1. На первом этапе бактерии, а также промышленность и загрязненные сточные воды выделяют сероводород, окисляющийся в воздухе с образованием сернистого газа. В облаках из газа образуется сернистая кислота.
2. Очень много SO2
выделяется металлургическими заводами и ТЭС, работающими на угле, а также при сжигании нефти. Соединения азота и серы в воздухе реагируют с водой, образуя азотную и серную кислоты. На землю выпадают кислотные дожди, являющиеся причиной поражения растений, почв, эвтрофного загрязнения водоемов.
3. Эвтрофикация — увеличение количества биогенных элементов в водоемах, которое сопровождается подъемом в них биологической продуктивности. Эвтрофикация может развиться в результате того, что водоем естественным образом стареет, но может вызываться и действиями человека. Фосфор и азот
подталкивают эвтрофикацию. Искусственным образом сформированная эвтрофикация ведет к излишнему росту водорослей, появлению в воде цианобактерий, выделяющих в период бурного цветения токсины — низкомолекулярные пептиды и алкалоиды — которые вызывают отравление животных и людей (именно поэтому в период цветения закрыты пляжи), а также к дефициту кислорода в воде, что ведет к замору рыб. Объяснить данный процесс можно недостаточным проникновением лучей солнца в низкие слои водоемов, а значит, отсутствие у растущих на дне растений фотосинтеза. Нет фотосинтеза — уровень кислорода в воде катастрофически падает.
4. Затем сера переходит в сульфатную форму — в облаках присутствуют металлы, которые образуют соли после взаимодействия с кислотами.
5. Хемосинтетики окисляют сероводород до сульфат-иона, который после взаимодействия с водой образует серную кислоту. Ряд бактерий-окислителей сероводорода накапливают в себе самородную серу. Существуют фотосинтезирующие серные бактерии, имеющие бактериохлорофилл — пурпурные и зеленые бактерии. Для них донором электронов является не вода, а сероводород, поэтому кислород они не выделяют.
6. Сульфаты — минералы, соли серной кислоты H2SO4. В итоге сульфаты выпадают с дождем или снегом из облаков на землю.
7. На земле сульфаты включаются в ткани растений. Животные поедают растения и сульфаты проникают уже в их ткани. В клетках сера входит в состав аминокислот и белков.
8. Затем сульфаты вместе с остатками органических соединений растений подвергается воздействию анаэробных редуцентов.
9. Часть серы снова оседает в почве и осадочных породах в виде сульфидов и свободной серы.
Круговорот фосфора
1. Фосфор содержится в горных породах — до 0,09 процента.
2. Разрушаясь и подвергаясь эрозии воды и ветра, он поступает в почву, откуда поглощается растениями, а затем попадает в организмы животных.
3. Фосфор входит в многочисленные соединения в живых организмах: белки, нуклеиновые кислоты, особенно много фосфора в составе костей. Он жизненно необходим животным в процессах обмена веществ для накопления энергии в виде АТФ.
4. «Разлагающая» деятельность организмов-редуцентов снова возвращает его в почву.
5. Часть соединений фосфора в виде фосфатов смывается дождями в реки, а оттуда — в моря и океаны, поглощается водорослями.
6. В составе мертвого органического вещества он оседает на дно водоемов и снова включается в состав горных пород.
Круговорот веществ – естественные циклические процессы превращения и перемещения химических элементов. Бывает воздушный и водный. В воздушный круговорот вовлечено 98,3% (О2, Н2, С, N2),
в водный 1,7% (Na, Mg,CI, K,S и др). Круговороты бывают разные, в том числе, биологический.
Биологический круговорот – биогенная миграция атомов, представляет 2 противоположных процесса – аккумуляцию элементов в живых организмах и минерализацию в результате разложения мертвых остатков. Образование идет на суше, минерализация в почве и в глубинах морей.
Круговорот воды в природе
Солнечные лучи нагревают водоемы → вода испаряется → поднимается вверх, охлаждается, конденсируется → переносится воздушными массами → выпадают атмосферные осадки → они просачиваются в почву → подземным стоком возвращаются в реки, моря, океаны. Таким образом, вода появляется из океана и туда же возвращается.
Часть воды испаряется растениями, попадая вновь в атмосферу. Часть воды в процессе фотосинтеза расщепляется на водород (идет на синтез органических веществ) и кислород (выделяется в атмосферу). Таким образом, вода появляется из океана и туда же возвращается.
Круговорот углерода
Поглощение СО2 растениями в процессе фотосинтеза → в темновой фазе ими создается глюкоза → животные поедают растения → СО2 выделяется в процессе дыхания у всех организмов → поступает в атмосферу в процессе сжигания органического топлива и вулканической деятельности→ часть СО2 конденсируется в виде угля и торфа, часть растворяется в воде и используется моллюсками для построения раковин → после их гибели образуется известняк, который при разрушении выделяет СО2 в атмосферу. Основная часть поступающего СО2 в атмосферу поглощается океаном и откладывается в виде карбонатов, содержание СО2 в воздухе медленно, но неуклонно повышается.
