Роль гидросферы в самоорганизации биосферы

Введение

Вода - важнейшая составляющая всего живого на земле. Гидросфера - водная оболочка земли, совокупность океанов, морей, вод континентов, ледниковых покровов. Вода сыграла важнейшую роль в эволюции живых организмов.

До недавнего времени антропогенное воздействие на гидросферу было незначительным, и природа сама справлялась с восстановлением чистоты водных ресурсов. Однако в результате научно-технического прогресса это воздействие становится настолько губительным, что человечество стремится к «точке невозврата». Актуальность проблемы очевидна, изучение методов очистки воды - это очень важно для современности.

Объектом исследования является биосфера.

Предметом исследования является гидросфера как составная часть в эволюции биосферы.

Цель исследования: выявить роль гидросферы в самоорганизации биосферы и очищение водоемов.

Исходя из поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:

Познакомиться с понятием «самоорганизация биосферы»;

Рассмотреть подробно экологические функции гидросферы;

Познакомиться с понятием «круговорот воды»;

Рассмотреть способы самоочищения водоемов;

1. Самоорганизация биосферы

Самой крупной, глобальной экосистемой планеты является биосфера. Понятие биосфера было введено в 1875 году австрийским ученым-геологом Эдуардом Зюссом. Зюсс понимал под биосферой все пространство атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы. Но наибольшее развитие это понятие получило в трудах нашего соотечественника академика Владимира Ивановича.Вернадского, который, по сути дела, создал новую науку - теорию биосферы. Под биосферой он понимал все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности и, которое обладает антиэнтропийными свойствами. [6]

Антиэнтропийное свойство биосферы характеризует ее самоорганизацию и всех ее элементов.

Под самоорганизацией понимается необратимый процесс (обратный процесс невозможен или крайне маловероятен), приводящий в результате кооперативного (совместного) действия подсистем к образованию более сложных структур всей системы. Самоорганизация - элементарный процесс эволюции, состоящей в неограниченной последовательности процессов самоорганизации.

Основное, что отличает самоорганизацию от других процессов, например, от процессов роста, является качественное изменение состояния, в котором находится система, и это изменение происходит скачком. [1]

Гидросфера - водная оболочка земли, которая покрывает 71% нашей планеты, она является одной из важнейших составных частей биосферы и играет немаловажную роль в ее самоорганизации.

 

Вода выполняет четыре очень важных экологических функции:

является важнейшим минеральным сырьем, главным природным ресурсом потребления (человечество использует ее в тысячу раз большее, чем угля или нефти);

является основным механизмом осуществления взаимосвязей всех процессов в экосистемах (обмен веществ, тепла, рост биомассы);

является главным агентом-переносчиком глобальных биоэнергетических экологических циклов;

является основной составной частью всех живых организмов.

Для огромного количества живых организмов, в особенности на ранних этапах развития биосферы, вода была средой зарождения и развития.

Огромную роль сыграют воды в формировании поверхности Земли, ее ландшафтов, в развития экзогенных процессов (склоновых, карстовых), переносе химических веществ глубь Земли и на ее поверхности, транспортировании загрязнителей окружающей среды.

Водяной пар в атмосфере выполняет функцию мощного фильтра солнечной радиации, а на Земле - нейтрализатора экстремальных температур, регулятора климата. Основную массу воды на планете составляют соленые воды Мирового океана. Средняя соленость этих вод-35 % (то есть в І л океанической воды помещается 35 г солей). Самая соленая вода в Мертвом море-260 % в (в Черном- 18 %. Балтийском - 7%). Химический состав океанических вод, как считают специалисты, очень похожий на состав человеческой крови - в них помещаются почти все известные нам химические элементы, но, конечно, в разных пропорциях. Частица кислорода, водорода, хлора и натрия составляет 95,5 %.

Химический состав подземных вод очень разнообразный. В зависимости от состава вмещающих пород и глубины залегания они изменяются от гидрокарбонатно-кальциевых к сульфатных, сульфатно-натриевых и хлоридно-натриевым, за минерализацией от пресных к рассолу с концентрацией 600 %, часто с наличием газовой компоненты. Минеральные и термальные подземные воды имеют большое бальнеологическое значение, есть одним из рекреационных элементов природной среды.

Из газов, раскрытых в водах Мирового океана, наиболее важными для биоты является кислород и углекислый газ. Общая масса углекислого газа в океанических водах превышает его массу в атмосфере приблизительно в 60 раз. Следует отметить, что углекислый газ океанических вод потребляется растениями во время фотосинтеза. Часть его, которая вошла в кругооборот органического вещества, расходуется на построение известняковых скелетов кораллов, ракушек. После отмирания организмов углекислый газ возвращается у воды океана за счет растворения остатков скелетов, панцирей, ракушек. Частично он остается в карбонатных осадках на дне океанов. Большое значение для формирования климата и других экологических факторов имеет динамика огромной массы океанических вод, которые постоянно находятся в движении под влиянием неодинаковой интенсивности солнечного прогревания поверхности на разных широтах.

Океанические воды сыграют основную роль в кругообороте воды на планете. Подсчитано, что приблизительно за 2 млн лет вся вода на планете проходит через живые организмы, средняя продолжительность общего цикла обмена воды, привлеченной в биологический кругооборот, составляет 300-400 лет. Приблизительно 37 раз на год (то есть каждые десять дней) изменяется вся влага в атмосфере. [4]

. Круговорот воды

Основой самоподдержания жизни на Земле являются биогеохимические круговороты. Процессы созидания органического вещества, аккумулирующего энергию, и противоположные процессы его разложения с высвобождением этой энергии одинаково необходимы для существования жизни.

Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) - процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков.

Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше - положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.

Различают несколько видов круговоротов воды в природе:

Большой, или мировой, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная - очищается.

Малый, или океанический, круговорот - водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан.

Внутриконтинентальный круговорот - вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадает на сушу в виде атмосферных осадков. [2]

В ходе фотосинтеза растения используют водород воды в построении органических соединений, освобождая молекулярный кислород. В процессах дыхания всех живых существ, при окислении органических соединений вода образуется вновь. В истории жизни вся свободная вода гидросферы многократно прошла циклы разложения и новообразования в живом веществе планеты.

Благодаря транспирации в растении сохраняется непрерывный ток воды и солей, а листья не перегреваются на солнце. Вода испаряется в основном листьями. Клетки мезофилла листа постоянно выделяют в межклетники пары воды, которая затем уходит.

Величину транспирации измеряют в граммах воды, испаряемой за час с единицы массы листа. Еще важнее показатель, называемый транспирационным коэффициентом: это отношение массы воды, потребленной за весь жизненный цикл растения, к его сухой массе. Обратная величина, называемая продуктивностью транспирации, показывает, какое количество сухого вещества образуется в растении при расходе определенного количества воды. Этими показателями широко пользуются в селекционной и сельскохозяйственной практике при отборе засухоустойчивых форм или расчете поливов. Водные растения проблему транспирации решают "от противного": самое главное для них - найти и сохранить источник воздуха. Они поглощают воздух из воды, посылают на поверхность воды длинные стебли, подают его через устьица, расположенные не на нижней поверхности листа, как у большинства наземных растений, а на верхней. Этот воздух подается вниз в стебли и в корни по межклеточным каналам и служит источником углекислого газа для темновых реакций фотосинтеза.[3]

Транспирация растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80-90 % выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатическим поясам - около 30 %. В истории биосферы появление наземной растительности вызвало за счет транспирации перераспределение осадков над морем и сушей и тем самым косвенно повлияло на размеры речного стока и процессы физического и химического выветривания. [7]

4. Способы самоочищения водоемов

биосфера экологический самоочищение вода

Загрязнение водоемов приводит к изменению структуры сообществ, их видового и количественного состава. Интенсивные загрязнения сельскохозяйственными и бытовыми стоками приводят к зарастанию и заболачиванию водоемов, а промышленными - к нарушению и полной деградации биоценозов.

Водоемы обладают уникальным свойством - способностью к самоочищению. Это комплекс воздействия химических, физических и биологических факторов на экосистему водоема, в результате деятельности которых качество воды приходит к первоначальному (или близкому к нему) состоянию. Разумеется, это наблюдается при небольшой степени загрязнения водоемов.

К физическим факторам относятся такие процессы, как седиментация (осаждение) взвешенных веществ, ветровые перемешивания, течения, колебания температур и др. Химические процессы самоочищения - это окисление и распад органических веществ в водоеме, которые приводят к появлению в среде относительно простых соединений (аммиак, углекислота, нитраты, сульфаты, фосфаты, метан). Они в дальнейшем утилизируются различными микроорганизмами. Биологическое самоочищение водоемов осуществляется за счет жизнедеятельности растений, животных, грибов, бактерий и тесно связано с физико-химическими процессами.

Самоочищение водоемов осуществляется в анаэробных и аэробных условиях. Анаэробно (без участия кислорода) протекают процессы разрушения органических веществ, с преимущественным участием бактерий, грибов и простейших. В этом случае в процессе распада органического материала в среде накапливают промежуточные продукты (аммиак, сероводород, низкомолекулярные жирные кислоты и др.), которые при наличии кислорода окисляются далее.

В аэробных условиях разрушение органического субстрата осуществляется в присутствии кислорода до простых соединений, которые в дальнейшем вовлекаются в биотический круговорот. В этом процессе принимают участие практически всё население водоемов. Большую роль в процессах самоочищения загрязненных вод играют прибрежно-водные растения.

Прибрежно-водная растительность, выделяя при фотосинтезе кислород, оказывает благотворное влияние на кислородный режим прибрежной зоны водоема. Обитающие на поверхности растений бактерии и водоросли активно участвуют в очистке воды. В зарослях прибрежно-водных растений развивается фитофильная фауна, которая также принимает участие в самоочищении толщи воды и донных отложений; организмы бентоса (дна) утилизируют органическое вещество илов и обитающих там бактерий. Под влиянием этих процессов в воде повышается содержание растворенного кислорода, возрастает ее прозрачность и содержание биогенных веществ, снижается минерализация воды и количество промежуточных продуктов распада органического вещества.

В последние годы прибрежная растительность (макрофиты) стала успешно использоваться в практике очистки вод от биогенных элементов, фенолов, ароматических углеводородов, микроэлементов, нефти и нефтепродуктов, тяжелых металлов, различных минеральных солей из сточных вод, в обеззараживании животноводческих стоков от разных форм патогенных микроорганизмов.

Роль прибрежно-водных растений в самоочищении водоемов в общем виде можно свести к следующему:

Механическая очистительная функция, когда в зарослях растений задерживаются взвешенные и слаборастворимые органические вещества;

Минерализация и окислительная функция (разрушение и минерализация сложных органических соединений до простых и безвредных);

Детоксикация органических загрязнителей (поглощение из воды вредных веществ).

В результате аварий и утечек ежегодно теряются значительные количества нефти. Существенная часть ее в конечном счете оказывается в водоемах.

Разрушение нефти и нефтепродуктов осуществляется в основном за счет жизнедеятельности нефтеокисляющих и сапрофитных бактерий. Процесс разрушения нефти происходит сразу же после ее поступления в водоем; количество микроорганизмов резко увеличивается, достигая своего максимума на 3-4 день. Микробиологические процессы приводят к разрушению нефтяной пленки и нефти в толще воды, уменьшению концентрации в воде кислорода и, наоборот, - к увеличению содержания углекислоты. По мере уменьшения количества нефти численность бактерий постепенно снижается.

В процессе разрушения нефти часть окисленных соединений включается в метаболизм бактерий и растений, а оставшаяся - перерабатывается с образованием нетоксичных и малотоксичных соединений. Так что, разложение нефти - результат совместной деятельности гетеротрофных микроорганизмов и прибрежно-водных растений. Первые выступают, как основные деструкторы и минерализаторы загрязняющих веществ, а вторые - как поглотители и потребители окисленных соединений.[5]

Заключение

Пока водоемы нашей планеты еще могут бороться с различными загрязнениями, благодаря различным природным факторам. Однако, антропогенное воздействие на них становится с каждым днем все сильнее и природа уже не справляется. Поэтому мировые сообщества всерьез задумываются о самостоятельной очистке вод от различных промышленных загрязнителей. Для этого строятся специальные очистные сооружения, а так же используются различные технологии очистки воды (дезодорация, отстаивание и т.д.), а так же практикуется безотходное производство.