Цель работы ~ ознакомление с закономерностями круговорота веществ и энергии в биосфере самоочищения среды

Работа добавлена на сайт samzan.net:

РАБОТА 5. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

5.1. Цель работы – ознакомление с закономерностями круговорота веществ и энергии в биосфере, самоочищения среды от техногенных выбросов с последующим использованием их при разработке прогрессивных безотходных и малоотходных технологий. Овладение навыками анализа механизма физико-химических процессов при круговороте отдельных элементов, техногенном воздействии путем имитационного моделирования процессов в биосфере.

5.2. Виды круговорота веществ в биосфере

Природная среда – целостная система, в которой установилось много сбалансированных связей. Их нарушение приводит к изменениям в круговоротах веществ и балансе энергии. Под круговоротами понимают повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие преимущественно циклический характер. Частичные нарушения циклов связаны с многообразием различных явлений в биосфере, например, фосфор в океане частично попадает в «биологические тупики» – в виде костных тканей погибших птиц. Подвижное равновесие в природе определяют шесть энергетических факторов: солнечная (и космическая) энергия, сила гравитации, тектонические силы, химическая энергия (преимущественно окислительные и восстановительные процессы), биогенная энергия (фото- и хемосинтез, энергия окисления и усвоения пищи у животных, размножение и продуктивность биомассы) и энергия мировой индустрии (тепловая, механическая, электрическая, электромагнитная, химическая и ядерная).

Как писал В. Р. Вильямс, для того, чтобы что-либо конечное приобрело свойства бесконечного, необходимо, чтобы оно находилось в круговороте. Выделяют 2 круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биотический).

5.2.1. Большой (геологический) круговорот веществ. Большой (геологический) круговорот веществ протекает от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов лет, включая в себя такие процессы, как круговорот воды и денудация суши.

По оценке М. И. Львовича объем воды, расходуемой в процессе хозяйственной деятельности, постоянно увеличивается и в пределе может достигнуть 376000 км3, что практически равно ресурсам мирового речного стока, т. е. возобновимым ресурсам пресной воды. За счет антропогенного воздействия природный цикл воды в биосфере (рис. 5.1) перестает быть равновесным.

Между тем вода на Земле является одним из важнейших орга-низующих начал природной сферы, и, как писал В. И. Вернадский, «…картина видимой природы определяется водой». Это обусловливает необходимость постепенного перехода на технологические процессы, использующие замкнутые циклы водоснабжения, бессточные технологии, или, на первом этапе, определенный уровень химической, биохимической и другой очистки сточных вод.

Атмосфера

Океаны Материки

Рис. 5.1. Глобальный активный круговорот воды, тыс. км3:

I, VI – испарение; II, IX – осадки; III – перенос влаги с океанов на

материк; IV – транзит океанической влаги; V – атмосферный сток с

материков; VII – бессточная облачность; VIII – осадки бессточной

облачности; X – речной сток; XI – подземный сток прямо в океаны;

XII – перенос воды течениями; XIII – подземный сток в пределах дна

Для функционирования географической оболочки должно выполняться одно из необходимых условий – непрерывное перемещение вещества земной коры. Экзодинамический механизм сводится к преобладанию денудации на суше и аккумуляции сносимого вещества в океане, а также во внутренних водоемах. Продукты денудации суши находятся в постоянном круговороте.

Величина общей денудации суши складывается из общего изъятия вещества суши (52990 млн т/год), общего привноса вещества на сушу (4043 млн т/год), и составляет 48947 млн т/год. Антропогенное вмешательство ведет к ускорению денудации, приводя, например, к землетрясениям в зонах водохранилищ, построенных в сейсмоактивных районах. Поэтому важными техническими задачами являются защита металлов от коррозии, утилизация шламов, что позволяет вовлекать металлы в круговорот при их использовании и тем самым давать возможность ограничить потребности в полезных ископаемых.

5.2.2. Малый (биотический) круговорот веществ. Малый (биотический) круговорот веществ происходит на уровне биогеоценоза. Вначале рассмотрим более широкое понятие – экосистема.

Экосистема – это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Как видно из рис. 5.2, ее составляют четыре основных компонента: 1 – поток энергии, поступающий от Солнца, или другого источника как движущая сила; 2 – круговорот веществ; 3 – сообщество в виде пище-вой сети; 4 – управляющие петли обратной связи.

Рис. 5.2. Функциональная схема экосистемы:

1 – поток энергии; 2 – круговорот веществ; 3– сообщество;

4 – петля обратной связи; S – запасы питательных веществ;

Q – сток тепла

Обратная связь обеспечивается как экспортом веществ и энергии, так и вводом запасов энергии в экосистему.

Биогеоценоз – более узкое понятие по сравнению с экосистемой и представляет собой совокупность абиотических факторов (экотоп) и живых организмов на каком-либо участке местности, тогда как экосистема – это конкретный природный объект (луг, лес, озеро). Для существования биогеоценоза, или экосистемы в целом, существенную роль играет функционирование трофической цепи, при котором один вид питается другим или продуктами его жизнедеятельности.

В экосистеме имеются «каналы» передачи информации и энергии – химический, энергетический, генетический. Такая система, в частности биогеоценоз, имеет положительную или отрицательную обратную связь. Например, естественный отбор, по Ч. Дарвину, поддерживает равновесие. Устойчивое состояние отвечает гомеостатическому плато. При нагрузке, нарушающей обратные связи, система может погибнуть. Помехи – нарушение обратной связи. Пример: среди оленей возникла инфекционная болезнь или на оленей, кроме волков, начал охотиться какой-то другой хищник и т. п. Помехи из-за влияния человека при техногенезе отличны от естественных. Например, гербициды, уничтожающие сорняки, вносят помехи в биогеоценоз в целом.

Условие существования биогеоценоза, или экосистемы в целом, это – гомеостаз, т. е. состояние подвижно-стабильного равновесия. В случае естественного биоценоза экосистема открытая, гомеостаз поддерживается, но тем не менее происходят последовательные изменения – сукцессии, когда один биоценоз сменяется другим. Экосистема, созданная человеком, например, для биохимической очистки сточных вод, работает только в том случае, если ею управляет человек.

5.2.3. Антропогенный круговорот веществ. Под ресурсным циклом или антропогенным круговоротом веществ (рис. 5.3) понимают совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ на всех этапах использования их человеком. Цикл фактически не замкнут из-за потерь, например, каменный уголь обратно в места залегания не возвращается. Антропогенный круговорот (ресурсный цикл) естественен, как и любой другой, но предполагает разумное волевое начало.

5.3. Круговорот основных элементов биосферы

Понятие о биогеохимическом цикле включает в себя круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии для протекания химических реакций. Время круговорота в атмосфере составляет для углерода 8 лет (12 % СО2 воздуха в год), азота – более 110 лет, кислорода – 2500 лет.

Данные изотопного анализа показывают, что легкие изотопы 1Н, 16О, 12С, атомы 32S, 14N переходят из организма в организм и удерживаются в круге жизни сотни миллионов лет. Эти пять элементов называют биофильными (жизнелюбивыми). Из других элементов исключительно важную биологическую роль выполняет фосфор, участвующий в биосинтезе белков, нуклеиновых кислот, пептидов и т. п. Развитие промышленного производства существенно изменило круговорот таких металлов, как алюминий, железо, свинец, кадмий, ртуть, стронций и др.

Природные залежи

Извлеченные Оставленные в залежи

Транспортировка Дополнительная Потери

добыча

Потери

Переработка Частичный возврат

Частичный Отходы

возврат

Продукция Износ и коррозия

Лом Выход из строя Полный

Загрязнение окружающей среды

Рис. 5.3. Схема ресурсного цикла

5.3.1. Углерод. По распространенности во Вселенной углерод занимает третье место (после водорода и гелия). Его роль в возникновении жизни на Земле огромна. Предполагается, что при образовании земной коры часть углерода вошла в состав ее глубинных слоев, а другая часть была удержана атмосферой в виде СО. При понижении температуры протекает реакция

H2O (пар) + СО = Н2 + СО2 + 41,868 кДж. (5.1)

Поэтому ко времени появления на Земле жидкой воды углерод должен был находиться в виде СО2. На рис. 4.4 представлен биогеохимический цикл углерода.

Зеленые растения

2 1 4

Животные Атмосфера

и гидросфера

6 5 8 7

Минералы

Рис. 5.4. Биогеохимический цикл углерода

(объяснение обозначений 1-8 в тексте)

По направлению 1 растения постоянно извлекают углекислый газ из атмосферы и через пищевые связи передают животным (направление 2). Линии 3, 4 показывают, что дыхание животных, растений, тление их остатков постоянно возвращают углерод атмосфере и водам океана в виде СО2. Линия 5 отражает частичный вывод углерода из кругооборота за счет минерализации растений, линия 6 – аналогичный процесс за счет минерализации животных. Согласно направлению 7 происходит еще более мощный вывод углерода из кругооборота за счет неорганического процесса выветривания горных пород.

При выветривании металлы под действием СО2 атмосферы переходят в карбонаты, затем водой вымываются и попадают в океан. За год связывается около 2 млрд т углерода. Линия 8 отражает частичный возврат углерода в круговорот за счет природных процессов – извержений вулканов, газовых источников, действия образующейся при грозах HNO3 на известняк и т.п. В природе наблюдается тенденция к уменьшению содержания СО2 в атмосфере.

Однако реально природные процессы протекают в условиях антропогенного воздействия. Оно проявляется в изменении площади зеленых насаждений, возвращении углерода из биологических тупиков при сжигании топлива и т. д. Влияние человека на природный круговорот углерода можно представить схемой (рис. 5.5).

Природный цикл

Углерод Углерод

СО2 минералов

Сознательная деятельность

человека

Рис. 5.5. Влияние человека на природный круговорот углерода

Повышение содержания СО2 в атмосфере в свою очередь обусловливает экологические проблемы, в частности, «парниковый эффект», при котором тепловое излучение Земли поглощается атмосферой.

5.3.2. Кислород. Кислород является самым распространенным на Земле химическим элементом, на долю которого приходится 44 % массы верхней мантии Земли, 47 % массы земной коры, 86 % массы гидросферы, 70 % массы живого вещества; его содержат 1364 минерала. В атмосфере содержится 23 массовых процента кислорода, в том числе свободного О2 – 1015 т; человеческом организме – 65 %, в песке – 53 %.

Цикл кислорода (рис. 5.6) тесно связан с циклами других элементов, в частности, углерода в виде углекислого газа.

Кислород атмосферы

Разрушение

Фотосинтез Дыхание Сжигание органического

горючего вещества почвы

Углекислый газ

Рис. 5.6. Цикл кислорода и углекислого газа в биосфере

5.3.3. Водород. Водород – один из наиболее распространенных элементов, составляющий 17 атм. % или 1 масс. % от общей массы атмосферы, гидросферы и литосферы. В основном водород представлен в связанном виде: в воде – 11 %, глине – 1,5 %; входит в состав нефти, природного газа и всех живых организмов. Свободный водород содержится в вулканических газах, образуется при разложении органических остатков, а наибольшее количество его выделяется зелеными растениями; в атмосфере на уровне моря около 5·10-5 объемных процента водорода.

5.3.4. Азот. Азот – один из самых распространенных элементов на Земле, важнейшая составляющая живого вещества. На рис. 5.7 представлена схема круговорота азота с учетом физико-химических превращений. Направление 1, характеризующее переход от N2 к HNO3, является важнейшим природным процессом.

HNO3

3 6 1

9 7

Белок N2

5 8

4 NH3 2

Рис. 5.7. Схема круговорота азота с учетом физико-химических

превращений

Электрические разряды (грозы) в теплой и влажной атмосфере отдаленных геологических эпох обусловливали частичную диссо-циацию N2 (г) и Н2О (пар) на атомы элементов, связывание атомов N в NO, а затем в NO2 и HNO3. Вместе с дождями HNO3 попадала на Землю и нейтрализовалась солями более слабых кислот, в частности, угольной.

