Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Проблема дефицита калия в природе

Костиков И.М.

ФГБОУ ВО «Курганский государственный университет»

Курган, Россия

Оглавление

Введение

Глава 1. Биологическая роль калия

1.1 Для человека

1.2 Для растений

Глава 2. Теоретическое обоснование темы исследования

2.1 Круговорот веществ в природе

2.2 Круговорот калия

Глава 3. Применение калия в промышленности

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

Введение

Актуальность исследования. Калий для организма имеет очень большое значение. От него зависит состояние мягких тканей и работа многих систем, среди которых - нервная, выделительная, костная, мышечная. 98% калия размещено в клетках тканей, а оставшиеся 2% - в межклеточном пространстве. Его недостаток или переизбыток может привести к серьёзным проблемам. Это же касается и растений, должный уровень содержания калия, позволяет обеспечивать благоприятный вегетативный период.

Противоречие состоит в том, что значение калия и его роль хорошо изучены, однако проблема дефицита калия в природе в результате использования в техногенезе не достаточно освещена.

Проблема - каково влияние недостаточного содержания калия на природные системы?

ОБЪЕКТ: Круговорот Калия в природных и антропогенных условиях.

Предметом исследования является проблема дефицита калия в природе в результате использования в техногенезе.

ЦЕЛЬ: дать характеристику проблематике недостаточного содержания калия в природных системах.

ЗАДАЧИ: (поменяны местами, то же сделать в содержании и тексте работы)

1. Охарактеризовать биологическую роль калия.

2. Разработать теоретическое обоснование проблемы исследования.

3. Обосновать роль калия в техногенезе

4. Разработать модели круговорота калия

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. литературный,

2. описательный,

3. аналитический

4. статистический

5. исторический

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ: в ходе написания работы были использованы источники информации из сети интернет, а также некоторой справочной литературы, полный список источников представлен в «Списке источников»

Глава 1. Биологическая роль калия

1.1 Для человека

Калий один из важнейших электролитов в организме. Калий, как и натрий, имеет большое значение в образовании буферных систем, предотвращающих сдвиги реакции среды и обеспечивающих их постоянство. Калий вместе с натрием регулирует содержание воды внутри клеток. Обеспечивает поддержание электрического потенциала в нервах и на поверхности клеточных мембран, чем регулируется сокращение мышц. Калий включается в механизм накопления гликогена - основного источника энергии в клетке. Калий активирует работу ряда ферментов. [8]

Нарушения калий-натриевого баланса приводит к нарушению водного обмена, обезвоживанию, ослаблению мускулатуры.

Считается, что калий обладает защитным действием против нежелательного действия избытка натрия и нормализует давление крови. По этой причине в некоторых странах предложено выпускать поваренную соль с добавлением хлорида калия. Однако и избыток калия по отношению к натрию может вызвать нарушение работы сердечно-сосудистой системы. [7]

Главной биологической функцией калия является формирование трансмембранного потенциала и распространение изменения потенциала по клеточной мембране путем обмена с ионами натрия по градиенту концентраций. Вместе с натрием и хлором, калий является постоянным составным элементом всех клеток и тканей. В организме эти элементы содержатся в определенном соотношении и обеспечивают постоянство внутренней среды. В виде катиона К+ калий участвует в поддержании гомеостаза (ионное равновесие, осмотическое давление в жидкостях организма). Хлориды калия и натрия, будучи сильными электролитами, участвуют в генерации и проведении электрических импульсов в нервной и мышечной ткани. Таким образом калий участвует в поддержании электрической активности мозга, функционировании нервной ткани, сокращении скелетных и сердечных мышц. Калий регулирует активность таких важнейших ферментов, как К+-АТФ-аза, ацетилкиназа, пируватфосфокиназа. [8]

Терапевтическое значение калия связано с его раздражающим действием на слизистые оболочки и повышением тонуса гладких мышц (кишечник, матка), в силу чего его соединения используются в качестве слабительных средств. Калий вызывает расширение сосудов внутренних органов и сужение периферических сосудов, что способствует усилению мочеотделения. Калий замедляет ритм сердечных сокращений и, действуя аналогично блуждающему нерву, участвует в регулировании деятельности сердца.

Основные функции калия в организме:

? Поддержание постоянства состава клеточной и межклеточной жидкости.

? Поддержание кислотно-щелочного равновесия.

? Обеспечение межклеточных контактов.

? Обеспечение биоэлектрической активности клеток.

? Поддержание нервно-мышечной возбудимости и проводимости.

? Участие в нервной регуляции сердечных сокращений.

? Поддержание водно-солевого баланса, осмотического давления.

? Роль катализатора при обмене углеводов и белков.

? Поддержание нормального уровня кровяного давления.

? Участие в обеспечении выделительной функции почек.

В организм соединения калия поступают с пищей. Биоусвояемость калия организмом составляет 90-95%.

Соли калия легко всасываются и быстро выводятся из организма с мочой, потом и через желудочно-кишечный тракт.

