Контрольные вопросы:

1. Какова положительная и отрицательная роль меди в растениях?

2. Какие вам известны источники поступления меди в почву?

3. Что является основным процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжёлых металлов в почвах?

Приложение 2.

Материалы для уроков и факультативных занятий по экологическим аспектам химии

В приложении использованы материалы, опубликованные доцентами кафедры химии КГУ им. К.Э. Циолковского Н.И. Савиткиным, Я.Г. Авдеевым [17].

1. Тема занятия: Химические элементы в биосфере

Всё живое многообразие окружающей живой среды состоит из атомов сравнительно небольшого числа элементов. Всего лишь восемь элементов составляют по массе 99% земной коры, это О, Si, Al, Fe, Са, К, Na, Mg, причём массовая доля кремния в земной коре 25%, а кислорода 50%. В состав живого, в основном, входят шесть элементов-органогенов (их называют ещё - основные макроэлементы): С, Н, N, О, S, Р. В целом организм человека содержит около 70 элементов. По потребности организмов в элементах различают макроэлементы – 100 мг/сутки (для человека) и микроэлементы – 5-10 мг/сутки. Основные макроэлементы для человека: С, Н, N, О, S, Р и другие макроэлементы; Cа, Mg, Na, К, Cl. Микроэлементы доказанные: Cu, Mn, Fe, Zn, Mo, F, I, Se и вероятные: Cr, Ni, V, Sr, Si. Пока не выяснена полностью роль каждого микроэлемента в жизнедеятельности человека. А для растений многое уже известно, так, 10 микроэлементов можно распределить по трём группам.

1. Элементы, необходимые для фотосинтеза: Mg, Fe, Zn, V, Cl.

2. Элементы, необходимые для азотного обмена: Mo, Cо, Fe, В.

3. Элементы, необходимые для других метаболических функций: В, Cо, Cu, Mn, Si.

Биогенные элементы (все макро- и микроэлементы в живом) перемешиваются в составе различных веществ, объединяя живые организмы (био) и неорганическое вещество земли (гео). Перемешивания эти цикличны, и гениальный русский естествоиспытатель В.И. Вернадский ввёл понятие о биогеохимических циклах элементов. Все биогеохимические циклы взаимодействуют в природе и в совокупности формируют устойчивую структуру биосферы. Следствием неполной замкнутости биогеохимических циклов явилось накопление О₂ и N₂ в атмосфере и их соединений в литосфере. Длительность биосферных циклов от десятков до тысяч лет, а длительность геологического цикла – миллионы лет, поэтому для накопления элементов в атмосфере и литосфере нужно очень много времени. Ежегодный сброс углерода из биохимического цикла в геологический (отложение) около 130 т (10^-8 % от всей массы углерода в биосфере). Но за 600 млн. лет (в основном в палеозое) накопилось 10¹⁷ т отложений соединений углерода – известняк, уголь, нефть, битумы и т. д.

В каждом биохимическом цикле (для каждого элемента) выделяют два фонда: 1) резервный – большая масса медленно движущихся веществ, содержащих данный элемент, в основном, в составе абиотического компонента; 2) обменный – меньший по объёму, но более активный (быстрый) обмен между организмами и окружающей средой. Между этими фондами существует постоянный медленный обмен.

Среди биогеохимических циклов выделяют два типа – газообразный (С, О, N) и осадочный (Fe, Р, Са). Это связано с тем, что С, О, N преимущественно находится в виде газообразных веществ (СО₂, СН₄, Н₂О, NО₂, N₂), a Fe, Р, Са в виде минералов, например, Ca₃(РО₄)₂, Fe₂О₃, СаСО₃ и др.

Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте (возвращение элемента в цикл), во многих случаях основаны на биологических процессах, и человек зачастую не в силах исправить нарушение равновесия. Хотя нарушается оно, как правило, по вине человека за счёт вовлечения в циклы техногенных продуктов (полимеры, СМС, нефтепродукты, ионы тяжёлых металлов). Усилия по охране природы направлены на возвращение веществ в природные круговороты и сохранение равновесия в природе.

Ко времени появления на земной поверхности жидкой воды почти вся сера была в виде сульфидов. Сульфиды и сероводород, образующийся при гидролизе, – исходный пункт круговорота серы (рис. 1):

Рис. 1. Круговорот серы в природе

1) под действием О₂, СО₂ и Н₂О из сульфидов и сероводорода образуется сера.

CaS + CO₂ + H₂O = CaCO₃ + H₂S,

2H₂S + O₂ = 2H₂O + 2S;

2. при недостатке О₂ сера скапливалась в виде самородной серы, а при избытке О₂ – постепенно (часто в присутствии микроорганизмов) переводилась в серную кислоту и сульфаты:

2S + 3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄ (суммарно),

CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + CO₂ + H₂O;

3) в глубоких слоях Земли при повышенных температурах сульфаты реагировали с органическими веществами, образуя сероводород. Например:

CaSO₄ + CH₄ → CaS + CO₂ + 2H₂O → CaCO₃ + H₂S + H₂O;

4) сульфаты, содержащиеся в почве, извлекаются растениями. В растениях сера из сульфатов переходит в аминокислоты, содержащие серу, например, цистеин:

а затем и в белок. Растения поедаются животными, и сера переходит в белок животных организмов;

5) после отмирания животных и растительных организмов белковые вещества разлагаются с выделением сероводорода, в состав которого входит сера.

Человек вмешивается в этот круговорот, переводя природные сульфиды в сульфаты при производстве серной кислоты из пирита (FeS₂), при выплавке металлов (Zn, Си, Сd) из их сульфидов.

К основным круговоротам биогенных элементов примешиваются элементы, вводимые в окружающую среду человеком. Это радиоактивные элементы Sr-90, Cs-137. Стронций сходен с кальцием, а цезий с калием и поэтому они заменяют биогенные элементы Са (в костях) и К (в тканях), разрушая живые организмы. Примером элемента, загрязняющего окружающую среду исключительно с помощью человека, является ртуть (Нg). По сравнению с доиндустриальным периодом поток ртути в атмосферу вырос на 60%. Очень опасны содержащиеся в биосфере Cd, Рb. Иногда, подчёркивая губительность металлов для живого, говорят о металлизации планеты (точнее биосферы). Поэтому с каждым годом возрастает значение природоохранных мероприятий, направленных на сокращение выбросов и стоков, содержащих токсичные металлы.

Завершая повествование о биогеохимических циклах (БГЦ) элементов, сделаем основные выводы:

а) БГЦ элементов существует благодаря энергии Солнца и активной деятельности живого;

в) все БГЦ в природе взаимосвязаны, выключение БГЦ одного элемента возможно лишь умозрительно, например, круговорот воды – совокупный цикл атомов водорода и кислорода;

в) круговорот совершает элемент не в виде совокупности атомов, а в составе простых и сложных (неорганических и органических) веществ;

г) глобальная хозяйственная деятельность человека приводит к изменениям естественных циклов многих элементов и появлению циклов второстепенных, но токсичных элементов.

Вопросы и задания:

1. Расскажите о роли в жизнедеятельности человека следующих элементов: Fe, Na, К, Cа, Р, I, С.

2. Почему, по вашему мнению, основой жизни является углерод, а не кремний?

3. Составьте самостоятельно схему круговорота железа (без участия и с участием человека).

4. Какими уравнениями реакций можно отразить перемещение серы из цинковой обманки (ZnS) в гипс (CaSO₄∙2H₂O)?