Азот может быть использован биологической системой непосредственно за счет его фиксации. Переход 1 в природе протекает за счет биологической фиксации азота клубеньковыми бактериями. В гидросфере фиксацию осуществляют сине-зеленые водоросли (направление 2):

N2 2 N (фиксация); (5.2)

водоросли

2 N + 3 Н2 2 NH3. (5.3)

Линия 3 показывает, что с развитием органической жизни нитраты послужили материалом для выработки белковых веществ. При гниении (линия 4) связанный азот переходит в аммиак и соли аммония:

NH2-(CH2)x-COOH 6 NH3 + CO2 + H2O . (5.4)

Конечные продукты гниения частично вновь усваиваются растениями 5, а частично перерабатываются в почве в нитраты, т. е. подвергаются нитрификации (6):

2NH3 + 3 O2 2 HNO2 + 2 H2O + 720 кДж. (5.5)

2 HNO2 + O2 2 HNO3 + 92 кДж. (5.6)

Азотная кислота, реагируя с находящимися в почве карбонатами, например, кальция, образует нитриты.

На этом основной цикл превращений связанного азота (1-6) замыкается. В нем есть источники потерь, в частности, по реакции (линия 7)

5 С + 4 KNO3 2K2CO3+3CO2+2N2+1334 кДж . (5.7)

рующие бактерии

Кроме того, при нитрификации 8 и гниении 9 всегда выделяется определенное количество свободного азота.

Наряду с источниками потерь связанного азота, в природе есть также источники его пополнения. За счет электроразрядов 1 в почву ежегодно вносится до 15 кг связанного азота на гектар; за счет азобактерий – до 50 кг на гектар по реакции

2 N2 + 6 H2O + 3 C + 346 кДж = 4 NH3 + 3 CO2 . (5.8)

Деятельность человека сказывается и на утечке, и на поступлении связанного азота в биосферу. Утечки 7, 9 вызываются сгоранием топлива, например фурана, в жидкостном реактивном двигателе:

C4H4O + 3,6 HNO3 = 4 CO2 + 3,8 H2O + 1,8 N2 , (5.9)

широким применением взрывчатых веществ.

5.3.5. Фосфор. Фосфор – очень важный элемент для всего живого, элемент жизни на Земле, поскольку участвует в образовании и превращении азотистых веществ и углеводов в живых тканях - биосинтез белков, нуклеиновых кислот, играющих главную роль в хранении и передаче наследственной информации и обеспечивающих синтез белков в клетках, пептидов и др.; входит в состав скелета, тканей, мозга, хромосом, ферментов, вирусов, протоплазмы живой клетки. По сравнению с азотом, фосфор – относительно редкий элемент, например, отношение P:N в природных водах составляет примерно 1:23.

Обычно рассматривают континентальный круговорот фосфора, в целом относительно медленный, который складывается из малых круговоротов в почве, растительности и поверхностных водах; гидробиогеохимический, относительно быстрый, с учетом речного стока и Мирового океана.

Цикл фосфора в биосфере открытый, неравновесный. Энергетической основой миграции фосфора является фотосинтез. На рис. 5.8 представлены закономерности биохимических превращений фосфора как элемента жизни.

Антропогенное воздействие ведет к нарушению круговорота фосфора за счет вырубки лесов, использования удобрений и т. п.

Природные фосфаты имеют ограниченные запасы, которые могут истощиться при современном темпе вывода их из естественного круговорота фосфора за 75–100 лет. Это, с учетом огромного значения фосфора для жизнедеятельности живого вещества, требует бережного к ним отношения. Как заметил образно Э. Диви-младший: «...фосфор слишком драгоценен, чтобы отдавать его на съедение сине-зеленым водорослям». Важная задача, стоящая перед человеком, – корректировка ресурсного цикла с тем, чтобы поддерживать естественный круговорот фосфора.

Растворенные Растения (нуклеиновые

фосфат-ионы РО Синтез кислоты, мембраны,

протоплазмы энергоносители)

Органический Животные

фосфор расти- (нуклеиновые

тельного про- кислоты, кости,

исхождения зубы)

Фосфаты

Морские осадки

Рис. 5.8. Схема биогенного круговорота фосфора

5.3.6. Сера. Сера относится к группе циклических химических элементов, образует 369 минералов. Это важный биофильный элемент, который встречается в биосфере в основном в животных тканях и не только участвует в процессах, протекающих в живых клетках или с участием различных органических веществ, но и существенно влияет на ход метаболизма множества групп и большого количества организмов. Биофильность характеризует кларк концентрации элемента в живом веществе (КК) – отношение содержания данного элемента в конкретном природном объекте к кларку литосферы. По биофильности сера стоит на шестом (КК = 1) месте после углерода (КК = 7800); азота (КК = 160); водорода (КК = = 70); кислорода (КК = 15); хлора (КК = 1,1). В живом веществе содержится в среднем 5·10-2 % серы.

Обобщенная схема круговорота серы представлена на рис. 5.9.

2 1

H2SO4 H2S

и сульфаты и сульфиды

4 Белок 5

Рис. 5.9. Цикл серы в биосфере (пояснение

обозначений 1-5 в тексте)

Направление 1 отвечает переходу от сульфидов и сероводорода к элементарной сере. При недостатке кислорода происходит накопление серы в виде залежей; при избытке – постепенный переход в серную кислоту (направление 2). Затем серная кислота, реагируя с различными солями, содержащимися в воде и почве, переходит в сульфаты.

Согласно линии 3 в биосфере идет, кроме окислительных процессов 1, 2, и восстановительный. Сульфаты, уносимые водами рек в моря, образуют пласты, которые в результате геологических смещений земной коры попадают в более глубокие слои Земли. Под влиянием повышенных температур сульфаты реагируют с увлеченными при осаждении органическими веществами.

Сероводород выходит на поверхность земли либо прямо в газообразном состоянии, либо растворившись предварительно в подземных водах.

Аналогично переход осуществляется под влиянием бактерий, когда восстановительные процессы протекают при разложении органических веществ под слоем воды, содержащей растворимые сульфаты.