Круговорот азота
Азот один из основных биогенных элементов в больших количествах содержится в атмосфере (78%), но в молекулярной форме он не может использоваться ни растениями, ни животными.
В пригодный для использования, атмосферный азот переводят азотфиксирующие бактерии и синезелёные водоросли. Образуется аммиак, который хемосинтезирующие бактерии переводят в нитриты и нитраты. Их поглощают растения. Биологическая фиксация азота на суше составляет 1 г/м2.
После отмирания организмов бактерии гниения разлагают азотсодержащие соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, часть восстанавливается денитрифицирующими бактериями до молекулярного азота, но основная масса окисляется до нитритов и нитратов и вновь используется. Часть соединений азота оседает в глубоководных отложениях и надолго (миллионы лет) выключается из круговорота. Потери компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами.
|
|
Азотфиксация — это процесс превращения микроорганизмами элементарного азота атмосферы в азотистые соединения. Аммонификация – процесс расщепления белков после смерти организмов бактериями гниения с выделением аммиака. Нитрификация — процесс превращения аммиака в нитраты азотобактериями и клубеньковыми бактериями. Денитрификация — расщепление нитратов отдельными бактериями до элементарного азота и его выделение в атмосферу. |
Круговорот серы
Сера входит в состав белков, представляет собой жизненно важный элемент. В виде соединений с металлами сульфидов она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную для усвоения растворимую форму эти соединения переводятся серобактериями — хемосинтезирующими бактериями, способными получать энергию путём окисления восстановленных соединений серы. В результате образуются сульфаты, которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.
Круговорот фосфора
Резервуаром фосфора служат залежи его соединений в горных породах. Вследствие вымывания он попадает в речные системы и частью используется растениями, а частью уносится в море, где оседает в глубоководных отложениях. Кроме того, в мире ежегодно добывается до 2 млн. т. фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора также вымывается и исключается из круговорота. Благодаря лову рыбы часть фосфора возвращается на сушу в небольших размерах (около 60 тыс. т. фосфора в год).
Круговорот кислорода
Круговорот кислорода поддерживает и сохраняет возможность жизнедеятельности живых организмов. Люди и животные в процессе дыхания поглощают кислород, выдыхая СО2. Промышленные предприятия, автомобильный транспорт выделяют в атмосферу огромное количество вредных веществ и примесей, сжигают тонны кислорода и уменьшают его количество в окружающей среде.
Восстановление жизненно важного элемента происходит благодаря такому процессу, как фотосинтез. Преобразование углекислого газа в кислород осуществляется растениями, поглощением из окружающей среды углекислого газа с последующим выделением в нее кислорода. Наземные растения получают его из атмосферы и земли через корни и листья, а водоросли используют газ, растворенный в воде.
Круговорот энергии
Превращение энергии – трансформация поступающей на Землю солнечной радиации в энергию химических связей. Осуществляется зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Расходуется на процессы жизнедеятельности всех организмов, либо выделяется в виде теплоты, либо консервируется в земной коре в виде залежей угля, нефти, торфа.
Закон сохранения энергии (И.Майер, Д.Джоуль) Энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. Солнечная энергия →химическая →механическая →электрическая
Круговорот серы
Сера
– биогенный элемент, который почти не
бывает в дефиците. В живых организмах
сера – основной компонент некоторых
аминокислот (цистеин, метионин). Основные
звенья круговорота серы:
1)
сера усваивается в виде сульфатов
растениями и грибами. При этом сера
переходит в двухвалентное состояние
(S2-) и встраивается в белковые молекулы;
2)
сера окисляется до сульфатов (SO32-)
микроорганизмами при распаде мертвых
тел. Меньшая часть сульфатов снова
усваивается растениями, большая часть
за счет подвижности сульфат-ионов
вымывается в океан;
3)
на дне океана бактерии из рода
Десульфовибрио отбирают у сульфатов
кислород и, тем самым, восстанавливают
серу до сероводорода (H2S). Сероводород
выносится к поверхности, а затем часть
его поступает в воздух;
4)
в воздухе сероводород (H2S) быстро
окисляется до сернистого газа (SO2), а
затем серного ангидрида (SO3), последний
соединяется с парами воды и образует
серную кислоту (H2SO4);
5)
H2SO4 с дождями возвращается на сушу. Таким
образом, на сушу попадает две трети
серы, смытой в океан;
6)
происходит приток серы через извержение
вулканов;
7)
происходит приток сульфидов (S2-) через
разрушение горных пород (пирит – серный
колчедан FeS2, медный колчедан CuFeS2);приток
сероводорода происходит через аэробное
разложение органики в болотах.
Основная
доступная форма серы — SO4
— восстанавливается автотрофами и
включается в белки. Для растений серы
требуется меньше, чем азота и фосфора,
поэтому лимитирующим фактором (фактор,
который при определенном наборе условий
окружающей среды ограничивает какое-
либо проявление жизнедеятельности
организмов) она бывает реже. Тем не менее
круговорот серы — ключевой в общем
процессе продуцирования и разложения
биомассы.
В
последнее время на круговороты серы
все большее влияние оказывает промышленное
загрязнение атмосферы. При сжигании
топлива, выплавке металлов, при получение
элементарной серы из сероводорода
горючих газов в атмосферу в виде оксидов
попадает ежегодно около 10млн. т серы.
Это превышает природный сток серы.
Количество серной кислоты в атмосфере
сейчас вдвое больше, чем 150 лет назад.
Кислотность (рН) чистой воды равна 7, рН
дождевой – 5,6 за счет растворенного в
ней СО2 , рН кислотных дождей может
достигать 2,5 (концентрация столового
уксуса).
Особенно
токсичны соединения серы — в форме SO2,
которые являются промежуточными
продуктами круговоротов серы. В
большинстве местообитаний концентрация
серы невелика, но в связи с неумеренным
сжиганием топлива содержание в воздухе
соединений SO2,
особенно в крупных промышленных центрах,
увеличилось до такой степени, что сера
представляют опасность для важных
биотических компонентов экосистем.
Основным источником сернистого газа —
продукты сжигания угля. Особенно большой
вред наносит SO2
растениям. Реагируя с водяным паром, он
образует слабую серную кислоту, которая
выпадает с осадками, известными как
«кислотные дожди». Попав на листовую
поверхность, H2SO4
вызывает химические ожоги, что снижает
фотосинтезирующую поверхность растений
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Методическое пособие уроков с видеоматериалами
Тип урока — комбинированный
Методы: частично-поисковый, проблемного изложения, репродуктивный, объяснительно-иллюстративный.
Цель:
— осознание учащимися значимости всех обсуждаемых вопросов, умение строить свои отношения с природой и обществом на основе уважения к жизни, ко всему живому как уникальной и бесценной части биосферы;
Задачи:
Образовательные: показать множественность факторов, действующих на организмы в природе, относительность понятия «вредные и полезные факторы», многообразие жизни на планете Земля и варианты адаптаций живых существ ко всему спектру условий среды обитания.
Развивающие: развивать коммуникативные навыки, умения самостоятельно добывать знания и стимулировать свою познавательную активность; умения анализировать информацию, выделять главное в изучаемом материале.
Воспитательные:
Воспитывать культуру поведения в природе, качества толерантной личности, прививать интерес и любовь к живой природе, формировать устойчивое положительное отношение к каждому живому организму на Земле, формировать умение видеть прекрасное.
УУД
Личностные: познавательный интерес к экологии.. Понимание необходимости получения знаний о многообразии биотических связей в природных сообществах для сохранения естественных биоценозов. Способность выбирать целевые и смысловые установки в своих действиях и поступках по отношению к живой природе. Потребность в справедливом оценивании своей работы и работы одноклассников
Познавательные: умение работать с различными источниками информации, преобразовывать её из одной формы в другую, сравнивать и анализировать информацию, делать выводы, готовить сообщения и презентации.
Регулятивные: умение организовать самостоятельно выполнение заданий, оценивать правильность выполнения работы, рефлексию своей деятельности.
Коммуникативные: участвовать в диалоге на уроке; отвечать на вопросы учителя, товарищей по классу, выступать перед аудиторией, используя мультимедийное оборудование или другие средства демонстрации
Планируемые результаты
Предметные: знать — понятия «среда обитания», «экология», «экологические факторы» их влияние на живые организмы, «связи живого и неживого»;. Уметь — определять понятие «биотические факторы»; характеризовать биотические факторы, приводить примеры.
Личностные: высказывать суждения, осуществлять поиск и отбор информации; анализировать связи, сопоставлять, находить ответ на проблемный вопрос
Метапредметные: связи с такими учебными дисциплинами как биология, химия, физика, география. Планировать действия с поставленной целью; находить необходимую информацию в учебнике и справочной литературе; осуществлять анализ объектов природы; делать выводы; сформулировать собственное мнение.
Форма организации учебной деятельности – индивидуальная, групповая
Методы обучения: наглядно-иллюстративный, объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый, самостоятельная работа с дополнительной литературой и учебником, с ЦОР.
Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.
Изучение нового материала
Круговорот серы
Соединения серы участвуют в биохимических процессах живой клетки, формировании химического состава почв и подземных вод. Это один из главных биогенов, который попадает в почвенные горизонты в результате естественного разложения отдельных горных пород, содержащих такие минералы, как пирит – серный колчедан (FeS2), медный колчедан (CuFeS2) и при разложении органических веществ, преимущественно растительного происхождения..
Из почвы по корневым системам сера поступает в растения, где синтезируются серосодержащие аминокислоты – цистин, цистеин, метионин
В природе сера образует минералы – сульфиды. Их много в изверженных горных породах. Затем после окисления сера со стоком воды попадает в Мировой океан, где и поглощается морскими обитателями. Особенно много серы накапливается в моллюсках.
Круговорот серы в морях происходит с помощью сульфатредуцирующих бактерий, которые восстанавливают сульфаты до сероводорода, а он затем поднимается в верхние слои воды и окисляется с помощью кислорода и сернистых бактерий. Некоторые бактерии накапливают серу в своих организмах, а после гибели бактерии вся сера остается на дне океана.
