环境科学单位

科學與科技科課程–環境科學單元主題：我們的地球資源環境科學課程香港中文大學目錄•課題一︰地球資源的重要•課題二︰野生動物與自然生境•課題三︰金屬資源•課題四︰作為能源的石油•課題五︰源自石油的有用物料︰塑膠•地球資源–分為:•可再生資源-迅速再生和更新，如太陽能和潮汐能•潛在可再生資源-緩慢再生和更新，如肥沃土壤、植物和動物•不可再生資源–儲備有限，不能在短期內（如一世紀）再生，如化石燃料和金屬礦物人均可耕地潛在可再生資源–百萬年前在海和湖的浮游動植物的殘餘物–千百年來一層層的沉澱物覆蓋其上–厭氧細菌分解這些殘餘物，把它們轉化成碳氫化合物不可再生資源-石油從礦石中提取金屬–碳還原法•金屬氧化物和碳產生反應而被還原成金屬•高溫下（200OC）碳可還原金屬氧化物，如氧化銅和氧化鋁高溫加熱2CuO(s)+C(s)2Cu(s)+CO2(g)氧化銅與碳在高溫加熱變成銅和二氧化碳•需更高溫才可還原活（反應）性強的金屬（如鉀和鈉）氧化物金屬資源正極離子游離電子向各方向移動金屬結構的簡圖氧硅鋁鐵鈣鈉鉀鎂其他礦物是天然的無機元素地殼成份不可再生資源AlrecyclinginHK1.Collectscrappedmaterials.2.Useheavydutycrushingmachinetocrushthematerials3.Separatethedamagedproductstodifferentcategoriessuchassteel,copper,aluminum,etc4.Meltingthemrespectively5.ProducesotherproductsWastemetals,includingaluminum.Disposalbypackupandcrush.Suggestedactivity:RecyclingindustryinHKRecycleratesatCommonRecyclablematerials(%)•支持所有生命•石油和煤：能源•非金屬物質：用於建築，如大理石和石棉•金屬物質：營養素，如鉀•無機營養物：身體健康，如磷和鉀;營養素循環•鑽石和其它寶石：珍貴的資源，通用貨幣重要的地球資源野生動植物與自然生境礦物礦物–營養素(養份)循環•所有生物需要營養來維持生命、生長和繁殖•營養是生命的基本單位，–有機化合物，如糖、蛋白質，及–無機元素，如氧、氮、磷、鈣和鉀•營養可從大氣、水體、泥土、岩石及生物體之間再循環而結合，或由陽光間接得到元素循環：碳循環+氮循環自然淨化系統•生物的碳：澱粉、葡萄糖、脂肪等形式•環境的碳：石油和煤等;大氣和水的碳：二氧化碳食物鏈/食物網蛇草和其他植物吃植物的昆蟲吃動物的昆蟲蛙吃種子的鳥松鼠蜘蛛鷹及貓頭鷹吃昆蟲的鳥草原上的食物網食物鏈營養素循環–生物：氮於混合物(如:DNA,蛋白質)–降解蛋白質釋放氨／阿摩尼亞，進而形成亞硝酸鹽及硝酸鹽–閃電和人工化學物（如肥料）產生硝酸鹽–大氣氮78%–氮營養緩慢循環AnimationoftheNitrogenCycle.Copyright1998,ThomasM.Terry,TheUniversityofConn.~terry/229sp02/lectures/Ncycleanim.html氮循環N2inAIRNH3OrganicMatterNO2-NO3-NO,NO2-N2OLEACHEDTOSOIL&WATERNitrogenfixationNitrification(aerobic)e.g.NitrobacterNitrification(aerobic)e.g.NitrosomonasDecompositionDenitrification(anaerobic)e.g.Pseudomonas,BacillusNutrientNisalimitingnutrientinmostundisturbednaturalsystem.Nitrogenfixation:AtmosphericNitrogentoAmmoniaFree-livingcyanobacteriaandcyanobacterialassociatesoflichens.Bacteriaformsymbiosiswithleguminousplantsbearingrootnodules,e.g.Rhizobiumwithacacias,peas,beans,clover,etc.N2+8H++16ATP2NH3+H2+16ADP+16PiNitrogenaseTypeofFixationNitrogenfixed(1012g/Yror1millionmetrictons/Yr)Non-biologicalIndustrial50Combustion20Lightning10Subtotal80BiologicalAgriculturalland90Forestandnon-Agriculturalland50Sea35Subtotal175Nitrogenfixationisanenergy-expensiveprocess.Thismayconsume20%ofthetotalphotosynthate.RootnodulesofCloverTheassociationofAzollawherecyanobacteria(Anabaenaazollae)areharbouredintheleaves,areimportantfornitrogeninputsinricepaddies,especiallyifthefernisallowedtogrowandthenploughedintothesoiltoreleasenitrogenbeforethericecropissown.LichenSoybeanandNitrogenFlowAtmosphericNitrogenSymbioticFixation(2/3)SoilNitrogenUptake(1/3)AminoAcidsProteinsSecondaryMetabolitesAnimalandHumanConsumptionFertilizers01020304050010203040AmmoniaNitriteNitrateNitrogen(mg/L)inanAquariumTime(Day)Ammoniaisreleasedfrombreakdownofnitrogenouswastesfromfishes.Fish:asteadysupplyofammonia.Ammoniaistoxic.Nitrifyingbacteriainwaterandfilterbedconvertammoniaintonitriteornitrate.Themaximumlong-termlevelofammonia-Ninmg/L(ppm)atagiventemperatureandpHpH20C25C6.515.411.1753.67.51.61.280.50.48.50.20.1Remediesforammoniatoxicity:•Asequenceofpartialwaterchangestodiluteammoniatosaferconcentrations.•Addchemicals(e.g.zeolite)toneutralizeammonia.建議學習活動野生動植物與自然生境全球環境和各種陸地群落區生物群落區溫度(ºC)降雨量(cm)典型植物凍土地帶-57-1610-50地衣、苔蘚針葉林-54-2135-200樺樹和白楊沙漠2-570-25仙人掌溫帶樹林1.落葉林2.草原-30–3813-4075-15060–22525-90橡樹、櫸樹和楓樹草熱帶雨林18-35125-1250物種多樣性高，如：蘭花和棕櫚Prioritizationofgeneticresourcesforscreeningpurposes(Laird&Kate,1999).ResourcePriorityranking(no.ofCompanies)12345Plants12511Micro-organismsincludingFungi1161MarineOrganisms262Insects4Recentinventoriesofnaturalproducts()contain164,000entriesand,as1996,approximately30,000bioactivenaturalproductshadbeendescribed:Bacteria,33%;Fungi,26%;Plants,27%;andanimalsources,13%(Henkeletal.,1999).7classesofbiogenicmolecularskeletons:alkaloids,peptidesandproteins,fattyacids,polyketides,shikimatesandcarbohydrates).Drugefficacy,supplyorfeasibilityofchemicalsynthesis,andcommercialproductionsource.Themaindriversofbiotechnologyareeconomic(marketpull),technologicalpracticability,andpublicdemand(andacceptance),eachofwhichreflectthepositionsoftherespectivestakeholders(industry,governmentandsociety).世界自然保育方案（WordConservationStrategy）:建立環境的倫理概念…使人類與其所依賴的自然世界取得和諧」。目標：（1）認識自然資源的價值以及維持此自然資源的生態過程（2）認識環境所受威脅與傷害（3）鼓勵改善環境。•Suggestedactivity:•FieldtriptoMaiPoMarshes,WetlandPark•VirtualFieldtriptoTungPingChau•生態服務–支持生物多樣性和維持生態完整.(空氣和水.礦物資源)–氣候控制–養份循環–泥土形成和更新可再生能源資源.不可再生能源資源.潛在可再生資源自然蟲害和疾病控制.移除污染物廢物和自然淨化系統生態旅游•審美和娛樂方面的重要–美麗景觀的組成部分，為人們提供娛樂–生態旅游-其中一個經濟收入來源•自然生境與野生生物面臨的威脅–人類活動:–濫伐林木•世界上最嚴重的環境問題熱帶森林面積150020002500300018001820184018601880190019201940196019802000年百萬公頃資料來源：CanadianInternationalDevelopmentAgency.ForestryAdvisersNetwork(CFAN);）土地:森林居住、工業和農業N2inAIRNH3OrganicMatterNO2-NO3-NO,NO2-N2OLEACHEDTOSOIL&WATERNitrogenfixationNitrification(aerobic)e.g.NitrobacterNitrification(aerobic)e.g.NitrosomonasDecomposition,ExcretionDenitrification(anaerobic)e.g.Pseudomonas,BacillusNutrient:CombustionoffossilfuelsApplicationofFertilizerIndustrialFixationUnbalancin