Текст печатается в авторской редакции

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

Кафедра охраны труда и окружающей среды

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

___________О.Г. Локтионова

«__» _____________2013 г.

Круговорот углерода

Методические указания к проведению практических занятий

по дисциплинам «Общая экология», «Экология»,

«Экология Курского края» для студентов

всех специальностей и нaпрaвлений

Курск 2013

УДК 504

Составители: В.В. Юшин, В.М. Попов, О.И. Белякова.

Рецензент

Кандидат химических наук, доцент В.В. Протасов

Круговорот углерода: методические указания к проведению практических занятий по дисциплинам «Общая экология», «Экология», «Экология Курского края» / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.: В.В. Юшин, В.М. Попов, О.И. Белякова. Курск, 2013. 15 с.: ил. 3. Библиогр.: 4.

Излагаются сущность круговорота углерода, влияние на него деятельности человека.

Предназначены для студентов всех специальностей и направлений очной и заочной формы обучения, изучающих дисциплины «Общая экология», «Экология», «Информационная экология», «Экология Курского края».

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать Формат 60х84 1/16.

Усл. печ. л.. Уч.-изд.л.. Тираж 50 экз. Заказ. Бесплатно.

Юго-Западный государственный университет.

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Цель занятия:

- изучить круговорот углерода;

- проследить различные пути гипотетического атома углерода из атмосферы через различные организмы и обратно в атмосферу.

Общие положения

В настоящее время биогенные элементы земной коры охвачены глобальными и локальными круговоротами, причем движущей силой являются сами живые организмы. Наиболее значимыми для функционирования биосферы являются круговороты углерода, кислорода, азота, серы, фосфора.

В биологическом круговороте углерода участвуют только органические соединения и диоксид углерода.

Фонды углерода в биосфере обширны. Основная его масса аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3 10¹⁶ т), в кристаллических породах (1 10¹⁶ т), каменном угле и нефти (0,34 10¹⁶ т). В атмосфере углекислого газа сравнительно немного (1,3 10¹² т), менее 1/10000 общего запаса углерода. Аккумулированный углерод принимает участие в геологическом круговороте Земли. Влияние этого круговорота на краткосрочное функционирование экосистемы незначительно. Поэтому жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшим количеством углерода, участвующего в малом круговороте. Фотосинтез и дыхание полностью комплементарны. Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в диоксид углерода (рис.1).

Биологический круговорот углерода протекает по схеме: биоассимиляции углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями ® потребление органических соединений животными®окисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходов®возврат углекислого газа в атмосферу. Если принять за 100 % углерод, ассимилированный растениями в ходе фотосинтеза, то примерно 30 % возвращается в фонд атмосферного углекислого газа в результате дыхания растений, а остальные 70 % обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в растительноядных и детритных пищевых цепях. В на-

Рис.1. Круговорот углерода

земных экосистемах в круговорот вовлекается ежегодно 12 % содержащегося в атмосфере углекислого газа. Поэтому углерод сравнительно быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Время переноса атмосферного углерода равно примерно восьми годам. В связи с этим система круговорота атмосферного углерода очень чувствительна к внешним воздействиям.

На рис.2 показаны некоторые другие звенья круговорота углерода, учитывающие геологический круговорот. Например, некоторая часть планетарного углерода на длительные периоды связывается в форме ископаемых видов топлива – каменного и бурого угля, нефти, природного газа, торфа, битумных песков и сланцев, - процесс образования которых в литосфере длился миллионы лет. В таком виде углерод остается «связанным» до тех пор, пока не будет снова введен в атмосферу в форме углекислого газа, что происходит при добыче и сжигании минерального топлива.

В водных экосистемах углерод и кислород, соединяясь с кальцием, образуют нерастворимый карбонат кальция, из которого состоят раковины моллюсков и минералы. Когда моллюски умирают, они опускаются на дно, и их раковины погружаются в слой донных осадков.

Рис.2. Диаграмма других частей углеродного цикла, включающая последствия антропогенной деятельности.

Возврат углерода из осадочных отложений в активный круговорот происходит чрезвычайно медленно на протяжении миллионов лет, путем растворения этих отложений в океанической воде и образования растворенного углекислого газа, который впоследствии может попадать в атмосферу. Расплавление горных пород в ходе длительных геологических процессов и при вулканических извержениях также приводит к выбросу углекислого газа в воздух и в воду. Кроме того, вертикальные движения земной коры могут поднимать блоки осадочных пород выше уровня моря, что приводит к образованию островов и целых материков, а также подвергает обнажившиеся карбонатные породы активным химическим реакциям с выделением углекислого газа.

Другой важной частью круговорота углерода (не показанной на рис.2) является анаэробное дыхание, происходящее без доступа кислорода. В ходе этого процесса различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в газообразный метан. Такой тип дыхания встречается в основном в болотных экосистемах. Он может также наблюдаться на свалках, где происходит захоронение промышленных и бытовых отходов.

С середины ХХ в. ускорился процесс вмешательства человека в круговорот углерода:

- сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать СО₂. Кроме того, дополнительные количества углекислого газа поступают в атмосферу при разложении порубочных остатков на лесосеках и при взаимодействии атмосферного кислорода с корнями и органикой из нарушенного почвенного покрова;

- сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу.

Содержание в атмосфере СО₂ значительно увеличилось и продолжает расти. Такое положение вызывает серьезную озабоченность, так как нарушается сложившееся в природе энергетическое равновесие. СО₂ является парниковым газом (способным поглощать инфракрасное излучение), в связи с чем, увеличение его содержания в атмосфере приводит к появлению проблемы “глобального потепления”. Ученые предсказывают, что этот углекислый газ вместе с другими летучими техногенными выбросами может в ближайшее десятилетия вызвать потепление земной атмосферы и тем самым нарушить процесс производства продуктов питания.

Задание

Проследить путь атома углерода в ходе круговорота.

Порядок проведения работы.

1. Изучить схему на рис.3, на которой представлены элементы экосистемы, в которые может попадать атом углерода в ходе круговорота, и инструкцию к ней.

2. Провести первый цикл углерода. Принять, что атом углерода входит в состав молекулы СО₂ в атмосфере. По очереди, подбрасывая монеты, продвигать атом углерода в соответствии с тем, что выпадет, на позиции, указанные в приводимой инструкции. При этом отмечать позицию и что означает каждая позиция. Перемещение атомов не соответствует порядку номеров, а происходит случайно в зависимости от того, как упадут монеты. Когда атом возвратится в атмосферу, цикл углерода завершён.

Пример цикла:

Атом С в сос- ОР Атом С в лис- РР Атом С в мо-

таве СО₂ поглощение те растения фотосинтез лекуле сахара

ОР Атом С в сос- РР Атом С в РР Атом С в сос-

поглощение таве ткани отмирание детрите окисление таве СО₂

3. Аналогично провести еще четыре цикла.

4. Сделать вывод в каком цикле атом углерода:

а) «посетил» максимум различных организмов;

б) прошёл самый длинный цикл;

в) больше всего времени провёл в атмосфере.

5. Подумайте об одном из атомов углерода, входящих в состав Вашего тела. Каким образом он попал в Ваш организм? Где был до этого? Какова его гипотетическая история за последний миллиард лет? Где окажется этот атом в дальнейшем? Опишите его гипотетическое будущее в течение ближайших нескольких тысяч лет.

Рис.3. Цикл углерода

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: