Часть 2. Биогенный круговорот веществ биосфере

Цель занятия: закрепить теоретический материал построения схем пути гипотетического атома, используя предлагаемые блочные модели возможных переходов из одного состояния в другое. Переход конкретного атом носит случайный (вероятностный) характер.

Вопросы:

1. Назовите основные биогеохимические циклы биосферы.

2. Кто сильнее изменяет среду продуктами своей жизнедеятельности – крупное млекопитающее или такое же о весу количество бактерий?

Задания 9 и 10 выполняются по вариантам в аудитории по заданию преподавателя.

Задание №9. КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В БИОСФЕРЕ.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Необходимо ознакомиться с блочной моделью круговорота данного атома (углерода, азота) (рис.1) и текстом, поясняющим отдельные позиции.

Для выполнения работы необходимо иметь одну монету и фишку (или другой мелкий предмет). Вначале фишку устанавливают в позицию 1 блоч­ной модели. Для передвижения фишки необходимо подбросить (один раз или дважды) монету и в соответствии с выпавшим результатом передвинуть фишку на следующую позицию (смотрите пояснения к позициям). Перемеще­ние фишки не соответствует порядку номеров позиций, а происходит случай­но, в зависимости от того как упадут монеты.

При возвращении фишки (конкретного атома) в позицию 1 цикл атома завершается. Каждый студент должен записывать свой путь фишки в каждом конкретном цикле. В течение работы необходимо пройти не менее 5 круго­воротов конкретного атома. Каждый круговорот подробно описывают. Полученные результаты записать в тетрадь.

1.2. ПОЯСНЕНИЯ К ПОЗИЦИЯМ БЛОЧНОЙ МОДЕЛИ «КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА»

ПОЗИЦИИ:

1.Атом углерода входит в состав молекулы углекислого газа (СО₂) в атмосфере. Результат подбрасывания монеты (О - орел; Р - решка). ОО- атом углерода не поглощен растением и остается в атмосфере. Необходимо повторить подбрасывание монеты, ОР или РР - атом углерода поглощен листом растения, переход в позицию 2.

2. Молекула углекислого газа с атомом углерода находится в листе растения: ОО - нет солнечного света (нет энергии), фотосинтез не происхо­дит, молекула СО₂ с атомом углерода возвращается в атмосферу в позицию 1; ОР или РР - происходит фотосинтез, атом углерода включен в молекулу са­хара: С_бН₁₂О_б. Переход в позицию 3.

3. Атом углерода входит в молекулу сахара растения: ОО - молекула сахара окисляется в процессе клеточного дыхания, обеспечивающего расте­ние энергией для роста, атом углерода в составе СО₂ возвращается в атмо­сферу - позиции 1; ОР или РР - молекула сахара превращается в молекулу, входящую в состав ткани растения - позиция 4.

4. Атом углерода включен в молекулу растительной ткани: ОО - расте­ние съедено первичным консументом (животным-фитофагом) - переход в позицию 5; ОР или РР - часть растения отмирает, образуется детрит (мертвое органическое вещество) - переход в позицию 6.

5.Ткань растения с атомом углерода съедена первичным консументом: ОО- травоядное млекопитающее, позиция 8а; ОР - птица, позиция 86; РО -насекомое позиция 8в; РР - человек, позиция 9.

6.Атом углерода находится в составе детрита ОО.или ОР - детрит по­глощен детритофагом или редуцентом, позиция 10; РР - пожар, позиция 7.

7. Молекула с атомом углерода окисляется в результате пожара, угле­род соединяется с кислородом и в виде СО₂ поступает в атмосферу - позиция 1 (цикл завершен).

8а,б,в - ткань растения с атомом углерода съедена первичным консу­ментом: ОО молекула с атомом углерода метаболизировалась (т.е. приняла участие в процессе обмена веществ, происходящего в организме консумента); атом углерода вошел в состав молекулы ткани организма консумента, пози­ция 11 б; ОР - клеточное дыхание, позиция 12; РР - молекула углерода не пе­реварена и, пройдя через желудочно-кишечный тракт, в виде отходов вышла наружу, позиция 6.

9.Ткань растения с атомом углерода съедена человеком ИДЦ- молекула с атомом углерода метаболизировалась, и он вошел в состав ткани орга­низма человека, позиция 11а; ОР - клеточное дыхание, позиция 12; РР - мо­лекула с атомом углерода не участвовала в метаболизме и, пройдя кишечно-желудочный тракт, выходит наружу, позиция 6.

10. Молекула с атомом углерода съедена первичным детритофагом или редуцентом ОО- дождевой червь, позиция 156; ОР - гриб, позиция 15в; РО бактерия, позиция 15а; РР - личинка насекомого, позиция 15г.

11а. Атом углерода входит в состав ткани организма человека (монету подбрасываем один раз): О - соединение подверглось расщеплению и метаболизировано в процессе клеточного дыхания, позиция 12; Р - человек уми­рает и его тело кремируют, позиция 7.

11б. Атом углерода входит в состав ткани организма первичного кон­сумента (фитофага): ОО- соединение подверглось расщеплению и метаболизированию в процессе клеточного Дыхания, позиция 12; ОР - первичный консумент съеден вторичным консументом, позиция 13; РР - первичный консумент погибает от ранения, болезни, старости, позиция 6.

11 в. Атом углерода вход ит в состав ткани вторичного консумента (плотоядного животного): ОО- вещество подверглось расщеплению и метаболизированию в процессе клеточного дыхания, позиция 12; ОР - вторичный консумент съеден консументом третьего порядка, позиция 14; РР - вторич­ный консумент погиб от ранения, болезни, старости, позиция 6.

11г. Атом углерода входит в состав ткани организма консумента 3 по­рядка: ОО~ вещество подверглось расщеплению и метаболизированию в процессе клеточного дыхания, позиция 12; ОР - консумент 3 порядка съеден консументом 4 порядка, позиция 14; РР - консумент 3 порядка погиб, пози­ция 6.

12. Молекула, содержащая атом углерода, расщепляется а процессе клеточного дыхания с высвобождением энергии, необходимой для жизнедея­тельности и движения организма, при этом атом углерода соединяется с ато­мом кислорода и в составе СО₂ поступает в атмосферу, позиция 1 (цикл за­вершен).

13. Молекула, содержащая атом углерода, съедена вторичным консументом:ОО- молекула с атомом углерода метаболизировалась с образова­нием соединения, входящего в состав ткани организма консумента, позиция 11в; ОР - клеточное дыхание, позиция 12; РР - молекула с атомом углерода не переварена и, пройдя через желудочно- кишечный тракт, вышла наружу, позиция 6.

14.Молекула с атомом углерода съедена консументом 3 или 4 порядка: молекула с атомом углерода метаболизирована с образованием соеди­нения, входящего в состав ткани организма консумента, позиция 11 г; ОР -клеточное дыхание, позиция 12; РР - молекула с атомом углерода не перева­рена и пройдя желудочно- кишечный тракт вышла наружу, позиция 6.

15а. Молекула с атомом углерода поглощена бактерией (подбросить монету 1 раз): О - молекула с атомом углерода включена в состав клетки бактерии, позиция 16; Р - молекула расщепляется и метаболизируется в про­цессе клеточного дыхания, позиция 12.

156. Молекула с атомом углерода съедена дождевым червем: ОО мо­лекула включена в состав тела червя, позиция 17; ОР - клеточное дыхание, позиция 12; РР - молекула не переварена и пройдя желудочно-кишечный тракт вышла наружу, позиция 6.

15в. Молекула с атомом углерода поглощена грибом (монету подбра­сываем 1 раз): О - молекула включена в состав гриба, позиция 18; Р - клеточ­ное дыхание, позиция 12.

15г. Молекула с атомом углерода съедена личинкой насекомого: ОО. -молекула включена в состав тела личинки насекомого, позиция 19; ОР - кле­точное дыхание, позиция 12; РР - молекула не переварена и выходит наружу, позиция 6.

