція. Залучення хімічних елементів до циклів техногенної міграції в результаті господарської діяльності людини характеризує ряд показників. Серед них слід зазначити технофільність (T), яка розраховується за формулою:

T = Д/До

де Д - щорічний видобуток елементу (у тоннах), До - його кларк в літосфері.

Технофільність можна розраховувати для окремої країни, групи країн, всього світу. Природно, вона дуже динамічна. Зростання технофільності свідчить про збільшення інтенсивності залучення елементу, що вивчається, в техногенну міграцію в порівнянні з іншими (якщо порівнюється технофільність різних елементів) або в координаті часу (якщо порівнюється технофільність одного і того ж елементу в різні періоди). В даний час найбільш технофільним елементом є С, що відображає величезну важливість енергії; найменш технофільні Y, Ga, Cs, Th.

Технофільність елементів коливається в мільйони разів, тоді як контрасти кларків складають мільярди. Отже, техногенез веде до зменшення геохімічної контрастності ноосфери (в порівнянні з біосферою і земною корою). При техногенезі накопичуються найбільш технофільні елементи: людство «перекачує» на земну поверхню з глибин елементи рудних родовищ. В результаті в порівнянні з природним культурний ландшафт збагачується Pb, Hg, Cu, Sn, Sb і іншими елементами.

Інший аспект пов'язаний з оцінкою ступеня небезпеки елементів, що залучаються при техногенезі в природне середовище, для живої речовини в біосфері. Для її кількісної характеристики введене поняття про деструкційну активність елементів техногенезу (Д). Цей показник розраховується за формулою:

Д = Т/Б

де Т і Б - технофільність і біофільність (кларк концентрації в живій речовині) хімічного елементу. Цей показник також непостійний в часі і може рости із збільшенням видобутку елементу. Чим більше за технофільність елементу і менше його біофільність, тобто чим більше величина деструкційної активності, тим небезпечніше він для живої речовини. В даний час максимальною деструкційною активністю відрізняється Гідраргірум; до елементів з дуже низькою деструкційною активністю відносяться такі біофіли, як кальцій, магній, калій.

Кількісною характеристикою антропогенного залучення хімічних елементів в їх глобальні цикли є «фактор мобілізації» або «фактор техногенного збагачення» (EF), який розраховується як відношення техногенного потоку хімічного елемента до природного потоку.

Оскільки склад поверхні землі завдяки процесам розсіювання та концентрації хімічних елементів неоднорідний, на ній виявляються території з підвищеним або пониженим вмістом тих або інших хімічних елементів. Ці області, що відрізняються від сусідніх областей вмістом хімічних елементів (сполук) і, внаслідок цього викликають різну біологічну реакцію з боку місцевої флори і фауни, отримали назву біогеохімічних провінцій. Вміст цих елементів може бути вище або нижче біологічного оптимуму. Біогеохімічні провінції є центрами вираженої мінливості обміну речовин організмів. У екстремальних геохімічних умовах можливі мутації різних організмів і загострений природний відбір, внаслідок чого можуть виникати популяції з новими біохімічними і морфологічними ознаками. Істотну роль відіграють такі чинники, як чутливість видів або індивідуумів в межах популяцій, а також можливість накопичення мікроелементів і процес синтезу елементоорганічних сполук.

Задачі

Приклад 1. Використовуючи дані таблиці 1, розрахуйте мольне співвідношення атомів Оксигену та Силіцію в земній корі.

Розв'язок. Як видно з таблиці 1 масові кларки Оксигену та Силіцію в земній корі рівна 47,4 і 29,5% (мас.) відповідно. Атомні маси Оксигену та Силіцію рівна 16 і 28 відповідно. Кількість молів атомів Оксигену та Силіцію в 100г земної кори визначається наступним виразом:

n = m/A,

де n - кількість молів; m - маса елемента в 100г земної кори; A - молярна маса атомів, г/моль.

Відповідно з цим кількість молів Оксигену nO і Силіцію nSi складе:

nO = 47,4/16 = 2,96 (моль);

nSi = 29,5/28,1 = 1,05 (моль).

