Вивчення біогеохімічного циклу магнію
Вступ.
З
хімічних елементів, що зустрічаються в природі в істотних кількостях (~50),
приблизно половину складають біогенні елементи. Вони життєво необхідні
організмам. У свою чергу біогенні елементи поділяють на макро- і мікроелементи.
Макроелементи (в організмі - на постійному рівні і випадкові істотні відхилення
від цього рівня не викликають серйозних ускладнень для життя): основні - С, Н,
N, О, S, Р, та інші - Са, Mg, Na, K, СІ. Мікроелементи (їх недолік або надлишок
призводить до захворювань): доведені - Cu, Mn, Fe, Zn, Mo, F, I, Se - і
ймовірні - Cr, Ni, V, Sn, As, Si.
Біогенні
елементи є сполучною ланкою між живими і неживими компонентами екосистем.
Практично всі хімічні елементи (не тільки біогенні) у екосистемах циркулюють із
зовнішнього середовища в організми і знову в зовнішнє середовище. Ці більш менш
замкнуті шляхи називають біогеохімічними циклами (термін ввів В.І. Вернадський).
Неповна замкнутість цих циклів (тобто неповна збалансованість) є їх
найважливішою властивістю. Завдяки їй відбулося накопичення кисню й азоту в
атмосфері, а також різноманітних хімічних елементів і їхніх з'єднань у
літосфері. Проте варто мати на увазі, що частка речовини, що виходить з
біосферного циклу (тривалість від десятків до декількох тисяч років) у
геологічний цикл (тривалість у мільйони років) у рік дуже невелика.
У
кожному біогеохімічному циклі розрізняють два фонди елемента: резервний і обмінний
(рухливий).
Резервний
- малорухлива велика маса речовин, що містить даний елемент у складі, в
основному, абіотичного компонента. Фонд розміщений за межами живих організмів -
у зовнішньому середовищі.
Обмінний
(рухливий) - менша маса речовини (у порівнянні з масою резервного фонду), для
якого характерний швидкий обмін між організмами і їхнім безпосереднім
оточенням.
Іноді
резервний фонд називають "недоступним" фондом, а фонд, що активно
циркулює - "доступним".
Якщо
говорити про біосферу в цілому, то біогеохімічні цикли можна розділити на два
основних типи: кругообіг газоподібних речовин із резервним фондом в атмосфері
або гідросфері (океан) і осадовий цикл із резервним фондом у земній корі. Поділ
біогеохімічних циклів на кругообіги газоподібних речовин і осадові цикли
заснований на тому, що деякі кругообіги, наприклад ті, у яких беруть участь
вуглець, азот і кисень, завдяки наявності значних атмосферних або океанічних
(або ж і тих і інших) фондів досить швидко компенсують різноманітні порушення.
Наприклад, надлишок CO2, що накопичився в будь-якому місці в зв'язку з
посиленим окисленням або горінням, зазвичай швидко розсіюється атмосферними
потоками. Крім того, посилене утворення вуглекислоти компенсується її
споживанням рослинами і перетворенням у карбонати - у морях. Тому, цикли
газоподібних речовин із їх величезними атмосферними фондами можна вважати в
глобальному масштабі добре "забуференими", тому що їхня спроможність
повертатися до вихідного стану велика.
Саморегуляція
циклів із резервним фондом у літосфері затруднена - вони легко порушуються в
результаті місцевих флуктуацій, це пов'язано з малою рухливістю резервного
фонду. Явище "забуференості" у цьому випадку не виражене.
Цикли
функціонують під дією біологічних і геологічних факторів. Існування біогеохімічних
циклів створює можливість для саморегуляції системи, що, надає їй стійкість -
постійний кількісний склад по різноманітних хімічних елементах.[7]
Отже,
в даній роботі розглядаються основні питання,, пов'язані з кругообігом магнію в
природі. Зокрема у даній роботі висвітлюються: основні форми знаходження магнію
у різних геооболонках, значення і роль магнію для живих організмів, основні
ланки біогеохімічного циклу магнію та вплив на нього антропогенної діяльності.
Велике
значення для з'ясування основних шляхів надходження магнію, його міграція, має
вивчення процесів обміну між ґрунтом і рослинами. Тому в роботі проводиться
розрахунок балансу магнію у фітоценозі.
І. Форми перебування
магнію в природі.
Магній
- сріблисто-білий блискучий метал, порівняно м'який і пластичний, гарний
провідник тепла й електрики. На повітрі він покривається тонкою оксидною
плівкою, що надає йому матовий колір. Кристалічна гратка магнію відноситься до
гексагонального типу.
У
природі магній зустрічається у виді трьох стабільних ізотопів: 24Mg (78,60%),
25Mg (10,11%) і 26Mg (11,29%). Штучно були отримані потопи з масами 23, 27 і
28.
Магній
- один із найпоширеніших у земній корі елементів, він займає б місце після
кисню, кремнію, алюмінію, залоза і кальцію. У літосфері (по А.П. Виноградову)
вміст магнію складає 2,1%. У природі магній зустрічається тільки у виді сполук.
Він входить до складу багатьох мінералів: карбонатів, силікатів та ін. До числа
найважливіших із таких мінералів відносяться вуглекислі карбонатні породи, що
утворюють величезні масиви на суші і навіть цілі гірські хребти - магнезит
MgCO3 і доломіт MgCO3·CaCO3. Під відкладами різноманітних осадових порід разом
із кам'яною сіллю зустрічаються колосальні поклади іншого легкорозчинного
мінералу, що містить магній - карналіту MgCl2·KCl·6H2O (у Солікамську,
наприклад, шари карналіту досягають потужності до 100 м). Крім того, у багатьох
мінералах магній тісно пов'язаний із кремнеземом, утворюючи олівін [(Mg,
Fe)2SiO4] і рідше форстерит (Mg2SiO4). Інші мінерали, що містять магній - це
бруцит Mg(OH)2, кізерит MgSO4, епсоміт MgSO4·7H2O, каїніт MgSO4·KCl·3H20. На
поверхні Землі магній легко утворює водяні силікати (тальк, азбест і ін.),
прикладом яких може служити серпентин 3Mg·2SiO2·2H2O. З відомих науці 1500
мінералів біля 200 (більш 13%) містять магній. [4]
Природні
з'єднання магнію широко зустрічаються й у розчиненому вигляді. Крім
різноманітних мінералів і гірських порід, 0,13% магнію у виді MgCl2 постійно
знаходиться у водах океану (його запаси тут невичерпні - біля 6-1016 т), в
солоних озерах і джерелах.
У
рослинних і тваринних організмах магній міститься в кількостях близько 0,01%, а
до складу хлорофілу входить до 2% Mg. Загальний вміст цього елемента в живій
речовині Землі оцінюється величиною приблизно 1011 тонн. При нестачі магнію
припиняється ріст і розвиток рослин. Накопичується він переважно в насіннях.
Введення магнієвих з'єднань у ґрунт помітно підвищує врожайність деяких
культурних рослин (наприклад, буряки).
Рослини
засвоюють магній в процесі мінерального живлення, тому важливе має вміст цього
елемента в ґрунті. Магній у ґрунті знаходиться в різноманітних формах:
а)
у складі ряду ґрунтових мінералів (анортит, біотит, рогові обманки й ін.);
б)
у складі карбонатів і бікарбонатів: MgCO3,Mg(HCO3)2;
в)
у поглиненому (обмінному) стані;
г)
у формі водорозчинних солей: хлоридів, сульфатів, нітратів і фосфатів магнію.
Різноманітні
ґрунтові мінерали містять таку кількість магнію:
Первинні
мінерали Mg (у%)
Олівін
27-51
Рогова
обманка 2-26
Біотит
2 – 20
Авгіт
6 – 20
Мусковіт
0 - З
Вторинні
мінерали
Хлорит
35 - 38
Ілліт
1 - 4
Монтмориллоніт
0 - 25
При
вивітрюванні мінералів в присутності вугільної кислоти утворюються карбонати і
бікарбонати магнію, які також є джерелом утворення його водорозчинних солей. Це
спостерігається при взаємодії карбонатів магнію із сильними кислотами або
розчинними солями цих кислот.
Глинисті
ґрунти, а також ґрунти, що утворилися на доломітах, містять, як правило,
достатні кількості засвоюваного рослинами магнію, а в піщаних ґрунтах його
порівняно мало - 0,03-0,08%. На таких ґрунтах високу ефективність дає
використання магнезіальних добрив. Важливу роль у живленні рослин відіграє
поглинений магній, що засвоюється рослинами, і разом із кальцієм впливає на
фізико-хімічні властивості ґрунту. При цьому велике значення має співвідношення
між поглинутим кальцієм і магнієм. У різноманітних ґрунтах містяться різні
кількості поглинених форм магнію і кальцію. У дерново-підзолистих, чорноземних
і каштанових ґрунтах поглиненого магнію міститься значно менше, ніж кальцію. В
солонцях поглиненого Mg частіше буває більше, ніж кальцію.
Кількість
рухливого магнію в різноманітних ґрунтах (у мг на 1 кг)(за К.П. Магницьким):
дерново-підзолисті:
піщані і супіщані 5 - 25
суглинні
45 - 90
чорноземи
300 - 500
У
кислому середовищі надходження магнію в рослину сповільнюється. Найкращі умови
для засвоєння магнію створюються при нейтральній або слабокислій реакції
ґрунтового розчину.
Магній
відрізняється більшою рухливістю в ґрунті, чим кальцій, тому, особливо на
легких ґрунтах, він може вимиватися і рослини будуть відчувати нестачу магнію.
В такому випадку дуже ефективним є застосування спеціальних магнієвих добрив
або доломітизованного вапняку. Магній у ґрунті може переходити також у
необмінні важкозасвоювані форми, наприклад, він може входити до складу
монтморилоніту. На ґрунтах, які багаті на цей мінерал, необхідно застосовувати
більш високі дози магнієвих добрив.
На
сильнокислих ґрунтах, збіднених розчинними формами магнію, магнієві добрива
дають високі прибавки врожаю. Магній необхідний рослинам елемент мінерального
харчування. Крім того, внесення його послаблює шкідливу дію на рослини
надмірної кислої реакції середовища. Найкраще вносити Са і Mg у формі
доломітизованного вапняку. Значення магнію в складі вапнякових добрив було
чітко встановлено акад. О. К. Кедровим - Зіхманом. Магній усуває негативну дію
надлишкових доз вапна на картоплю, люпин і інші культури. Завдяки наявності
цього елемента доломітова мука краще впливає на врожай сільськогосподарських культур,
ніж вуглекисле вапно. Позитивно впливає на врожай сільськогосподарських культур
також додавання до вапна розчинних солей магнію, наприклад сірчанокислого
магнію.
