Круговорот металлов в природе

Обновлено: 07.01.2025

Поведение металлов в природных средах во многом зависит от специфичности миграционных форм и вклада каждой из них в общую концентрацию металла в экосистеме. Для понимания миграционных процессов и оценки токсичности тяжелых металлов недостаточно определить только их валовое содержание. Необходимо дифференцировать формы металлов в зависимости от химического состава и физической структуры: окисленные, восстановленные, метилированные, хелатированные и др.. Наибольшую опасность представляют лабильные формы, которые характеризуются высокой биохимической активностью и накапливаются в биосредах. По чувствительности к ним животных и человека металлы можно расположить в следующий приблизительный ряд: Hg > Cu > Zn > Ni > Pb > Cd > Cr > Sn > Fe > Mn > Al. Особенностью металлов как загрязнителей является то, что в отличие от органических закрязняющих веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь к перераспределению.

Металлы-токсиканты в различных формах способны загрязнять все три области биосферы - воздух, воду и почву.

Поступление тяжелых металлов в окружающую среду имеет как естественное, так и техногенное происхождение. Техногенная доля меди и цинка в атмосфере - 75%, кадмия и ртути - 50%, никеля 30%, кобальта - 10%. Наиболее высокая эмиссия в атмосферу характерна для свинца - 50. 80%.

В атмосфере тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной форме (ртуть). Основные механизмы выведения тяжелых металлов из атмосферы - вымывание с осадками и осаждение на подстилающую поверхность.

В водных средах тяжелые металлы присутствуют в трех формах: взвешенной, коллоидной и растворенной. Последняя представлена свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими и неорганическими лигандами. Для неорганических соединений - это галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты и др.. Среди органических лигандов наиболее прочными являются комплексы гуминовых и фульвокислот (преимущественно низкомолекулярных), входящих в состав гумусовых веществ почвы и природных вод. Следует заметить, что значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии.

Сорбция металлов донными отложениями зависит от особенностей их состава и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в придонных осадках и в биоте, в то время как в самой воде они остаются в сравнительно небольших концентрациях. Так, при концентрации ртути в донных отложениях 80-800 мкг/кг ее содержание в воде не превышает 0,1-3,6 мкг/кг.

Ресурсный цикл(антропогенный круговорот веществ) - 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 естественен, как и любой другой, но предполагает разумное волевое начало.

Круговорот железа в природе. Железобактерии. Добыча и области применения железа

Что это такое - железо, откуда оно взялось и как его добывают? Этот полезный металл имеет множество областей применения. Химический элемент играет важную роль в мировой промышленности, а важное значение в жизни планеты имеет круговорот железа в природе.

Что такое железо?

Железо представляет собой металлический элемент, который является очень химически реактивным, особенно когда он взаимодействует с кислородом. Это один из наиболее распространенных элементов на Земле и в космосе. Атомы железа содержат 26 протонов в своих ядрах. Химический символ - Fe (ферум) происходит от его латинского названия ferum. В чистом виде это мягкий и хрупкий металл, который усиливается при помощи примесей. При соединении с углеродом получается сталь, для производства которой используется более 98 % добываемой сегодня железной руды.

Все атомы железа во Вселенной образовались в ядрах звезд на заключительных этапах слияния, а затем были выпущены в космос путем звездных взрывов. Это четвертый по численности элемент в земной коре после кремния, кислорода и алюминия. Что такое железо? Это самый распространенный элемент, составляющий нашу планету, хотя большая его часть по массе находится намного ниже поверхности - в ядре Земли. Он присутствует почти во всех породах коры и мантии в качестве химического компонента сотен различных минералов.

Железная руда

В чистом виде этот металл встречается редко. Некоторые метеориты содержат элементарное железо. Этот элемент химически реагирует с кислородом и водой для производства железосодержащих минералов. Любой камень, который содержит достаточное количество этого металла, добываемого в экономических целях, называется железной рудой. Наиболее распространенными ее минералами являются:

оксид железа (формула Fe₂O₃), который образуется под воздействием кислорода;
гидратированный оксид железа, который образуется в результате реакции в воде.