Калий является основным внутриклеточным катионом. Его концентрация в клетках в 30 раз выше, чем вне клеток. В организме взрослого человека содержится 160-180 г калия (около 0,23% от общей массы тела).

Суточная потребность в калии составляет 2 г.

В США рекомендуемая минимальная величина суточного потребления калия установлена в размере не менее 2000 мг для лиц 18-летнего возраста. Для людей старшего возраста к этой величине прибавляют количество лет отдельного индивидуума (напр., для людей в возрасте 50 лет этот показатель равен 2000 + 50 = 2050 мг).

Рекомендуемое ежедневное поступление для спортсменов и людей, занятых тяжелым трудом - 2,5-5 г.

При смешанном пищевом рационе потребность в калии удовлетворяется полностью, однако имеются существенные сезонные колебания: невысокое потребление весной (около 2 г в сутки), максимальное - осенью (5-6 г в сутки). Содержание калия в пище жителей разных стран колеблется от 1800 до 5600 мг. Считается, что взрослый человек потребляет в день 2200-3000 мг калия.

Калий в основном содержится в растительных продуктах. Много калия содержат картофель (429 мг/100 г), хлеб (240 мг/100 г.), арбуз, дыня. Значительным содержанием калия отличаются бобовые: соя (1796 мг/100 г), фасоль (1061 мг/100 г), горох (900 мг/100 г). Много калия содержат крупы: овсяная, пшено и др. Существенным источником калия являются овощи: капуста (148 мг/100 г), морковь (129 мг/100 г), свекла (155 мг/100 г), а также продукты животного происхождения; молоко (127 мг/100 г), говядина (241 мг/100 г), рыба (162 мг/100 г). Также достаточно много калия в яблоках, винограде, цитрусовых, киви, бананах, авокадо, сухофруктах, чае.

Необходимо помнить о том, что пища, богатая калием (орехи, бананы, картофель, морковь, абрикосы), вызывает повышенное выведение натрия, и наоборот. При преимущественном потреблении продуктов животного происхождения человек получает сбалансированное количество натрия и калия. При питании растительной пищей, богатой калием, необходимо дополнительное введение натрия. [8]

Дефицит калия в организме представляет собой проблему, поскольку недостаток этого элемента влияет на нормальный ритм сердечных сокращений и провоцирует сердечные приступы. Одним из первых симптомов недостаточного потребления калия является мышечная слабость. Возможны и другие симптомы: спазмы, поверхностное дыхание, утомление, тошнота, рвота, спутанность сознания, учащенное мочеиспускание.

Пониженное содержание калия в организме увеличивает риск нарушений проводимости и обменных процессов в миокарде, сопровождается нарушениями регуляции артериального давления. Дефицит калия способствует развитию эрозивных процессов слизистых оболочек (язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, эрозивный гастрит, эрозия шейки матки). Возрастает риск прерывания беременности, развития бесплодия. Больных нередко беспокоит сухость кожи, тусклость и слабость волос, плохое заживление кожных повреждений. [8]

Развитию гипокалиемии способствуют отрицательный азотистый баланс, алкалоз, гипомагниемия.

Основные причины дефицита калия:

* Недостаточное поступление в организм.

* Нарушение регуляции обмена калия.

* Функциональные расстройства выделительных систем (почки, кожа, кишечник, легкие).

* Усиленное выведение калия из организма под действием гормональных препаратов, мочегонных и слабительных средств.

* Психические и нервные перегрузки, чрезмерные или хронически действующие стрессорные факторы.

* Избыточное поступление в организм натрия, таллия, рубидия и цезия.

Основные проявления дефицита калия:

* Психическое истощение, чувство усталости, безразличие к окружающему, депрессия, снижение работоспособности.

* Мышечная слабость.

* Ослабление защиты организма от токсических воздействий.

* Истощение надпочечников, снижение адаптационных возможностей организма.

* Обменные и функциональные нарушения в миокарде, изменение ритма сердечных сокращений, появление сердечных приступов, сердечная недостаточность.

* Отклонения величины артериального давления от нормального уровня.

* Сухость кожи, ломкость волос.

* Нарушение функций легких, учащенное и поверхностное дыхание.

* Тошнота, рвота, атония кишечника.

* Эрозивный гастрит, язвенная болезнь.

* Нарушение функции почек, учащенное мочеиспускание.

* Невынашиваемость беременности, эрозия шейки матки, бесплодие.

Увеличение уровня калия в организме может быть следствием случайных отравлений соединениями калия. Токсичность солей калия определяется, как правило, токсичностью их анионов, таких как арсенит, хромат, фторид.

Точные данные о токсичности KCl для человека отсутствуют. Механизм токсического действия КCl в местах введения обусловлен в первую очередь высоким осмотическим давлением. В результате имеет место интенсивное поступление воды из окружающих тканей, приводящее к их обезвоживанию и нарушению физиологических функций клеток.