З
досліду К. П. Магницького сірчанокислий магній у кількості 60 кг на гектар на
бідних піщаних ґрунтах Люберецького дослідного поля більш ніж подвоював врожаї
жита і картоплі.
Різноманітні
рослини характеризуються неоднаковою потребою в Mg. Високою потребою в цьому
елементі відрізняються такі культури , як цукровий буряк, конюшина, люцерна й
інші бобові культури. Менше потребують магнію зернові культури.[3]
Отже,,
магній є одним із найпоширеніших елементів у природі і зустрічається лише у
вигляді сполук. Він входить до складу багатьох мінералів: карбонатів,
силікатів. Магній міститься в усіх геооболонках. Найбільше його у літосфері.
Крім різноманітних мінералів і гірських порід, магній у виді MgCl2 постійно
знаходиться у водах океану, в солоних озерах і джерелах. Велике значення він
має і для живих організмів, де міститься в значних кількостях.
II. Роль магнію для живих
організмів.
В
даний час не підлягає сумніву важлива біохімічна роль магнію в житті рослин.
Магній бере участь в утворенні хлорофілу, нестача його в живленні рослин знижує
активність усіх біохімічних процесів. Викликана нестачею магнію затримка в
синтезі хлорофілу є причиною пожовтіння рослин. Крім хлорофілу, магній у всіх
тканинах рослин бере участь також в утворенні жирів, у перетворенні фосфорних
сполук. Особливо багато магнію в соку каучуконосних рослин.
Магній,
зв'язаний з органічними речовинами рослин, бере участь у ферментативних
біохімічних процесів, що протікають у рослинах. Особливо велика його роль у
фотосинтезі і пов'язаних із ним реакціях. У насінні магній зв'язується з
фітином. Особливо багато його в насінній оболонці і зародку. Магній у фітині
зв'язаний з фосфорною кислотою. Магнезіальні добрива сприяють збільшенню вмісту
фосфору в зерні злаків. Магній бере участь також у ферментативних реакціях,
пов'язаних з утворенням вуглеводів і інших органічних сполук. Є дані, що магній
впливає на синтез і транспорт білків у рослинах. Нестача його викликає не
тільки зменшення вмісту хлорофілу, каротину і ксантофілу, але і білків. Магній
може впливати також на колоїди цитоплазми і на діяльність клітинної протоплазми.
Фізіологічний
зв'язок між магнієм і фосфорною кислотою полягає в тому, що він підвищує її
рухливість у рослинах. Проте для нормального ходу фізіологічних процесів у
рослинах потрібно оптимальне співвідношення кальцію і магнію, що залежить від
виду рослини і зовнішніх чинників. Магній має меншу коагуляційну здатність, ніж
кальцій. Надходження магнію в рослини затримуються при надлишку кальцію, а
надлишок магнію зменшує вміст кальцію у вегетативних частинах рослини.
Незначні
кількості магнію, внесені під сільськогосподарські культури на бідних магнієм
ґрунтах, сприяють збільшенню надходження в рослини не тільки магнію, але й
кальцію й Інших елементів внаслідок поліпшення умов росту кореневої системи і
збільшення їх активної поглинаючої поверхні. Антагонізм між магнієм і іншими
іонами проявляється лише при великих кількостях, коли є надлишок того чи іншого
елемента. Щорічне споживання магнію сільськогосподарськими культурами
коливається в середньому біля 20-30 кг із гектара. Більше усього виносить магнію
цукровий буряк: при врожаї 400 ц. із гектара 53 кг. Зернові культури виносять
щорічно 10-20 кг магнію з гектара, у залежності від виду рослин і вмісту магнію
в ґрунті; із зернових найбільша кількість магнію забирає із ґрунту пшениця.
Ґрунтові
мікроорганізми - бактерії і гриби - також споживають магній. На цьому базуються
мікробіологічні методи визначення потреби ґрунтів у цьому елементі з
використанням переважно грибів Aspergillus niger. У грибів магній збільшує
інтенсивність дихання, споживання цукру і розпаду лимонної кислоти.
У
людському організмі в міст магнію складає усього декілька десятих або сотих
часток відсотка, проте він відіграє важливу роль у процесах життєдіяльності.
МАГНІЙ - життєво важливий макроелемент. Доведено, що нестача магнію в організмі
збільшує ймовірність захворювання інфарктом міокарда. Недостатня кількість
магнію в крові - ознака перевтоми або стресового стану.
Магній
- є будівельним матеріалом для кісткової тканини (приблизно 70% усього магнію).
Крім цього він приймає участь у багатьох процесах клітинного метаболізму і
необхідний для правильного функціонування різноманітних ферментів. Нестача
магнію зумовлює тремор, зведення м'язів і конвульсії. Магній - основна складова
клітини. Зловживання алкоголем знижує спроможність до абсорбції магнію.
Добова
потреба людини в магнію - 0.3г
Основні
джерела надходження магнію е організм людини:
Темно-зелені
листкові овочі, горіхи, насіння, боби, соєві продукти, зерно, просо, коричневий
рис, авокадо, сушені морелі, жорстка вода, доломіт, кістяна мука.