Направление 4 показывает, что сульфаты, содержащиеся в почве, извлекаются растениями и претерпевают превращения до серусодержащих белков, которые частично усваиваются животными, а после отмирания как их, так и растительных организмов разлагаются (линия 5). Сера выделяется в виде H2S и вновь вводится в круговорот.

В круговороте серы велика роль микроорганизмов. Специали-зированные микроорганизмы выполняют следующие реакции: а) H2S S SO – бесцветные, зеленые и пурпурные серобак-терии; б) SO H2S – (анаэробное восстановление сульфата) – Desulfovibrio; в) H2S SO– (анаэробное окисление сульфида) – тиобациллы; г) органическая сера SO, H2S – аэробные и анаэробные гетеротрофные микроорганизмы, соответственно.

Несмотря на то, что в круговороте серы протекают как окислительные, так и восстановительные процессы, часть серы выводится из кругооборота, восстановление не компенсирует окисление. Это усугубляется и сознательной деятельностью человека, который переводит природные сульфиды в сульфаты, например, при производстве серной кислоты, выплавке металлов из сернистых руд. Соединения серы, поступившие техногенным путем в атмосферу с суши, почти целиком возвращаются на земную поверхность и пагубно воздействуют на природные комплексы.

5.3.7. О круговороте металлов. В круговороте большинства металлов значительна роль антропогенного фактора. В производство металлы поступают из двух основных источников: первичного – из руд и вторичного – в результате рециркуляции. Нерециркулирующие отходы должны возмещаться за счет первичного материала, что ведет к истощению природных ресурсов. Степень рециркуляции ряда металлов приведена в табл. 5.1. Характерный пример рециркуляции металла – техногенный цикл алюминия (рис. 5.10).

Т а б л и ц а 5.1

Степень рециркуляции некоторых металлов

Металл

Степень

рецирку-

ляции,%

11,7

40,9

15,9

27,9

40,0

20,6

19,1

47,2

20,4

4,1

27,0

Длительное

Продукция Продукция

использование

Потребление

Отходы Переработка

Земная кора

Мантия

Рис. 5.10. Схема техногенного цикла алюминия

5.4. Экологический мониторинг и круговорот веществ

5.4.1. Развитие понятия о мониторинге. Понятие «мониторинг» впервые было официально представлено 5 июня 1972 года в Стокгольме на конференции ООН по проблемам окружающей среды. Первоначально мониторинг рассматривался лишь как средство контроля за природными объектами, мероприятия, предусматри-вающие наблюдение за нарушениями экологического равновесия.

С развитием возможностей математического моделирования и управления природными процессами под мониторингом стали стли принимать многофункциональный процесс.

Функции мониторинга следующие:

- контроль за состоянием объектов экосферы;

- контроль за источниками нарушений экологического равно-весия;

моделирование и прогноз экологического состояния объектов

экосферы;

- управление экологическими процессами.

Экологический мониторинг – это естественно-технический объект с функциями контроля, прогноза и управления экологическими процессами.

Различают следующие основные типы мониторинга: глобальный, национальный, региональный, локальный. Для наземного мониторинга И. П. Герасимов (1981 г.) предложил различать следующие его виды: биологический (санитарный); геосистемный (хозяйственный); биосферный (глобальный). Помимо химического анализа применяют метод «тест-объектов» (лихеноиндикации).

Сложность осуществления мониторинга обусловлена, в частности, законом коммутативности, по которому человек воздействует на окружающую среду в короткий промежуток времени в той же степени, которую природа создает в течение столетий и даже тысячелетий. Задача экологического мониторинга – обеспечение «... более гармоничного взаимодействия между социальными системами и окружающей средой».

5.4.2. Средства экологического контроля. При экологическом контроле все контролируемые показатели различают по группам:

- функциональные (продуктивность, скорость изменения, круговорот веществ и т.п.);

- структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических, биологических параметров и т. п.).

Средства экологического контроля в свою очередь различают контактные и неконтактные.

Контактные методы представлены следующими: газовая хроматография, полярография, кондуктометрия, кулонометрия, потенциометрия, ионометрия, колориметрия, рефрактометрия, люминесцентные измерения, термография, титрование, акустические и механические измерения.

Неконтактные методы основаны на использовании зондирующих полей – электромагнитных, акустических, гравита-ционных. Разработаны методы неконтактного контроля атмосферы, почвы и растительности, природных вод, человека.

5.4.3. Моделирование в экологии. Моделирование и прогнозирование (математическая экология) возникли раньше появления экологии как науки.

Различают следующие виды моделирования:

- использование фундаментальных законов (сохранения энергии, массы и т. п.);

- установление закономерностей функционирования экоси-стемы;

имитационное моделирование, когда составляется модель, и в дальнейшем с ней экспериментируют.

Подходы к моделированию в целом сводятся либо к формализации известных процессов, либо к гипотетическим суждениям. Пример формализации известного процесса – описание численности популяции во времени. При моделировании исходят, в частности, из теоремы Гаузе о том, что два вида могут занимать одну экологическую нишу. Подходы к моделированию, исходя из обмена энтропией между биологической системой и окружающей средой, разработаны И. Пригожиным.

Для моделирования по Ю. А. Израэлю рассматриваются верх-ний и нижний пределы допустимых изменений функции состояния системы. При антропогенном воздействии различают «зону экологического резерва», где изменения происходят в виде колебаний в середине расстояния между этими пределами, и «нежелательную ситуацию», когда функция выходит за них.

По круговороту веществ в биосфере в литературе описаны модели «Global» для мониторинга биогеохимических полей, в частности, для глобальных циклов углерода, азота, фосфора, серы, кислорода.

5.4.4. Управление в структуре экологического мониторинга. На рис. 5.11 приведена укрупненная схема экологического мониторинга. Она включает блоки, предназначенные для получения данных об объекте, например, о соответствии круговорота элемента естественному равновесию или отклонении от него (датчики, информационное обеспечение), блоки управления контролем и объектом, выходящие на человеко-машинную систему экоконтроля - управления.

Реализация экологического мониторинга может быть проведена применительно как к данному объекту, так и к региону, и, что наиболее перспективно, в глобальном масштабе.