На континентах круговорот серы осуществляется с помощью растений. После их отмирания сера переходит в почву, где одни организмы восстанавливают органическую серу до минеральной серы, а другие уже окисляют ее до сульфатов, которые вновь поглощаются корнями растений.
Круговорот серы – ключевой в общем процессе синтеза и разложения биомассы. Техногенные выбросы серы в атмосферу (в основном в виде окислов SOх при сгорании органического топлива) составляют 75…100 млн. т в год.
Длительное существование жизни на Земле, которое невозможно без непрерывного использования минеральных веществ, обязано описанному выше процессу круговорота вещества и энергии. Если бы в биосфере не было этого биотического круговорота и минеральные продукты только бы расходовались на восполнение и поддержание жизни, то в силу их конечности рано или поздно они бы исчерпались и жизнь прекратилась как планетарное явление. Биогеохимические явления круговорота вещества и энергии свидетельствуют об огромной роли зеленых растений – основных продуцентов органического вещества и организмов-деструкторов, или биоредуцентов..
Вопросы и задания
1.К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот серы?
2.Охарактеризуйте основные особенности круговорота
серы.
Проверь себя
Дайте определения или характеристику основным понятиям и терминам главы 4 «Концепция биосферы»:
биосфера; живое вещество; границы биосферы; закон константности В. И. Вернадского; функции живого вещества; альбедо; ноосфера; гипотеза Геи; геологический (большой) круговорот; биологический (малый) круговорот; биогеохимические циклы; биогенная миграция вещес
Круговорот азота, углерода, воды, фосфора и серы
Круговорот серы
Сера в природе
Ресурсы:
С. В. Алексеев. Экология: Учебное пособие для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений разных видов. СМИО Пресс, 1997. — 320 с
https://studopedia.su/19_66957_krugovorot-fosfora.html
Сайт YouTube: https://www.youtube.com /
Хостинг презентаций
— http://ppt4web.ru/nachalnaja-shkola/prezentacija-k-uroku-okruzhajushhego-mira-vo-klasse-chto-takoe-ehkonomika.html
Круговорот серы
Круговорот серы также тесно связан с живым веществом (Рисунок 13.9). Сера в виде диоксида, триоксида, сероводорода и главным образом элементарной серы выбрасывается вулканами. Кроме того, в природе имеются в большом количестве различные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфиды окисляется в биосфере при участии многочисленных микроорганизмов до сульфатов, которые поглощаются растениями. На планете существуют организмы, которые, создавая органические вещества пищи, обходятся без солнечной энергии. Вероятно, первыми легкодоступными источниками энергии для древних анаэробных бактерий были окислительно-восстановительные процессы с участием соединений серы. Экзотический процесс, например, катализируют серобактерии, получая энергию при восстановлении сульфатов с помощью водорода:
2-SO4 +H2 +H+ H2S + H2O + 154 кдж.
Благодаря этому процессу в толщах морей и океанов формируются слои, содержащие сероводород в высоких концентрациях. Так, например, в Чёрном море «сероводородные» воды занимают около 90% объёма моря.
Рисунок 13.9 Круговорот серы в биосфере
Получающийся сероводород выходит на поверхность в газообразном состоянии или растворяется в подземных водах. Подобные «серные» источники есть в Пятигорске, Мацесте, Тбилиси и др. Бактериальные микроорганизмы, участвующие в движении серы могут приносить как пользу, так и вред. Установлено, что эти организмы разрушают места, не устойчивые к воздействию сероводорода. Подсчитано, что 50% ущерба от коррозии подземных трубопроводов вызвано активной жизнедеятельностью этих бактерий. В то же время серосодержащие бактерии играют существенную роль на первом этапе геологического процесса образования месторождений серы и сульфидных руд. В ходе круговорота серы может образовываться серная кислота, которая, взаимодействуя с различными солями почвы и воды, переводит их в сульфаты: CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + SO2 + H2O.
Так образуются различные минералы, содержащие серу. Процесс восстановления сульфатов в сероводород протекает в меньшей степени. Залежи сульфатов в результате геологических смещений могут попасть в более глубокие слои земли, где при высокой температуре реагируют с органическими веществами: CH4 + CaSO4 = CaCO3 + H2S + H2O.
Первичное накопление сероводорода протекало в рамках анаэробных процессов. В атмосфере кислорода сероводород легко окисляется до свободной серы или оксида серы (IV). H2S + O2 S + H2O + 527кдж
В вулканических газах: H2S + SO2 S + H2O.
Избытком кислорода воздуха в водоёмах сера переводиться в серную кислоту: S + O2 + H2O H2SO4 + 1051кдж.
В воздухе среднее время жизни сероводорода около 2 суток. Cероводород — сильный восстановитель, поэтому он не накапливается в воздухе. Образующийся при окислении оксид серы (IV) H2S + O2 SO2 + H2O, приводит к образованию аэрозолей и кислотных дождей. Время жизни SO2 в атмосфере составляет 4 суток. Основной вред окружающей среде наносит не столько сам оксид серы (IV), сколько продукт его окисления – оксид серы (VI) SO3. Он растворяется в капельках воды с образованием серной кислоты:
SO3 + H2O = H2SO4.
