41343 (Вивчення біогеохімічного циклу магнію)

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