Человеко-машинная система

экоконтроля – управления

Показатели экосостояния объекта

Рис. 5.11. Укрупненная схема экологического мониторинга

Круговорот веществ и энергии в биосфере принадлежит к основным параметрам, по которым осуществляется мониторинг. Это обусловлено взаимосвязью такого круговорота со всей совокупностью объектов экологической системы. Примерами таких регулиру-емых и контролируемых параметров являются выбросы различных веществ в экосферу, тепловое загрязнение окружающей среды. Инженерная защита экосистемы заключается в полном или частичном устранении источников ее загрязнений, а в перспективе – в создании замкнутых технологических циклов.

5.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5.5.1. Постановка задачи по имитационному моделированию

круговорота веществ. При выполнении работы решаются следующие вопросы:

- изучение химических реакций, протекающих на отдельных стадиях круговорота веществ;

- исследование круговорота веществ: а) естественного; б) при наложении антропогенного воздействия;

- исследование особенностей антропогенного воздействия в условиях его положительного или отрицательного эффектов;

- обобщение результатов исследования применительно к защите окружающей среды от техногенных выбросов в авиа- и приборостроении, двигателестроении, горении авиационных и ракетных топлив, к разработке робототехнических комплексов с учетом экологических проблем, к моделированию технологических процессов, решению задач мониторинга и инженерно-экономических разработок.

5.5.2. Комплект для имитационного моделирования. С целью создания оптимальной модели круговорота веществ составляется условная схема, аналогичная рис. 5.12 для серы.

Растения и животные. Белок

Рис. 5.12. Схема круговорота серы в биосфере для имитационного

моделирования (объяснение обозначений в тексте)

Цифрами I-IV обозначены отдельные сектора круговорота, отмеченные еще и различной штриховкой; 1-9 – направления протекания химических реакций.

На рис. 5.13 представлена маркировка карты для имитационного моделирования. Цифры 1,2 отвечают штриховке, соответственно, того сектора, где начинается соответствующее направление круговорота, и того, где оно завершается (если переход осуществляется в одном и том же секторе, то штриховка 1,2 одинакова); 3 – путь круговорота от одного сектора к другому или внутри одного сектора; 4 – номер направления; 5 – номер химической реакции в данном направлении; 6 – вид процесса; 7 – рассматриваемый элемент; 8 – количество баллов; 9 – уравнение химической реакции.

Вид процесса (позиция 7) представлен тремя вариантами: NP – природный; +HS – антропогенный положительный; -HS – антропогенный отрицательный. Карты, завершающие данное направление, под уравнениями химических реакций имеют маркировку «End». Перед заполнением карт составляют таблицы с набором реакций, отвечающих превращениям данного элемента и имеющих соответствующую маркировку.

5 6

4 7

+HS

CH3-CH2-CH2-CH3 + 4S

бутан

+ 3H2S

тиофен

Рис. 5.13. Пример маркировки карты для имитационного

моделирования (объяснение обозначений в тексте)

5.5.3. Правила имитационного моделирования. Участниками имитационного моделирования могут быть 4–6 человек, каждый из которых получает случайный набор карт с уравнениями различных химических реакций. В ходе игры ее участники по очереди выкладывают карты, стремясь выложить все, имеющиеся у них на руках. Задача играющих – составить замкнутый цикл круговорота данного элемента в биосфере. Для этого используют схему круговорота (рис. 5.12). Карты по каждому из направлений выкладывают в отдельный ряд.

В начале игры раздаются карты на всех игроков поровну. Игра начинается с направления 1. Право первого хода имеет игрок с картой 1.1 и его номер в табл. 5.2 будет также 1. После хода он записывает себе количество баллов, указанное на карте. Следующий игрок должен пойти картой 1.2; если ее у него нет, то он выкладывает любую карту +HS данного направления, записывая себе баллы с соответствующим знаком; если же у него нет и этих карт, то он пропускает ход и записывает себе штрафные баллы – 10. Затем делает ход очередной игрок и т. д.

Тот игрок, который выкладывает карту с маркировкой «End», завершающую направление, записывает себе дополнительно 50 баллов (кроме карты -HS). Затем начинается игра по направлению 2, потом 3 и т.п. Если по какому-либо направлению имеется только одна карта, то игрок, выложивший ее, все равно получает дополнительно 50 баллов. После заполнения всех направлений игроки подсчитывают набранные баллы, определяют победителя. Форма записи результатов игры представлена в табл. 5.2.

Т а б л и ц а 5.2

Запись данных имитационного моделирования

круговорота элемента

	Порядковый номер игрока/баллы
№ хода	1	2	3	4

В заключение игры рекомендуется проанализировать разложенные в отдельные ряды карты, что отвечает совокупности основных процессов круговорота данного элемента. Каждый студент в зависимости от места, занятого им в игре, анализирует сектор с таким же номером, в конце занятия результаты работы защищает у доски.

5.5.4. Решение экспериментальных задач по исследованию круговорота веществ в биосфере. Для освоения закономерностей круговорота данного элемента на модели желательно провести 2–3 тура игры. После этого преподаватель может предложить студентам экспериментальные задачи по исследованию круговорота веществ в биосфере в различных случаях, когда в колоде отсутствуют отдельные карты. Для естественного круговорота это отвечает отсутствию карт:

– одного из секторов;

– отдельных направлений.

Аналогично исследуется антропогенный фактор: оставить только карты +HS или -HS, или +HS; убрать карты +HS, но оставить карты NP.

В отчете по результатам выполненного исследования обобщите для круговорота данного элемента сведения по следующим факторам: абиотическим, биотическим, положительному и отрицательному воздействию человека. Поясните, какие из процессов энергетически выгодны, какие невыгодны? В каком случае процесс протекает только при использовании негаэнтропии?

Где возможна самоорганизация? Какой фактор надо поддерживать, контролировать? Поясните подробнее влияние абиотических факторов. Какой цикл самый короткий? Приведите примеры антропогенного вмешательства применительно к вашей специализации. Укажите, какие методы защиты окружающей среды от техногенных выбросов предпочтительнее. Составьте оптимальную схему мониторинга, по аналогии с рис. 5.11.

