4797

10

Содержание свободного кислорода в воде составляет 0,6*1013 т или 0,5 % от содержания кислорода в атмосфере. Холодная вода высоких широт поглощает кислород, поступая с океаническими течениями в тропический пояс, она выделяет О2. Поглощение и выделение кислорода происходят также при смене теплых и холодных сезонов года. В годовой массообмен между атмосферой и океаном вовлекается около 0,5 % атмосферного кислорода, то есть 5900*109т, что почти в 20 раз больше биогенного продуцирования кислорода.

Врезультате растворения газов в воде и их последующего испарения между гидросферой и атмосферой происходит непрерывный циклический обмен, благодаря которому поддерживается динамическое равновесие. В этом глобальном процессе участвует и сама вода в результате испарения и конденсации.

Вкруговорот воды через атмосферу вовлекается более 520 тыс. км3 воды ежегодно. Значение этого глобального процесса трудно переоценить: благодаря ему осуществляется регулирование теплового режима планеты и сохраняются условия существования жизни. Вместе с тем природные воды – активный фактор миграции химических элементов. Поэтому движение огромных масс воды в системах: поверхность суши – атмосфера; поверхность океана – атмосфера; океан – атмосфера – суша – океан имеет важное значение для геохимии биосферы.

Общее количество кислорода в атмосфере накопилось за все время существования зеленой растительности. Сейчас свободный кислород образуется со скоростью 155*109т/год, то есть больше чем на порядок по сравнению с его приходом. Это свидетельствует о нарушении экологического компонента в биосфере в результате антропогенного воздействия, так как во многих промышленных странах при сгорании топлива расходуется кислорода больше, чем его выделяют растения при фотосинтезе. Сжигание всех известных на сегодня запасов высококачественного ископаемого топлива (угля, нефти, газа) может привести к уменьшению содержания кислорода в атмосфере на 1,8 %, что будет способствовать ухудшению жизнедеятельности биоты. Но сдерживающим мотивом в использовании ископаемого топлива является не уменьшение концентрации кислорода, а увеличение содержания углекислого газа. Уменьшение содержания растворенного в воде кислорода, влияющего на объемы кислородных потоков в биосфере, связано с промышленными

11

отходами, попадающими в природные воды. Загрязнение почв, сведение лесов уменьшает обмен кислородом и углекислым газом между атмосферой и сушей. Но основная масса кислорода находится в кристаллическом силикатном веществе земной коры и высвобождается из него при помощи живого вещества. Поэтому для поддержания установившихся объемов кислородных потоков в биосфере необходимо сохранение живого вещества как главной геохимической силы.

Вопросы и задания

1.К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот кислорода?

2.Как происходит круговорот кислорода в природе?

3.Используя схемы 4-5 (см. прил.), назовите процессы преобразования веществ и укажите их экологическое значение.

Биогеохимический цикл азота

Биогеохимический цикл азота – это пример саморегулирующегося цикла с большим резервным фондом в атмосфере. В воздухе свободный азот в виде молекул N2 составляет 78 % (по объему и 75 % по массе). Среднее содержание азота в литосфере – 0,01 %. Содержание связного азота в каменном угле – 1-2, 5%, в нефти – 0,02 – 1,5 %, в гранитном слое – 0, 002 %. В осадочной оболочке в 3, а в атмосфере в 23 раза больше азота по сравнению с гранитным слоем литосферы. Следовательно, суммарное количество азота, содержащееся в биосфере, нельзя объяснить извлечением из разрушавшегося гранитного слоя. Поступление азота в биосферу обусловлено выделением газообразных соединений азота из недр Земли. Поступление газообразных соединений азота из недр Земли в атмосферу близко к 1,0*106 т/год.

Азот накапливается в почвах (3-4 %) и в живых организмах (0,3-6 %). За время существования биосферы на поверхности Земли накопилось 150*109 т связного азота. Однако распределен он по компонентам биосферы неравномерно. Наибольшее его количество сосредоточено в почве и

12

составляет 110*109 т, меньше в растениях – 25*109 т и еще меньше в биомассе животных – 6* 107 т. В белке животных и человека содержится 16 – 17 % азота. В организмах плотоядных животных белок образуется за счет потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и в растениях. Растения синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества.

Распределение масс азота в биосфере

Главным поставщиком азота в биосферу являются недра Земли, а основным накопителем – атмосфера. Состав атмосферного газа непрерывно обновляется благодаря циклическим процессам массообмена, связывающим атмосферу с Мировой сушей, педосферой, океаном и его осадками.

Современная структура глобального цикла массообмена азота состоит из нескольких взаимосвязанных круговоротов. Один из круговоротов обусловлен фотохимическими реакциями в тропосфере. Фотохимическая диссоциация паров воды с последующей диссипацией водорода способствует присутствию сильного окислителя ОН- , который взаимодействует с оксидами азота, образуя азотистую и азотную кислоты, те, в свою очередь, с осадками выпадают на земную поверхность. С атмосферными осадками поступает в настоящее время до 75* 109 т/год азота.

Вероятно, первичный миграционный цикл азота сводился к фотохимической трансформации всех газообразных соединений азота (кроме N2) в окисленные растворимые формы с последующим их удалением из

13

атмосферы. В настоящее время фотохимические реакции продолжают участвовать в выведении азота из атмосферы, но приоритетное значение в этом процессе получила биогеохимическая деятельность бактерий.

Основное свойство азота – его сильно выраженная поливалентность, что весьма важно для биогеохимических процессов. Переводя азот из одной формы в другую, меняя в разных условиях его валентность, организмы получают энергию для своей жизнедеятельности. Возможно, именно поэтому азот является необходимой составной частью белков.

Азот – необходимый для живых организмов элемент (хотя буквально означает «безжизненный»). Но основная масса этого элемента, находящаяся в атмосфере в химически неактивной форме N2, недоступна для главных продуцентов – зеленых растений суши. Существуют некоторые виды бактерий, способные активизировать молекулярный азот и связывать его в химические соединения. Это процесс называется фиксацией азота.

В организмах большая часть азота присутствует в форме соединений, в состав которых входит аминогруппа NH2, или в виде аммония. В процессе биохимической фиксации расщепляется молекула N2 и атомы азота соединяются с атомами водорода с образованием аммиака. Этот процесс протекает с помощью фермента нитрогеназы. Аммиак и ион аммония могут поглощаться корнями растений и входят в состав аминокислот.

Фиксацию азота осуществляют специализированные бактерии семейства Azotobacteriaceae и в определенных условиях сине-зеленые водоросли. Наиболее продуктивны симбиотические азотфиксирующие клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, которые относятся к роду Rhizobium. Масса азота, фиксируемая из воздуха почвенными бактериями, оценивается от 3*106 до 200*106 т/год.

Трансформация отмершего органического вещества обеспечивается взаимосвязанными бактериальными процессами, происходящими в почве. Первый из них является аммонификация - микробиологическая трансформация азота органических соединений в ион аммония или аммиак. Аммонификация протекает в аэробных условиях и сопровождается активным образованием углекислого газа. Аммоний подвергается следующему процессу трансформации: в аэробных условиях протекает нитрификация – биохимическое окисление аммиака в нитрит ион бактериями рода Nitrosomonas, а затем нитритов – до нитратов бактериями рода Nitrobacter. В анаэробных условиях развиваются процессы денитрификации, в результате

14

которых нитраты и нитриты восстанавливаются до закиси азота или до газообразного молекулярного азота. В итоге молекулярный азот после разнообразных биохимических превращений возвращается в атмосферу в количестве от 40*106 до 400*106 т/год. Масса азота, фиксируемая почвенными бактериями, составляет 44-200*106 т/год. До вмешательства человека продукция процессов денитрификации была сбалансирована с продукцией бактериальной фиксации, а в настоящее время количество закиси азота, образуемой при денитрификации, в несколько раз меньше массы азота, фиксируемой бактериями.

Микробиологический круговорот: фиксация молекулярного азота – аммонификация опада – нитрификацияденитрификацияимеет наиболее важное значение для глобального массообмена азота, так как обеспечивает основной поток азота из его главного резервуара – атмосферы.

Круговорот азота, обусловленный его бактериальной фиксацией и дальнейшей трансформацией, тесно связан с потреблением доступного

азота. Большая часть этой массы возвращается в почву в составе растительных остатков и включается в микробиологические процессы аммонификации, нитрификации, а образуемые аммоний и нитраты вновь захватываются растениями и участвуют в процессе ассимиляции.

Часть азота выводится из биокруговорота и аккумулируется в мертвом органическом веществе в виде лесных подстилок, торфа, гумуса. Значительная масса азота захватывается поверхностными водами из педосферы и вымывается с речным стоком в океан. Суммарный вынос азота составляет до 24*106 т/год.

В океане происходят те же процессы трансформации и миграции соединений азота, что и на суше, но соотношение этих процессов иное. Жизненные циклы фотосинтезирующих организмов протекают значительно быстрее, чем на суше.

БГХЦ азота претерпел сильную деформацию от хозяйственной деятельности людей. Наиболее значительные изменения связаны с индустриальной фиксацией молекулярного азота из атмосферы, производством на этой основе азотных удобрений и их внесением. Масса ежегодно фиксируемого промышленного азота превышает 60*106 т. Значительное количество азота (до 40* 106 т/год) в форме оксидов поступает

15

в атмосферу с выбросами промышленных предприятий и транспорта при сжигании минерального топлива; происходит значительное загрязнение водоемов бытовыми и промышленными стоками. К эвторофикации водоемов приводит выщелачивание биогенных элементов с сельхозугодий в результате применения удобрений.