16. Атом углерода входит в состав клетки бактерии: ОО - клеточное дыхание, позиция 12; ОР - бактерия съедена дождевым червем, позиция 156; РР - бактерия погибла, позиция 6.

17. Атом углерода входит в состав тела дождевого червя ОО- клеточ­ное дыхание, позиция 12; ОР - дождевого червя съела птица, позиция 86; РР -дождевой червь погиб, позиция 6.

18. Атом углерода входит в состав гриба: ОО- клеточное дыхание, по­зиция 12; ОР - гриб съеден личинкой насекомого, позиция 15г; РР - гриб по­гиб, позиция 6.

19. Атом углерода входит в состав организма личинки насекомого:- клеточное дыхание, позиция 12; ОР - личинка насекомого съедена консу­ментом 3 или 4 порядка, позиция 14; РР - личинка насекомого погибла, по­зиция 6.

Рис. Блочная схема цикла углерода.

Задание №10. КРУГОВОРОТ АЗОТА В БИОСФЕРЕ. ПОЯСНЕНИЯ К БЛОЧНОЙ МОДЕЛИ «КРУГОВОРОТ АЗОТА»

Необходимо ознакомиться с блочной моделью круговорота данного атома (углерода, азота) (рис.1) и текстом, поясняющим отдельные позиции.

Для выполнения работы необходимо иметь одну монету и фишку (или другой мелкий предмет). Вначале фишку устанавливают в позицию 1 блоч­ной модели. Для передвижения фишки необходимо подбросить (один раз или дважды) монету и в соответствии с выпавшим результатом передвинуть фишку на следующую позицию (смотрите пояснения к позициям). Перемеще­ние фишки не соответствует порядку номеров позиций, а происходит случай­но, в зависимости от того как упадут монеты.

При возвращении фишки (конкретного атома) в позицию 1 цикл атома завершается. Каждый студент должен записывать свой путь фишки в каждом конкретном цикле. В течение работы необходимо пройти не менее 5 круго­воротов конкретного атома. Каждый круговорот подробно описывают. Полученные результаты записать в тетрадь.

Необходимо помнить: несмотря на то, что в составе воздуха содержит­ся 78% (об.) азота, непосредственно ассимилировать его высшие организмы -продуценты не могут. В то же время азот входит в состав жизненно важных структур организма - аминокислот белка, а также нуклеиновых кислот. Хи­мические превращения азота с образованием веществ, которые могут асси­милировать растения возможны в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, в частности свободноживущих бактерий: азотобактер, нитрозомонас, нитробактер. Значительные количества свободного азота связывают «клубеньковые» бактерии, колонии которых образуют ха­рактерные наросты на корнях растений семейства бобовых: клевера, люцер­ны, люпина, гороха, фасоли и других. Мощные электрические разряды мол­нии в теплой и очень влажной атмосфере также являются природным источ­ником связанного азота.

Круговорот азота в настоящее время подвергся сильному воздействию со стороны человека. С одной стороны, массовое производство азотных удобрений и их использование приводит к избыточному накоплению нитра­тов. Азот, поступающий на поле в виде удобрений, теряется из-за отчужде­ния урожая, выщелачивания и денитрификации. С другой стороны, при сни­жении скорости превращения аммиака в нитраты аммонийные удобрения накапливаются в почве. Возможно подавление деятельности микроорганиз­мов в результате загрязнения почвы отходами промышленности. Практиче­ски повсеместно в городах оксиды азота поступают в атмосферу при сжига­нии топлива на теплоэлектростанциях и на транспорте. Оксиды азота явля­ются токсичными веществами.

При естественных процессах оксиды азота появляются в атмосфере в малых количествах в качестве промежуточных продуктов, но в городах и промышленных районах их концентрации становятся опасными. Они пагуб­но воздействуют на органы дыхания. Под действием ультрафиолетового из­лучения возникают реакции между оксидами азота и углеводородами с обра­зованием высокотоксичных и канцерогенных соединений.