Поясните эту схему применительно к вашей специализации. Рекомендуется, в частности, студентам машиностроительных специальностей описать контролируемый технологический процесс (сварка, литье, обработка металла давлением, резанием, нанесение гальванопокрытий, электрохимическая размерная обработка, плазменное напыление и т. п.), виды загрязнений (ингредиентное, параметрическое и т. п.); студентам приборостроительных специаль-ностей желательно описать требования к информационно-измери-тельной технике, приборам, применяемым в качестве датчиков, принципы преобразования неэлектрических сигналов в электрические, закономерности построения полярографических, амперометрических, потенциометрических и других датчиков; студентам-системотехникам – выделить наиболее важные параметры, по которым проводится контроль, определяется возможность построения математической модели процесса, пути составления программного обеспечения мониторинга.

5.5.5. Пример имитационного моделирования круговорота

фосфора в биосфере. Для исследования используется схема кру-говорота фосфора (рис. 5.14). В соответствии с изложенными выше правилами игроки заполняют последовательно направления 1 – 8.

Гидросфера

РО, РО, РО, РО, РО, РО

Рис. 5.14. Схема круговорота фосфора в биосфере

для имитационного моделирования

(объяснение обозначений в тексте)

По ходу игры даются предварительные комментарии о применении процесса, об экологических проблемах и т.п.

Направление 1. Переход «поверхность Земли, или дно океанов – гидросфера».

1.1. (+HS, 20). Получение конденсированных фосфатов:

(n-2)NaH2PO4 + 2Na2HPO4 Nan+2PnO3n+1 + (n-1)H2O;

гидратированные ортофосфаты полифосфат

nNaH2PO4 (NaPO3)n + nH2O.

метафосфат

Применение: умягчение воды, так как образуются растворимые соли с Са(II).

Экологические проблемы: фосфаты – удобрения и могут вызывать большой рост водорослей в озерах.

Для круговорота процесс положительный, так как переводит фосфор в более активную для биосферы форму – в раствор.

1.2. (+HS, 30)

Р4О8 + 4Н2О → 2Н3РО3 + 2НРО3;

фосфористая метафосфорная

кислота кислота

P4O10 (т) + 6H2O (ж) 4H3PO4 (ж);

P4O6 + 6H2O 4H3PO3.

фосфорный фосфористая

ангидрид кислота

1.3. (+HS, 30): Получение фосфора (вывод из круговорота):

2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C P4 + 6CaSiO3 + 10CO.

белый

фосфор

Побочные реакции (вовлечение в кругооборот в виде РН3, РО):

Р4 + 6Н2О → Р4О6 + 6Н2;

Р4О6 + 6Н2О → 4Н3РО3;

4Н3РО3 → 3Н3РО3 + РН3.

1.4. (+НS, 10)

Получение фосфористой кислоты:

Р4 + 12Н2О + 6Cl2 → 4Н3РО3 + 12НСl.

1.5. (+HS, 20)

Получение гипофосфита бария (II):

P4 + Ba(OH)2 Ba(H2PO2)2 + 2PH3;

желтый суспензия кипячение

фосфор

8P + 3Ba(OH)2 + 6H2O 2PH3 + 3Ba(H2PO2)2.

1.6. (+НS, 10)

Получение ортофосфорной кислоты механолизом:

V2O5·P2O5·4H2O 2H3PO4 + V2O5·4H2O.

1.7. (+НS, 10)

Производство ортофосфорной кислоты из минералов:

Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 → 3CaSO4 + 2H3PO4.

сиропообразный

85 % раствор

1.8. (NP, 50)

Природные процессы перехода минералов, содержащих фосфор, в растворимые соединения:

Сa3(PO4)2 CaHPO4;

не растворим

7CaHPO4 + H2O → Ca5(PO4)3 + 2Ca(H2PO4)2;

гидроксилапатит хорошо

(хлопья) растворим

Ca(H2PO4)2 + Na2HPO4 = CaHPO4 + 2NaH2PO4;

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 + 4H2O = Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4·2H2O;

хорошо

растворим

Ca3(PO4)3OH + 7H2SO4 + 12H2O = 3Ca(H2PO4)2 + 7CaSO4·2H2O.

хорошо

растворим

1.9. (NP, 40)

Р4S3 + 8О2 2Р2О5 + 3СО2;

минерал извержение

вулкана

Р2О5 + Н2О → 2НРО3 (метафосфорная кислота);

Р2О5 + 2Н2О → Н4Р2О7 (пирофосфорная кислота);

Р2О7 + 3Н2О → 2Н3РО4 (ортофосфорная кислота).

Направление 2. Переход «Поверхность Земли или дно океанов – растения».

2.1. (+HS, 20)

Производство соединений, усваиваемых растениями.

Са3(РО4)2 → Р4 → Н3РО4 → РCl5.

нерастворимые

фосфаты

Синтез гексахлортрифосфазена:

nPCl5 + nNH4Cl (NPCl2)n + 4nHCl.

(NPCl2)n – ключевое промежуточное соединение в синтезе многих фосфазенов, может быть и удобрением для растений.

2.2. (+HS, 20)

Ca3(PO4)2 → P4;

P4 + H2O PH3 + H3PO3.

фосфин

Получение важного соединения фосфониевого ряда:

PH3 + 4HCHO + HCl (гидр) → [P(CH2OH)4]+Cl.

2.3. (+HS, 20)

Ca3(PO4)2 → P4 → PCl3;

PCl3 + 3C6H5MgCl → P(C6H5)3 + 3MgCl2.

2.4. (+HS, 30)

Ca3(PO4)2 → P4 →PH3 → пестициды.

Примеры фосфорсодержащих пестицидов:

(СH3O)2 P SСH2СONHСH3

S рогор;

метафос;

(CH3O)2 P SCCHCOOC2H5

|| |

S CH3COOC2H5

карбофос.

Хотя пестициды и несут некоторую экологическую опасность, вовлечение фосфора в круговорот положительно.