Вопросы и задания

1.К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот? Объясните почему?

2.Каковы особенности миграции азота в природе?

3.Согласно схеме 6 (см. прил.), укажите особенности биогенной миграции азота.

4.Охарактеризуйте особенности трансформации азота по схемам 6, 7 и 8 (см. прил.).

Биогеохимический цикл серы

Сера – активно дегазируемый элемент. В то же время поступление серы в атмосферу по сравнению с инертными газами и углекислотой сильно затруднено. Это связано с тем, что в процессе активного дегазирования мантии и происхождения через толщи горных пород газы растворяются в подземных водах. При этом сероводород активно восстанавливает тяжелые металлы, образуя труднорастворимые сульфиды, а сернистый газ частично связывается в составе плохо растворимых сульфатов кальция, бария, стронция. Средняя концентрация сульфидной серы в гранитном слое континентального блока земной коры - 0,064 %, сульфатной – 0,04 %.

Часть диффундирующих через земную кору газообразных соединений серы, а также сернистые газы вулканических выбросов поступают в систему Мирового океана и почву. При этом значительная часть газов захватывается бактериями в своеобразный микробиологический круговорот. Таким образом, дегазируемые соединения серы по пути в атмосферу должны преодолевать двойной барьер: физико-химический в земной коре и биогеохимический на поверхности Мировой суши и в океане. Содержание сероводорода и сернистого газа в атмосфере непостоянно и составляет около 2*10-8 %, суммарное количество серы в атмосфере – 14*105 т.

Сера – важный биогенный элемент. Ее среднее содержание в расчете на сухое вещество составляет в морских растениях около 1,25 %, наземных – 0,3 %; в морских животных 0,5 – 2 %, наземных – 0,5 %.

16

Основной источник, доступный живым существам, - сульфаты. Хорошая растворимость в воде многих сульфатов облегчает доступ неорганической серы в экосистемы. Поглощая сульфаты, растения их восстанавливают и выбрасывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин). Известно, что эти аминокислоты играют важную роль при выработке третичной структуры протеинов, когда формируются дисульфидные (-S-) мостики между различными звеньями полипептидной цепи. Кроме того, сера входит в состав некоторых биологически активных веществ – катализаторов окислительтно-восстановительных процессов в организмах и активизируют некоторые ферменты, сера входит в состав витаминов.

Неорганические соединения серы в организмах животных обнаружены в небольших количествах в виде сульфатов (в крови, моче) и в виде роданидов (в слюне, желудочном соке, молоке, моче). В организм животных сера попадает с кормом.

Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от окислительно-восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в земной коре составляет 0, 047. В природе сера образует более 420 минералов, главным образом, сульфидов: пирита FeS2, халькопирита FeCuS2. В осадочных породах сера содержится в глинах в виде гипса CaSO4 X 2H2O, в ископаемых углях в виде примесей пирита, реже в виде сульфатов.

Распределение масс серы в биосфере

Биогеохимический цикл серы происходит между нерастворимыми сульфидами, составляющими обширный фонд в почве и отложениях, газообразными соединениями серы, составляющими обменный фонд в атмосфере, и сульфат ионами в гидросфере. Несмотря на существование газообразных соединений серы, преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде.

Находящаяся в почве сера представляет собой продукт выветривания материнских горных пород, содержащих пириты, халькопириты, гипс, сульфат натрия, калия, аммония, а также ряд органических соединений в виде аминокислот белков растений, животных и микроорганизмов. Валовые запасы серы в почвах сравнительно невелики, и растения часто ощущают недостаток в ней.

Органические и неорганические формы серы под влиянием микроорганизмов подвергаются в почве различным превращениям: одни из них восстанавливают серу до сероводорода и элементарной серы, другие окисляют эти продукты разложения до сульфатов. Направление трансформаций соединений серы регулируется в основном факторами внешней среды.

В аэробных условиях хемосинтезирующие бактерии окисляют сероводород, элементарную серу до сульфатов. Наиболее широко этот процесс осуществляется тионовыми бактериями, одноклеточными бесцветными серобактериями, а также хемоорганогетеротрофными микроорганизмами (бактерии родов Bacillus, Pseudomonas, актиномицеты, грибы). Окисляют соединения серы также фотолитоавтотрофные пурпурные и зеленые серобактерии, которые могут использовать солнечную энергию для фиксации углекислого газа. Источником водорода в этой реакции является не H2O, как при фотосинтезе зеленых растений, а H2S, сера окисляется при этом до сульфат иона. Процесс окисления серы до сульфатов называется сульфофикацией. Образуемые биохимическим путем сульфат ионы потребляются растениями, выщелачиваются из почвы в водоем, а также адсорбируются на поверхности глинистых частиц.

18

В плохо аэрируемых почвах, затопляемых водой, где обнаруживается дефицит кислорода, происходит микробиологическое восстановление сульфатов. Процесс восстановления сульфат ионов до сероводорода называется десульфофикацией. Сульфатвосстанавливающие бактерии – это специализированная группа микроорганизмов, которая использует сульфат в качестве акцептора электронов в анаэробных условиях для окисления органических соединений или водорода. Они не способны к автотрофному связыванию углекислоты и для своего роста к хемоорганогетеротрофам. Десульфофикация ведет к потере серы из почвы в виде сероводорода, а также способствует подщелачиванию почвенных растворов и приводит к гибели растений, так как сероводород токсичен для растений. Установлено разрушение сульфатвосстанавливающими бактериями нефтяных продуктов и загрязнение сероводородом промышленного газа. Образующийся сероводород удаляется двумя путями. Во-первых, происходит связывание серы в виде черных гидратированных сульфидов железа, в дальнейшем превращающихся в пирит и марказит. Во-вторых, сероводород мигрирует в атмосферу. Почвенные бактерии на суше выделяют в атмосферу в виде газов 58*106 т/год серы, из которых 15*106 т/год поглощается растительностью, а 43*106 т/год окисляется в атмосфере до сульфатов и выпадает с атмосферными осадками.

Глобальный массоперенос серы в биосфере не ограничен миграцией газообразных соединений, он также включает в себя миграцию водорастворимых соединений этого элемента в поверхностных и грунтовых водах. Образование водорастворимых форм серы связано с гидролизом и окислением нерастворимых сульфидов в сульфаты, а также с протеканием микробиологических процессов. Водорастворимые сульфаты выщелачиваются из выветренных горных пород и выносятся с поверхности суши с речным стоком. Концентрация сульфат ионов в морской воде 2,7 г/л. В системе Мирового океана аккумулировано 3,7 *1015 т сульфатов.

Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные. В некоторых морских организмах содержание серы значительно. Так пищеварительные железы моллюсков, обитающих в северных морях, выделяют жидкость, содержащую до 4 % серной кислоты. Много серы обнаружено в составе корненожек. В морских водоемах в областях, лишенных свободного кислорода, размножаются сульфатвосстанавливающие бактерии.

19

Возникающий таким образом сероводород диффундирует в верхние горизонты бассейна, где окисляется под влиянием кислорода серобактериями. Некоторые виды бактерий окисляют сероводород до элементарной серы, которая концентрируется в их телах. После гибели бактерии привносят серу на дно, создавая иногда скопления самородной серы биохимического происхождения. Кроме того, высокая активность сульфатвосстанавливающих бактерий в водоемах может приводить к накоплению сероводорода в воде и гибели морских обитателей. В некоторых лиманах и даже открытых морях на определенной глубине (в Черном море на глубине 200 м) сероводород накапливается, в результате чего подавляется развитие живых организмов.

Вотдельных водоемах, характеризующихся большим содержанием железа в глубинных водах и в иле, выделения сероводорода не происходит из-за связывания его с железом в форме труднорастворимого сульфида, который уходит в осадки на дне водоема и надолго прочно связывает крупные массы серы.

Благодаря постоянному выводу серы в осадки, в осадочной оболочке накоплено большое количество этого элемента. Средняя концентрация сульфидной серы в осадочной оболочке 0, 183 %, масса – 4*1015т; масса сульфатной серы – 5,2*1015 т, а общее количество серы – 9,3* 1015т. В то же время во всем гранитном слое земной коры 8,5*1015т серы. Если учесть растворимую в океане сульфатную серу (1,2*1015), то очевидно, что в биосфере этого элемента имеется больше, чем его могло быть извлечено из гранитного слоя континентального блока земной коры даже при полном его разрушении. Распределение масс серы в биосфере убедительно свидетельствует, что эти массы не выщелочены из гранитного слоя при его выветривании, а привнесены в биосферу в результате дегазации мантии.

Вглобальном цикле серы ярко выражена его сильная незамкнутость, проявляющаяся в непрерывном выведении из миграционных потоков значительных масс серы в виде сульфидов железа и сульфатов кальция и магния. Благодаря выведению серы в океане, в атмосфере поддерживается очень невысокое содержание сернистых газов. В то же время сера – один из главных компонентов газов, выделяющихся из недр Земли. Поступление соединений серы, образованных в результате хозяйственной деятельности людей, в атмосферу, педосферу и природные воды является одним из