Головні
функції:
Відомий
як "антистресовий" мінерал. Натуральний транквілізатор, тому що
розслаблює мускули. Необхідний для всіх основних біологічних процесів в
організмі. Використовується в лікуванні гіпертонії, перешкоджає утворенню
каменів у нирках і виникненню серцевих хвороб; допомагає при бронхіальній
астмі, епілепсії, грудній жабі, аритміях, перед менструальному синдромі,
безсонні, алкоголізмі.
Результат
дефіциту в раціоні:
Втрата
апетиту, нудота, блювота, запори, утома, анорексія, збудливість, порушення
координації, м'язові спазми, запаморочення, апатія, депресія, нерегулярний
серцевий ритм.
Дозування
і рівень токсичності:
Концентрація
для чоловіків - 350 мг, для жінок - 250-300 мг; 450 мг у період вагітності і
годівлі. Багато спеціалістів вважають, що концентрацію варто подвоїти.
Токсичність практично відсутня, тому що надлишки магнію виводяться із сечею і
екскрементами.
Примітки:
Рівень
магнію знижений при алкоголізмі. Часто корисний при алкогольному сп'янінні,
послаблюючи або навіть запобігаючи синдрому похмілля.
Ознаки
дефіциту магнію
Втрата
апетиту. Хворобливі і холодні руки і ступні. Нерегулярний серцевий ритм.
Занепокоєння, сум'яття, дратівливість. Погана координація. М'язові спазми і
приступи. Високий кров'яний тиск. Розшатування або чутливість зубів. Нудота або
запаморочення. Підвищена чутливість до шуму. Безсоння; гіперактивність. Сильний
запах від тіла. Зниження концентрації Са і відкладення Са у тканинах, тремор,
м'язова слабість, серцеві спазми, знервованість, трофічні виразки, камені в
нирках. Якщо в організмі порушена рівновага "магній-кальцій", то
майже весь магній включається до складу кісткових тканин, витісняючи кальцій.
Це веде до захворювання рахітом.
Магній
відіграє важливу роль у регуляції нервово-м'язової активності серця, зміцнює
нормальний серцевий ритм, необхідний для метаболізму кальцію і вітаміну С,
приймає участь у перетворенні вуглеводів в енергію. Відтворюючи відносний
дефіцит допаміну, полегшує такі симптоми нервової напруги, як занепокоєння і
дратівливість.
Магній
нормалізує діяльність нервової системи, бере участь як кофактор в багатьох
ферментативних реакціях, є антистресовим макроелементом, знижує збудливість
нейронів і передачу нервового імпульсу; необхідний для нормального формування
кісток, функціонування м'язової тканини; сприяє передачі нервового імпульсу;
бере участь у багатьох метаболічних процесах як складова частина більш ніж 300
ферментів; регулює реакції фосфорних, вуглеводних, білкового обмінів, стимулює
розпад нуклеїнових кислот.
Усього
в організмі міститься біля 20 г Mg, в основному в кістках.
Магній
нормалізує артеріальний і внутрішньочерепний тиск, перистальтику кишечнику і
скорочення жовчного міхура, жовчовиділення, запобігає судорожному скороченню
м'язів, заспокоює і нормалізує активність передачі нервових імпульсів. Знімає
спазми судин, хронічну втому. Допомагає підтримувати кислотно-лужний баланс.
Знижує холестерин крові. Має судинорозширювальну і спазмолітичну дію. Позитивно
впливає на нервову систему, "антистресовий елемент", на серцево-судинну
систему. Дає бадьорість і заряд енергії для активної діяльності.
У
нервовій системі також міститься велика кількість магнію, особливо в спинному
мозку. Велике значення магнію для діяльності нервової системи підтверджується
тим, що при ін'єкції магнію в кров людина або тварина впадає в стан, близький
до наркотичного. Ця властивість магнію використовується в медицині.
У
організмах деяких тварин вміст магнію порівняно великий. Так, наприклад, в
організмі вапняної губки міститься 4% магнію, у водоростях - більше 3%.
Магній
сприяє здоров'ю різними способами. Разом із кальцієм і фосфором він є головним
складовим елементом кісток. Правильний баланс кальцію і магнію - умова здоров'я
кісток і зубів, зниження ризику розвитку остеопорозу. Кальцій і магній
допомагають також регулювати м'язову активність: у той час як кальцій стимулює
скорочення м'язів, магній забезпечує їх релаксацію. Магній необхідний для
метаболізму - перетворення їжі в енергію - і для побудови білків. Достатні
рівні вмісту магнію в крові захищають організм від серцево-судинних
захворювань, серцевої аритмії і, можливо, інсульту, який викликаний тромбозом
судин мозку. Звичайно магній у достатній кількості надходить із їжею, його
нестачу простіше поповнити, споживаючи мінеральну воду. У організмі засвоюється
менше 40% магнію, тому що його сполуки погано всмоктуються кишечником.
Антациди, проносні й анальгетики, що знаходяться в широкому продажі також
містять магній, але не варто їх використовувати в якості джерела магнію.
Полівітамінні добавки - відносно безпечний спосіб збільшити споживання магнію.
Проте приймати їх варто тільки з дозволу лікаря. З усіх добавок найбільше
засвоюваним є магнію цитратомалат, у той час як магнію гліцинат у високих дозах
може викликати діарею.