Образование в атмосферной влаге серной и сернистой кислот приводит к выпадению кислотных дождей. Из-за этого увеличивается кислотность пресных водоёмов, что приводит к гибели рыб и других водных организмов. Под действием кислотных дождей ускоренно корродируют металлоконструкции, разрушаются здания и памятники архитектуры. В кислой среде возрастает растворимость гидроксида алюминия. Избыток ионов алюминия в воде токсичен для рыб, к тому же алюминий связывает фосфаты, что приводит к снижению питательных запасов в водоёме. Это создаёт опасность токсического загрязнения водных и почвенных экосистем. Кислотные дожди приводят к гибели растений, особенно хвойных пород. При закислении почв происходит выщелачивание кальция, магния и калия, возрастает подвижность токсичных металлов, меняется состав почвенных микроорганизмов. 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, 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 группы серобактерий, создающие многочисленные промежуточные соединения серы. Известны месторождения серы биогенного происхождения. Сероводород может вновь образовать «вторичные» сульфиды, а сульфат кальция — залежи гипса. В свою очередь, сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет миграцию.
В целом все вещество литосферы интенсивно подвергается превращениям, участвуя в малом и большом круговороте. Под влиянием лучей Солнца, кислорода, углекислого газа, воды, живого вещества происходит разрушение вещества поверхности Земли. Продукты разрушения уносятся водой и ветром или, будучи растворены в воде, сбрасываются в моря и океаны, где они осаждаются, откладываются на дне, уплотняются, цементируются, образуют слоистые осадочные породы.
Так, ежегодно выносится реками около 2.7·109 вещества.
Осадочные породы в результате дальнейшего погружения попадают в магматическую область Земли, подергаются действию давления и высокой температуры, переплавляются и в виде изверженных магматических пород могут быть вновь вынесены на поверхность Земли. Изучение круговорота веществ на Земле имеет не только познавательное значение, но и представляет глубокийпрактический интерес. Воздействие человека на природные процессы становится все значительнее. Последствия этого воздействия стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции вещества и энергии, появляются тысячи химических соединений, прежде ей не свойственных.
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.
Значение бактерий
Ø Участвуют в экосистемах в разрушении мертвого органического материала и тем самым принимают непосредственное участие в круговороте углерода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов.
Ø С активностью бактерий связаны такие важнейшие процессы в природе, как симбиотическая (клубеньковые бактерии) и несимбиотическая (азотобактерии) фиксация молекулярного азота.
Ø Многие виды бактерий человек использует в народном хозяйстве: получение органических продуктов в результате брожения (уксуснокислые).
Ø Служат источником для получения антибиотиков (стрептомицин).
Ø Бактерии используются для создания новых способов получения важнейших для промышленности веществ, в том числе спиртов, органических кислот, сахаров, аминокислот и ряда ферментов.
Ø Симбиотические бактерии кишечника млекопитающих (микрофлора) участвуют в синтезе ряда витаминов группы В и витамина К, а также расщепляют клетчатку.
Ø На основе знаний генетики и молекулярной биологии работы на микроорганизмах проводятся при помощи манипуляций с индивидуальными генами (генетическая инженерия).
В настоящее время удалось успешно перенести гены человеческого инсулина в геном кишечной палочки и уже началось промышленное получение этого гормона.
Ø Многие виды бактерий служат причиной болезни растений и животных, в том числе человека.
Сине-зеленые водоросли (цианобактерии)
Сине-зеленые водоросли — наиболее древние водоросли или — реже — почвенные автотрофные организмы.
Клетки имеют толстые многослойные стенки (состоят из полисахаридов, пектиновых веществ и целлюлозы), часто одеты слизистым чехлом. Цианобактерии живут в виде отдельных клеток или образуют нити и колонии. Их прокариотические клетки по строению сходны с бактериями. У сине-зеленых водорослей найдены пигменты: хлорофилл,
синий пигмент
фикоциан,
несколько
каротинов
. Поэтому окраска у цианей варьируется от сине-зеленой до фиолетовой.
Пластиды и вакуоли у них совершенно отсутствуют, и хлорофилл находится прямо в цитоплазме. У многих видов сине-зеленых водорослей в цитоплазме встречаются наполненные азотом вакуоли.
Эти вакуоли регулируют плавучесть клетки и позволяют ей парить в толще воды.
Размножаются сине-зеленые водоросли обычно путем деления клетки надвое, колониальные и нитчатые — распадом колоний или нитей.
При неблагоприятных условиях могут образовывать споры.
Сине-зеленые водоросли широко распространены в биосфере, но основная масса видов населяет пресноводные водоемы, некоторые виды живут в морях и на суше. Виды, обитающие в водоемах, входят в состав планктона и бентоса. Они способны очищать воду, минерализуя продукты гниения. Некоторые сине-зеленые водоросли способны к фиксации азота. Сине-зеленые водоросли встречаются в качестве симбионтов во многих лишайниках. Цианобактерии первыми осваивают безжизненные места обитания — вулканические острова, лавовые потоки.
Цветение воды в водоемах часто вызывается сине-зелеными водорослями, которые, как гетеротрофы, питаются остатками органических веществ, что отрицательно сказывается на жизни обитателей водоема.
В чём состоит роль бактерий в круговороте веществ?
1) бактерии-гетеротрофы — редуценты разлагают органические вещества до минеральных, которые усваиваются растениями;
2) бактерии-автотрофы (фото, хемотрофы) — продуценты синтезируют органические вещества из неорганических, обеспечивая круговорот кислорода, углерода, азота и др.
ü С3. Какое значение в природе имеют бактерии? Укажите не менее 4-х значений. 1) участвуют в круговороте веществ, выполняя роль всех функциональных групп биосферы; 2) участвуют в почвообразовании и поддержании плодородия почвы; 3) являются возбудителями болезней растений и животных; 4) вступают в симбиоз.
ü Какое значение в природе имеют бактерии?
Укажите не менее 4-х значений.
1) участвуют в круговороте веществ, выполняя роль всех функциональных групп биосферы;
Продуценты- бактерии — хемосинтетики и фотосинтетики участвуют в образовании органического вещества;
Консументы- бактерии-паразиты вызывают различные заболевания у растений и животных;
Редуценты — бактерии — разрушители органических веществ, образуют перегной, минерализуют органические вещества и завершают круговорот веществ в природе;
2) участвуют в почвообразовании и поддержании плодородия почвы;
3) бактерии участвуют в образовании полезных ископаемых: нефти, каменного угля, торфа, природного газа, серы, фосфора;
4) вступают в симбиоз; азотфиксирующие бактерии улучшают азотное питание растений;
Какова роль бактерий в природе? Приведите не менее 4-х значений
1) бактерии — разрушители органических веществ, образуют перегной, минерализуют органические вещества и завершают круговорот веществ в природе;
2) бактерии участвуют в образовании полезных ископаемых: нефти, каменного угля, торфа, природного газа, серы, фосфора;
3) бактерии-хемосинтетики и фотосинтетики участвуют в образовании органического вещества;
4) азотфиксирующие бактерии улучшают азотное питание растений;
5) бактерии-паразиты вызывают различные заболевания у растений и животных.
Почему при отсутствии сапротрофных бактерий жизнь на Земле была бы невозможна? Укажите не менее двух причин. 1) сапротрофные бактерии это редуценты, разрушающие органические вещества до неорганических, при их отсутствии на земной поверхности скопились бы органические вещества;
2) отсутствие разложения орган.
в-в нарушит поступление в биосферу химических элементов и разорвет их круговорот.
ü С3. Чем бактерии отличаются от организмов других царств живой природы? Укажите не менее 3-х отличий.
1) отсутствует оформленное ядро, ядерная оболочка; 2) отсутствует ряд органоидов: митохондрии, ЭПС, комплекс Гольджи и др.; 3) имеют одну кольцевую хромосому.
ü С2. Найдите ошибки в приведённом тексте.
1. У бактерий, как и у всех живых организмов, происходит обмен веществ и превращение энергии. 2. По способу питания их делят на автотрофов и гетеротрофов. 3. Хемотрофные бактерии, синтезируя органические вещества из неорганических, используют энергию света.
4. Фотосинтез в автотрофных бактериях протекает в хлоропластах, как у растений. 5. Все бактерии дышат кислородом.3 — хемотрофы, которые используют не световую энергию, а энергию химических р-ций; 4 — в клетках автотрофных бактерий отсутствуют хлоропласты; 5- анаэробные бактерии не используют кислород для дыхания.
Круговорот серы и фосфора
1. На первом этапе бактерии, а также промышленность и загрязненные сточные воды выделяют сероводород
, окисляющийся в воздухе с образованием сернистого газа. В облаках из газа образуется
сернистая кислота
.
2. Очень много SO2 выделяется металлургическими заводами и ТЭС, работающими на угле, а также при сжигании нефти. Соединения азота и серы в воздухе реагируют с водой, образуя азотную и серную кислоты
. На землю выпадают кислотные дожди, являющиеся причиной поражения растений, почв, эвтрофного загрязнения водоемов.
3. Эвтрофикация
— увеличение количества биогенных элементов в водоемах, которое сопровождается подъемом в них биологической продуктивности. Эвтрофикация может развиться в результате того, что водоем естественным образом стареет, но может вызываться и действиями человека.
Фосфор и азот
подталкивают эвтрофикацию. Искусственным образом сформированная эвтрофикация ведет к излишнему росту водорослей, появлению в воде цианобактерий, выделяющих в период бурного цветения токсины — низкомолекулярные пептиды и алкалоиды — которые вызывают отравление животных и людей (именно поэтому в период цветения закрыты пляжи), а также к дефициту кислорода в воде, что ведет к замору рыб. Объяснить данный процесс можно недостаточным проникновением лучей солнца в низкие слои водоемов, а значит, отсутствие у растущих на дне растений фотосинтеза. Нет фотосинтеза — уровень кислорода в воде катастрофически падает.
4. Затем сера переходит в сульфатную форму
— в облаках присутствуют металлы, которые образуют соли после взаимодействия с кислотами.
5. Хемосинтетики
окисляют сероводород до сульфат-иона, который после взаимодействия с водой образует серную кислоту. Ряд бактерий-окислителей сероводорода накапливают в себе самородную серу. Существуют фотосинтезирующие серные бактерии, имеющие бактериохлорофилл — пурпурные и зеленые бактерии. Для них донором электронов является не вода, а сероводород, поэтому кислород они не выделяют.
6. Сульфаты
— минералы, соли серной кислоты H2SO4. В итоге сульфаты выпадают с дождем или снегом из облаков на землю.
7. На земле сульфаты включаются в ткани растений. Животные поедают растения и сульфаты проникают уже в их ткани. В клетках сера входит в состав аминокислот и белков
.
8. Затем сульфаты вместе с остатками органических соединений растений подвергается воздействию анаэробных редуцентов.
9. Часть серы снова оседает в почве и осадочных породах в виде сульфидов и свободной серы
.
Круговорот фосфора
1. Фосфор содержится в горных породах
— до 0,09 процента.
2. Разрушаясь и подвергаясь эрозии воды и ветра, он поступает в почву
, откуда поглощается растениями, а затем попадает в организмы животных.
3. Фосфор входит в многочисленные соединения в живых организмах: белки, нуклеиновые кислоты
, особенно много фосфора в составе
костей
. Он жизненно необходим животным в процессах
обмена веществ
для накопления энергии в виде АТФ.
4. «Разлагающая» деятельность организмов-редуцентов снова возвращает его в почву
.
5. Часть соединений фосфора в виде фосфатов смывается дождями в реки
, а оттуда —
в моря и океаны
, поглощается водорослями.
6. В составе мертвого органического вещества он оседает
на дно водоемов и снова включается в состав
горных пород
.
Биогеохимический цикл серы
Сера является одним из элементов, играющих важную роль в круговороте веществ биосферы. Сера определяет важные биохимические процессы живой клетки, является компонентов питания растений и микрофлоры. Соединения серы участвуют в формировании химического состава почвы, в значительных количествах находится в подземных водах. Сера циркулирует в экосфере в виде различных соединений.
Рис. 7.7. Схема круговорота серы
Из природных источников сера попадает в атмосферу в виде сероводорода – ядовитого газа – при извержении вулканов, при разложении органики в болотах, а также в виде диоксида серы (удушливый газ) при извержении вулканов. Подавляющая часть соединений серы попадает в атмосферу в результате технологических процессов (переработка нефти, выплавка металлов).
Промышленные процессы и перевозка уносят в атмосферу большое количество серы. Присутствие в воздухе диоксида серы поражает как высшие растения, так и лишайники. Биогеохимический цикл серы состоит из четырех стадий (рис. 7.7).
1.Усвоение минеральных соединений серы живыми организмами и включение серы в состав белков и аминокислот.
2.Превращение органической серы живыми организмами – животными и бактериями в конечный продукт Н2S.
3.Окисление минеральной серы серобактериями и тионовыми бактериями. На этой стадии происходит окисление сероводорода, элементарной серы и её соединений.
4. Восстановление минеральной серы бактериями до Н2S.
Под тонким деликатным слоем почвынаходится
такая же безжизненная планета, как и Луна.
Дж. Джексон
ГЛАВА 8. Биокосные системы
Почва и её структура
В 1944 г. В.И. Вернадский впервые вводит в учение о биосфере определение биокосной системы
. Биокосные системы состоят из живого и косного вещества, но их отличительные особенности определяются, в первую очередь, именно жизнью.
В конце ХIХ столетия Вас. Вас. Докучаев в труде «Русский чернозем» определил почвы как новый класс природных систем, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно между собой связаны и образуют единое целое – почвы. Он впервые сформулировал представление о почвенном покрове Земли как особой ее поверхностной оболочке, состоящей из разных почвенных зон. Он сформулировал Закон мировой зональности почв: распространение почв на земле подчиняется в общих чертах закону широтной зональности и каждой природной зоне соответствует свой тип почвы.
Почва
– это органоминеральное образование верхнего горизонта литосферы, являющееся результатом воздействия живых организмов на минеральный субстрат и разложения мертвых организмов при одновременном влиянии климата и рельефа.Открытие В. Докучаева привело к развитию новой науки – почвоведения. В дальнейшем Докучаев открыл еще один класс подобных систем – ландшафт.
Почвоведение
– это наука о почве, её строении, составе, свойствах и географическом распространении, закономерностях происхождения, развития, функционировании и роли в природе, путях и методах мелиорации, охраны и рационального использования.
Развивая идеи Докучаева, В.И. Вернадский (1863–1945) сформулировал понятие о биокосных системах
. «Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно (например, почвы)».
По степени сложности, размерам и уровням организации биокосные системы образуют определенную иерархию. К более низкому уровню относятся почвы, илы, кора выветривания и водоносные горизонты, к более высокому – ландшафты, к еще более высокому – биосфера в целом. Все биокосные системы богаты свободной энергией, неравновесны и в них осуществляются круговороты химических элементов.В.И. Вернадский также ввел в обиход термин педосфера
как понятие о тонком слое почв среди других геосфер.
В отличие от других геосфер, обладающих большой мощностью, измеряемой десятками и сотнями километров, педосфера представляет собой тончайшую оболочку, буквально пленку на поверхности земной суши толщиной всего один–два метра.Несмотря на ничтожную толщину, эта сфера играет незаменимую экологическую роль в функционировании биосферы, а следовательно, и в жизни человека.С древнейших времен земля является основой существования человеческого общества. Верхняя часть земной коры сложена в основном осадочными породами, корой выветривания, почвой и илом.
Почва представляет собой сложную смесь из неорганических (минеральных) и органических материалов. В сельскохозяйственных почвах органическая часть веществ составляет от 1 до 5%, в лесных – более 10%. Минеральные частицы почвы состоят из песка, алеврита и глин.В конечном счете, все, что содержится в любой пище, получается из растений. Для роста растений кроме солнечного света нужна почва. Почва обеспечивает создание биомассы растений.
Рис. 8.1. Структура почвы
Типичная почва включает несколько слоев или горизонтов (рис. 8.1). Самый верхний слой состоит из свежего опада. Средний слой из полуразложившихся листьев. Он пронизан нитями (гифами) грибов, которые разлагают отмершую растительность, переводят питательные вещества в форму, доступную растениям. В этом слое наблюдается максимальное скопление организмов. В процессе накопления масса листьев, погибших растений и животных подвергается действию бактерий и частично разлагается. Верхний гумусовый горизонт А
образован разложившимися остатками растений и тканей животных, содержит много микроорганизмов и других живых существ, включая насекомых, червей, землероек, способствующих аэрации почвы. Этот слой имеет темный цвет и содержит до 15% по массе разложившегося органического вещества – гумуса. Ниже залегает более плотный слой, образованный минеральными частицами и содержащий органические вещества, переработанные редуцентами, а также вещества, вымытые из слоя
А
.
На поверхность почвы опадают отмершие части растений, а в почве остаются погибшие их корни.Считается, что масса корней травянистых растений равна зеленой массе. Общая длина корней ржи вместе с корневыми волосками составляет 11 тыс. км, а их поверхность 630 кв. м.
В лиственном лесу ежегодный опад (листья, ветки, кора, хвоя) составляет до 9 т/га. Если бы отмершая растительность не перерабатывалась, то через 100 лет поверхность Земли покрылась продуктами опада, а жизнь прекратилась из-за истощения минеральных ресурсов.Отмершие части растений содержат питательные вещества, усвоенные ими при жизни. Этими веществами могут воспользоваться другие растения, но только в том случае, если остатки сгниют, а микроорганизмы их сделают снова доступными для нового поколения растений. Таким образом, благодаря участию всех почвенных организмов запасенные в растениях минеральные вещества включаются в биотический круговорот. Академик В.Р.Вильямс сказал: «Единственный способ придать ограниченному количеству вещества свойство бесконечности – это заставить его вращаться по замкнутой кривой».
Почвообразование
подразделяется на ряд стадий. Вначале на горной породе поселяется примитивная растительность – лишайники и мхи. По мере накопления мелкозема и перегноя появляется все более развитая растительность, которая способствует дальнейшему разрушению горной породы. На следующей стадии формируется полный профиль почвы с характерным набором слоев (горизонтов).
Обитатели почвы.
Среди живых организмов в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития. Микроорганизмы практически управляют всей биосферой, используя поток солнечной и химической энергии. Все многоклеточные организмы – это лишь небольшая надстройка над миром микроорганизмов. Человек – это один из огромного множества организмов в этой надстройке.
Почва – это большой густонаселенный мир. В ней живут разнообразные организмы – бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли, простейшие, черви и насекомые. Количество их огромно. На 1 кв. м верхнего слоя почвы обитает до 1,5 биллионов простейших и до 20 млн нематод. В 1 г почвы содержится десятки миллиардов бактерий (рис. 8.2).Сотнями тысяч исчисляются коловратки, клещи, тысячами насекомые и дождевые черви.Ч.Дарвин сравнивал червей с плугом. Черви буквально перепахивают почву. Под 1 кв. м почвы длина ходов червей превышает 1 км. За 10 лет весь гумусовый слой луга проходит через кишечник червей.
Рис. 8.2. Распределение по профилю подзолистой почвы (а
) и чернозема (
б
) микроорганизмов (1) и органики (2)
Почва пронизана гифами грибов. В 1 г лесной почвы длина гифов достигает 2 км. Грибы снабжают корни растений водой, витаминами, минеральными солями, гормональными веществами. Грибы выделяют антибиотики и защищают растения от поражения корневыми болезнями. Некоторые растения не могут жить без грибов: дуб и сосна. Грибы и актиномицеты эффективно разлагают древесину. Грибной запах почвы придают именно актиномицеты, а не грибы. На долю бактерий, грибов и актиномицетов приходится до 90% всех разрушительных и минерализующих процессов в почве.