Шукане співвідношення дорівнює:

NО/nSi = 2,96/1,05 = 2,8.

Відповідь: мольне співвідношення атомів Оксигену та Силіцію у земній корі дорівнює 2,8.

Приклад 2. Визначте вміст Оксигену та Силіцію в % (мас.) в нефеліні - К[AlSiO4]. Порівняйте одержані результати з даними, приведеними в таблиці 1.

Розв'язок. Масовий вміст W [% (мас.)] елемента в мінералі, зокрема в нефеліні, визначається наступним виразом:

W = (me/Mнеф)•100,

де me - загальна маса елемента в молекулі; Mнеф - молекулярна маса нефеліну.

Тоді вміст Оксигену та Силіцію в % (мас.) буде дорівнювати:

WO = (64/158)•100 =40 [% (мас.)];

WSi = (28/158)•100 = 18 [% (мас.)].

Отримані значення 40 і 18 % (мас.) відрізняються від відповідних значень, приведених в таблиці 1, оскільки по визначенню, кларк є середній вміст елементу в земній корі, тоді як в задачі визначено вміст елементів у конкретному мінералі.

Відповідь: вміст Оксигену та Силіцію в нефеліні складає 40 і 18% (мас.) відповідно.

Задачі для самостійного розв'язання

Задача 1. З наведених нижче елементів, що містять в організмі людини, вибрати: а) біогенні; б) домішкові; в) мікроелементи; г) мікроелементи:C, N, Ca, Hg, Cd, O, H, Mg, S, zn, Fe, Na, K, Cu, Cl, Mo, P, I.

Задача 2. Якщо в ґрунті не вистачає фосфору, то листя яблунь стають дрібними, темно-зеленими, з блакитним а іноді з бронзовим чи пурпуровим відтінком. Цвітіння яблунь затримується, а плоди є кислими. Норма внесення в ґрунт подвійного суперфосфату Са(Н2РО4)2 складає 32 г/м2, а площа фруктового саду - 700 м2. Який об'єм води необхідний для приготування 4%-го розчину всього Са(Н2РО4)2, який необхідно внести в ґрунт, при цій нормі.

Задача 3. Якщо в ґрунті є надлишок азотних добрив, то в плодах, ягодах і коренеплодах можуть накопичуватись нітрати. Овочі які в більшій мірі здатні накопичувати нітрати - кріп, салат, петрушка, а меншій мірі - буряк, капуста і морква. Картопля, помідори і яблука майже не накопичують нітратів: їх вміст в цих продуктах не перевищує 100 мг/кг (в розрахунку на KNO3) при допустимій нормі 200 мг/кг. Чи можна вживати в їжу капусту, яка містить 2,2•10-3 моль KNO3/кг?

Задача 4. Розрахуйте масу кожної із речовин, яка може забезпечити надходження 40 мгN/кг сухого ґрунту: NH4NO3, (NH4)2SO4, сечовина, сухий перегній (вміст N - 1,6%)

Задача 5. При нестачі Нітрогену в ґрунті, листя яблунь стає блідо-зеленим, рано жовтіє і опадає. Який об'єм 2% розчину нітрату амонію (густина якого 1006 г/л) необхідно використати для підкормки яблуневого саду площею 200 м2 при нормі внесення цього добрива на суглинистих ґрунтах 50 г/м2.

Задача 6. Для покращення росту кормових культур вносять Нітроген масою 80 кг/га. Яку масу аміачної селітри необхідно взяти для удобрення 3 га земель?

Задача 7. Квіткар під кожний кущ троянд повинен внести фосфорне добриво в перерахунку на фосфор (V) оксид масою 5г. Яку масу безводного подвійного суперфосфату йому треба взяти, якщо в нього 250 кущів троянд ?

Задача 8. Ґрунт містить 2,5 г органічної речовини на 100 г абсолютно сухого ґрунту. Розрахуйте вміст органічної речовини в грамах на 100 г повітряносухого ґрунту, якщо в повітряно-сухому стані він містив 3.2 г Н2О на 100 г абсолютно сухого ґрунту.

Задача 9. Ґрунт містить 3,1% органічних речовин. Розрахуйте відсотковий вміст С і N у ґрунті, якщо органічна речовина містить 60% С масове відношення С:N = 10:1.