Потреба
організму в магнії підвищується під час стресу або хвороби. Як добавки магній
може застосовуватися для лікування безсоння, м'язових судом,
передменструального синдрому і серцево-судинних захворювань, включаючи
гіпертонію, ангіну, викликану спазмом коронарної артерії, і болем в ногах, а
також судом, які зумовлені недостатнім кровопостачанням. Дослідження показали,
що введення магнію при серцевому приступі значно підвищує шанси пацієнта на
виживання.
Організм
ефективно використовує магній. Нирки накопичують його, якщо необхідно, і виводять
будь-які надлишки, тому і нестача, і надлишок магнію в організмі - явище
достатньо рідкісне. Проте, коли таке трапляється, виникають дуже небезпечні
захворювання. Дефіцит магнію може викликати нудоту, млявість, м'язову слабість,
тремор, втрату орієнтації і прискорене серцебиття. Отруєння ж магнієм може
стати причиною діареї, утоми, м'язової слабості і, у крайньому випадку,
серйозного пригнічення серцевої діяльності і зниження кров'яного тиску,
поверхневого дихання, утрати рефлексів, коми і, можливо, смерті. Люди, що
зловживають проносними засобами або переживають відмову нирок, найбільше
схильні до отруєння магнієм.
Магній
бере участь у формуванні кісток, регуляції роботи нервової тканини, обміні
вуглеводів і енергетичному обміні. За даними Інституту харчування РАМН, потреба
в магнії для дорослих - 400 мг у день. Майже половина цієї норми
задовольняється хлібом і круп'яними виробами. У хлібі міститься 85 мг магнію,
вівсяній крупі - 116, ячної - 96, квасолі - 103 мг. З інших джерел харчування
слід зазначити горіхи - 170-230 мг і більшість овочів -10-40 мг магнію. У
молоці і сирі міститься відносно мало магнію - 14 і 23 мг відповідно. Проте на
відміну від рослинних продуктів магній знаходиться в них у легко засвоюваній
формі - у виді цитрату магнію (магнієвої солі лимонної кислоти). У зв'язку з
цим молочні продукти є істотним джерелом магнію для організму людини. [7]
Звідси
видно, що значення магнію для живих організмів дуже велике. У рослинах магній
бере участь в утворенні хлорофілу, жирів, у перетворенні фосфорних сполук.
Так
у людському організмі вміст магнію дуже малий, проте він відіграє важливу роль
у процесах життєдіяльності. Нирки накопичують його, якщо необхідно, і виводять
будь-які надлишки, тому і нестача, і надлишок магнію в організмі - явище достатньо
рідкісне, але коли таке трапляється, виникають дуже небезпечні захворювання.
III. Схема
біогеохімічного циклу магнію.
Кругообіг
макроелементів.
Калій,
кальцій, натрій і магній не зв'язані з органічними сполуками хімічно, хоча вони
містяться у великих кількостях у клітинних і позаклітинних рідинах у вигляді
заряджених іонів, які називають катіонами. Кругообіг катіонів у біогеоценозах
мало пов'язаний із асиміляцією і вивільненням енергії, але відіграє важливу
роль у функціонуванні організмів.
Розглянемо
кругообіг катіонів в лісовому біогеоценозі, який є відкритою системою (рис.1) з
її можливостями вільно обмінюватися мінеральними речовинами з іншими частинами
середовища. Мінеральні речовини надходять у систему із атмосферними опадами,
приносяться вітром у вигляді пилу і органічних решток, а також вносяться в неї
внаслідок вивітрювання материнської породи.[1]
Кругообіг
магнію.
Як
ми вже з'ясували магній є одним з найпоширеніших елементів. У землі магній
присутній головним чином у мінералах, таких, як олівін, авгіт, біотин,
серпентин, тальк, доломіт, магнезит та ін. Певна кількість магнію міститься в
живих організмах та органічних рештках рослин і тварин. Вміст цього елементав
органічній матерії невеликий і здебільшого не перевищує 1% загальної кількості
ґрунтового магнію.
Рослини
одержують магній у формі іона М2+. Кількість взятого магнію залежить від віку і
частини рослини. Питома вага магнію в рослинах найчастіше коливається у межах
0,1-1,0% MgO у сухій масі, деколи ж буває нижчою або вищою.
Рис.
1. Загальна схема кругообігу катіонів у наземній екосистемі.
Якщо
система перебуває в стаціонарному стані, то втрати катіонів внаслідок
поверхневого стоку і просочування в ґрунтові води врівноважується надходженням
їх з атмосферними опадами внаслідок вивітрювання материнської породи.
В
процесі кореневого живлення магній надходить в рослину і переміщується до її
надземної частини. У випадку нормального забезпечення рослин магнієм його
переміщення від старого до молодого листя невелике. Коли ж у ґрунті не вистачає
магнію, відбувається його помітний перехід із старих листків до молодих. Тому
магнієвий дефіцит найчастіше трапляється в старому листі. Рухомість магнію
значно вища, ніж кальцію. В період формування насіння частина магнію
переміщується з вегетативних до генеративних органів і там нагромаджується. Про
це свідчить приклад насіння зернових, в яких магнію у 2-3 рази більше, ніж у
стеблі (табл.1).
Магній
у рослинних організмах присутній у вигляді іонів, які утворюють солі
(наприклад, солі щавелевої, яблучної, лимонної, пектинової, хітинової кислот).
Він пов'язаний з хлорофілом, який містить 4,5% MgO.[l]
Магній
бере активну участь у життєдіяльності тваринних організмів. Він міститься в
червоних кров'яних тільцях (еритроцитах) тварин. Після смерті рослинних і
тваринних організмів присутній в них магній переходить в ґрунт і за допомогою
мікроорганізмів переводиться з детриту в доступну рослинам іонну форму.
Таким
чином магній може мігрувати шляхом вивітрювання і вільно обмінюватися
мінеральними речовинами з іншими частинами середовища. Велике значення має
також Світовий океан, де магній присутній у великих кількостях.
Таблиця
1.
Середній
вміст магнію в найважливіших сільськогосподарських рослинах.
Рослина
Вміст, % сухої маси MgO
Жито
Зерно, солома
0,19
0,12
Пшениця
Зерно ,солома
0,21
0,16
Ячмінь
Зерно, солома
0,23
0,21
Овес
Зерно, солома
0,25
0,20
Картопля
Бульба, картоплиння
0,22
0,59
Буряк цукровий
Коренеплоди, гичка
0,41
1,09
Ріпак
Коріння, солома
0,44
0,22
Конюшина
Сіно
0,41
Люцерна
Сіно
0,36
Сіно лучне
0,34
IV. Розрахунок балансу
хімічного елементу у фітоценозі.
При
математичному моделюванні обмінних процесів застосовують поняття блок і потік.
Блок
- це будь-яке природне тіло, в яке надходить речовина або енергія і після
перероблення (або без нього) виходить.
Під
потоком розуміють речовину або енергію, яка знаходиться в стані переміщення із
блоку в блок.
Визначивши
динаміку зміни запасів, приросту та відмирання наземної та підземної фітомаси
можна скласти баланс хімічного елементу в біогеоценозі.
Позначення:
живі
підземні органи;
мертві
підземні органи;
живі
надземні органи;
вєтош;
підстилка;
ґрунт.
Схема
обмінних процесів хімічних елементів між ґрунтом і рослинами.
Розрахунок
балансу магнію у фітоценозі
Розрахунок
проводимо зарівняннями:
∆MgК-Ф
- ∆MgФ-К = ∆MgК + ∆MgД
А
= ∆MgК + ∆MgД,
якщо
А > 0, то ∆MgК-Ф = 0; якщо А
∆MgК
+ A = ∆MgК – ∆MgЖ
Б
= ∆MgК + A
якщо
Б > 0, то ∆MgЖ = 0; якщо Б
∑(∆MgД
+ ∆MgЖ + ∆MgР + ∆MgУ)
В
процесі розрахунку балансу ми будемо користуватись наступними величинами:
∆MgФ
- приріст в наземній фітомасі;
∆MgД
- кількість елементу, що вимита дощами;
∆MgК
- приріст в підземній фітомасі;
∆MgВ
- кількість елементу, що закріплена в ветоші;
∆MgР
- кількість елементу, яку повернуто при розкладанні підстилки у ґрунт;
∆MgУ
- кількість елементу, що перейшла у ґрунт при розкладанні підземної фітомаси.
Результати
розрахунку заносимо в таблицю, до якої увійдуть ще такі величини:
А
- кількість елементу всередині рослини;
∆MgК-Ф
- кількість елементу, що перейшла із підземних коренів в наземні;
∆MgФ-К
- кількість елементу, що перейшла із надземних органів у підземні;
Б
- різниця між споживанням і виділенням коренів;
∆MgЖ
- кількість елементу, що виділена з живих компонентів;
∆Mg
- всього вилучено елементу з ґрунту.
Таблиця.
Період спостер еження
Приріст в наземній фітомасі
Вимита із дощами
Перейшла
Приріст в підземній фітомасі
Різниця між споживай нямі виділенн ям коренів
Виділен няз живих коренів
Всього вилучено з ґрунту
Закріплено в ветоші
Повернуто в ґрунт
В цілому
всередені рослини
із підземних організмів в наземні
із наземних організмів в підземні
∆MgФ
∆MgФ-К
А
∆MgК-Ф
∆MgФ-К
∆MgК
Б
∆MgЖ
∆Mg
∆MgB
∆MgР
∆MgУ
∑
1
45,3
3,6
48,9
48,9
0
55,6
104,5
0
104,5
4,1
1,4
45,2
50,2
2
5,9
-9,2
-3,3
0
3,3
-12,3
-15,6
15,6
0
5,0
7,5
20,7
34,6
3
6,3
31,8
38,1
-38,1
0
60,1
98,2
0
98,2
5,4
2,3
0
38,1
4
-22,6
8,0
-14,6
0
14,6
5,0
-9,6
9,6
0
8,9
2,0
51,4
71
5
-18,3
59,4
41,1
-41,1
0
-27,8
13,3
0
13,3
8,6
5,3
18,3
73
∑
2І6
276,9
Блок
1.
Розрахунок
проводимо зарівняннями:
∆MgК-Ф
- ∆MgФ-K = ∆MgФ + ∆MgД
А
= ∆MgФ + ∆MgД = 45,3 + 3,6 = 48,9
∆MgК-Ф
= 48,9
∆MgФ-K
= 0
∆MgK
+A = ∆Mg - ∆MgЖ
Б
= ∆MgK + А = 55,6 + 48,9 = 104,5
∆MgЖ
=0
∆Mg
= 104,5
∑(∆MgД
+ ∆MgЖ + ∆MgР + ∆MgУ) = 3,6 + 0 + 1,4 + 45,2 = 50,2
Блок
2.
Розрахунок
проводимо за рівняннями:
∆MgК-Ф
- ∆MgФ-K = ∆MgФ + ∆MgД
А
= ∆MgФ + ∆MgД = 5,9 – 9,2 = -3,3
∆MgК-Ф
= 0
∆MgФ-K
= 3,3
∆MgK
+A = ∆Mg - ∆MgЖ
Б
= ∆MgK + А = -12,3 – 3,3 = -15,6
∆MgЖ
=15,6
∆Mg
= 0
∑(∆MgД
+ ∆MgЖ + ∆MgР + ∆MgУ) = -9,2 + 15,6 + 7,5 + 20,7 = 34,6
Блок
З.
Розрахунок
проводимо зарівняннями:
∆MgК-Ф
- ∆MgФ-K = ∆MgФ + ∆MgД
А
= ∆MgФ + ∆MgД = 6,3 + 31,8 = 38,1
∆MgК-Ф
= -38,1
∆MgФ-K
= 0
∆MgK
+A = ∆Mg - ∆MgЖ
Б
= ∆MgK + А = 60,1 + 38,1 = 98,2
∆MgЖ
= 0
∆Mg
= 98,2
∑(∆MgД
+ ∆MgЖ + ∆MgР + ∆MgУ) = 31,8 + 0 + 2,3 + 0 = 34,1
Блок
4.
Розрахунок
проводимо зарівняннями:
∆MgК-Ф
- ∆MgФ-K = ∆MgФ + ∆MgД
А
= ∆MgФ + ∆MgД = -22,6 + 8,0 = -14,6
∆MgК-Ф
= 0
∆MgФ-K
= 14,6
∆MgK
+A = ∆Mg - ∆MgЖ
Б
= ∆MgK + А = 5,0 – 14,6 = -9,6
∆MgЖ
= 9,6
∆Mg
= 0
∑(∆MgД
+ ∆MgЖ + ∆MgР + ∆MgУ) = 8,0 + 9,6 + 2,0 + 51,4 = 71
Блок
5.
Розрахунок
проводимо зарівняннями:
∆MgК-Ф
- ∆MgФ-K = ∆MgФ + ∆MgД
А
= ∆MgФ + ∆MgД = -18,3 + 59,4 = 41,1
∆MgК-Ф
= -41,1
∆MgФ-K
= 0
∆MgK
+A = ∆Mg - ∆MgЖ
Б
= ∆MgK + А = -27,8 + 41,1 = 13,3
∆MgЖ
= 0
∆Mg
= 13,3
∑(∆MgД
+ ∆MgЖ + ∆MgР + ∆MgУ) = 59,4 + 0 + 5,3 + 18,3 = 73
Отже,
в результаті проведення розрахункових робіт, надходження магнію до організму
переважає над вилученням цього елементу з ґрунту, на даних етапах спостереження
V. Вплив антропогенних
факторів на зміну біогеохімічного циклу хімічного елементу.
У
зв'язку з господарською діяльністю людства і надходженням у навколишнє
середовище техногенних продуктів цієї діяльності, виникають проблеми, зумовлені
порушенням природних біогеохімічних циклів. Ці порушення пов'язані як із зміною
балансу в циклах, так появою нових хімічних сполук, які раніше були відсутні у
природних процесах. Так, кругообіги деяких елементів (наприклад, азоту, сірки,
фосфору, калію, важких металів) в даний час перетворилися у
природно-антропогенні цикли, які характеризуються значною не замкнутістю, що
призводить до накопичення і, відповідно до зміни впливу на екосистеми.
У
планетарній соціоекосистемі (за В.І.Вернадським — ноосфері) поряд із природною
та соціальною підсистемами формується потужна технічна (промисловість,
транспорт, механізоване сільське господарство, комунально-побутові комплекси
тощо). Якраз ця підсистема з її велетенськими можливостями і є, за
висловлюванням Ю. О дум а, "паразитом біосфери". Вона щороку поглинає
мільйони гектарів орних земель і лісів. Щороку промислові підприємства, теплові
станції, автомобілі, літаки спалюють понад 5 млн. т вугілля, нафти і більше
трильйона кубометрів природного газу. Всього у світі щороку добувається 100
млрд. т мінеральної сировини, більша частина якої (95-99%) безповоротно
губиться у вигляді відходів. У річкові системи щороку скидається 450 км3
техногенних брудних стоків (лише при аварії танкерів виливається в океан 2-5
млн. т нафти). Понад 500 млн. автомобілів щороку викидають в атмосферу близько
400 млн. т окислів вуглецю та понад 100 млн. т вуглеводів. Цей перелік
"паразитування" технічної підсистеми можна було б продовжити. Проте й
ці факти красномовно свідчать, що екологічна проблема переросла в глобальну,
загальнолюдську проблему сучасності. Людина, яка своїм розумом збурила колосальну
енергію промислової та науково-технічної революції, сьогодні стоїть на краю
прірви. Передусім порушення саморегуляції біосфери і накопичення в ній значної
кількості хімічних сполук зумовило безліч невідомих раніше хвороб: генетичних,
токсикологічних, алергічних, респіраторних тощо. Серед них особливо небезпечним
є СНІД — втрата імунних властивостей людського організму, набутих у процесі
еволюційних адаптацій. У США економічні втрати від смертності та хвороб,
пов'язаних із забрудненням повітряного середовища, становлять щорічно 6 млрд.
доларів. Загальні економічні втрати від забруднення атмосфери становлять 16
млрд. доларів нарік, або 80 доларів на одного мешканця.
Людство,
яке докладає неймовірних зусиль, щоб прогодувати себе, і яке все ж досягло
значних успіхів в останньому десятиріччі, в "зеленій революції", не
може не помічати небажаного впливу забруднення середовища на врожайність,
поживну і кормову цінність сільськогосподарських культур, стан лісових
насаджень. Наприклад, врожайність кукурудзи на силос у зоні металургійних
підприємств знижується на 43%, кормових бобів — на 36%, зернових культур — на
26-27%, цукрового буряка — на 35%. Негативно впливає забруднення на стан
рибного господарства. Однак забруднення завдає великої шкоди не лише живій
природі, але й створеним людиною спорудам — артеприродному середовищу.
Екологічна
криза торкнулася вже й навколоземних просторів біосфери. Одним із вражаючих
наслідків антропогенного забруднення атмосфери стало зменшення загального
вмісту озону в атмосфері, перш за все в стратосфері, де зосереджена основна
його кількість. Понад десять років тому над Антарктидою виявлено "озонову
діру", розміри якої з року в рік збільшуються, хоча з незначними
коливаннями. Отже, озоновому екрану, який формувався мільярди років і завдяки
якому організми заповнили весь земний простір, загрожує небезпека, створюється
реальна загроза існуванню життя.[1]
Досить
широке застосування магнію в побуті і промисловості. Найбільш ранньою галуззю
використання металічного магнію стало використання його в якості відновлювана.
Трохи
пізніше почали використовувати властивість порошку магнію горіти яскравим білим
полум'ям з виділенням великої кількості тепла. Ця властивість була використана
в фотографії для миттєвих знімків, а також в піротехніці і для військових цілей
(для виготовлення сигнальних ракет).
Велика
хімічна активність магнію по відношенню до кисню дозволяє застосовувати його в
якості окислювача при виробництві сталі і кольорового лиття, а також (у виді
порошку) для зневоднення органічних речовин (спирту, аніліну і ін.).
Велике
значення в сучасній хімічній технології отримав синтез складних речовин за
допомогою магнієорганічних сполук. Таким чином був отриманий, зокрема, вітамін
А.
Високий
електродний потенціал дав можливість використовувати магній в якості матеріалу
для анодів при катодному захисті від корозії стальних і залізних споруд, що
знаходяться у вологому ґрунті.
Магнієвий
порошок стали використовувати також як висококалорійне паливо в сучасній
ракетній техніці.
Таке,
досить широке, застосування магнію призводить до перерозподілу його по
геологічних оболонках. Поки що важких екологічних наслідків це не спричиняє,
але подальше збільшення використання магнієвих сполук може призвести до
негативних наслідків.
Заключення.
Підводячи
підсумки проведеної роботи, можна зробити висновок, що хімічний елемент магній
є одним із найрозповсюджених елементів в природі і зустрічається лише у вигляді
сполук. Він входить до складу багатьох мінералів: карбонатів, силікатів,
сульфатів, галоїдів. Магній міститься в усіх геооболонках. Найбільше його у
літосфері. Крім різноманітних мінералів і гірських порід, магній у виді MgCl2
постійно знаходиться у водах океану, в солоних озерах і джерелах. Велике
значення він має і для живих організмів.
Досить
суттєве значення магнію для рослин і людини. У рослин магній входить до складу
хлорофілу, жирів, бере участь у перетворенні фосфорних сполук. У людському
організмі вміст магнію дуже малий, проте він відіграє важливу роль у
різноманітних процесах життєдіяльності. Вміст магнію в організмі людини
регулюють нирки, вони накопичують його, якщо це необхідно, і виводять надмірні
кількості, тому і нестача, і надлишок магнію в організмі - явище достатньо
рідкісне, але коли таке трапляється, виникають дуже небезпечні захворювання.
Щодо
біогеохімічного циклу, то магній може мігрувати внаслідок вивітрювання і
вступати в реакції з мінеральними речовинами, які містяться у різних частинах
середовища. Велике значення має також Світовий океан, де й концентрація магнію
досить велика.
Провівши
розрахунок балансу магнію за вегетативний період можна зробити висновок, що
процеси винесення магнію з ґрунту переважають над процесами його накопичення у
рослинах.
Магній
- елемент, що має досить велике значення для живих організмів. Також, магній
широко використовується у побуті та промисловості. Значне його використанні,
може призвести до негативних наслідків і порушення біогеохімічного циклу.
Список литературы
Кучерявий
В.П. Екологія. - Львів: "Світ", 2000 - 500с.
Кучерявий
В.А. Урбоэкология с основами фитомелиорации. Ч.1. Урбозкология, Ч.2.
Фитомелиорация. М., 1991.
Добровольский
В.В. "Биогеохиния", - Москва: Высшая школа, 1998.
Большая
Советская знциклопедия, 3-є издательство, Москва: Изд. "Советская знциклопедня",
1970.
Лозановская
И.Н., Орлов Д. С., Садовникова Л. К. Экология и охрана биосферы при химическом
загрязнении: Учеб. пособие для хим., хим.-технол. и биол. спец, вузов. - М.:
Высш. шк. - 1998.
Никаноров
А. М., Хоружая Т. А. Экология.—М.: "Издательство ПРИОР", 1999.
Матеріали
глобальної мережі Internet.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://ref.com.ua