Биогеохимические циклы

Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:
Большой, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы.
2. Малый, или биологический, круговорот.
Оба круговорота взаимосвязаны
и представляют единый процесс. Только два химических элемента покидают Землю – водород и гелий. Остальные остаются в сфере влияния Земли и полностью участвуют в биохимических циклах.
Любой круговорот имеет три основных показателя: скорость, время оборота, коэффициент рециркуляции.
По оценкам гидросфера совершает круговорот за период от 3000 до 2 млн. лет,
земные воды – за 5000 лет,
почвенная влага – за 1год.
СО2 совершает круговорот за 300 лет. Кислород оборачивается за 2000 лет.

Основные особенности
круговоротов
Одно из открытий геохимии состоит в том, что движение многих хим. элементов осуществляется циклически (в миграцию вовлекается весь Zn, 10% - С, P, Mn, Cu и др.).
Человек – мощный геологический фактор.
Деятельность человека: миграция Pb в 15 раз больше естествен. уровня; SO2 в 1,4 раза и т.д.
Различают 3 вида круговоротов:
газообразные элементы,
вода,
твёрдые вещества.
Саморегуляция по типу отрицательной обратной связи (газы, глобальный масштаб).
Из 100 хим. элементов 30-40 требуется живым организмам.
Резервный фонд:
атмосфера или гидросфера,
земная кора.

Круговорот воды в природе
количество воды в геограммах
(1 геог=1020 г)

Распределение воды по Земному шару

Некоторые показатели воды

Уровень Мёртвого моря лежит на 410 метров ниже уровня Мирового океана

Водородный показатель
воды (pH)
pH ‑ характеризует концентрацию водородных ионов в растворе, т.е. степень его щёлочности или кислотности

Методы очистки воды

Методы очистки сточных вод

Химико-технологические процессы очистки
Скруббер ‑ устройство, для очистки твёрдых или газообразных сред путём улавливания твёрдых и газовых примесей из газовой смеси, пропускаемой через
распылённую жидкость

Аэротенк - аэробная установка,
использующая для очищения стоков
активный ил (степень очистки более 95%)

Эйхорния (водяной гиацинт) – очистка водоемов от радионуклидов
Растение вбирает инсектициды, фенолы, фосфаты, соли натрия, поглощает кадмий, никель и серебро, очищает водоемы от органических и неорганических загрязнителей, используется в корм скоту и как удобрение.
Коэффициент накопления радионуклидов:
Cs-137 до 30.000;
Sr-90 до 5.000

Древний метод очистки воды, который известен в Индии уже тысячу лет, может спасти массу жизней жителей третьего мира и стран с ограниченным доступом к чистой питьевой воде, предотвращая распространения различных заболеваний, передаваемых с водой низкого качества, могут заметно сократить инфекционные заболевания в развивающихся странах
Очистка воды раздробленными семенами Моринги Маслянистой (Moringa Oleifera)

Круговорот газообразных элементов
Газы сформировали не только нашу атмосферу, но и континенты и океаны.
История Земли – это история газов.
Все планеты создают свою атмосферу с нуля. И вулканические газы обеспечили Землю важнейшими элементами.
У первозданной Земли тоже была атмосфера, которая состояла из водорода и гелия.
Вторая атмосфера (горячая и ядовитая) вулканического происхождения.
Третья атмосфера появилась благодаря важному для истории планеты газу – азоту.
4-ая атмосфера 2 млрд лет назад, кислородная катастрофа. Благодарны аэробным бактериям, поскольку они сделали возможным существование многоклеточных существ

Извержение вулкана Сент-Хеленс 18 мая 1980 (США). Энергия равна взрыву 27 000 атомных бомб, по одной в секунду за девять часов извержения.

Круговорот газообразных
Для возникновения жизни чрезвычайно важно, что насыщенная азотом атмосфера не атакует биологические молекулы, как это делают другие газы.
Азотфиксирующие бактерии - весь азот в составе живых организмов прошел переработку этими бактериями, без них на Земле не существовало бы ни одного растения или животного.

Состав атмосферы

Азот в природе
Для возникновения жизни чрезвычайно важно, что насыщенная азотом атмосфера не атакует биологические молекулы, как это делают другие газы.
Клетки большинства живых существ, включая человека, не усваивают газообразный азот (3 % массы тела человека). Сначала его нужно перевести в другую форму.
Азотфиксирующие бактерии - весь азот в составе живых организмов прошел переработку этими бактериями, без них на Земле не существовало бы ни одного растения или животного.

Горы гуано на островах Чинча у побережья Перу.

Аммиак – надежный источник удобрений
В начале XX в. люди стали первыми организмами немикробного происхождения, научившимся связывать азот. Благодаря двум немцам -Фрицу Габеру и Карлу Бошу (нац. Герои, Нобелевская премия, военные преступники – отравляющие газы – хлор, фосген), которые придумали способ включать элемент под номером №7 из воздуха в наши тела.
х Производства минеральных удобрений, которая не закончилась до сих пор. Процесс Габера – Боша потребляет 1% всех мировых энергетических запасов.
Человечество ежегодно расходует 175 млн т аммонийных удобрений и за счет этих удобрений получает примерно половину всех продуктов питания.
.

Круговорот азота в природе
д е н и т р и ф и к а ц и я ‑ восстановление азота минеральных соединений до газообразного состояния

Кислородный цикл

Концентрация кислорода в
атмосфере Земли

Процесс кислорода накопления начался примерно 2 млрд лет назад. Он является ядом для многих форм жизни, а 2 млрд лет назад стал причиной самой страшной катастрофы в истории жизни на Земле – так называемой кислородной катастрофы (процесс накопления кислорода,
длившийся несколько сотен миллионов лет).
Кислород уничтожил первые формы жизни, поскольку очень легко разрушает клетки, но, когда клетки научились
контролировать содержание кислорода, его активность стала важнейшим преимуществом.
Открытие кислорода Джозефом Пристли (1774 г.). Ранее ученые смогли выделить лишь два чистых газа – диоксид углерода и водород. За несколько десятилетий Пристли в одиночку открыл девять
новых «воздухов», включая аммиак, диоксид серы и оксид азота (веселящий газ).

Лавуазье обнаружил связь между огнем, кислородом и дыханием, объявив, что дыхание представляет собой вариант медленного и контролируемого горения, происходящего у нас в легких. Это открытие до сих пор остается одним из важнейших достижений химии..
На Земле существует около 4500 минералов, и примерно две трети из них могли образоваться только в присутствии кислорода.
Кислород накапливался в атмосфере неравномерно.
Первый скачок произошел примерно 2,3 млрд лет назад, когда в океанах закончились запасы растворенного железа. За несколько сотен миллионов лет концентрация кислорода в воздухе подскочила на 10 порядков.
Примерно 1,8 млрд лет назад концентрация кислорода перестала расти и остановилась на постоянном уровне образом за счет поглощения оказавшимися на поверхности земли минералами.

Но около 600 млн лет назад, когда минералы насытились кислородом, этот газ вновь начал накапливаться в воздухе и за несколько сотен миллионов лет уровень кислорода вдруг невероятным образом вырос от 15 до 35 %.
Кварц SiO2
Слю́ды — группа минералов-
алюмосиликатов

Содержание газов в воздухе и в воде Мирового океана

Потери кислорода в океанах Земли

Схема внутреннего строения Земли

Скорости сейсмических волн внутри Земли

Фосфорный цикл
Горные породы
Доступные запасы фосфорных
удобрений закончатся через 30-40 лет

Круговорот углерода