Задача 10. Врожай сільськогосподарської культури дорівнює 12 т сухої речовини на 1 га. Культура містить 16 г N/кг сухої речовини. Яку масу азотного добрива треба внести на гектар, щоб компенсувати винос N з врожаєм.

Задача 11. При випалюванні ділянки лісу утворилося 18 т золи/га. Вона містила: 7,9% Са2+; 1,6% Mg2+ і 2,6% К+. Розрахуйте надходження цих поживних речовин в кг/га. Масу ґрунту прийняти 2000т/га.

Задача 12. Рослини з листовою поверхнею 1 дм2 засвоює за одну годину з атмосферного повітря біля 50 мг СО2, а з повітря, що містить 5% вуглекислого газу, -- 110мг. Яка маса глюкози асимілюється за 1 годину в першому і другому випадку? Який об'єм кисню виділяється при цьому в повітря? Для розв'язання задачі скласти рівняння фотосинтезу глюкози.

Задача 13. Світовий викид SO2 складає 147 млн. т за рік. Із загальної кількості сірчистого газу, що надходить в атмосферу Землі, біля 40% припадає на долю нафтопродуктів. Скільки тонн це складає?

Задача 14. На нафтопереробному заводі потужністю 12 млн. т викиди SO2 складають 219т за рік. Розрахуйте, скільки тонн SO2 викидається в атмосферу при переробці 1 т сирої нафти.

задача 15. Яка кількість Плюмбуму надходить в навколишнє середовище при згоранні 6 л бензину, що містить 0,6 г тетраетилсвінцю. Прийняти, що 75% Pb виділяється в повітря з викидними газами автомобілю.

Задача 16. Наведені в таблиці 2 данні переконливо ілюструють сильну диференціацію хімічних елементів під впливом живої речовини.

Таблиця 2 -- Середній вміст деяких елементів в золі рослин та величина коефіцієнта біологічного поглинання (за В.В. Добровольським)

Порахуйте коефіцієнт біологічного поглинання елементів. в яких межах змінюється інтенсивність біологічного поглинання елементів? Чи зв'язана ступінь інтенсивності біологічної міграції хімічних елементів з вмістом цього елементу в земній корі. Поясніть відповідь на прикладах. Які елементи мають найбільшою інтенсивність біологічної міграції? який їх вміст в навколишньому середовищі? Чому живі речовини вибірково концентрують елементи?

Задача 17. Використовуючи дані про величину щорічного світового видобутку, кларк у літосфері і біофільність 10-ти елементів (табл.4):

розрахувати для кожного елементу величини технофільності і деструкційної активності;

згрупувати отримані значення в ранжировані ряди по убуванню кожного показника;

виділити групи елементів з близькими значеннями технофільності і деструкційної активності і пояснити отримані результати.

Таблиця 4 -- Кларк, щорічний видобуток і біофільність хімічних елементів

Задача 18. Використовуючи дані таблиці 3, розрахуйте фактор техногенного збагачення. Порівняйте EF елементів, що мають найбільше значення цього показника, з середнім вмістом їх в земній корі.

Таблиця 3 -- Природні і техногенні потоки хімічних елементів

Контрольні запитання

Дайте визначення геохімічних параметрів «кларк» і «кларк концентрації» стосовно земної кори.

Що таке геохімічна провінція? Дайте характеристику залежності регуляторних процесів в організмі від недостатнього та надлишкового вмісту окремих мікроелементів. Як називаються захворювання, які викликані аномальним вмістом деяких елементів у воді, ґрунті? Які аномалії існують у вашій області?

Дайте характеристику основних складових глобального циклу біогенних елементів. Для якого з елементів живлення глобальний цикл масообміну відрізняється якнайменшою замкнутістю?

Чому велику частину циклічних процесів масообміну, що відбуваються в біосфері, можна класифікувати як біогеохімічні? Які елементи найбільш активно залучаються до біохімічного круговороту і які є самими інертними?

Проаналізуйте деформацію глобальних, регіональних і локальних біогеохімічних циклів в результаті господарської діяльності людини.