Избыточное поступление ионов К+ вызывает перегрузку соответствующих систем гомеостаза и нарушение метаболических процессов. В эпителии желудочно-кишечного тракта и почечных канальцев развивается воспаление, нередко приводящее к некрозу ткани. [8]

Постоянный избыток калия и натрия вызывает некоторое повышение уровня инсулина в крови. Отмечаются и другие гормональные сдвиги.

Люди с избытком калия обычно легко возбудимы, впечатлительны, гиперактивны, страдают от повышенной потливости, учащенных мочеиспусканий.

Накопление калия в крови, гиперкалиемия (при концентрации свыше 0,06%) приводит к тяжелым отравлениям, сопровождающимся параличом скелетных мышц; при концентрации калия в крови, превышающей 0,1%, наступает смерть. Длительное постоянное употребление калийных лечебных препаратов может вызывать ослабление сократительной деятельности сердечной мышцы, поэтому в таких случаях в место калийных назначают натриевые препараты. Развитию гиперкалиемии способствует ацидоз.

Основные причины избытка калия:

* Избыточное поступление (в т.ч., длительный и избыточный прием препаратов калия, потребление "горьких" минеральных вод, постоянная картофельная диета и пр.).

* Нарушение регуляции обмена калия.

* Перераспределение калия между тканями организма.

* Массированный выход калия из клеток (цитолиз, гемолиз, синдром раздавливания тканей).

* Дисфункция симпатоадреналовой системы.

* Инсулин-дефицитные состояния.

* Нарушение функции почек, почечная недостаточность.

Основные проявления избытка калия:

* Повышенная возбудимость, раздражительность, беспокойство, потливость.

* Слабость и парезы мышц, дегенеративные нервно-мышечные расстройства.

* Нейроциркуляторная дистония.

* Аритмии, ослабление сократительной способности мышцы сердца.

* Параличи скелетных мышц.

* Кишечные колики.

* Учащенное мочеиспускание.

* Склонность к развитию сахарного диабета.

При дефиците калия в организме могут быть полезными следующие рекомендации:

* Ограничение психических и нервных перегрузок, организация правильного режима труда и отдыха.

* Нормализация регуляции обмена калия.

* Ограничение приема лекарственных препаратов.

* Ограничение избыточного потребления поваренной соли (полный отказ недопустим!).

* Ограничение (исключение) потребления ненатуральных напитков (таких как фанта, кока-кола, пепси, лимонады и пр.).

* Увеличение потребления продуктов с повышенным содержанием калия: молоко и молочные продукты, картофель, томаты, петрушка, бобы, абрикосы, чернослив, курага, бананы, изюм, какао, черный чай.

* Прием калийсодержащих БАД и лекарственных препаратов.

При избытке калия в организме необходимо ограничить его поступление извне, принять меры к нормализации регуляции обмена и лечению сопутствующих заболеваний. [7]

1.2 Для растений

калий организм природа

Калий наряду с азотом и фосфором относится к главным элементам питания растений. Он, безусловно, необходим всем растениям, животным и микроорганизмам. Попытки заменить калий близкими к нему элементами (натрием, литием, рубидием) оказались безрезультатными. Функция калия в растениях. как и других необходимых для них элементов, строго специфична.

Впервые предположение о необходимости калия растениям высказал Сосюр в 1804 г. на основании анализа золы растений, в которой всегда присутствовал калий. Затем Либих сделал заключение о необходимости применения калийных удобрений. Первые экспериментальные данные об абсолютной необходимости калия растениям были получены Сальм-Горстмаром в 1846 г. [5]

В растениях калий находится в ионной форме. До сих пор неизвестно ни одно органическое соединение, в состав которого входил бы этот элемент. Калий содержится в основном в цитоплазме и вакуолях клеток; в ядрах и пластидах он отсутствует. [1]

Около 80% калия находится в клеточном соке и может легко вымываться водой (например, дождями), особенно из старых листьев. В дневное время суток, когда в растениях активно протекают все биохимические процессы, калий, сохраняя легкую подвижность, все же удерживается в клетках освещенного растения. Ночью, когда процессы фотосинтеза прекращаются, часть калия может выделяться через корни, чтобы потом, с появлением первого солнечного луча, вновь поглощаться растением.

Примерно 20% калия удерживается в клетках растений в обменнопоглощенном состоянии коллоидами цитоплазмы и до 1% его необменно поглощается митохондриями. [5]

Молодые органы растений содержат калия в 3-5 раз больше, чем старые: его больше в тех органах и тканях, где интенсивно идут процессы обмена веществ и деления клеток. Поэтому калий иногда называют элементом молодости. Много калия в пыльце растений. В золе пыльцы кукурузы содержится до 35,5% калия, а кальция, магния, серы и фосфора, вместе взятых -- лишь 24,7%. Легкая подвижность калия в растениях обусловливает его реутилизацию путем перемещения из старых листьев в молодые. Поэтому его распределение в растениях характеризуется базипептальным градиентом концентрации, то есть его содержание в листьях и частях стебля в пересчете на единицу сухого вещества возрастает снизу вверх.