Данное практическое занятие посвящено анализу путей фиксации азота в результате естественных процессов неантропогенного характера. Полученные результаты записать в тетрадь.

ПОЗИЦИИ:

1. Атом азота входит в состав молекулы атмосферного газа азота: N₂. Результат подбрасывания монеты (О - орел, Р - решка). ОО - атом азота остается в атмосфере, повторить подбрасывание монеты. ОР - атом азота окислен и вошел в состав оксида азота NО₂ (результат грозовых разрядов) -

позиция 2. Далее переход в позицию 7 - вследствие диффузии и диссоциации, в почве образовалась неорганическая соль - нитрит металла или аммония: Ме NH₃ или NH4 NОз- РР - атом азота посредством бактерии «азото­бактер» вошел в состав иона аммония NH₄⁺ - позиция 3.

3. О – переход в позицию 4; в результате жизнедеятельности нитрифицирующей бактерии атом азота вошел в состав иона N0₂-, далее переход в позицию 5, в результате жизнедеятельности нитрофицирующей бактерии атом азота вошел в состав иона: NO₃-; далее пере­ход в позицию 9. Р - переход в позицию 9: атом азота вошел в состав расте­ния (из позиции 3).

6. ОО - растение погибло, атом азота перешел в детрит, позиция 9; ОР или РО - растение (часть растения) съедено первичным консументом, пози­ция 10; РР-растение сгорело при пожаре, позиция 18.

7. ОО - атом азота в составе аниона: NO₃~ и в составе подземных вод поступил в глубинные слои литосферы, позиция 8; ОР или РО - атом азота вошел в состав растения, позиция 6; РР - атом поглощен денитрофицирующей бактерией, позиция 17.

8.ОО - извержение породы вследствие вулканической деятельности, атом азота в составе молекулы N₂ поступил в атмосферу, переход в позицию 1 - круговорот завершен: РР - атом азота в составе аниона NO₃~ поглощен денитрофицирующей бактерией позиция 17; ОР или РО - атом азота в соста­ве аниона NO₃- поступил в почву, позиция 17.

9. Монету подбрасывать один_раз: О - атом азота поглощен «азобактер» и вошел в состав иона аммония NH₄⁺ далее переход: позиция 4 - позиция 5 - позиция 6; Р - атом азота поглощен денитрофицирующей бактерией, по­зиция 17.

10. ОО - первичный консумент сгорел при пожаре, позиция 18; ОР -первичный консумент погиб, атом азота вошел в состав детрита, позиция 9; РО - первичный консумент съеден насекомым, атом азота вошел в состав белка насекомого; РР - дополнительно подбросить монету один раз: О - пер­вичный консумент съеден птицей, атом вошел в состав белка птицы, позиция 12; Р - первичный консумент съеден млекопитающим, атом азота вошел в со­став белка мелкого млекопитающего, позиция 13.

11. ОО - насекомое сгорело в огне пожара, позиция 18; ОР - или РО -насекомое погибло, атом азота перешел в детрит, позиция 9; РР - насекомое съедено консументом 3 или 4 порядка, атом азота вошел в состав белка консумента 3 или 4 порядка, позиция 14.

12. ОО - птица съедена консументом 3 или 4 порядка, атом азота вошел в состав белка консумента 3 или 4 порядка, позиция 14; ОР или РО - птица погибла, атом азота вошел в детрит, позиция 6; РР - молекула (ион) с атомом азота, пройдя желудочно-кишечный тракт, вышла наружу, позиция 15, далее преобразование в ион аммония NH4⁺, позиция 16.

13. ОО - мелкое млекопитающее съедено консументом 3 или 4 порядка, атом азота вошел в состав белка консумента 3 или 4 порядка, позиция 14; ОР или РО - молекула (ион) с атомом азота, пройдя желудочно-кишечный тракт, вышла наружу, позиция 15, далее преобразование в ион аммония NH₄⁺; РР -млекопитающее погибло, атом азота вошел в детрит, позиция 9.

