XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Экосистема - это любое единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создаёт чётко определённую трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ (обмен веществами и энергией между биотической и абиотической частями) внутри системы.

Экосистемы озера занимают наименьшую часть Земного шара по сравнению с другими экосистемами, однако их значение очень велико, потому что они являются единственным источником воды, которая необходима не только для существования всего живого, но и для хозяйственной деятельности человека.

В данной работе мы рассмотрим в каких компонентах природной среды присутствует цинк. Цинк относится к довольно распространенным элементам и входит в состав большого числа минералов. Наиболее распространенными из них являются благородный галмей (смитсонит) ZnCO3, сфалерит (цинковая обманка) ZnS, цинкит ZnO.

Основным природным источником поступления цинка в поверхностные воды являются процессы химического выветривания горных пород и минералов, сопровождающиеся их растворением. Так же рассмотрим основные круговороты цинка в биосфере.

Объект исследования – экосистема озера

Предмет исследования – изучение состава экосистемы озера и содержание цинка в нем.

Цель данного исследования заключается в изучении теоретических основ круговорота цинка в сообществе озер.

Исходя из поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

Теоретически обосновать экосистемы озера.

Выявить факторы экосистемы озера

Изучить большой и малый(биологический) круговороты цинка.

Подобрать методику исследования

Сделать выводы по проведенной работе

К методам исследования в данной работе относятся: анализ литературы и научных источников по теме исследования, синтез и обобщение теоретических данных.

Теоретическая значимость проведенного исследования заключается в том, что полученные результаты могут быть применимы в определенной области знаний, доказательство возможности использования теоретических выводов при оптимизации практической части, а также приобретение умений и навыков по применению полученных знаний на практике.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования результатов данной курсовой работы для оценки озерных экосистем.

Структура работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Глава 1 Теоретические основы особенностей сообщества

Характеристика экосистемы озера

По своему строению и принципу действия природные экосистемы являются открытыми системами. Неотъемлемое условие их функционирования заключается в возможности отдавать и получать различные виды энергии и ресурсов. Без этого вечного круговорота ограниченные ресурсы Земли рано или поздно исчерпались бы. Кроме того, экосистемой считается только та система, которая способна существовать без внешнего вмешательства. Все необходимое для функционирования она производит сама. Для поддержания непрерывного потока веществ в любой отдельно взятой экосистеме должны присутствовать функционально разные группы живых организмов.

По размеру занимаемой территории, а также количеству вовлеченных в круговорот элементов живой и неживой природы различают системы четырех видов. В самом низу находится микроэкосистема, простейшим примером которой может послужить капля человеческой крови или воды из реки. Далее следуют мезоэкосистемы. К данной категории относится экосистема озера, водоема, степи или, например, леса. На третьем месте находятся макроэкосистемы, которые представляют собой целые континенты и океаны. И самой крупной экосистемой считается сама планета Земля, точнее сказать - вся жизнь на ней [1].

Основным источником энергии в озере является солнечный свет. Когда лучи проходят через толщу воды, большую часть энергии поглощает планктон, чтобы затем использовать ее для процессов фотосинтеза. Оставшийся свет постепенно поглощается самой водой. Поэтому освещенность на верхних уровнях всегда большая, а ближе ко дну уменьшается. Любая достаточно крупная экосистема озера имеет так называемый компенсационный уровень. Это глубина, которой достигает минимально необходимое растениям количество света. Фотосинтез у таких растений замедляется, чтобы уравновесить другие показатели – дыхание и расход пищи [3].

Расположение компенсационного уровня напрямую зависит от свойств воды, ее чистоты и прозрачности. Он является некой условной разделительной линией. Выше нее растения вырабатывают избыточное количество кислорода, которым затем пользуются другие живые организмы. А ниже разделительной линии кислорода, наоборот, слишком мало. Основная его часть попадает на глубину из других, верхних слоев воды. Таким образом, ниже компенсационного уровня обитают только те живые организмы, которые могут обходиться минимальным количеством кислорода.

Очевидно, что на верхних уровнях экосистема озера заселена куда большим разнообразием видов, чем в придонной зоне. Данный факт обусловлен более благоприятными условиями для жизни, количеством пищи, тепла и кислорода на мелководных участках. Там во множестве обитают укореняющиеся светолюбивые растения: лилии, камыши, тростник, стрелолист [11].

Они, в свою очередь, служат убежищем для насекомых и членистоногих, червей, моллюсков, головастиков. Также здесь находят себе пищу многие виды рыб. Самые мелкие членистоногие, для существования которых требуется большое количество света, живут у самой поверхности. Здесь же произрастает свободно плавающая ряска.

На своих нижних уровнях озерная экосистема становится местом обитания для разного рода редуцентов, питающихся отмершими останками животных и растений. Также здесь обитают многие хищные виды рыб и некоторые беспозвоночные организмы. Эти виды или питаются опускающимися с верхних слоев воды мертвыми существами или охотятся друг на друга [4].

Влияние загрязнения на озерные экосистемы. Одним из важнейших природных элементов для таких систем является цинк . От его количества зависит общая продуктивность экосистемы. Естественное содержание данного вещества в озерной воде невелико, но человеческая деятельность приводит к значительному увеличению концентрации. К основным причинам следует отнести попадающие в озеро отходы производства, слив сточных вод, избыточное использование удобрений, которые затем смываются дождями и подземными потоками. Все это привносит в экосистему несвойственное ей избыточное количество фосфора [1].

В результате нарушается структура и продуктивность отлаженной системы: начинает стремительно возрастать количество планктона, от которого вода приобретает мутно-зеленоватый оттенок. Озеро начинает «цвести», но это только первая стадия. Далее оно загрязняется элементами питания, воды становятся менее насыщенными кислородом и солнечным светом (планктон в огромных количествах поглощает то, что должны были получить другие обитатели). Последнее нарушает деятельность редуцентов, из-за чего вода наполняется медленно гниющими останками. На финальной стадии растения начинают вырабатывать токсины, вызывающие массовую гибель рыбы.

Другой вид загрязнения, из-за которого существенно страдает экосистема озера – тепловое. На первый взгляд оно не кажется серьезным: тепловое загрязнение не добавляет в воду никаких химических веществ. Но ведь нормальное функционирование системы зависит не только от состава среды, но и от температуры. Ее повышение также способно спровоцировать рост растений, который запускает медленную, но верную гибельную реакцию. Кроме того, отдельные виды рыб и беспозвоночных приспособлены к жизни в узких температурных рамках. Повышение или понижение температуры в этом случае замедляет рост организмов или убивает их [7].

Данный вид загрязнения возникает в результате промышленной деятельности человека. Например такой, которая использует озерную воду для охлаждения турбин на заводах и электростанциях.

Характеристика озера Горькое Сафакулевского района

Гидрологические условия территории Сафакулевского района обусловлены её равнинностью, слабой дренированностью поверхности, наличием значительного количества бессточных понижений, занятых озёрами и болотами.

В районе имеется более 220 озёр, в том числе до десятка крупных, много болот. Озера весьма разнообразны по размерам, глубине и строению озерной части.

В пределах водоохранной зоны и прибрежной защитной полосы озёр устанавливается специальный режим осуществления хозяйственной и иной деятельности в целях предотвращения загрязнения, засорения, заиления водного объекта и истощения его вод, а также сохранения среды обитания водных биологических ресурсов и других объектов животного и растительного мира.

На территории района находится целебное озеро Горькое (Виктория), которое считается уникальным памятником природы гидрологического профиля. Площадь озера – 438 га. Водоохранная зона – шириной 500 метров. Озеро имеет округлую форму, расположено в замкнутой котловине с выраженным березовым уступом. Площадь открытого зеркала воды – 438 га. Глубина озера достигает 3–4 метра [5].

Озеро Горькое – один из наиболее ценных в лечебном отношении природных объектов Зауралья. Это мелководное озеро пользуется большой известностью из-за бальнеологических свойств иловой грязи и рапы. Донные отложения представлены минеральными грязями, запасы которых превышают 200 тыс. м3 . К северо-востоку от Горького, на глубине 10–20 м, обнаружены минеральные воды, также обладающие лечебными свойствами. Вода щелочная, повышенной минерализации (12 г/л).

Озеро привлекает множество водоплавающих и околоводных птиц. Здесь с высокой плотностью гнездятся «краснокнижные» ходулочник и шилоклювка, в отдельные годы – степная тиркушка и, возможно, большой кроншнеп.

Рис.1 Холудочник Рис.2Степная Тиркушка

Флора в этом районе не очень насыщенна. Однако известно, что в озере Горькое водятся мелкие рачки [16].

На побережье озера распространены тростниковые заросли, окаймленные осоковыми кочкарниками и ивняками, заболоченными и солонцеватыми лугами. Большая часть лесных и особенно степных сообществ значительно преобразована человеком.

В лесу у озера обнаружены растения, занесённые в Красную Книгу: венерин башмачок вздутый, венерин башмачок настоящий, любка двулистная, купальница европейская. Поляны усыпаны ароматной клубникой. В лесу у озера Аслыкуль произрастает лилия саранка, дикая вишня, костяника, грибы.

Рис. 3 Венерин башмачок вздутый Рис.4 Любка двулистная

На озере, на территории соседнего Щучанского района, расположен детский санаторий «Озеро Горькое», по берегам озера останавливаются отдыхающие и туристы. Курортная деятельность осуществляется с 1908 г. Первоначально курорт имел бальнеогрязевой профиль и принимал отдыхающих разных возрастов из нескольких областей. При курорте с 1934 по 1940 г. функционировала бальнео-экспериментальная научная станция, осуществлявшая исследования лечебных ресурсов здравниц Южного Урала и Зауралья.

Курорт «Озеро Горькое» – бальнеогрязевой курорт. Для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата и кожи используются щелочные ванны, а также купание в озере. На дне оз. Горькое залегают сульфатные грязевые отложения. Ионный состав солей: Na+ , К+ , Са+ , Mg+ , CI– , S04 2– , НСО3 – . Запасы грязей составляют 3 млн. м3. Грязь озера Горькое относится к илам материковых солёных озёр, а по своему химическому составу и физическим свойствам занимает особое положение среди лечебных грязей России [5]. Значительное содержание сероводорода, достаточная минерализация сближает грязь курорта с типичными минеральными грязями ряда материковых озёр (Саки, Майнаки, Тамбукан, Карачи, Шира).

Структура грязи: грязевой раствор 49,7 %, кристаллический скелет 40,6 %, коллоидный комплекс 9,7%.

Рисунок 5. Структура грязи оз.Горькое

По уровню своей минерализации рапа озера Горькое уступает Средиземному морю, приближается к Северному морю и значительно превышает Чёрное море. Из минеральных источников напоминает Баталинскую минеральную воду. Рапа прозрачна, в массе своей зелёно-голубого цвета, по вкусу – горькосоленая, с удельным весом 1,0124 г и щелочной реакцией (рН – 8,4). По составу относится к группе глауберовых и представляет собой хлоридносульфатно-натриево-магниевую минеральную воду [16].

Факторы экосистемы озера

Экосистема озера представляет собой видовую совокупность, существующую в границах водного объекта, и взаимодействующая между собой. Трофическая цепь типичная и состоит из продуцентов – растений и водорослей, консументов – рыбы, рептилии, водоплавающей птицы, некоторые видов животных, а также редуцентов – бактерий, червей и ракообразных [2].

Соленая в озере вода или пресная, влияет только на видовую структуру, в которой преобладают живые организмы, приспособленные к существованию в воде с большим или меньшим содержанием соли.

Основными факторами, влияющими на систему, являются солнце, температура воды и количество содержащегося в ней кислорода.

Главным и определяющим из них – солнце. Вступая во взаимодействие с водой, солнечная энергия изменяет, а именно повышает, температуру последней. Это, в свою очередь, влияет на процесс фотосинтеза, то есть производства кислорода, его содержание и растворимость в воде.

По количеству поступающей солнечной энергии, водную массу озера можно разделить на горизонтальные слои или пласты [12].

В летний период верхний слой получает максимальное количество солнечной энергии. Он нагревается. Продуценты активно перерабатывают солнечную энергию в кислород. Фауна в верхнем слое играет роль консументов. Это в основном водоплавающие животные и птицы, рептилии, некоторые виды рыб и насекомые.

Следующий пласт воды играет «заградительную» функцию между разными температурными слоями, расположенными над и под ним. Этот слой с максимальной плотностью воды, которая возникает, когда температура ее +4°С. Он сдерживает перемешивание слоев воды озера. Обычно перемешивание происходит весной и осенью. В результате чего происходит обмен кислородом и питательными веществами [1].

Рисунок 6. Температура воды оз.Горькое

Солнечный свет, доходя до придонного слоя, сильно рассеивается. На дно попадают остатки живых организмов и отходы их жизнедеятельности. Придонный слой населяют редуценты – раки, черви, личинки насекомых, бактерии и микроорганизмы. Очень редки рыбы. Главная их функция переработка органических отходов. Последний этап пищевой цепи, перед началом нового [4].

На этом этапе и происходит тот сбой, который, в конечном счете ведет к исчезновению озера. Условия существования не позволяют справиться с переработкой отходов полностью. А верхний слой, подпитанный во время перемешивания, увеличивает биомассу. Отходы увеличиваются, а остатки накапливаются. Они превращаются в ил, а затем в торф. Озеро начинает мелеть и исчезать [1].

Далее рассмотрим количество кислорода содержащееся в экосистеме озера. В воде кислорода в 20 раз меньше, чем в атмосфере, и здесь он является лимитирующим фактором. Источниками его являются диффузия из атмосферного воздуха и фотосинтез водных растений (водорослей), а растворению способствуют понижение температуры, ветер и волнения воды. Также известно, что высокое содержание кислорода ведет к гибели рыб и других животных [15].

Важнейшим фактором в водных экосистемах является концентрация кислорода, чего нельзя сказать о концентрации диоксида углерода, но который часто бывает даже в избытке за счет антропогенного влияния. Лимитирующими из биогенных солей обычно бывают нитраты и фосфаты, иногда ощущается недостаток кальция и некоторых других элементов.

К обеднению кислородом приводит также и тепловое загрязнение, поскольку растворимость О2 сильно зависит от температуры воды. Между тем концентрация кислорода - один из основных факторов развития большинства водных организмов. Поэтому уменьшение парциального давления О2 нарушает нормальное функционирование одновременно многих компонентов морских экосистем.

Необходимо отметить, что многие озера подвержены антропогенному воздействию, что, несомненно, ведет к их загрязнению и засорению, тем самым ухудшая экологическое состояние водного объекта в целом.

Следующим вопросом, который необходимо решить является определение степени воздействия на озера отходов антропогенной деятельности в зависимости от состава и типа грунтов береговой зоны. Представляется важным дифференцирование береговой линии по типу грунта, так как проницаемость песчаного или песчано-илистого основания существенно выше, чем в случае, когда берег представлен скальными породами [10].

Вывод

1. Озера возникли на Земле очень давно, их происхождение имеет разные источники, которые оказали влияние на формирование и развитие экологической системы того или иного водоема.

Под экосистемой принято понимать комплекс всех живых и неживых растений, животных, микроорганизмов, проживающих в озерах. Также озерные экосистемы охватывают различные физические и химические процессы, которые протекают в водоеме.

В работу экосистемы не должны вмешиваться внешние факторы, работают только внутренние силы, производящиеся системой. В озере должны водиться самые разные группы живых растений и организмов.

2. Основным структурным элементом экосистемы является солнечный свет, вступающий источником энергии. Ее поглощает планктон, когда лучи солнца проходят через воду. Освещение в озере в верхних уровнях лучше, чем в глубинных. Наличие компенсационного уровня, под которым понимается минимальная глубина, куда проникает свет, необходимый для растений. Когда они поглощают свет, происходит замедление фотосинтеза и уравновешивается расход пищи и дыхания.

Глава 2 Объект и методика исследования

2.1 Характеристика элемента

Цинк имеет приятный серебристо-голубой цвет. В обычных температурных условиях он гибкий, иногда ломкий. Металл используют для того, чтобы раскатывать его в листы. Через некоторое время на листах возникает оксидный тонкий слой, поэтому цинк перестает взаимодействовать с воздухом. Со временем он начинает немного мутнеть, терять блеск.

Цинк – один из важных биологически активных элементов, который входит в состав многих ферментов, участвующих в белковом обмене, а также в состав гормона инсулина. Однако растворённые в воде различные цинковые соединения, особенно сульфаты и хлориды, способны вызвать тяжёлые отравления и серьёзные проблемы со здоровьем у человека.

Цинк участвует в дыхании, белковом и нуклеиновом обменах, регулирует рост, влияет на образование аминокислоты триптофана, повышает засухо-, жаро- и холодостойкость растений [ 8].

Среднее содержание цинк в земной коре (кларк) - 8,3·10^-3% по массе, в основных изверженных породах его несколько больше (1,3·10-2%), чем в кислых (6·10-3%). Известно 66 минералов Цинка, важнейшие из них - цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франк-линит ZnFe₂O₄. Основными минералами цинка являются сульфид цинка ZnS (известный как цинковая обманка или сфалерит) и карбонат цинка ZnCO₃ (каламин в Европе, смитсонит в США). Свое название этот минерал получил в честь Джеймса Смитсона, основателя Смитсонианского Института в Вашингтоне. Менее важными минералами являются гемиморфит Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O и франклинит (Zn,Fe)O·Fe₂O₃.

Основной компонент минерала - сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой. Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO₃, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO₂ · Н₂O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду - смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька[13].

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа. Рентгенофлуоресцентный анализ в этом производстве очень важен, поскольку он относится к нерзрушающим видам анализа.

Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация -- для мостов, емкостей, металлоконструкций) [6]. РФА анализ позволяет не только определить элементный состав, но и толщину напыления цинка на поверхности деталей.

Цинк используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах, например: марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор, ртутно-цинковый элемент, диоксисульфатно-ртутный элемент, йодатно-цинковый элемент, медно-окисный гальванический элемент, хром-цинковый элемент, цинк-хлоросеребряный элемент, никель-цинковый аккумулятор, свинцово-цинковый элемент, цинк-хлорный аккумулятор, цинк-бромный аккумулятор и др.

Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Цинк принимает участие в защите организма от простуды, гриппа, конъюнктивита и других инфекций. Предварительные исследования показали, что вещество может помогать при раке, заболеваниях центральной нервной системы, диабете, папилломатозе, заболеваниях почек, проказе, симптомах менопаузы, ревматоидном артрите и серповидно-клеточной анемии у взрослых. Препараты содержащие цинк применяют для заживления тканей после операции, язв на слизистых оболочках, в том числе язв желудка[8].

Кроме того, цинк входит в состав гормона инсулина, участвующего в углеводном обмене, содержится в ряде других важных ферментов, участвует в процессах кроветворения. Цинк обеспечивает антиоксидантную защиту организма, нормализует уровень сахара в крови, так как способствует выработке инсулина и сам является его компонентом.

Также окись цинка используется для производства краски -- цинковых белил.

Цинк находит широкое применение в промышленности. В свободном металлическом виде он применяется для оцинкования железных, стальных и чугунных изделий [13].

2.2 Роль цинка для растений

Цинк является одним из важнейших микроэлементов – он жизненно необходим для растений, но требуется в очень малых количествах. Цинк является одной из наиболее распространенных причины возникновения дефицита микроэлементов в сельскохозяйственных культурах во всем мире и вызывает большие потери в производстве культур и качестве урожая. Применение цинка, когда это необходимо, дает более очевидный отклик, чем любой другой микроэлемент, а недостаток цинка также вызывает более серьезные симптомы, чем другие дефициты микроэлементов.

Цинк (Zn) – микроэлемент, жизненно необходимый для всех живых организмов, в т.ч. и для растений. Его физиологическая роль заключается в активации многих ферментативных реакций, – он является кофактором более 300 ферментов. Цинк участвует в образовании предшественников хлорофилла, входит в состав 40 ферментов, влияет на репродуктивные процессы, метаболизм углеводов, фосфатов и протеинов, образование ауксинов, ДНК, рибосом [14]. Путем участия в поддержании целостности биологических мембран отвечает за устойчивость растений к патогенам. Цинк повышает жаро-, засухо- и морозоустойчивость культур путем стабилизации их дыхания, а также способствует утилизации фосфора.

Цинк связан с гормоном роста, ауксином – низкие уровни ауксина вызывают задержку роста листьев и побегов. Он играет важную роль в образовании и активности хлорофилла, и он участвует в синтезе белка. Цинк также важен для углеводного обмена и играет важную роль в поглощении влаги (растения с нормальным питанием цинка обладают повышенной способностью к засухе).

Дефицит цинка считается наиболее распространенным среди микроэлементов у сельскохозяйственных культур в масштабах всего мира. Если учитывать, что около трети населения планеты страдает от недостатка этого элемента в питании, то очень важно создать условия, при которых цинк в продуктах растительного происхождения мог бы восполнять этот дефицит [9].

При недостатке цинка в почве окраска листьев растений становится желто-зеленой, затем они покрываются бурыми пятнами и отмирают. Молодые листья замедляются в росте, они формируются маленького размера, происходит их деформация: они приобретают асимметричную форму, часто имеют волнообразные края. Кроме того, симптомы дефицита цинка определяют по таким внешним признакам как низкорослость растений по причине задержки верхушечного роста (укорочение высоты междоузлий), хлороз листьев между жилками, появление мелких коричневых пятен на верхних листьях и скручивание их.

Наиболее чувствительны к дефициту цинка такие сельскохозяйственные культуры как кукуруза, рис, лен, картофель, гречиха, свекла, клевер. По сравнению с ними зерновые не столь зависимы от этого микроэлемента. Но, учитывая, что почти половина мировых площадей, занятых зерновыми культурами, имеют недостаточное количество доступного цинка, злаки не могут получить этот микроэлемент в достаточном количестве. В свою очередь, это приводит к потере урожайности [14].

2.3 Роль цинка в жизни человека

В организме взрослого среднестатистического человека находится примерно 1,5-3 г цинка. Больше всего его присутствие обнаружено в мышечных тканях, печени, различных ферментах и поджелудочной железе. Причем у мужчин этого микроэлемента может быть вдвое больше, нежели у женщин.

При недостатке цинка уменьшается содержание РНК и снижается синтез белка в мозге, замедляется развитие мозга.

Цинк входит в состав более 200 ферментов, которые участвуют в различных обменных реакциях, включая синтез и распад углеводов, белков, жиров и нуклеиновых кислот – основного генетического материала [8].

Цинк необходим для поддержания в здоровом состоянии костей и мышц. Он стимулирует деление и рост клеток, ускоряет регенерацию и обновление тканей. Кроме того, элемент улучшает репродуктивную функцию мужчин и женщин. От регулярности и достаточности поступления цинка в организм зависит состояние иммунной системы человека. Микроэлемент нужен для синтеза гормона тимулин, который необходим для полноценного функционирования лейкоцитов – клеток иммунной системы. При его дефиците снижается количество и активность лейкоцитов, что чревато развитием и стремительным прогрессированием самых разных заболеваний.

Цинк является составной частью гормона поджелудочной железы – инсулина, регулирующего уровень сахара в крови[12].

Цинк способствует росту и развитию человека, необходим для полового созревания и продолжения потомства. Он играет важную роль в формировании скелета, необходим для функционирования иммунной системы, обладает антивирусными и антитоксическими свойствами, участвует в борьбе с инфекционными болезнями и раком.

Цинк необходим для поддержания нормального состояния волос, ногтей и кожи, обеспечивает возможность ощущать вкус, запах.

Самый распространенный и очевидный симптом дефицита цинка у детей – замедление роста. Взрослые могут заметить зарождающуюся недостаточность этого элемента по искажению вкусового восприятия. При длительной нехватке цинка нарушается обмен веществ, ослабевает иммунитет и, как следствие, повышается частота развития инфекционных заболеваний. Иммунная система страдает, потому что без микроэлемента замедляется производство новых лейкоцитов и снижается активность уже присутствующих в крови [10]

Среди внешних признаков недостаток цинка в организме могут выдать кожные высыпания, выпадение волос. У многих наблюдается снижение аппетита, развивается куриная слепота.

Избыток цинка так же опасен, как и недостаток. Он приводит к замедлению процесса роста и ухудшению качества минерализации костных тканей, что чревато повышением риска переломов. Набор "Vision Box" (Отличное зрение) Essential Fatty Acids Лютеин и Зеаксантин Lutein and Zeaxanthin (блистер, 30 капс.) Набор "Men'sBox" (Мужская сила) (30 пакетов) Если цинк поступает в организм исключительно из продуктов питания, можно не опасаться его избытка – все излишки элемента выводятся вместе с продуктами метаболизма. Их накопление возможно только при неконтролируемом приеме добавок [6].

Вывод

Цинк является важным природным элементом для человека и для всех живых организмов. В настоящее время дефицит цинка признан глобальной проблемой здоровья человека. Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространённый минерал — сфалерит, или цинковая обманка.В организме взрослого человека содержится в среднем около 2 г цинка, в виде его соединений, который концентрируется преимущественно в мышцах, печени и поджелудочной железе.

Недостаток цинка в организме приводит к ряду расстройств. Среди них — раздражительность, утомляемость, потеря памяти, депрессивные состояния, снижение остроты зрения, уменьшение массы тела, накопление в организме некоторых элементов (железа, меди, кадмия, свинца), снижение уровня инсулина, аллергические заболевания, анемия и другие^.

За последние десятилетия выбросы цинка в результате промышленной деятельности значительно сократились, и нынешние уровни содержания цинка не представляют опасности для окружающей среды. Однако существуют некоторые локализованные участки, которые были загрязнены в прошлом, требуют отдельного внимания и изучения.

 

Глава3 Круговорот цинка в биосфере

3.1 Большой геологический круговорот цинка

Цинк - один из главных микроэлементов, он входит в состав многих ферментов, участвует в синтезе рибонуклеиновых кислот и хлорофилла. Большая часть цинка в растениях связана с легко разрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков.

Водорастворимые формы цинка составляют очень небольшую часть от общей массы металла, однако они активно вовлекаются в водную миграцию. Цинк активно участвует в массообмене между и сушей атмосферой. С атмосферными осадками на поверхность сушиводорорастворимых форм цинка выпадает значительно больше, чем захватывается ветром в атмосферу в виде минеральной пыли [13].

Цинк может находиться в атмосфере. Природные концентрации цинка в атмосферных осадках разных регионов сильно отличаются. Наименьшие значения свойственны полярным и высокогорным районам, воздух которых содержит незначительное количество пыли. Газообразные соединения цинка поступают в атмосферу при вулканических извержениях и в результате выделения летучих органических соединений зелеными растениями и бактериями. С вулканическими продуктами выбрасывается в атмосферу[6].

Цинк накапливается в земной коре. При выветривании горных пород частицы цинка высвобождаются, и часть их поступает в грунтовые воды. Газообразные соединения цинка поступают в атмосферу при вулканических извержениях и в результате выделения летучих органических соединений зелеными растениями и бактериями. С вулканическими продуктами выбрасывается в атмосферу. Находящийся в атмосфере цинк выпадает вместе с атмосферными осадками и начинает концентрироваться в почве.

Цинк находит широкое применение в промышленности, так и в быту. В свободном металлическом виде он применяется для оцинкования железных, стальных и чугунных изделий [9]. Большое количество цинка попадает в окружающую среду в результате испарения. Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски – цинковых белил.

Рисунок 7. Большой геологический круговорот цинка

3.2 Биологический круговорот цинка

Большая часть цинка растениях связана с легко разрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков. Водорастворимые формы цинка составляют очень небольшую часть от общей массы металла, однако они активно вовлекаются в водную миграцию.

В биологический круговорот цинк попадает через почву в ходе выветривания. В почве магний присутствует в виде сульфатов, карбонатов, хлоридов [3].

Цинк активно участвует в массообмене между сушей и атмосферой. С атмосферными осадками на поверхность суши водорорастворимых форм цинка выпадает значительно больше, чем захватывается ветром в атмосферу в виде минеральной пыли. Животные получают цинк при потреблении воды и растений. Затем при отмирании живых организмов в процессе минерализации органических веществ цинк попадает в почву.

Количество цинка, поглощенного почвами, варьирует от десятых долей процента до 2,5 %, иногда более [10].

Содержание цинка в почвах колеблется от 25 до 100 мг/кг и в среднем составляет 50 мг/кг. Этой же величиной характеризуется среднее содержание цинка в почвах земного шара. Содержание цинка в почвах определяется наличием этого элемента в почвообразующих породах. Повышение содержания цинка в почве тесно связано с увеличением органического вещества в ней, что говорит о биологической аккумуляции данного элемента [5].

Баланс цинка в почвах различных экосистем показывает, что его атмосферное поступление преобладает над выносом за счет выщелачивания и образования биомассы. Исключение составляют незагрязненные лесные районы Швеции, где вынос цинка водными потоками оказался выше поступления из атмосферы.

Характерно, что почвы более тяжелого механического состава, суглинки и глины, содержат больше цинка по сравнению с супесчаными и песчаными.

Базальты и прочие изверженные породы характеризуются повышенным содержанием цинка.

Граниты – по содержанию цинка вдвое беднее базальтов.

Глины, лессы, покровные суглинки, лессовидные суглинки содержат цинка значительно меньше, чем граниты.

Черноземы. Высокое содержание цинка объясняется значительным количеством гумуса.

Красноземы. Высокое содержание цинка объясняется значительным количеством этого элемента в почвообразующих породах (андезитах и базальтах) [13].

 Основной и наиболее подвижной формой цинка считается его двухвалентный катион (Zn2+), но в почве присутствуют и некоторые другие формы этого элемента. Главные факторы, контролирующие подвижность цинка в почвах, аналогичны тем, что и у меди. Однако цинк предположительно присутствует в более растворимых формах. Глины и органические вещества почвы способны удерживать цинк достаточно сильно, поэтому его растворимость в природных условиях ниже, чем в чистых экспериментальных. 

Кислотное выщелачивание особенно действенно для мобилизации металла, поэтому наблюдается потеря данного элемента в некоторых почвах, например, в подзолах и бурых кислых, развитых на песках.

Цинк неподвижен в почвах, богатых кальцием и фосфором, в хорошо аэрируемых почвах с содержанием соединений серы, а также при содержании в земле повышенного количества насыщенных кальцием минералов и водных оксидов.[4]

Рисунок 8. Биологический круговорот цинка

3.3 Экологические проблемы

В организм человека большая часть цинка поступает с продуктами питания (от 40 до 70% в разных странах и по различным возрастным группам), а также с питьевой водой, атмосферным воздухом, при курении, при случайном попадании в пищевод кусочков цинкосодержащей краски или загрязненной свинцом почвы.

Загрязненная цинком почва является источником его поступления в продовольственное сырье и непосредственно в организм человека, особенно детей. Наиболее высокие концентрации цинка обнаруживаются в почве городов, где расположены предприятия производству цинкосодержащих аккумуляторов (Белово, Владикавказ, Дальнегорск, Саранск, Рудная пристань, Свирск и ряд других) [12].

Загрязнение окружающей среды цинком и его соединениями является для России наиболее острым и опасным. Цинк поставляет цветная металлургия, в том числе 94 % этого металла выбрасывается в атмосферу 5 предприятиями. Как видим, главные отравители воздуха цинком находятся на территории Свердловской области, и эти предприятия привносят в атмосферу России 68,7 % всех цинковых выбросов [12].

Однако, основным источником загрязнения атмосферного воздуха цинком в РФ является промышленные предприятия выбрасывает ежегодно в атмосферу 10 млрд. абсолютно смертельных доз цинка или в весовых единицах 250 килотонн металла.

В России постепенно увеличивается численность людей, имеющих профессиональный контакт с цинком. Случаи хронической цинковой интоксикации зафиксированы в 14 отраслях промышленности [17].

Среди профессиональных интоксикаций цинковая занимает первое место, причем имеет место тенденция к её увеличению. Среди рабочих, пострадавших от воздействия цинка, около 40 % составляют женщины. Для них цинк представляет особую опасность, так как этот элемент обладает способностью проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке. Как правило, наиболее высокая концентрация цинка в атмосферном воздухе наблюдается в зимний период, что связано с дополнительными выбросами в атмосферу продуктов сжигания топлива. Неблагоприятные метеорологические условия в этот период года также способствуют накоплению цинка в нижних слоях атмосферы [7].

Добыча цинка ведется в 50 странах. В России цинк извлекается из медноколчеданных месторождений Урала, а также из полиметаллических месторождений в горах Южной Сибири и Приморья. Крупные запасы цинка сосредоточены в Рудном Алтае (Восточный Казахстан), на долю которого приходится более 50% добычи цинка в странах СНГ. Цинк добывают также в Азербайджане, Узбекистане (месторождение Алмалык) и Таджикистане

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство [3]. Цинк принимает участие в защите организма от простуды, гриппа, конъюнктивита и других инфекций.

Кроме того, цинк входит в состав гормона инсулина, участвующего в углеводном обмене, содержится в ряде других важных ферментов, участвует в процессах кроветворения. Цинк обеспечивает антиоксидантную защиту организма, нормализует уровень сахара в крови, так как способствует выработке инсулина и сам является его компонентом.

Также окись цинка используется для производства краски -- цинковых белил.

Цинк находит широкое применение в промышленности. В свободном металлическом виде он применяется для оцинкования железных, стальных и чугунных изделий.

Вывод

1. Таким образом, в большом геологическом круговороте в большом количестве цинк содержится в литосфере и гидросфере. С поверхности водных объектов происходит испарение, в результате которого цинк поднимается в атмосферу, а затем выпадает с атмосферными осадками.

2. В биологическом круговороте цинк присутствует в растениях. В растениях цинк не участвует в окислительно-восстановительных реакциях, поскольку находится в двухвалентной форме. Затем по пищевым цепям цинк поступает к животным и с остатками органики возвращается в почву и донные отложения. Дефицит цинка проявляется чаще всего на кислых почвах, подверженных сильному выветриванию, на карбонатных и переизвесткованных почвах. На карбонатных почвах недоступность этого элемента обусловлена адсорбцией его глинистыми минералами и карбонатом кальция. Недостаток цинка может усугубиться внесением фосфорных удобрений. 

3. Цинк является не мало важным природным элементом для человека и для всех живых организмов. В настоящее время избыток цинка признан глобальной проблемой здоровья человека.

За последние десятилетия выбросы цинка в результате промышленной деятельности значительно сократились, и нынешние уровни содержания цинка не представляют опасности для окружающей среды. Однако существуют некоторые локализованные участки, которые были загрязнены в прошлом, требуют отдельного внимания и изучения.

Заключение

В результате проведения исследования были сделаны следующие выводы:

1.Охарактеризована экосистема озера и выявлены основные факторы влияющие на экосистему озера.

2. Рассмотрены значения цинка для растений, животных и человека.

3. Рассмотрены большой геологический и биологический круговороты цинка.

Водная (озерная) экосистема — это природный объект, который является единством взаимозависимых среды и обитающей в ней биоты. Поэтому, для того, чтобы охарактеризовать состояние водной экосистемы, необходимо знать показатели воды как среды обитания и показатели биотической (организменной) части экосистемы.

Каждая водная экосистема находится в определенном состоянии, которое выражается в определенном сочетании показателей средовой и организменной составляющих водной экосистемы. Конкретному состоянию водной экосистемы соответствует определенный уровень способности к самоочищению, который может быть охарактеризован сочетанием показателей среды и биоты, а набор и величины их могут быть выражены в интервалах значений.

Цинк относится к металлам, широко используемым в самых разнообразных областях народного хозяйства, науки, техники, медицины. Содержание его в различных объектах колеблется от следовых количеств до десятков процентов, что требует для его определения самых разнообразных методов, обладающих высокой чувствительностью, селективностью и удовлетворяющих требованиям современных технологических процессов.

Несмотря на то что цинка в земной коре содержится всего 0,0016%, он присутствует во всех компонентах природной среды. Важнейшим в круговороте цинка является его атмосферно-гидросферный перенос. Находящийся в атмосфере цинк вместе с пылью осаждается атмосферными осадками и начинает концентрироваться в почвах. Растения получают цинк из почв, природных вод и атмосферных выпадений, а животные - при потреблении растений и воды. В организм человека цинк попадает вместе с пищей, водой и пылью.

Основными источниками загрязнения биосферы цинком являются разнообразные двигатели, выхлопные газы которых содержат тетраэтилсвинец, теплоэнергетические установки, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленность. Значительное количество цинка вносится в почву сточными водами.

У жителей промышленно развитых стран содержание цинка в организме в несколько раз больше, чем у жителей аграрных стран, а у горожан выше, чем у сельских жителей. Увеличение концентрации цинка в природных средах приводит к необратимым процессам в костях и печени людей.

Список литературы

Абакумов В.А., Сущеня Л.М. Гидробиологический мониторинг экосистемы озера и пути его совершенствования // Экологические модификации и критерии экологического нормирования: Тр. Междунар. симпоз. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 41-51 с.

Антропогенные влияния на водные экосистемы. - М.: КМК, 2013. - 158 c

Боголюбов А.С. Экосистема. Методические материалы, 1996.- 205с.

Брагинский Л.П. Интегральная токсичность водной среды и ее оценка с помощью методов биотестирования // Гидробиол. журн., 1993. - Т. 29. - № 6

Геоэкологическая карта Сафакулевского района [Электронный ресурс]- yugovalib.ru›uploads/docs/geo_kart/safacul.pdf- Загл. с экрана. (дата обращения: 23. 12. 2020).

Глинка, Н.Л. Общая химия: уч. пособие / Н.Л. Глинка - Л.: Химия, 1977. - 720 с

Григорьева, Р.З. Безопасность продовольственного сырья и продуктов питания: уч. Пособие / Р.З. Григорьева - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2004. - 86 с.

Гудима Н. В. Краткий справочник по металлургии цветных металлов / Н. В. Гудима, Я. П. Штейн – М.: Металлургия, 1975. – 175 с.

Добровольский В.В – Цинк в окружающей среде / М.: Наука, 1987

Захаров С.С., .Пожаров А.В. Биотехнические методы охраны окружающей среды, учебное пособие, 2002 - 33 с.

11. Келлер Р.: Воды и водный баланс суши. - М.: Прогресс, 1965

12. Криволуцкий Д. А. Биоиндикация и экологическое нормирование / Д.А. Криволуцкий [и др.] // Влияние промышленных предприятий на окружающую среду / под ред. Д.А. Криволуцкого. — М.: Наука, 1987.

13. Металлургия тяжелых цветных металлов [Электронный ресурс].- http://files.lib.sfu-kras.ru/ebibl/umkd/1821/u_manual.pdf- Загл. с экрана. (дата обращения: 23. 12. 2020).

14.  Натарова Н. Г. Аналитическая химия цинка. – М.: Химия, 1982. – 378 с.

15. Проссер Л. Сравнительная физиология животных М.: Мир, 1977, т. 1, 606 с.

16. Публичная кадастровая карта Сафакулевский района. [Электронный ресурс]- egrp365.ru›Кадастровая карта›?id=g24Zb1- Загл. с экрана. (дата обращения: 23. 12. 2020).

17. Смирнов Н.Н.: Историческая экология пресноводных зооценозов. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2010

Код для цитирования: Скопировать