Физиологические функции калия весьма разнообразны. Установлено, что он стимулирует нормальное течение фотосинтеза, усиливает отток углеводов из пластинки листа в другие органы, а также синтез сахаров и высокомолекулярных углеводов -- крахмала, целлюлозы, пектиновых веществ, ксиланов.

Калий усиливает накопление моносахаров в плодовых и овощных культурах, повышает содержание сахарозы в корнеплодах, крахмала в картофеле, утолщает стенки клеток соломины злаковых культур и повышает устойчивость хлебов к полеганию, а у льна и конопли улучшает качество волокна. [1]

Способствуя накоплению углеводов в клетках растений, калий увеличивает осмотическое давление клеточного сока и тем самым повышает холодоустойчивость и морозостойкость растений.

Накапливаясь в хлоропластах и митохондриях, калий стабилизирует их структуру и способствует образованию АТФ. Калий увеличивает гидрофильность коллоидов протоплазмы; при этом снижается транспирация, что помогает растениям лучше переносить кратковременные засухи.

Калий играет важную роль в синтезе и обновлении белков в растениях. При его недостатке синтез белков резко снижается и одновременно происходит распад старых белковых молекул. В растениях накапливаются растворимые азотные соединения (свободные аминокислоты). Улучшение калийного питания сопровождается повышением удельного веса белкового азота в растениях пшеницы. Усиливается также синтез амидов (аспарагина и глютамина). Положительное влияние калия на синтез белков связано, по-видимому, вопервых, с его влиянием на накопление и трансформацию углеводов (а последние, как известно, в процессе дыхания дают кетокислоты -- материал для построения аминокислот) и, во-вторых, с усилением под влиянием калия деятельности ферментов, участвующих в синтезе белка. [5]

Калий поглощается растениями в виде катиона и, очевидно, в такой форме остается в клетке, образуя лишь слабые связи с ее веществами. В такой форме калий является основным противоионом для нейтрализации отрицательно заряженных компонентов клетки, а также создает разность электрических потенциалов между клеткой и средой. Возможно, именно в этом проявляется специфическая функция калия как незаменимого элемента питания.

Активизируя важнейшие биохимические процессы в клетках растений, калий повышает их устойчивость к различным заболеваниям как в течение вегетации, так и в послеуборочный период, значительно улучшает лежкость плодов и овощей. [1]

Содержание калия в клетках растений существенно выше, чем других катионов. Внутриклеточная концентрация калия в растениях во много раз (в 100-1000) превышает его концентрацию в почвенном растворе.

Критический период в потреблении калия растениями приходится на первые 15 дней после всходов. Период максимального потребления, как правило, совпадает с периодом интенсивного прироста биологической массы. У одних растений поступление калия заканчивается уже к фазе полного цветения (лен) или к цветению -- началу молочной спелости (зерновые и зернобобовые). У других растений оно более растянуто и происходит в течение всего вегетационного периода (картофель, сахарная свекла, капуста).

В отличие от азота и фосфора, калия больше в вегетативных органах растений, чем в репродуктивных. Например, в соломе большинства злаков калия больше почти в 2 раза, а в стеблях кукурузы -- в 5 раз, чем в зерне. Поэтому вынос К2О с нетоварной частью урожая, как правило, выше, чем с товарной (за исключением зернобобовых). [5]

Калиелюбивые культуры -- сахарная и кормовая свекла, картофель, овощи -- потребляют этот элемент гораздо больше, чем зерновые и зернобобовые культуры, лен и многолетние травы. Также много калия потребляет подсолнечник. В соотношении N : Р: К у калиефилов преобладает калий (2,5-4,5 : 1 : 3,5-6), а у зерновых культур -- азот (2,5-3 : 1 : 1,5-2,2).

Недостаток калия вызывает множество нарушений обмена веществ у растений: ослабляется деятельность ряда ферментов, нарушается углеводный и белковый обмен, повышаются затраты углеводов на дыхание. В итоге продуктивность растений падает, качество продукции снижается. У зерновых образуется щуплое зерно, снижаются всхожесть и жизнеспособность семян. Нередко из-за ухудшения прочности соломины хлеба полегают. Уменьшается содержание крахмала в клубнях картофеля, сахарозы в корнеплодах сахарной свеклы, пектиновых веществ в плодах и ягодах. Урожайность зерновых, плодовых и овощных культур падает, снижается содержание витаминов в продукции. При дефиците калия возрастает поражаемость растений различными болезнями.

Внешне калийное голодание растений проявляется в первую очередь на листьях нижнего яруса: они преждевременно желтеют, начиная с краев; в дальнейшем края буреют, а затем отмирают и разрушаются, вследствие чего они выглядят, как обожженные. Это явление получило название «краевой ожог». Дефицит калия сказывается и на снижении тургора, листья вянут и поникают. Чаще всего недостаток калия проявляется в период интенсивного роста растений (в середине вегетации), когда его содержание в клетках растений снижается в 3-5 раз в сравнении с нормой. [1]

Сильнее от недостатка калия страдают калиелюбивые культуры.

Чрезмерное калийное питание растений также негативно отражается на их росте и развитии. Проявляется оно в возникновении между жилками листьев бледных мозаичных пятен, которые со временем буреют, а затем листья опадают. [5]

Таким образом, регулируя уровень калийного питания растений, можно в значительной мере влиять на их продуктивность и качество получаемой продукции.

Глава 2. Теоретическое обоснование проблемы исследования

2.1 Круговорот веществ в природе

В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями. [2]

Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего бесполезного или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например, азот.

Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по отношению к биосфере на сегодняшний день. [3]

Когда 2 млрд. лет тому назад на Земле появилась жизнь, атмосфера состояла из вулканических газов. В ней было много углекислого газа и мало кислорода (если вообще был), и первые организмы были анаэробными. Так как продукция в среднем превосходила дыхание, за геологическое время в атмосфере накапливался кислород и уменьшалось содержание углекислого газа. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается в результате сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения поглотительной способности «зелёного пояса». Последнее является результатом уменьшения количества самих зелёных растений, а также связано с тем, что пыль и загрязняющие частицы в атмосфере отражают поступающие в атмосферу лучи.

В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для различных элементов и веществ она не одинакова), но тем не менее не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы. Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости биогеохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах - наиболее древних и консервативных). [3]

Таким образом, следует говорить не об изменении человеком того, что не должно меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление изменений и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования природы. Последнее формулируется следующим образом: в ходе эксплуатации природных систем нельзя превышать некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение меры как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например, избыток вносимых удобрений столь же вреден, сколь и недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему всё позволено.

Надежды на преодоление экологических трудностей связывают, в частности, с разработкой и введением в эксплуатацию замкнутых технологических циклов. Создаваемые человеком циклы превращения материалов считается желательным устраивать так, чтобы они были подобны естественным циклам круговорота веществ. Тогда одновременно решались бы проблемы обеспечения человечества невосполнимыми ресурсами и проблема охраны природной среды от загрязнения, поскольку ныне только 1 - 2% веса природных ресурсов утилизируется в конечном продукте.

Теоретически замкнутые циклы превращения вещества возможны. Однако полная и окончательная перестройка индустрии по принципу круговорота вещества в природе не реальна. Хотя бы временное нарушение замкнутости технологического цикла практически неизбежно, например, при создании синтетического материала с новыми, неизвестными природе свойствами. Такое вещество вначале всесторонне апробируется на практике, и только потом могут быть разработаны способы его разложения с целью внедрения составных частей в природные круговороты.

Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес). [1]

Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана - приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость.

Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). /ПРИЛОЖЕНИЕ 1/

Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. [2]

Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов. [3]

2.2 Круговорот калия

Калий - химический элемент I группы с атомным номером 19 в периодической системе. Обозначается символом K (лат. Kalium), название происходит от лат. kalium, или англ. potash - поташ. Открыт и впервые выделен в чистом виде Г. Дэви в 1807 г. (Англия). [4]

Калий представляет собой серебристо-белый мягкий металл и принадлежит к семейству одновалентных щелочных металлов. Известны два изотопа калия: 39К и 41К.

В природе калий встречается только в соединениях с другими элементами. Например в морской воде, а также во многих минералах. Он очень быстро окисляется на воздухе и очень легко вступает в химические реакции, особенно с водой, образуя щелочь. Во многих отношениях химические свойства калия очень близки к натрию, но с точки зрения биологической функции и использования их клетками живых организмов они отличаются.

Калий содержится во всех растениях, особенно много калия в плодах. Природным источником калия являются минеральные соли.

Калий -- один из основных биогенных элементов. Его круговорот в биоценозах весьма интенсивен. Содержание калия в биомассе различных биоценозов колеблется от 20 (пустыня) до 2000 кг/га (дубравы).

Замкнутый цикл круговорота питательных веществ в естественных биоценозах и аккумулирующая деятельность растений приводят к перераспределению калия в пределах корнеобитаемого слоя почвы и постепенному обогащению этим элементом ее верхних горизонтов. /ПРИЛОЖЕНИЕ 2/

В агроценозах круговорот и баланс калия зависят в основном от хозяйственной деятельности землепользователей: обеспеченности удобрениями, специализации хозяйств и др. [4]

Валовые запасы калия в почвах во много раз (в 5-50) выше, чем азота и фосфора. Этого нельзя не учитывать.

Часть калия теряется из корнеобитаемого слоя почвы за счет инфильтрации: на легких почвах около 5 %, на тяжелых -- около 2 % от внесенного количества удобрений. На интенсивность этого процесса оказывают влияние гранулометрический состав почвы и ее водный режим, дозы удобрений, особенности культур.

