Круговорот углерода в природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Экология - наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. В настоящее время стихийное развитие взаимоотношений с природой представляет опасность для существования не только отдельных объектов, территорий, стран и т. п., но и для всего человечества.

Это объясняется тем, что человек тесно связан с живой природой происхождением, материальными и духовными потребностями, но, в отличие от других организмов, эти связи приняли такие масштабы и формы, что это может привести к практически полному вовлечению живого покрова планеты (биосферы) в жизнеобеспечение современного общества, поставив человечество на грань экологической катастрофы.

Человек, благодаря данному ему природой разуму, стремится обеспечить себе «комфортные» условия среды, быть независимым от ее физических факторов, например, от климата, от нехватки пищи, избавиться от вредных для него животных и растений (но совсем «не вредных» для остального живого мира!) и т. п. Поэтому человек, прежде всего, отличается от других видов тем, что взаимодействует с природой через создаваемую им культуру, т. е. человечество в целом, развиваясь, создает на Земле культурную среду благодаря передаче из поколения в поколение своего трудового и духовного опыта.

Таким образом, при написании данной контрольной работы мы раскрыли следующие вопросы:

1. Круговорот углерода в биосфере - пример четко отлаженного в ходе эволюции механизма функционирования двух фундаментальных процессов - фотосинтеза и клеточного дыхания.

2. Защита биосферы от химических загрязнений: очистка сточных вод. Методы и оборудование.

3. Экологические критерии оценки состояния окружающей среды.

КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В БИОСФЕРЕ

Самый интенсивный биогеохимический цикл - круговорот углерода. В природе углерод существует в двух основных формах - в карбонатах (известняках) и углекислом газе. Содержание последнего в 50 раз больше, чем в атмосфере. Углерод участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.

Основная масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом цикле круговорота.

Основное звено большого круговорота углерода - взаимосвязь процессов фотосинтеза и аэробного дыхания.

Другое звено большого цикла круговорота углерода представляет собой анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в метан и другие вещества (например, в болотных экосистемах, на свалках отходов).

В малом цикле круговорота участвует углерод, содержащийся в растительных тканях (около 1011 т) и тканях животных (около 109 т). Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие месторождения в ФРГ, Шри-Ланка и СССР). Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например кальцит и доломит, а также в состав всех биологических веществ. В форме диоксида углерода он входит в состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы.

Углерод имеет исключительное значение для живого вещества (живым веществом в геологии называют совокупность всех организмов, населяющих Землю). Из углерода в биосфере создаются миллионы органических соединений. Углекислота из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения, продуцируют в год около 1,5*1011m углерода в виде органической массы. Растения частично поедаются животными (при этом образуются пищевые цепи). В конечном счете, органическая масса в результате дыхания, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям - каменным углям, нефти. В процессах распада органических веществ, их минерализации, огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые). В активном круговороте (углекислый газ - живое вещество) участвует очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органических веществ, карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из паров воды и углекислого газа. Круговорот углерода. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации. По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ.

С развитием промышленности, урбанизации все составляющие гидросферы испытывают антропогенную нагрузку.

Воды, отводимые после использования в бытовой и промышленной деятельности человека, называют сточными. Эти воды подвержены различным видам загрязнения. Под загрязнением водных ресурсов понимается любое изменение физических, химических, биологических свойств воды, которое делает воду опасной для здоровья населения.

Химическое загрязнение - происходит в результате поступления в водоемы со сточными водами разных примесей органической и неорганической природы. Большинство из них является токсичными для обитателей водоемов (это соединения мышьяка, свинца, ртути, меди, кадмия, хлора, и т. д.), эти вещества поглощаются фитопланктоном, передаются дальше по пищевым цепочкам более высокоорганизованным организмам, что сопровождается кумулятивным эффектом.

Кумулятивный эффект состоит в прогрессирующем увеличении содержания вредных соединений в каждом последующем звене пищевой цепочки. Например, в фитопланктоне содержание вредных соединений будет в десятеро больше, чем в воде, в зоопланктоне - повысится еще в 10 раз, в рыбе, которая питается зоопланктоном концентрация вредных веществ так же повысится в 10 раз по сравнению с предыдущим звеном пищевой цепочки. А у хищной рыбы содержание вредных веществ в тканях (щука, судак) концентрация яда может в тысячи раз превышать его концентрацию в воде.

К группе химических загрязнений относятся стоки нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, содержащих различные нефтепродукты. Нефтепродукты на сегодняшний день - распространенные загрязнители водной среды, которые наносят особо большой вред. Они образовывают на поверхности воды пленку, препятствующую газообмену между водой и атмосферой, снижая тем самым содержание кислорода в воде (12 г. нефти делают непригодной к использованию 1 т воды).

Сюда же можно отнести загрязнения водных объектов водами с повышенной минерализацией (в частности, шахтными водами), что приводит к деградации и гибели водных экосистем.

В природных водных объектах происходит естественный процесс самоочищения воды. Самоочищение - разбавление загрязненных вод, выпадение в осадки твердых загрязнителей, химические, физические, биологические процессы, которые приводят к возвращению воды в первоначальное состояние.

Способность любого водоема к самоочищению конечна. К сожалению, реальность сегодняшнего дня это большие объемы промышленных и бытовых сточных вод, наличие в них токсичных для биоценозов веществ, изменение их физических и химических свойств. Эти факторы ограничивают возможности водоёма по самоочищению и уже сейчас реки, моря, озёра не в состоянии справиться с современными объёмами загрязнённых вод. Поэтому существует острая необходимость обезвреживать, очищать и утилизировать сточные воды. Предупреждение или же минимизация загрязнения водных объектов сточными водами представляет собой совокупность организационных и технических мер.

Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения - сложный, зачастую пролонгированный во времени процесс.

Методы очистки можно разделить на механические, физические, физико-механические, физико-химические и биологические. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей. В случае применения нескольких видов очистки и обезвреживания сточных вод метод называется комбинированным.

Механический метод - позволяет удалять до 75 % нерастворимых примесей твёрдых и масляных загрязнений. Механическая очистка производится отстаиванием, процеживанием, фильтрацией, дистилляцией.

Примерами физико-механического метода очистки воды являются флотация, обратный осмос.

В последнее время метод флотации широко применяется для осветления сточных вод, загрязнённых лёгкими и высокодисперсными взвесями. Эффект флотации заключается в том, что, диспергированные в тонкой суспензии, пузырьки воздуха соединяются с частичками взвеси и всплывают вместе с ней на поверхность. Таким образом, флотация основана на процессе прилипания загрязнённых веществ к поверхности раздела двух фаз, например, воздуха и воды, образовании комплексов и их удалении. Преимущества флотации: незначительное пребывание во флотационных установках очищаемых вод; высокая степень очистки (90 - 98%), которая одновременно сопровождается аэрацией, снижением содержания бактерий и микроорганизмов.

Распространение сейчас получает очистка методом обратного осмоса (гиперфильтрации), при котором очищаемые стоки непрерывно фильтруются под давлением через полупроницаемые мембраны разных видов. Обратный осмос является наиболее эффективным процессом для получения питьевой воды. Это натуральный процесс, в ходе которого наступает отделение воды от растворённых в ней субстанций. Основными этапами очистки этого типа являются (усреднённый вариант):

- предварительная очистка воды от различного вида механического загрязнения - песок, ржавчина и т.д. величиной свыше 20 микрон (0.02 мм);

- вода очищается от загрязнений свыше 5 микрон (0.005 мм) - очистка воды угольным фильтром, который удаляет хлор и его производные, органические соединения мембрана пропускает только молекулы воды, все загрязнения направляются на слив (вирусы, бактерии, пестициды гормоны, радиоактивные элементы).

Преимущества метода обратного осмоса: простота аппаратуры, возможность работы при обычной температуре, очистка воды от органических и неорганических загрязнений, малая зависимость эффективности очистки от концентрации загрязнений. Недостатки: высокая стоимость мембран и их быстрая изнашиваемость.

Химическая очистка заключается в использовании реагентов, вступающих в реакцию с загрязняющими веществами. В результате образуются вещества, удаляемые из сточных вод легче, чем исходные. Нейтрализация осуществляется путём фильтрации через нейтрализующие материалы (мел, доломит, магнезит), смешивания кислых сточных вод с реагентами (карбонат кальция, магния, аммиак и т. д.). Окисление производится для обеззараживания сточных вод от токсичных примесей (цинк, медь). Химическую очистку наиболее часто используют не как самостоятельный метод, а в комплексе с другими мероприятиями.

Физико-химический метод основан на изменении физического состояния загрязнения, что облегчает их удаление из сточных вод. В этом случае используются реагенты.

Метод коагуляции - основан на слипании мелкодисперсных частиц под воздействием специально добавляемых в сточные воды коагулянтов, в результате чего происходит увеличение размеров и интенсивное осаждение частиц. Коагулянты - соли алюминия, железа, магния, известь.

Сорбция - процесс поглощения вредных веществ из сточных вод твёрдым телом или жидкостью - сорбентом - золой, торфом, активными глинами. Приспособления с использованием сорбента для извлечения из сточных вод загрязнителей обычно изготавливают в виде фильтров.

Используется три вида сорбционных процессов очистки загрязнённых вод:

Хемосорбция - процесс поглощения загрязнения сорбентом, при котором происходит образование нового компонента на поверхности раздела сред: загрязнитель - сорбент.

Абсорбция - процесс поглощения загрязнения всей массой сорбирующего вещества.

Адсорбция - поглощение загрязнения поверхностным слоем сорбента благодаря взаимодействию молекулярных сил в системе сорбент - загрязнитель.

Экстракция - добавление в сточные воды специальных веществ - экстрагентов для извлечения из сточных вод загрязняющих веществ. Загрязняющие вещества в них растворяются лучше, чем в воде. Экстрагенты должны соответствовать таким требованиям: селективность, малая растворимость в воде, нетоксичность, небольшая теплота выпаривания.

Ионный обмен - процесс извлечения из сточных вод ценных веществ (хром, цинк, медь), который протекает благодаря обмену ионами между примесями и ионообменными смолами (ионитами) на поверхности раздела фаз раствор - смола. Основное качество ионитов - их большая поглощающая способность - обменная ёмкость. Иониты могут быть как природными, так и синтетическими. Находят применение иониты из целлюлозы, угля, алюмосиликатов.

Электролиз - разрушение органических веществ в стоках и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизёрах.

Биохимическая очистка основана на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек. Этот процесс протекает благодаря способности некоторых микроорганизмов разрушать органические и некоторые неорганические соединения (например, сульфиды и соли аммония), превращая их в безвредные соединения. - продукты окисления - воду, двуокись углерода, нитрат- и сульфатионы.

В зависимости от организмов, которые участвуют в разрушении загрязняющих соединений, различают два метода биологической очистки сточных вод: аэробный и анаэробный.

Аэробный осуществляется бактериями при наличии в воде кислорода и является основным способом биоочистки. Существует несколько видов устройств, использующих аэробный принцип.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной плёнкой. Благодаря этой плёнке, служащей действующим началом, быстро протекают процессы биологического окисления.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоём.

В аэротенках (огромных резервуарах из железобетона) очищающим началом служит активный ил из различных микроорганизмов. Их развитию способствуют органические вещества, поступающие со сточными водами, а так же искусственно создаваемый избыток кислорода. Ферменты, выделяемые микроорганизмами , минерализуют органические загрязнения.

Биологический метод даёт хорошие результаты при очистке коммунальных стоков. Он применяется и при очистке стоков предприятий целлюлозно - бумажной, нефтеперерабатывающей промышленности.

Анаэробный осуществляется бактериями, не требующиими кислорода и заключаются в сбраживании загрязняющих веществ в закрытых аппаратах без доступа воздуха - метатенках и может применяться для предварительной подготовки стоков, с большим содержанием органических осадков.

Биологической очистке сточных вод обычно предшествует механическая очистка. А следуют за ней химические и физико-химические методы (хлорирование, электролиз, озонирование).

Биоплато. Прогрессивным развитием методов естественной биологической очистки являются биоинженерные сооружения типа биоплато. Для очистки и доочистки сточных вод населенных пунктов могут быть использованы конструкции типа инфильтрационных и поверхностных биоплато.

Инфильтрационное биоплато -- инженерное сооружение, размещенное, как правило, в котловане глубиной до 2 м, на дне которого устраивается противофильтрационный экран из полиэтиленовой пленки. Поверх экрана укладывается горизонтальный дренаж и слой щебня, песка, керамзита или другого фильтрующего материала. Поверхность сооружения засаживается камышом, тростником, рогозом и другими местными видами высшей водной растительности из расчета не менее 10--12 стеблей на 1 м2.

По технологии биоплато в очистке воды принимают участие сообщества водных (на поверхности блока) и почвенных (в фильтрующем слое) микроорганизмов, высшая водная растительность и сам фильтрующий слой.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ. ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. БИОИНДИКАЦИЯ

экология организм углерод биогеохимический

Биоиндикация - оценка качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию ее биоты в природных условиях.

Для учета изменения среды под действием антропогенного фактора составляются списки индикаторных организмов.

Методы оценки абиотических и биотических факторов местообитания при помощи биологических систем часто называют биоиндикацией (лат. - indicare - указывать). В соответствии с этим, организмы или сообщества организмов, жизненные функции которых так тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки, называют биоиндикаторами. При биоиндикации изменения биологической системы всегда зависят как от антропогенных, так и от природных факторов среды. Эта система реагирует на воздействие среды в целом в соответствии со своей предрасположенностью, то есть такими внутренними факторами, как условия питания, возраст, генетически контролируемая устойчивость и уже присутствующими нарушениями. Существуют различные формы биоиндикации. Если две одинаковые реакции вызываются различными антропогенными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации. Если биоиндикатор реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором. Аккумулятивные биоиндикаторы, напротив, накапливают антропогенное воздействие большей частью без быстро проявляющихся нарушений. Для биоиндикации пригодны в основном два метода - пассивный и активный мониторинг. В первом случае у свободно живущих организмов исследуются видимые или незаметные повреждения или отклонения от нормы, являющиеся признаками стрессового воздействия. При активном мониторинге пытаются обнаружить те же самые воздействия на тест-организмах, находящихся в стандартизированных условиях на исследуемой территории.

Все биоиндикаторы подразделяют на четыре группы:

1. ботанические;

2. зоологические;

3. микробиологические;

4. биохимические.

Растения обычно служат хорошими показателями нарушенности среды хозяйственной деятельностью, промышленными загрязнениями. Животные интересны как объект, физиологически близкий к человеку, по их реакциям можно предвидеть санитарные последствия загрязнений не только для природы в целом, но и для человека. Микробы - наиболее быстро реагирующие индикаторы, они лучше всего подходят для экотоксилогических экспериментов. Биологические факторы являются наиболее чувствительными, характеризующими физиологичексое состояние растений в системе "почва -растение". Высокая чувствительность показателя микробной биомассы, характеризующего состояние растений, объясняется адекватностью отражения интенсивности биологического круговорота в системе "почва - растение". Чем активнее состояние растений (чем моложе растения), тем интенсивнее протекают биохимические процессы. Это отражается на характере корневых выделений, которые являются пищевым и энергетическим материалом для населяющих почву микроорганизмов. Последние увеличивают свою численность, что в конечном итоге влияет на микробную продуктивность. Микробиологические методы индикации разработаны еще недостаточно. Высокая динамичность микробиологических показателей, пестрота значений в связи с неравномерностью в почвенной толще, слабо разработанная микробная систематика и идентификация видов и другие причины затрудняют работу исследователей в этой области.

Основная проблема, с которой сталкивается биоиндикация, это идентификация фактора окружающей среды, который оказался причиной изменений биообъектов, наблюдаемых в природных условиях.

Биоиндикация выявляет результат произошедшего вредоносного воздействия на окружающую среду. Может применяться на экологическом объекте постоянно, но эффективность его станет очевидной при начале неблагоприятных экологических изменений. Эти три элемента общей природоохранной стратегии дополняют, но не способны заменить друг друга. Задачей экологов является отработка оптимальных режимов применения каждого из подходов, целенаправленного и обоснованного применения их в системе ограничения загрязнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, задача человека заключается в том, чтобы не подрывать естественные основы своего существования, не мешать прогрессивным процессам в биосфере, растрачивая на это все возрастающее количество энергии, а постараться разобраться в законах и правилах, движущих этими процессами, и согласовать с ними свои цели и действия. Достигнуть этого нелегко как из-за высокой степени сложности биосферных связей, которые предстоит изучать и учитывать, так и в связи с неподготовленностью значительной части населения к переходу от психологии покорителей природы и расточительных потребителей ее ресурсов к психологии ее благодарных детей и союзников в противостоянии энтропии. Однако сложность и важность задачи делает ее только более интересной и достойной для человека, тем более что его мозг пока еще использует свои возможности только на несколько процентов. Пора задействовать резервы, не случайно заложенные в нас природой. История показывает, что, если человек осознает острую необходимость решения какой-либо задачи и сосредоточивает достаточные интеллектуальные и материальные ресурсы в этом направлении, он может в короткое время достичь значительных результатов. Так было в нашей стране, когда за несколько послевоенных тяжелейших лет мы достигли потрясающих успехов в покорении атомной энергии и космоса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ, 1998. - 456 с.

2. Демина Т.А. Экология, природопользование, охрана окружающей среды. - М.: АО «Аспект Пресс», 1994. - 160 с.

3. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. - Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2003. - 576 с.

4. Охрана окружающей среды: Учебник для вузов / Под ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1991. - 187 с.

Размещено на Allbest.ru