Наиболее важными железными рудами являются минералы оксида железа, называемые гематитом и магнетитом. Высокая концентрация Fe делает их наиболее предпочтительными в промышленности. Добыча железа осуществляется на крупнейших месторождениях руды. Чаще всего это образования, которые представляют собой древние осадочные породы. Они содержат слои минералов оксида железа (формула Fe₂O₃) толщиной до нескольких сантиметров.

Где можно найти железо?

При комнатной температуре оно представляет собой твердое вещество. Это блестящий серый металл, который ржавеет со временем при воздействии влажного воздуха. Он объединяется со многими другими металлами для образования сплавов. Области применения железа достаточно обширные. Когда он сочетается с углеродом, получается сталь. Его также можно комбинировать с другими металлами, такими как никель, хром и вольфрам. Эти сплавы очень прочные и могут использоваться для изготовления мостов и зданий.

Железо - очень древний элемент, который использовался на Земле в течение долгого времени. Объекты из него были найдены еще в Древнем Египте. Был даже целый период времени (1200-500 гг. до н. э.), названный в его честь, - железный век, когда его использовали для изготовления орудий и оружия. Чтобы найти этот полезный металл, нужно искать его глубоко под землей. Он встречается как в земной коре, так и в ядре Земли. На Земле железа больше, чем любого другого металла. Этот элемент можно найти и на других планетах, включая ядро Юпитера и Сатурна, а также красную пыльную поверхность Марса (именно в связи с этим его и назвали Красной планетой).

Наземный круговорот железа в природе

Железо (Fe) следует за геохимическим циклом, как и многие другие питательные вещества. Оно обычно выделяется в почву или в океан через выветривание горных пород или извержения вулканов. В земной экосистеме растения сначала поглощают железо через корни из почвы. Это предельно важное питательное вещество, которое перемещается между живыми организмами и геосферой.

Железо является важным ограничивающим питательным веществом для растений, которые используют его для производства хлорофилла. Фотосинтез зависит от адекватного снабжения этим металлом. Растения ассимилируют его из почвы в корни. Животные потребляют растения и используют его для производства гемоглобина. Когда они умирают, они разлагаются и бактерии возвращают металл в почву.

Морской цикл железа

Морской круговорот железа в природе очень похож на земной цикл. Этот процесс происходит за счет жизнедеятельности определенных микроорганизмов, окисляющих металл до гидроксида и получающих углерод из углекислоты. Железобактерии в реке, море или любом другом водоеме добывают энергию для своего жизненного цикла, а после его завершения они оседают в почве в виде болотной руды.

Роль железа в океанических экосистемах также значительная. Основными производителями, которые поглощают этот металл, обычно являются фитопланктон или цианобактерии. Затем железо усваивается потребителями, когда они едят эти бактерии. Круговорот железа в природе - это чрезвычайно сложный процесс. Он зависит от множества сопутствующих факторов: химических реакций, типов мест обитания и групп микробов. Все это связывает его с другими, не менее важными биогеохимическими циклами Земли.

Общая характеристика

Железо в виде различных комбинированных руд является одним из наиболее распространенных элементов, составляющих около 5 % земной коры. Важнейшими железосодержащими минералами являются оксиды и сульфиды (гематит, магнетит, гетит, пирит, марказит). Этот металл присутствует также в метеоритах, на других планетах и на солнце. Железо содержится как в морской, так и в пресной воде.

Интересные факты

Вот некоторые интересные факты о таком, казалось бы, простом химическом элементе:

Железо - это важнейший строительный блок для питания растений, который помогает переносить кислород в крови, тем самым поддерживая жизнь на Земле.
Это хрупкое твердое вещество, классифицированное как металл в группе 8 в периодической таблице элементов. Он в чистом виде быстро корродирует от воздействия влажного воздуха и высоких температур.
Это четвертый наиболее распространенный элемент земной коры по весу, и большая часть ядра Земли, как полагают, состоит из железа.
Большая часть его используется для производства стали - сплава железа и углерода, который, в свою очередь, применяется в производстве и строительстве, например для производства железобетона.
Нержавеющая сталь, содержащая не менее 10,5 % хрома, обладает высокой устойчивостью к коррозии. Она используется в кухонных столовых приборах и посуде, таких как кастрюли из нержавеющей стали.
Добавление других элементов может обеспечить стали новые полезные свойства. Например, никель увеличивает долговечность сплава и делает его более устойчивым к нагреву и кислотам.