Часть калия почвы теряется в результате водной и ветровой эрозии. По усредненным данным, это составляет 4-8 кг/га. Обычно считается, что расходные статьи потерь калия от эрозии компенсируются поступлением его с семенами (около 2 кг/га) и осадками (2-6 кг/га). [11]

Следует иметь в виду, что некоторая часть обменного калия может переходить в почве в фиксированное (необменно-поглощенное) состояние и тем самым изыматься из доступного для растений фонда калия. Установлено также, что в снабжении растений калием принимают участие не только пахотные, но и подпахотные горизонты почв. Тем самым расход калия из пахотного слоя уменьшается. Например, в опытах на дерновоподзолистых почвах подсолнечник и люпин в среднем около 32 % калия от общего его выноса потребляли из подпахотных горизонтов. [4]

Калий вместе с другими щелочными и щелочно-земельными химическими элементами аккумулировался в земной коре в процессе ее выплавления. Основная масса элемента включается в кристаллическое вещество на последних стадиях магматической кристаллизации. Калий входит в состав наиболее распространенных силикатов: полевых шпатов, амфиболов, пироксенов, слюд. В гранитном слое континентального блока земной коры средняя концентрация К2О равна 2,89 %, масса -- 198Ч1015 т, в осадочном слое средняя концентрация К2О равна 2,00 %, масса -- 38,5Ч1015 т.

При гипергенной перестройке кристаллохимических структур силикатов значительная часть калия остается в составе «переходных» новообразованных глинистых минералов, обладающих мутабильным составом, и освобождается постепенно, на протяжении длительного времени по мере образования конечных продуктов выветривания силикатов. Свободные ионы вовлекаются в водную миграцию, а также активно адсорбируются дисперсным минеральным веществом и поглощаются высшими растениями.

По этим причинам калий более прочно удерживается в пределах Мировой суши, чем кальций и натрий.

Калий играет важную роль в жизни растений и животных. Он принимает участие в фотосинтезе, влияет на обмен углеводов, азота, фосфора. В растениях он концентрируется в плодах, семенах и интенсивно растущих органах. При недостатке калия в почве урожай сельскохозяйственных культур резко снижается. В силу изложенного калий активно поглощается растениями и включается в биологический круговорот. Его кларк в живом веществе такой же высокий, как у азота, 0,3 %. Средняя концентрация калия в сухом веществе фитомассы суши оценивается от 0,7 % (Базилевич Н.И., 1974) до 1,4% (Боуэн X., 1966). В сухом веществе морских водорослей содержится 5,2 % калия (Боуэн X., 1966). Можно предполагать, что в растительности Мировой суши до активного воздействия на нее человека содержалось около 25Ч109 т калия, в сухой биомассе фотосинтетиков океана -- 0,176Ч109 т. В мертвом органическом веществе педосферы средняя концентрация калия близка к 0,1--0,2%. Следовательно, содержащаяся в органическом веществе масса калия в несколько раз меньше, чем в живом веществе, и ориентировочно составляет около (5-10) Ч109т. [7]

Часть освобождающегося при выветривании калия захватывается растительностью суши и частично сохраняется в мертвом органическом веществе. Некоторое количество солей калия и весьма крупные его массы, связанные в глинистых минералах, образуют главный запас этого элемента в педосфере. [4]

К сожалению, обоснованная оценка масс калия в настоящее время затруднительна. Несмотря на то что живое вещество суши и высокодисперсные продукты выветривания прочно удерживают значительную часть освобождающегося калия на суше, некоторая его часть вовлекается в водную миграцию и поступает в океан, где содержится 0,53Ч10'5 т элемента в форме растворенных ионов. В осадочной оболочке находится 38,2Ч1015 калия.

Если суммировать все количество калия, содержащееся в гранитном слое, осадочной толще, океане и других резервуарах, то оно составит 236,7Ч1015 т. Это значение должно характеризовать исходную массу калия в гранитном слое литосферы. Нетрудно подсчитать, что на протяжении фанерозоя в процессе развития биосферы из гранитного слоя было извлечено примерно 16 % калия. Вынос этого элемента осуществлялся с большим трудом, чем натрия, которого за тот же период времени было извлечено большее количество. [11]

В биологический круговорот на суше на протяжении года вовлекается около 1,8Ч109 т калия. В океане через многократно возобновляемую массу фотосинтетиков проходит около 121Ч107 т/год калия. Освобождающаяся из системы биологического круговорота на суше масса калия частично задерживается в мертвом органическом веществе и сорбируется педосферой, частично вовлекается в водную миграцию. Ежегодно с континентальным водным стоком выносится в океан более 61Ч106 т свободных ионов калия. Значительно большая масса элемента переносится в составе дисперсных, преимущественно глинистых частиц в форме взвесей -- около 283Ч106 т/год.

Калий активно мигрирует в системе поверхность океана -- атмосфера-- поверхность океана в составе аэрозолей. Средняя концентрация элемента в океанических атмосферных осадках над океаном около 0,15 мг/л. На протяжении года с атмосферными осадками на поверхность океана выпадает примерно 65 * 106 т калия. Вместе с 20 % сухого осаждения это составляет 78Ч06 т калия, ежегодно вовлекаемых в обмен между океаном и атмосферой.

Концентрация ионов калия в континентальных атмосферных осадках в среднем близка к 0,7 мг/л, что составляет 0,05Ч109 т/год. С учетом 20 % сухого осаждения (0,01Ч109 т) в атмосферу с суши захватывается около 0,060Ч09 т ионов калия, а выпадает несколько больше за счет переноса океанических масс -- 0,065Ч09 т. Значительное количество элемента выносится с суши в океан с пылью. Приняв концентрацию калия в пыли равной концентрации в глинистых отложениях, можно ориентировочно оценить пылевой вынос элемента в 0,043Ч109 т.

Глава 3. Применение калия в промышленности

У калия есть три основные сферы применения. Рассмотрим каждую по отдельности:

1. Сельское хозяйство

Добавление калия в почве имеет решающее значение, где значение рН щелочное. Калийные удобрения повышают рН в почве по этому не должны быть использованы с растениями, предпочитающими кислотный состав почвы, таких как гортензия, азалия и рододендрон. Превышение калия может вызвать проблемы для растений, предпочитающих кислые или сбалансированные рН почвы. В таких ситуациях имеет смысл делать тест почвы, чтобы увидеть, имеет ли почва дефицит калия, перед использованием калийных удобрений. Калий не двигается в почве более чем на дюйм, по этому важно разработать почву так, чтобы он попал в корневую зону растений. Среднее количество, на бедной калием почве - 1/4 до 1/3 фунта хлористого калия или сульфата калия на 100 квадратных футов. Таким образом необходима тщательная подготовка перед тем как начинать обрабатывать участок земли калийными удобрениями. Избыток калия накапливается в виде солей, которые могут быть вредными для корней. Ежегодные приложения компоста и навоза, как правило, являются достаточными, если почва не песчаная. Песчаные почвы бедны органическим веществом, и потребуется листовой опад и другие органические удобрения пропашные в почве, чтобы увеличить рождаемость. [6]

Калийные удобрения вносятся в почву напрямую в виде концентрата или в составе сложных удобрений (npk).

Калийные концентраты принято разделять на малоконцентрированные и концентрированные. Малоконцентрированные удобрения содержат до 30% калия. Наиболее известные виды простых удобрений: сильвинит, каинит и калимагнезия. Однако из-за низкой эффективности и ряда ограничений, связанных со сложным химическим составом, они в меньшей степени используются в сельском хозяйстве, чем концентрированные, доля калия в которых может достигать 60%.

Самый популярный вид калийных удобрений - хлористый калий, производимый из сильвинита - относится ко второй группе. Он представляет собой 95%- , 98 %- или 99% -ную кристаллическую соль белого или розового цвета, содержание полезного вещества в которой составляет 57-60%. Своей популярностью он также обязан удобству в хранении и использовании. Хлористый калий почти не гигроскопичен, не слеживается, легко рассеивается и хорошо растворяется в воде. Кроме того, он подходит для всех видов культур и почв. Из концентратов также применяют сульфат калия, карбонат калия, калий-электролит, 30%- и 40%-ные калийные соли, получаемые путем смешивания хлорида калия с размолотым сильвинитом (40%) или каинитом (30%).[6]

Цементная пыль - бесхлорное калийное удобрение. Содержит от 10 до 35 % оксида калия. Отход производства цемента. Представляет собой смесь карбонатов, бикарбонатов, сульфатов и в небольшом количестве силикатов калия. Присутствуют гипс, оксид кальция, полуторные оксиды и некоторые микроэлементы. Применяется как основное удобрение на кислых почвах и под хлорофобные культуры. [9]

2. Промышленность

Жидкий при комнатной температуре сплав калия и натрия используется в качестве теплоносителя в замкнутых системах, например в атомных силовых установках на быстрых нейтронах. Кроме того, широко применяются его жидкие сплавы с рубидием и цезием. [10]

Соли калия широко используются в гальванотехнике, так как, несмотря на относительно высокую стоимость, они часто более растворимы, чем соответствующие соли натрия, и потому обеспечивают интенсивную работу электролитов при повышенной плотности тока. Цианид калия применяется при добыче золота и при нитроцементации стали.

Карбонат калия (поташ) используется при варке стекла. Перхлорат и хлорат (бертолетова соль) используются в производстве спичек, ракетных порохов, осветительных зарядов, взрывчатых веществ.

Бихромат (хромпик) - сильный окислитель, используется для приготовления "хромовой смеси" для мытья химической посуды и при обработке кожи (дубление). Также используется для очистки ацетилена на ацетиленовых заводах от аммиака, сероводорода и фосфина.

В золотодобыче применяется цианид калия (KCN) - как реагент для извлечения из руды серебра и золота. В нефтедобыче формиат калия используется в качестве жидкости для добуривания и реконструкции буровых скважин. В металлургии фтористый калий (KF) есть в составе металлургических флюсов; применяется также и для введения фтора в органические соединения. Калий в стекольном и мыловаренном производствах - здесь используется углекислый калий (К2CO3). В фотографии применяется бромистый калий (KBr) - он предохраняет негатив или отпечаток от вуали. В бытовой химии применяются фосфаты калия, в частности К4Р2О7 и К5Р3О10, - это компоненты моющих средств. Калий в атомной промышленности: тетрафторобромата калия (KBrF4) применяется для получения гексафторида урана при отделении урана от примесей редкоземельных элементов, а также для замены других фторокислителей при очистке и для получения фторидов таких металлов, как молибден, вольфрам, рений и других. Калий в пиротехнике и спичечном производстве: применяется хлорат калия (КClO3). [9]

3. Медицина

В медицине применяют несколько солей калия в качестве мочегонных и слабительных средств (азотно-натриевая соль, винно-калиевая, уксусно-калиевая соль); широко используются йодистый, бромистый, марганцевокислый калий, аспарагинат, оротат, хлорид калия и другие соединения. Кроме того входит в состав препаратов компенсирующих дефицит калия в организме. [10]?

Заключение

В организме калий участвует во многих процессах и выполняет ряд функций, в числе которых:

* Поддержание оптимального внутриклеточного давления за счет натриевокалиевый баланса, который обеспечивается этим элементом вместе с натрием.

* Благодаря первому пункту, а также участию калия в образовании «топлива» из глюкозы обеспечивается правильное сокращение волокон мышц, включая сердечные.

* Поддерживает жидкостный состав внутри клеток.

* Поддерживает кислотно-щелочной баланс в жидких средах человеческого организма (входит в их состав).

* Является катализатором в ряде органических реакций, включая те, которые способствует выносливости и насыщают мозг кислородом.

* Участвует в нормальной функциональности почек, позволяет предотвратить отечность, зашлакованность.

* Проводимость импульсов и нервная возбудимость также обеспечиваются калием.

Однако дефицит калия вызывает негативные последствия не только в организме человека или животных, но так же это касается и растений.

При его недостатке у растения прежде всего нарушается структура мембран хлоропластов -- клеточных органелл, в которых проходит фотосинтез. Внешне это проявляется в пожелтении и последующем отмирании листьев. При внесении калийных удобрений у растений увеличивается вегетативная масса, урожайность и устойчивость к вредителям.

Таким образом получается, что калий растениям жизненно необходим.

Так же стоит заметить, что калий и его производные важный компонент в промышленном производстве (от с/х до медицины).

Стоит отметить, что перед нами стояла следующая цель, а именно охарактеризовать дефицит калия в природе. Исходя из всех доводов приведенных ранее, а так же причинноследственной связью между недостатком калия и негативными проявлениями в живых организмах, необходимо отметить, что данный элемент является не заменимым, и последствия к которым приводит отсутствие данного вещества в организмах может оказаться фатальным для последних.

Список использованной литературы

1. Агротехнологии [Электронный ресурс]: открытый источник информации/ «Роль калия в жизни растений». Режим доступа к ресурсу: http://agrotehnology.com

2. Алексеенко В. А. Биосфера и жизнедеятельность./ В.А. Алексеенко, Л.П. Алексеенко - М.: Логос, 2013. - 212 c.

3. Герасимов И. П. Биосфера Земли./И.П. Герасимов - М.: Педагогика, 2012. - 891 c.

4. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учебник для студ. высш. учеб, заведений./ В.В.Добровольский -- М.: Академия, 2003. -- 400 с.

5. МедиаСоль [Электронный ресурс]: открытый источник информации/ «Почему калий необходим для растений и как устранить его нехватку». Режим доступа к ресурсу: https://cemicvet.mediasole.ru

6. Пестициды [Электронный ресурс]: открытый источник информации/ «Калийные удобрения». Режим доступа к ресурсу: http://www.pesticidy.ru

7. ПраймКемикалсГрупп [Электронный ресурс]: открытый источник информации/ «Калий- металл, имеющий огромное биогенное значение». Режим доступа к ресурсу: https://pcgroup.ru

8. С-мед [Электронный ресурс]: открытый источник информации/ «Калий». Режим доступа к ресурсу: https://www.smed.ru

9. УралКалий [Электронный ресурс]: открытый источник информации/ «Применение калия». Режим доступа к ресурсу: http://infopotash.com

10. Химия [Электронный ресурс]: открытый источник информации/ «Применение калия». Режим доступа к ресурсу: http://4108.ru

11. Экология [Электронный ресурс]: открытый источник информации/ «Круговорот калия в природе и хозяйстве». Режим доступа к ресурсу: http://ru-ecology.info

Приложение 1. Схема круговорота веществ

Приложение 2. Круговорот калия в наземных биосферах

Размещено на Allbest.ru