14. Молекула (ион) с атомом азота, пройдя желудочно-кишечный тракт, вышла наружу.

15. Далее преобразование в ион аммония: NH₄⁺; Р - консумент 3 или 4 порядка погиб, атом азота пошел в детрит, позиция 9.

16. О - атом азота поглощен нитрифицирующей бактерией, образован анион: NH₂~, позиция 4; далее преобразование в анион: NH₃~, позиция 5 и переход в позицию 6; Р - атом азота вошел в состав растения, позиция 6.

17 и 18. Монету не подбрасывают, один вариант перехода - поступле­ние азота в составе молекулы N₂ в атмосферу, позиция 1 - завершение цикла круговорота азота.

Пояснения к рисунку

1 - азот: N₂ - газ атмосферы;

2 - молекула оксида азота: NO2;

3 - азотофиксирующая бактерия («азотобактер»);

4 - нитритная бактерия;

5 - нитратная бактерия;

6 - растение;

7 - неорганическая соль (нитрат) в почве;

8 - глубинные слои литосферы;

9 - детрит (мертвое органическое вещество); 10-гусеница;

11 - насекомое (жужелица);

12 - птица (синица);

13 - мелкое млекопитающее (крот);

14 - консумент 3 или 4 порядка;

15 - выделения в их составе аммиак (NH₃) и мочевина (H₂N-C-NH₂) 16 - ион аммония (NH₄⁺);

17 - денитрофицирующая бактерия;

18-пожар.

Рис. Блочная модель цикла углерода.

Тесты: Круговорот веществ в биосфере

1. Атмосферный азот включается в круговорот веществ благодаря деятельности:1) хемосинтезирующих бактерий;

2) денитрифицирующих бактерий;

3) азотфиксирующих бактерий;

4) нитратных бактерий.

2. Сера в виде сероводорода поступает в атмосферу бла­годаря деятельности:

1) денитрифицирующих бактерий;

2) сульфобактерий;

3) метилотрофных бактерий;

4) серобактерий.

3. Азот попадает в растения в процессе круговорота ве­ществ в форме:

1) оксида азота; 3) нитратов;

2) аммиака; 4) азотной кислоты.

4. Определите, какому циклу (круговороту азота, серы) соответствует каждый признак (1—6). Установите соответст­вие между круговоротом веществ и их признаками:

ПРИЗНАКИ	КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ
1) содержание этого вещества в атмо­сфере составляет более 70%	А — цикл азота
2) растения из почвы поглощают суль­фатные соединения	Б — цикл серы
3) в водной среде это вещество фикси­руется цианобактериями
4) попадает в почву в результате разло­жения медного колчедана
5) основными антропогенными постав­щиками элемента в круговорот ве­ществ служат теплоэнергетические установки
6) фиксатором атмосферного элемента являются клубеньковые бактерии бобовых растений

5. Углерод поступает в круговорот веществ в биосфере в составе:

1) углекислого газа; 3) известняка;

2) свободного углерода; 4) угля.

6. Углерод выходит из круговорота веществ (образуя осадочные породы) в составе:

1) сульфата кальция; 3) нитрата кальция;

2) карбоната кальция; 4) сульфида кальция.

7. Полный круговорот кислорода в природе продолжает­ся около:

1) 300 лет; 2) 2000 лет; 3) 1 млн лет; 4) 100 млн лет.

8. Полный круговорот воды в природе длится около: 1) 300 лет; 2) 2000 лет; 3) 1 млн лет; 4) 100 млн лет.

Ответы 13,2 ², 3 ³ ,4 ^{А,Б,А,Б,Б,А} 5 ¹,6 ² ,7 ² ,8 ³ .

ЛИТЕРАТУРА:

1. Вернадский В.И. Биосфера (избранные труды по биогеохимии).

2. Коробкин В.И., Передельский Л.В., Экология, Р-на-Д.,2000.

3. Реймерс Н.Ф., Природопользование (словарь-справочник), М., 1990.

4. Н.И.Николайкин, Н.Е.Николайкина Экология.