Число протонов в ядре: 26.
Атомный символ: Fe.
Средняя масса атома: 55,845 г/моль.
Плотность: 7,874 грамма на кубический сантиметр.
Фаза при комнатной температуре: сплошная.
Точка плавления: 1538 0 C.
Точка кипения: 2861 0 C.
Количество изотопов: 33.
Стабильные изотопы: 4.

Основные области применения

Железо используется во многих секторах, таких как электроника, производство, автомобилестроение и строительство. Ниже приведены области применения железа:

В качестве первичной составляющей черных металлов, сплавов и стали.
Сплав с использованием углерода, никеля, хрома и различных других элементов для получения чугуна или стали.
В магнитах.
В готовых металлических изделиях.
В промышленном оборудовании.
В транспортном оборудовании.
В инструментах.
В игрушках и спортивных товарах.

Железо составляет 5 % земной коры и является одним из самых распространенных и наиболее используемых металлов. Этот элемент также содержится в мясе, картофеле и овощах и имеет важное значение для животных и людей. Это неотъемлемая часть гемоглобина. Металл является сероватым по внешнему виду и очень пластичным и ковким. Он легко растворяется в разбавленных кислотах и химически активен. Основными районами добычи железа являются Китай, Австралия, Бразилия, Россия и Украина.

Что такое круговорот веществ? Круговорот веществ в экосистеме. Схема круговорота веществ в природе

С самого начала существования нашей планеты постоянно происходят различные процессы передачи энергии между живыми организмами и окружающей средой. Она преобразуется, переходит в иные формы, связывается и снова рассеивается. То же самое можно сказать и о любом веществе, составляющем основу жизни. Каждое из них проходит множество инстанций, претерпевает многократные изменения и в итоге возвращается.

Эти процессы дают представление о том, что такое круговорот веществ в природе. Они позволяют проследить движение не только соединений, но и отдельных элементов. Постараемся подробнее разобраться в данном вопросе.

Общее понятие о круговороте веществ

Что такое круговорот веществ? Это циклические переходы из одной формы в другую, сопровождающиеся частичной потерей или рассеиванием, но имеющие постоянный, устойчивый характер. То есть любое вещество или элемент совершает ряд переходов по ступеням, при этом преобразуясь и изменяясь, но в итоге все равно возвращается в начальную форму.

Естественно, что с течением времени могут быть частичные потери в количестве рассматриваемого соединения или элемента. Однако общая схема постоянна и сохраняется уже многие тысячелетия.

Что такое круговорот веществ, можно рассмотреть на примере. Самый простой из них - это преобразования органических веществ. Изначально из них состоят все многоклеточные живые существа. После завершения их жизненного цикла тела их разлагаются специальными организмами, и органические соединения преобразуются в неорганические. После эти соединения поглощаются другими существами и внутри их тела снова восстанавливаются до органической формы. Далее процесс повторяется и циклически продолжается все время.

Схема круговорота веществ в природе дает понять, что ничто не возникает ниоткуда и не исчезает в никуда. У всего есть свое начало, конец и переходные формы. Это основные правила жизни. Им же подчиняется энергия. Рассмотрим примеры преобразования, которые происходят в экосистемах, живых существах. А также разберемся, что такое круговорот веществ, основанный на одном определенном элементе.

Живое вещество в природе

Самое главное вещество биосферы - живое. Что это такое? Это каждый представитель живой природы. Все вместе они формируют биомассу. Она, естественно, претерпевает изменения, является участником всех процессов, происходящих в окружающей среде.

Круговорот живого вещества можно проиллюстрировать примером следующего рода.

Первые создания, которые непосредственно улавливают энергию солнечного света и преобразуют ее в энергию химических связей - это растения, сине-зеленые бактерии. Происходит это за счет пигмента хлорофилла в процессе фотосинтеза. Результат - синтез органического вещества из неорганических компонентов. Так сформировалось первое звено среди живого вещества биосферы.
Далее идут животные, которые способны непосредственно питаться растениями. А также всеядные существа, к которым относится и человек в том числе. Они потребляют первое звено и преобразуют органическое вещество внутри себя в другую форму - неорганику.
Растительноядные существа подвергаются поеданию со стороны плотоядных животных. Так вещества переходят уже в иные организмы.
Далее идут те организмы, которые способны питаться плотоядными формами. Высшие хищники. Они - заключительное звено циркуляции органики. После их отмирания в ход вступают следующие организмы.
Детритофаги - микроорганизмы, грибки, простейшие, которые разлагают мертвые останки живых существ и переводят все вещества в неорганическую форму.
Эти соединения (углекислый газ, вода, минеральные соли) используются снова растениями в процессе создания органических соединений.

Таким образом, приведенная схема круговорота веществ в природе отражает преобразования живой составляющей биосферы. Все начинается с растений и заканчивается ими же. Полный циклический процесс, который имеет массу ответвлений и сложных завитков.

Круговорот веществ в экосистеме

Любая экосистема - это целое сообщество различных организмов, объединенных между собой сложными взаимоотношениями в пищевом плане, а также находящихся под влиянием сходных условий окружающей среды.

Круговорот веществ в экосистеме подчиняется определенным экологическим законам. Так, обязательно строгое соподчинение по цепям питания. Обмен энергией, веществами, циркуляция многих элементов - все это происходит между особями внутри данной экологической группы.

При этом все они делятся на несколько групп:

продуценты;
консументы первого порядка;
консументы второго порядка;
консументы третьего порядка;
всеядные организмы;
редуценты или детритофаги.

Схема круговорота веществ может выглядеть примерно так:

растение (продуцент) дает органическое вещество; (консумент первого порядка) преобразует его в неорганическое и другую органику;
плотоядное животное (консумент второго порядка) преобразует в другую органику;
высший хищник (консумент третьего порядка) опять частично рассеивает ее в виде тепла, а частично концентрирует в форме внутренних органических веществ;
микроорганизмы, например бактерии, грибки и прочие (редуценты или детритофаги), разлагают мертвые останки животных и формируют массу неорганических соединений;
растения поглощают неорганику и снова создают в процессе фотосинтеза ряд важных органических соединений, то есть продуцируют.

Вещества экосистемы

Очевидно, что в одной экосистеме в тесном взаимодействии находится два основных типа вещества: органические и неорганические. Из органики это:

Неорганические соединения следующие:

вода;
углекислый газ;
минеральные соли;
ряд важных макроэлементов.

Очень важным условием для нормального функционирования любой экосистемы является постоянный приток солнечной энергии. Ведь растения могут осуществлять фотосинтез только при этом условии. Кроме того, энергия, которая заключается в химических связях соединений, рассеивается в виде тепла в достаточно больших количествах. Поэтому вещества не могут циркулировать в неизменном состоянии без потерь.

Схема круговорота веществ на лугу

Луг - это особенное природное сообщество. Ведь он имеет некоторые отличия от всех других, например от лесного. В чем заключаются эти отличия?

На лугу преобладает только травяная растительность, состоящая из многолетних и однолетних невысоких трав. При этом они между собой отличаются. Более светолюбивые обладают высоким ростом, а те, что могут жить в тени, низким.
В пределах данного сообщества нет крупных представителей животного мира. Это связано с тем, что им просто негде будет прятаться, ведь деревьев нет.
Периодически во время сильных дождей все пространство луга заливается водой. Отсюда и другое их название - заливные или наливные. В таких условиях могут существовать далеко не все живые существа.

Если же говорить о сходствах лугового и лесного, к примеру, сообщества, то следует выделить главную черту: на обеих территориях обитают представители растений, насекомых, грызунов, птиц, пресмыкающихся, земноводных и млекопитающих.

Схема круговорота веществ на лугу может иметь следующий вид:

минеральные вещества и вода, которые потребляет непосредственно из земли растение;
насекомые, которые опыляют цветки и позволяют им размножаться, при этом питаясь нектаром, то есть производимым растением органическим веществом;
птицы и млекопитающие, поедающие насекомых и растения, то есть употребляющие органическое вещество;
микроорганизмы, которые разлагают мертвые остатки растений и животных и высвобождают неорганические вещества (минеральные соли, воду, углекислый газ).

Пример лугового круговорота

Важное значение имеют все звенья, обозначенные в примере. Круговорот веществ на лугу - необходимое условие для существования данного сообщества. Почва способна обогащаться полезными веществами и элементами только благодаря деятельности ее обитателей - микроорганизмов-детритофагов, червей, мокриц и прочих существ. Без этого условия растениям будет недоставать неорганики для фотосинтеза и роста, а значит, будет в дефиците и органическое вещество, которое они производят. Такое, как крахмал, целлюлоза, белок и прочие. Это приведет к сокращению численности животных и птиц, а значит, и органического вещества в целом. Пострадают в итоге и детритофаги, так цикл нарушится.

Круговорот веществ на лугу можно проиллюстрировать и более конкретным примером. Попробуем составить такую схему.

Минеральные соли, вода, углекислый газ, кислород потребляет ромашка аптечная.
Пчела медоносная опыляет обозначенное растение и поедает его пыльцу, то есть углеводы и белки.
Пчелоед и осоед склевывают пчелу медоносную и потребляют органическое вещество ее тела (хитин, белок, углеводы).
Луговая полевка и другие мелкие грызуны и более крупные виды поедают органическую составляющую растений и насекомых.
Пустельга (птица) поедает грызунов и потребляет питательные вещества.
После смерти все животные и насекомые попадают на землю, где их тело подвергается разложению на составляющие соединения деятельностью микроорганизмов, червей, мокриц и других детритофагов.
В результате почва снова насыщается неорганическими солями, водой и прочими соединениями, которые поглощают корни растений.

Цепи и сети питания

Круговорот веществ и энергии, как уже стало понятно, тесно связан с таким экологическим понятием, как цепь или сеть питания. Ведь любое вещество - это материал, продукт, который служит строительным материалом для формирования структурных частей клеток, тканей и органов.

Каждая цепь питания неотвратимо влечет за собой и циклические преобразования веществ. А любые процессы синтеза и распада требуют затраты или высвобождения энергии. Следовательно, она также вовлекается в единый круговорот в природе.

Почему существуют понятия "цепь" и "сеть питания"? Все дело в том, что взаимоотношения между организмами в пределах одной экологической группы часто намного сложнее, чем просто обычная рядовая цепь. Ведь один и тот же представитель животного мира может быть и травоядным, и хищником. Существуют всеядные организмы. Кроме того, для многих создается конкурентная среда за добычу и пропитание, что также накладывает свой отпечаток на общий план взаимоотношений внутри биогеоценоза.

Вот в этих случаях цепи тесно переплетаются между собой и формируются так называемые сети питания. Особенно хорошо это заметно в многонаселенных обитателями местах: лесных, озерных сообществах, тропических лесах и прочих.

Все цепи питания можно условно разделить на два вида:

выедания, или пастбищные;
разложения, или детритные.

Основное различие между ними в том, что в первом случае все начинается с живого организма - растения. Во втором же - с мертвых остатков, экскрементов и прочих отложений, которые перерабатываются микроорганизмами, червями и так далее.

Изменения энергии

Энергия, как и вещества, претерпевает ряд изменений в ходе процессов в экосистемах. Вся она делится на два основных вида:

В ходе построения цепей питания энергия как раз и переходит из одной формы в другую. При этом происходят частичные ее потери. Ведь она расходуется на жизненные процессы каждого существа, рассеивается в виде тепла. Именно поэтому важно, чтобы солнечная энергия как первоисточник постоянно пополняла запасы любого сообщества.

Непосредственно в форме света от Солнца ее могут потреблять только такие организмы, как:

растения;
бактерии;
фотосинтезирующие одноклеточные.

После них вся энергия переходит в следующую форму - химические связи соединений. В данной форме ее потребляют гетеротрофные представители биосферы.

Круговорот воды

Мы уже обозначили, что самый важный и исторически сложившийся жизненный процесс - это круговорот веществ в природе. Вода является тем неорганическим соединением, значение которого особенно важно и масштабно. Поэтому то, как происходит ее циркуляция, рассмотрим в общих чертах.

Огромное количество воды сосредоточено на поверхности нашей планеты в водоемах разного рода. Это моря и океаны, болота, реки, озера, ручьи, искусственные сооружения. С их поверхности происходит постоянное испарение влаги, то есть вода в виде пара переходит в слои атмосферы.
Почва, как ее наружная, так и внутренняя часть, также содержит много влаги. Это подземные или грунтовые воды. С поверхности пар поступает в атмосферу, с внутренних слоев стекает в водоемы, а оттуда испаряется.
Конденсируясь в атмосфере, вода постепенно достигает максимума и начинает возвращаться на землю в виде осадков. Зимой это снег, летом - дождь.
Растения принимают активное участие в поглощении и транспирации воды, так как проносят через себя огромное ее количество.

Таким образом, круговорот воды и круговорот веществ в природе обеспечивают нормальное состояние любой экосистемы, а значит, и организмов.

Изучение круговорота веществ в начальной школе

Чтобы дети имели представление о том, какие циклические изменения происходят в природе, рассказывать им об этом следует еще с начальных ступеней обучения. Ребята должны иметь знания о том, что такое круговорот веществ. 3 класс - вполне подходящее для этого время. В этот период дети достаточно взрослые, чтобы полностью осознать и усвоить информацию подобного рода.

Во многих образовательных программах по окружающему миру представлена хорошая схема "Круговорот веществ. 3 класс". Она отражает основные типы преобразований воды, вещества, пищевые цепи, которые характерны для каждой экосистемы.

Примерная схема круговорота веществ для младших школьников может иметь вид: вода и минеральные вещества в растениях - органическое вещество в животных - вода и минеральные соли после отмирания растений и животных.

Каждый этап следует пояснить примерами и подробным описанием для формирования четкого представления о происходящих природных процессах.

Круговорот металлов.

Тяжелые металлы в небольших количествах постоянно существуют в естественной природной среде и являются важными элементами в развитии водных растений, планктона, рыбы и других водных организмов. Но в течение последнего столетия в результате технического прогресса баланс тяжелых металлов в окружающей среде был нарушен - и произошло глобальное загрязнение природы тяжелыми металлами. Наиболее распространены ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, медь и алюминий.

Наибольшую опасность представляют лабильные формы, которые характеризуются высокой биохимической активностью и накапливаются в биосредах. По чувствительности к ним животных и человека металлы можно расположить в следующий приблизительный ряд: Hg > Cu > Zn > Ni > Pb > Cd > Cr > Sn > Fe > Mn > Al.

Особенностью металлов как загрязнителей является то, что в отличие от органических загрязняющих веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь к перераспределению. Металлы-токсиканты в различных формах способны загрязнять все три области биосферы - воздух, воду и почву.

В водных средах тяжелые металлы присутствуют в трех формах: взвешенной, коллоидной и растворенной. Последняя представлена свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими и неорганическими лигандами (нейтральные молекулы, ионы или радикалы, связанные с центр. атомом комплексного соединения). Для неорганических соединений - это галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты и др.. Среди органических лигандов наиболее прочными являются комплексы гуминовых и фульвокислот (преимущественно низкомолекулярных), входящих в состав гумусовых веществ почвы и природных вод. Следует заметить, что значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии.

По опасности для здоровья человека тяжелые металлы делятся на следующие классы:

Круговорот металлов

Читайте также: