Экология, методичка к РГР

ОН	ОН
|	|

R―O―P―O―P―OH,

||||

O O

где R – радикал аденозина С10Н12N5О3.

В живой клетке образуется энергоноситель – аденозинтрифосфат (АТФ):

N

NH2

N

OH

OH

OH

N

N

CH2

O

HO

P

O

P

O

P

O

H

H

H

H

OH

OH

O

O

O

Переход

аденозиндифосфата

(АДФ)

в

аденозинтрифосфат

(АТФ) отражает уравнение:

АДФ + Н3РО4

+ Е

живые клетки

АТФ + Н2О.

Синтез идет с утратой части энергии АТФ:

АТФ + Н2О + СО2 → АДФ + сахар + О2.

Образование природных залежей фосфоритов происходит в результате разложения на дне океана отмерших морских организмов:

3(NH4)2CO3 + Ca3(PO4)2 = 3CaCO3 + 2(NH4)3PO4.

Фосфат аммония, реагируя с известковыми раковинами и скелетными частями детрита, образует фосфорит:

2(NH4)3PO4 + 3CaCO3 = Ca3(PO4)2 + 3(NH4)2CO3.

детрит

40

5. Антропогенный фактор. Значительная роль как в концентрировании, так и в рассеивании содержащих фосфор веществ принадлежит человеку, который воздействует на самые различные стадии круговорота фосфора, начиная от реакции его получения:

3Са3(РО4)2 + 6SiО2 + 10С = Р4 + 6СаSiО3 + 10СО и процессов горения

10NO + 4P = 5N2 + 2P2O5.

Важное соединение фосфониевого ряда, используемое для пропитки огнезащитных тканей, получается по реакции:

РН3 + 4НСНО = НСl (гидр.) → [P(CH2OH)4] + Cl .

Производные трифенилфосфина применяют в синтезе олефинов по реакции Виттинга:

[(C6H5)3PCH3] Br	H-C4H9Li	(C6H5)3P=CH2;

	циклогексанон			O
(C6H5)3P=CH2				CH2P+(C6H5)3

Цвиттерионные соединения

CH2

+ (C6H5)3PO .

Оксид трифенилфосфина

Другой важный компонент антропогенного воздействия на круговорот фосфора – производство и применение удобрений. Рассмотрим процессы при производстве простого суперфосфата:

2Са5F(PO4)3 + 7H2SO4 + 6,5H2O → 3[Ca(H2PO4)2∙H2O] + + 7[CaSO4∙0,5H2O] + 2HF;

H = –227,4 кДж.

Реакция идет в две стадии. В первой стадии 70 % апатита реагирует с серной кислотой:

Са5F(PO4)3 + 5H2SO4 + 2,5H2O → 5[CaSO4∙0,5H2O] +

+ 3Н3РО4 + НF.

Во второй стадии реагируют оставшиеся 30 %:

Са5F(PO4)3 + 7Н3РО4 + 5Н2О → 5[Ca(H2PO4)2∙H2O] + HF.

41

Прогрессивным методом в переработке фосфатного сырья является азотнокислое разложение:

Са5F(PO4)3 + 10HNO3 → 3H3PO4 + 5Ca(NO3)2 + HF.

Полученную азотнокислотную вытяжку обрабатывают аммиаком, сульфатом или хлоридом калия и получают тройное NРК-удобрение

– нитроаммофоску.

В машино- и приборостроении широко применяются процессы получения приработочного слоя за счет фосфатирования, химического и электролитического восстановления сплавов фосфора с кобальтом, обладающих ценными магнитными свойствами.

6. Задачи перед человеком, связанные с круговоротом фосфора. В целом, за счет антропогенного фактора континентальный цикл

фосфора во многом нарушен, большей частью из-за вырубки лесов, использования удобрений, морских промыслов. Особо опасно нефтяное загрязнение вод мирового океана, которое уменьшает его биологическую продуктивность и снижает уровень гидробиохимического круговорота фосфора. 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 мл. «… фосфор слишком драгоценен, чтобы отдавать его на съедение сине-зеленым водорослям». Важная проблема, стоящая перед человеком, – корректировка ресурсного цикла с тем, чтобы поддерживать естественный круговорот фосфора.

Пример 6.2. Рассчитайте долю данных по вопросу: «Техногенные факторы» в общем круговороте азота в биосфере (табл. П.3-11), дайте характеристику их роли в этом процессе.

Решение

Техногенные факторы представлены в цикле азота в биосфере (табл. П.3-11) следующими процессами:

- техногенная аккумуляция:

а) при сжигании топлива 22,8 млн т/год;

42

б) при производстве удобрений 41,8 млн т/год; - антропогенные выбросы 15 млн т/год.

Общие запасы азота составляют: в атмосфере (38-40)∙105 Гт (примем среднее значение 39∙105 Гт или 39∙1014 т); в почве 280 Гт (280∙109 т); в фотическом слое океана 2800 Гт (2800∙109 т); в глубинных слоях океана 36400 Гт или 36400∙109 т.

Всего: 109(3900000 + 280 + 2800 + 36400) = 3,93948∙1015 т.

Рассчитаем поступление азота в круговорот в связанном виде и вывод из круговорота в виде N2. В расчете потоков не учитываем атмосферную фиксацию, обмены, стоки.

Поступление азота в круговорот, млн т/год:

-производство удобрений 41,8;

-биофиксация на суше 20,3; в океане 10; атмосфере 40;

-лизис детрита в океане в фотическом слое 5, глубоком 7,8;

-антропогенные выбросы 15.

Всего: 139,9 млн т/год.

Вывод азота из круговорота в виде N2, млн т/год:

-сжигание топлива 22,8;

-разложение организмов 42,2;

-жизнедеятельность организмов в океане 0,3, на суше 0,1;

-денитрификация на суше 4,0, в океане 3,6;

-выпадение в осадки 0,5.

Всего: 167,7 млн т/год.

Превышение расхода азота над поступлением:

167,7 – 139,9 = 27,8 млн т/год.

Поскольку запасы азота велики (3, 93948∙1015 т), то эта убыль не катастрофична, хотя и ведет к их расходу.

Техногенные факторы:

Поступление в круговорот, млн т/год – производство удобрений 41,8; антропогенные выбросы 15.

Пример выбросов – синтез аммиака:

N2 (г) + 3Н2 (г)	синтез	2NH3	(г).

43

Всего: 56,8 млн т/год или общего поступления азота в цикл:

139,956,8 100 % 40,6 %.

Вывод из круговорота – сжигание топлива, 22,8 млн т/год. Потери азота в цикле вызываются сгоранием топлива, например, фурана в жидкостном реактивном двигателе:

С4Н4О + 3,6 HNO3 = 4СО2 + 3,8Н2О + 1,8N2,

широким применением взрывчатых веществ, в частности амматола:

С7Н113,4N57,2O87,3Al4,7 → 7CO2+ 56,7H2O + 28,6N2 + 2,35Al2O3 + 4,77O2.

Доля техногенных потерь в общих потерях:

167,722,8 100 % 13,6 %.

Но эта доля существенно выше в величине превышения расхода азота над поступлением:

27,822,8 100 % 82,0 %.

Вывод: Техногенное влияние на цикл азота в биосфере: ввод в

круговорот 40,6 %; вывод 11,1 %. Вывод из круговорота в целом превышает поступление на 27,8 млн т и доля техногенной составляющей в нем 82,0 %. Поэтому, хотя запасы азота в биосфере велики (3, 93948∙1015 т), их убыль нежелательна, так как ведет к нарушению природных циклов, поэтому желательно вводить альтернативные источники энергии, уменьшив сжигание топлива.

Задача 6.1. Для заданной схемы круговорота дайте ответы на вопросы 1–3 или 4–6, согласно задания:

1.Значение данного процесса для биосферы.

2.Движущая сила круговорота.

3.Опишите основные переходы в круговороте.

4. Объясните механизм физико-химических или биохимических превращений.

5.Антропогенный фактор.

6.Задачи перед человеком, связанные с рассматриваемым процессом.

44

Вариант	Изучаемый	№ схемы	Номера вопросов
	круговорот	по рис.П. 1–16	для ответа
1	N2	1	1–3
2	N2	1	4–6
3	S	2	1–3
4	S	2	4–6
5	Hg	3	1–3
6	Hg	3	4–6
7	Pb	4	1–3
8	P	4	4–6
9	C	5	1–3
10	C	5	4–6
11	C, СО2+O2	6	1–3
12	C, O2	6	4–6
13	Al	7	1–3
14	Al	7	4–6
15	ДДТ	8	1–3
16	ДДТ	8	4–6
17	Sr90	9	1–3
18	Sr90	9	4–6
19	H2O	10	1–3
20	H2O	10	4–6
21	Биогенные элементы	11	1–3
22	Биогенные элементы	11	4–6
23	Биологический
	круговорот	12	1–3
24	Биологический
	круговорот	12	4–6
25	Токсичные вещества	13	1–3
26	Токсичные вещества	13	4–6
27	Ресурсный цикл	14	1–3
28	Ресурсный цикл	14	4–6
29	Отходы	15	1–3
30	Отходы	15	4–6

Задача 6.2. Рассчитайте долю данных по заданному вопросу в общем круговороте, дайте характеристику их роли в этом процессе (по табл. П. 3-11).

Вопросы:

1.Поступление в круговорот.

2.Биологическая фиксация.

45

3.Денитрификация.

4.Атмосферная фиксация.

5.Обмен между фотическим и глубинным слоями океана.

6.Техногенные факторы.

7.Поглощение наземной растительностью.

8.Участие в дыхании.

9.Процессы в гидросфере.

10.Выбросы в атмосферу.

11.Выпадение с осадками.

12.Выделение при разложении органического мертвого

вещества.

13.Выделение при разложении детрита в океане.

14.Обменные процессы в океане.

15.Биологическое разложение и выделение SO 24 .

16.Фотосинтез в океане и на суше.

17.Окисление органики техногенное.

18.Испарение воды за счет культурной растительности.

19.Безвозвратное водопотребление населением.

20.Суммарный водоотбор на промышленные нужды.

22.Транзит влаги через континенты.

23.Усвоение растительностью.

Вариант	Вещество	Номер таблицы	Номер вопроса
1	N2	1	1
2	N2	1	2
3	N2	1	3
4	N2	1	4
5	N2	1	5
6	N2	2	2
7	N2	2	3
8	C	3	6
9	C	3	7
10	C	3	8
11	C	3	9
12	S	4	10
13	S	4	11
14	S	4	5
15	S	4	12
16	S	4	13

46

17	S	4	2
18	S	5	11
19	S	5	14
20	S	6	15
21	O	7	16
22	O	7	6
23	O	7	17
24	P	8	23
25	P	8	5
26	H2O	9	20
27	H2O	9	21
28	H2O	9	22
29	H2O	9	18
30	H2O	9	19

47

7. ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА

Пример 7.1. В 100 г филе судака содержится 200 мг калия. Суточная потребность человека в калии 3000 мг. Сколько надо съесть мяса судака, чтобы компенсировать суточную потребность человека в калии?

Решение

Составляем и решаем пропорцию:
100 г мяса содержат 200				мг калия
Х -«-	-«- -«-		3000	мг калия
Х =	3000 100		= 1500 г мяса.
	200

Пример 7.2. Рассчитайте энергетическую ценность хлеба столового 1 сорта. Состав хлеба: белков 7,06 %, жиров 1,2 %, углеводов 48,9 %, органических кислот 0,72 %.

Решение

Энергетическая ценность – это количество энергии (ккал или кДж), высвобождаемой в организме человека из пищевых веществ продуктов питания для обеспечения его физиологических функций. Для расчета энергетической ценности пищевого продукта необходимо знать его химический состав и энергетическую ценность пищевых веществ (табл. 7.1).

Т а б л и ц а 7.1 Энергетическая ценность пищевых веществ

Пищевые вещества	Энергетическая ценность, ккал/г
Белки	4,0
Жиры	9,0
Усвояемые углеводы	4,0
Пищевые волокна	0
Органические кислоты	3,0

Энергетическую ценность пищевого продукта рассчитываем по формуле

ЭЦ = Б×4,0 + Ж×9,0 + У×4,0 + ОК×3,0,

(6.1)

48

где:	ЭЦ	– энергетическая ценность 100 г	пищевого продукта, ккал;
Б – содержание белков, г/100 г продукта;			Ж –	содержание жиров,
г/100	г	продукта; У – содержание усвояемых		углеводов, г/100 г

продукта; ОК – содержание органических кислот, г/100 г продукта. Коэффициент перевода ккал в кДж равен 4,184.

Решение

1. Подставляем в формулу 1 данные задачи.

ЭЦ = 7,06×4,0 + 1,2×9,0 + 48,9×4,0 + 0,72×3,0 = 219,45 ккал.

2. Переводим ккал в кДж

219,45×4,184 = 918,179 кДж.

3. Ответ: энергетическая ценность 100 г хлеба столового 1 сорта составляет 219,45 ккал или 918,179 кДж.

Задача 7.1. Сколько нужно съесть продукта питания, чтобы компенсировать суточную потребность человека в указанном нутриенте?

Вариант	Продукт		Нутриент и его	Содержание
	питания		суточная потреб-	нутриента
			ность	на 100 г продукта
1	Молоко		Железо – 15 мг	0,1 мг
2	Говядина		Железо – 15 мг	2,6 мг
3	Кролик		Железо – 15 мг	4,4 мг
4	Гречка		Железо – 15 мг	8 мг
5	Халва		Железо – 15 мг	33 мг
6	Яблоки		Железо – 15 мг	42 мг
7	Яблоки		Витамин С – 70 мг	10 мг
8	Морковь		Витамин С – 70 мг	5 мг
9	Картофель		Витамин С – 70 мг	20 мг
10	Цветная капуста		Витамин С – 70 мг	70 мг
11	Перец	зеленый	Витамин С – 70 мг	150 мг
	сладкий
12	Лимоны		Витамин С – 70 мг	40 мг
13	Апельсины		Витамин С – 70 мг	60 мг

49