2.5. (NP, 20)

Ca3(PO4)2 PO→ фосфолипиды.

Примеры фосфолипидов:

CH2—O—C—R’

R—C—O—CH O монофосфатидная кислота;

|| | ||

O CH2—O—P—O—

O—

СН2—О—С—R

O .

CH —O— C —R’

O NH

|| |

CH2 —O— P—O—CH2—CH—COOH.

O— фосфадилсерин

2.6. (+HS, 20)

Ca3(PO4)2 →P4→PH3→PCl5;

В PCl5 присутствует как структурная единица группа [PCl6].

2.7. (+HS, 20)

Ca3(PO4)2 →P4→PH3→PCl5;

nPCl5 + nNH4Cl → (PNCl2)n + 4nHCl.

фосфонитригалогенид

Примеры фосфонитригалогенидов:

цикло-трифосфо- цикло-тетрафосфо-

нитрилхлорид нитрилхлорид

2.8. (+HS, 40)

Ca3(PO4)2 →P4→PH3→PCl5;

3PCl5 + 2B(OH)3 → 3POCl3 + 6HCl + B2O3;

PCl5 + H2C2O4 → POCl3 + 2HCl + CO2 + CO;

3PCl5 + P2O5 → 5POCl3;

2.9. (+HS, 30)

Простой суперфосфат:

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 = 2CaSO4 + Ca(H2PO4)2;

Ca(H2PO4)2 – хорошо растворим, легко усваивается растениями.

Двойной суперфосфат (без «балласта» CaSO4):

Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 = 3CaSO4↓ + 2H3PO4;

Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 → 3Ca(H2PO4)2.

Преципитат (СаНРО4·2Н2О) получают при взаимодействии Са(ОН)2 и Н3РО4.

Направление 3. Переход «Поверхность Земли, дно океанов – животные».

3.1. (NP, 30)

Ca3(PO4)2 → PO→ растения → свингомиелин.

Формула свингомиелина:

остаток сфингозина O

СН3–(СН2)12–СН═СН–СН–СН–СН2–О–Р–О–СН2СН2N+(СН3)3

| | |

OH NH O— остаток холина

COR – остаток жирной кислоты.

Свингомиелин – один из фосфосфинголипидов, входит в состав мембран животных, клеток нервной ткани, плазмы крови, селезенки, печени.

Направление 4. Переход «Гидросфера – растения».

4.1. (NP, 20)

PO ДНК

катализаторы: дезоксирибонуклеиновые

фосфаттрасферазы кислоты

ДНК – первичные носители информации.

Фрагмент ДНК:

ОН Н

| |

…—О—Р—О—С—Н

|| |

O СН—О—СН—R1

| |

CH—H—C—H

O—…

Радикал R1 – аденил:

H2C—O—H2PO3

4.2. (NP, 20) |

C=O

PO H—C—OH

катализаторы: |

фосфокиназы Н—С—ОН

Н2С—О—Н2РО3

рибулозодифосфат.

4.3. (NP, 30)

Цикл Кальвина при фотосинтезе (темновая фаза) включает 4 стадии.

I стадия – карбоксилирование

Н2С—О—Н2РО3

| Н2С—О—Н2РО3

С=О |

СО2 + | + Н2О 2 СНОН

СНОН |

| СООН

СНОН

| 2-фосфоглицериновая

СН2ОР кислота

Рибулозодифосфат

RUBISCO – фермент – рибилозбисфосфат – карбоксилаза оксигеназа. Это самый распространенный фермент на планете (10 млн т или около 20 кг на каждого жителя Земли).

4.4. (NP, 40)

Цикл Кальвина (продолжение)

II стадия – восстановление

СН2─О─Н2РО3

СНОН + АТФ + НАДФН + Н+

СООН

СН2─О─Н2РО3 + АДФ + Рi + НАДФ+ + Н2О.

СНОН

СНО

фосфоглицеральдегид

(триозофосфат)

III стадия – регенерация

Триозофосфат → рибулозофосфат.

(содержит 3 атома С) (содержит 5 атомов С)

IV стадия – синтез продуктов

Триозофосфат → сахароза, крахмал, аминокислоты, жиры и др.

Обозначения:

НАДФН – восстановленный никотинамидаденин-динуклеотид;

АТФ – аденозинтрифосфорная кислота;

АДФ – аденозиндифосфат;

Рi – продукты гидролиза.

Направление 5. Переход «Гидросфера – животные».

5.1. (NP, 20)

Растворенные растения животные.

фосфат-ионы катализаторы катализаторы

Образуются нуклеотиды. Пример: мононуклеотид – дезоксиаденозин – 5’-трифосфат:

дезоксирибоза-5’-трифосфат

5.2 (NP, 20)

РО восстановленный никотинамидаденинди-

катализаторы

нуклеотидфосфат (НАДФН), имеющее следующее строение

5.3. (NP, 20)

Коллектором атомов водорода (протонов и электронов) в окисленной молекуле NAД+ служит только небольшая ее часть:

Все окислительные реакции, катализируемые дегидрогеназами, ведут к запасанию атомов водорода в виде соединений: NАДН, NАД+ и NАДН, присутствующих в цитоплазме и митохондриях.

5.4. (NP, 30)

Дыхательная цепь, состоящая из нескольких ферментов, прочно связанных с внутренней мембраной митохондрий, осуществляет окисление NАДН кислородом:

NАДН 1/2О2 + 2Н+

Н+ + NАД+ Н2О

- 2

Направление 6. Переход «Гидросфера – поверхность Земли или дно океанов»

6.1. (- HS, 20)

H3PO4 +12 (NH4)2MoO4 +21 HNO3 (NH3)3H4[P(Mo2O7)6]↓+

кислый молибдофосфат

аммония, желтая соль

+ 21 NH4NO3 +10 H2O.

Реакция используется для открытия Н3РО4 с получением осадка.

6.2. (- HS, 50)

Реакции для открытия ионов , Р2О и др.

3AgNO3 + 2 Na2HPO4 Ag3PO4↓ + 3 NaNO3 + NaH2PO4;

2AgNO3 + Na2H2P2O7 2 NaNO3 + Ag2H2P2O7 ↓;

AgNO3 + NaPO3 NaNO3 + AgPO3 ↓;

H3PO3 + 2AgNO3 Ag2HPO3 ↓ + 2HNO3;

(NH4)2NaPO4 2NH3 + NaPO3 + H2O;

NaPO3 + AgNO3 AgPO3 ↓ + NaNO3.

Направление 7. Переход «Растения – животные».

7.1. (NP, 20)

При потреблении растительной пищи протекает гидролиз аденозинтрифосфата:

АТФ4- + Н2О = АДФ3- + Н2РО.

Катализаторы: ионы Ве2+, Са2+, Mg2+, Со2+, Cu2+, Zn2+ (микроэлементы).

7.2. (NP, 20)

При потреблении растительной пищи в мембранах клеток – фагоцитов образуются активные формы кислорода:

●

НАДФН + 2О2 НАДФ+ + 2О2 + Н+.

мембрана

●

Супероксид О2 используется для борьбы с чужеродными клетками.

Направление 8. Переход «Животные – поверхность Земли, дно океанов»

8.1. (NP, 20)

GSSG + НАДФН + Н+ 2 GSH + НАДФ+ ↓.

фермент мембрана восстановленный

глутатион, антиоксидант

Реакция защиты организма от активных форм кислорода; часть НАДФ+ с выделениями организма попадает на поверхность Земли.

8.2. (NP, 40)

Защита организма от ксенобиотиков путем гидроксилирования – транспорта атомов водорода и электронов в печени:

НАДН ФАД Цитохром b3 выводятся

↓2 из

НАДФН ФАД Цитохром Р-450 организма

2Н+ ↓2

Н2О О═О

R─H

↓

ROH

ФАД – флавинадениндинуклеотид, его производное ФАДФ – изомер АТФ.

8.3. (NP, 20)

Обезвреживание ксенобиотика – фенола в печени:

С6Н5ОН + НАДФН + Н+ + О2 С6Н4(ОН)2 + НАДФ+ + Н2О.

фенол пирокатехин частично выводится

(менее опасен) с выделениями

организма

8.4. (NP, 30)

При биолюминесценции происходит свечение живых организмов, например, светлячков, с выделением фосфатов в окружающую среду:

АТФ + люциферин + О2 АМФ + Фн +

+ оксилюциферин + hν (560 нм),

где АТФ – аденозинтрифосфат; АМФ – аденозинмонофосфат; Фн – ортофосфат.

8.5. (NP, 40)

При функционировании живого организма протекают ферментные реакции окисления, восстановления и декарбоксилирования, в том числе и с выделением части продуктов на поверхность Земли или дно океанов.

Схема реакции:

Ф + С ФС- комплекс А + Б + Ф.

фермент субстрат 2 продукты реакции

Фермент, способный к восстановлению, называют коферментом. Пример – витамин В1, тиаминпирофосфат, кокарбоксилаза:

Затем проводится подсчет баллов у игроков. Занявший I место подробно анализирует I сектор, II место – II сектор и т. д., отвечая на вопросы п. 5.5.4.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие процессы понимают под круговоротом веществ в биосфере?

2. Приведите примеры биологических тупиков для серы, азота, углерода.

3. Какие факторы определяют подвижное равновесие в природе?

4. В чем особенности большого (геологического) круговорота веществ?

5. Опишите функциональную схему экосистемы.

6. Что представляет собой гомеостаз?

7. Чем отличаются понятия экосистема и биогеоценоз?

8. Дайте характеристику ресурсного цикла как антропогенного

круговорота веществ. Почему этот цикл не замкнут?

9. Какие химические элементы называют биофильными и почему?

10. Опишите антропогенное воздействие на круговорот углерода. Что такое «парниковый эффект»?

11. Как связаны циклы кислорода и углерода в биосфере?

12. Опишите круговорот азота в биосфере.

13. В чем особенности биогенного круговорота фосфора?

14. Какова роль антропогенного воздействия в нарушении круговорота фосфора?

15. Опишите круговорот серы.

16. Какова роль специализированных организмов в круговороте серы?

17. Что характеризует степень рециркуляции металлов?

18. Опишите техногенный цикл алюминия.

19. Дайте определение мониторинга. Какие известны типы мониторинга? Какие функции выполняет мониторинг?

20. Какие средства экологического контроля вы знаете?

21. Опишите, каковы основные подходы к моделированию в экологии, в частности, к круговороту веществ в биосфере.

22. Опишите укрупненную схему экологического мониторинга.

23. Приведите примеры регулируемых и контролируемых параметров при экологическом мониторинге.

24. В чем заключается инженерная защита экосистемы?

PAGE 195

1. Лиса Холланд Sky News В мае прошлого года Sky News сообщала о ребенке который родился с двумя головами
2. Тема- система охолодження Мета- в результаті виконання роботи студент повинен вивчити загальну будову сис
3. В Западной Сибири 55 сельскохозяйственных предприятий убыточны в Восточной Сибири доля таких хозяйств со
4. тема мова культури генезис культури традиція звичай ритуал типологія культури соціокультурна динаміка
5. Джойс Кэрри Из любви к ближнему
6. по теме Зима Животные
7. Общие положения о государстве и прав
8. Использование и уничтожение товаров и транспортных средств, проходящих таможенное оформление
9. Составитель- к
10. МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ КАФЕДРА Специальность
11. Челябинская государственная академия культуры и искусств Факультет информационных ресурсов и техноло.
12. воспитатель Александра Македонского мыслитель чьи идеи дошли до нас сквозь века благодаря Корпус Аристот
13. Помпей Магн - римский полководец
14. Новое Дело 2 Организационноправовая форма Общество с ограниченно
15. Отруєння чадним газом
16. по теме Операционные системы Вариант 10а Преподаватель
17. тема Его задачи и основные признаки
18. Тема- Формирование сюжетноролевой игры в младшем дошкольном возрасте
19. Физика создаёт у учащихся представление о научной картине мира показывает гуманистическую сущность научны
20. УТВЕРЖДАЮ Зам начальника отделения по УР Г.

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе