Понятие круговорота веществ в природе

3.3. Источник фосфора в биосфере - апатит, встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в состав белков, нуклеиновых кислот, лецитинов, фитина и др. органических соединений; особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в донные отложения. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, гуано, что создаёт условия для образования богатых фосфором пород, которые, в свою очередь, служат источниками фосфора в биогенном цикле.

Схема круговорота фосфора 

Круговорот  серы также тесно связан с живым веществом. Сера в виде трёхокиси (SO₃), двуокиси (SO₂), сероводорода (H₂S) и главным образом элементарной серы выбрасывается вулканами. Кроме того, в природе имеются в большом количестве различные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере при участии многочисленных микроорганизмов до сульфатной серы (SO''₄) почв и водоёмов. Сульфаты поглощаются растениями. В организмах сера входит в состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, - в состав эфирных масел и т. д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в илах морей сопровождаются очень сложными превращениями серы. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, который далее окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом процессе участвуют разнообразные микроорганизмы, создающие многочисленные промежуточные соединения серы. Сероводород может вновь образовать "вторичные" сульфиды, а сульфатная сера - залежи гипса. В свою очередь, сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию.

В целом  всё вещество литосферы интенсивно подвергается превращениям, участвуя в так называемом малом и большом круговороте веществ. Под влиянием лучей Солнца, кислорода, углекислого газа, воды, живого вещества происходит разрушение вещества поверхности Земли. Продукты разрушения уносятся ветром или, будучи растворены в воде, сбрасываются в моря и океаны, где они осаждаются, откладываются на дне, уплотняются, цементируются, образуют слоистые осадочные породы, а затем под влиянием давления превращаются в кристаллические сланцы. Этот круговорот вещества Земле называют малым. 

4. 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).

      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).

      Большой круговорот, продолжающийся  миллионы лет,  заключается   в  том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания  (в  томчисле 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.

 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.

Схема малого круговорота веществ на Земле

В большом  круговороте веществ участвуют  кристаллические сланцы и др. породы, образующиеся в процессе малого круговорота  веществ. В результате дальнейшего  погружения они попадают в магматическую  область Земли, подвергаются действию давления и высокой температуры, переплавляются и в виде изверженных магматических пород могут быть вновь вынесены на поверхность Земли. Изучение круговорота веществ на Земле представляет глубокий практический интерес. Воздействие человека на природные процессы становится всё значительнее. Последствия этого воздействия стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции веществ и энергии, появляются многие тысячи химических соединений, прежде ей не свойственных. Создаются новые водные бассейны; тем самым меняется круговорот воды. В руках человека концентрируются огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества азотсодержащих веществ для удобрения полей и т. д. Меняется обычный ход геохимических процессов. Глубокое изучение всех природных превращений веществ на Земле - необходимое условие рационального воздействия человека на среду его обитания и изменения природных условий в желаемом для него направлении. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Опасные ущербообразующие геохимические процессы.

К ущербообразующим геохимическим процессам можно  отнести следующие:

1. Изменение водного баланса между поверхностными, грунтовыми и глубокими подземными водами. Наиболее обычным его следствием является повышение уровня грунтовых вод, вызываемое двумя однонаправленными процессами.

Первый  процесс - замена естественного почвенного покрова застроенными и заасфальтированными  территориями, что практически исключает  из водного баланса испарение  с поверхности почвы и протечки водопроводных и канализационных систем, круглогодично обеспечивающие возможность восполнения ресурсов грунтовых вод (второй процесс). Оба эти обстоятельства, в сочетании с полной или частичной ликвидацией естественных дренажных систем, приводят к подъему зеркала грунтовых вод, подтапливанию оснований и фундаментов зданий и сооружений, снижению несущей способности грунтов основания и, как следствие, деформация, а в критических ситуациях - разрушение зданий и сооружений.

2. В  настоящее время из всех опасных процессов подтопление имеет максимальное распространение, его последствия могут быть угрожающими или катастрофическими. Из 1092 городов России подтоплено около 70%. Подтопление ведет к повышению сейсмичности застроенных территорий на 1-2 балла. К загрязнению грунтовых вод тяжелыми металлами, нефтепродуктами, хлоридами, соединениями серы, пестицидами, а в ряде случаев и радионуклидами в результате утечки сточных вод из канализационных сетей, инфильтрации атмосферных осадков в местах складирования промышленных и бытовых отходов. Техногенное подтопление особенно опасно, потому что носит скрытый характер, его развитие провоцирует возникновение оползней, карста и т. д.

Подтопление, активно развивающееся в любых  климатических условиях, сопровождается масштабными экологическими последствиями и наносит ущерб здоровью населения. Острота проблемы наиболее высока на сильно урбанизированных территориях, где концентрация населения сочетается с наличием мощных источников вредного воздействия на окружающую среду. Так, подтопление от 80 до 100% площади урбанизированных территорий, характерное для Ярославской, Самарской, Саратовской, Краснодарской, Барнаульской и Новосибирской агломераций, приводит к существенному росту затрат на обеспечение комфортной среды проживания человека.

3. В  случаях, когда производится промышленная  эксплуатация глубоких горизонтов  подземных вод и возникает  адекватная депрессионная воронка,  при условии постоянного восполнения  грунтового водоносного горизонта,  о чем сказано выше, усиливается  инфильтрация грунтовых вод в глубокие горизонты. Этот процесс активизации вертикального движения подземных вод сопровождается развитием процессов суффозии (выноса тонкоземистого материала) или карста (растворения и выщелачивания карбонатного материала известняков с образованием карстовых полостей).

4. Изменение  геодинамической ситуации, вызванное  дополнительной, и притом неравномерной  пригрузкой поверхности за счет  привнесенных масс материалов  строительных конструкций, в пределах  территории города. Этот фактор  дополнительной пригрузки может сопровождаться также одновременной откачкой подземных вод, в случае их использовании для питьевых или технических целей. Как следствие на фоне общего опускания поверхности городов (под действием изостатических сил и изъятия подземных вод из порового пространства горных пород основания города), активизируются местные, очаговые оползневые и солифлюкционные процессы, способные в условиях городской застройки привести к деформации зданий, и коммуникаций (оползни).

5. Внимания  заслуживает развитие неблагоприятной инженерно-экологической ситуации городов и поселков, расположенных в мерзлотных условиях. Зимой, когда поверхность земли начинает замерзать, подземные воды оказываются зажатыми между непроницаемыми слоями (слоем многолетней мерзлоты внизу и замерзшей поверхностью земли вверху). Вода находится под сильным напором, ища себе выхода наружу, она вспучивает почву, образуя ледяные бугры - гидролокалиты. Гидролокалиты и наледи (когда вода замерзает на поверхности) широко распространены в Восточной Сибири, Забайкалье, Дальнем Востоке, Канаде и в других районах распространения многолетней мерзлоты.

6. Нарушение  геохимического баланса поверхности,  грунтов основания и конструкций  зданий и сооружений - еще один  геоэкологический процесс, происходящий в экстремальных климатических условиях и оказывающий решающее влияние на длительную устойчивости надземных строительных конструкций. Его суть состоит в том, что в условиях когда испаряемость превышает количество осадков, при устойчивом подтоплении внутриквартальных территорий и отсутствии дренажа надмерзлотных вод, удаление какой то части излишней влаги с поверхности и из грунтов сезонно талого слоя происходит в результате ее испарения. Испарение, в свою очередь, приводит к последовательному и непрерывному возрастанию минерализации надмерзлотных вод. Однако известно, что чем выше минерализация воды, тем более низкие температуры потребны для ее замерзания. Следствие этого процесса - сохранение остаточных или формирование новых линз жидкой воды, имеющей отрицательную температуру, существующих круглогодично. Такие отрицательнотемпературные воды получили название криопэги от латинского криос - холод, и пэги - воды. При миграции линз криопэгов в случае, если линза переместится в основание здания может привести к деформации фундамента и самого здания.