Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия окружающей среды. В 3 частях. Ч. 1. Учебное пособие
.pdf
31
разложение (минерализация):
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O.
Образующиеся в процессе фотосинтеза молекулы углеводов в ходе даль-
нейших химических процессов, происходящих в растениях, превращаются
в другие химические соединения живой материи — белки, жиры и т.д.
Рис. 2.4. Принципиальная схема биогеохимического цикла углерода в биосфере
Процесс фотосинтеза требует затрат энергии — на образование 1 молеку-
лы С6Н12О
6
(глюкозы) расходуется 2824 Дж. Эту энергию растения получают в
виде электромагнитной энергии солнечного излучения, акцептором (поглотите-
лем) ее является зеленый пигмент растений — хлорофилл.
В результате процесса фотосинтеза электромагнитная энергия
трансформируется в химическую энергию образующихся соединений. Ис-
ходные вещества для фотосинтеза, вода и углекислый газ, — достаточно
нейтральные, малоактивные химические соединения. Фотосинтез разделяет их
смесь на два чрезвычайно активных в химическом плане вещества — сильный
окислитель (кислород) и сильный восстановитель (органические вещества).
Обратная фотосинтезу реакция разложения (минерализации) органических соединений в условиях биосферы приводит к неполному расходованию
образовавшегося при фотосинтезе кислорода. Часть органического углерода
сохраняется в виде устойчивых соединений — гумусовых кислот, из которых в
процессах дальнейшей трансформации формируются залежи твердых горючих
ископаемых (торф, уголь).
32
Неполное разложение образующегося органического вещества — источник накопления в биосфере кислорода.
Углерод, выведенный из цикла «атмосфера — живое вещество», частично
сохраняется в почвах (педосфера) в виде растительных остатков и гумуса. Значительная часть углерода окисляется, а затем в составе ионов НСО
3
-
и СО
3
2-
,
взвешенных частиц и растворенных органических соединений выносится с континентальным поверхностным стоком в океан (геохимический цикл). Годовой
вынос углерода в виде ионов карбоната и бикарбоната оценивается величиной
более 0,4·10
9
т, вынос углерода в составе взвешенных и растворенных органи-
ческих соединений — 0,5·109 т.
Вынос углерода в виде карбонатов и бикарбонатов в океан формирует
бикарбонат-карбонатную систему Мирового океана, находящуюся в по-
движном равновесии с углекислым газом атмосферы. Холодные воды припо-
лярных районов океана поглощают углекислый газ из атмосферы, а теплые воды тропической акватории возвращают его избыток в атмосферу. Этот цикл
также незамкнут, из вод морей и океанов систематически осаждаются
карбонаты кальция и магния (СаСО3 и МgСО3).
Непрерывный вывод углерода из глобального цикла и захоронение его в
осадках морей компенсируется поступлением углекислого газа из недр Земли
(вулканическая деятельность).
Поглощение углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза
обеспечивает стабилизацию температурного режима земной поверхности.
Это связано с тем, что молекулы СО
2
в атмосфере поглощают инфракрасное
(тепловое) излучение, отходящее от земной поверхности Земли, что приводит к
увеличению температуры атмосферы (парниковый эффект). Если бы живые ор-
ганизмы не обеспечивали геохимический цикл углерода, поддерживающий невысокую концентрацию СО
2
в атмосфере, повышение содержания углекислого
газа могло вызвать разогревание поверхности планеты, испарение Мирового
океана и создание обстановки, неблагоприятной для существования биосферы.
2.4. ЦИКЛ АЗОТА
Основная масса азота в газообразной форме N
2
сосредоточена в атмосфе-
ре, где он находится в количестве 3,87·10
15
т. В живом веществе суши, главным
образом растительности, среднее содержание близко к 1% от сухой биомассы
(25·10
9
т). В органическом веществе педосферы (почвы) средняя концентрация
азота близка к 3% (100·10
9
т).
33
В океане азот в количестве 0,52·109 т присутствует в фотосинтезирующих
растениях и организмах консументов, а также в виде растворенных ионов (ионы нитрата NO
3
-
), в составе неживого органического вещества и в форме рас-
творенного в воде газа N
2
.
Масса азота, находящегося в толще осадочных пород, более чем в 3 раза
превышает его содержание в гранитном слое. В целом содержание азота в ли-
тосфере значительно меньше, чем в атмосфере и гидросфере.
Распределение азота по структурным элементам биосферы приведено
в табл. 2.1.
В глобальном геохимическом цикле азота наиболее важное значение
имеют два глобальных процесса (рис. 2.5):
массообмен азота между педосферой и атмосферой;
биологический круговорот и миграция азота в системе «суша — гидро-
сфера — атмосфера — суша».
Таблица 2.1
Распределение масс азота в структурных элементах биосферы
Структурный элемент биосферы
Масса, 109 т
Атмосфера, N
2
3 870 000
Земная поверхность:
Биомасса растений
Органическое вещество почв (педосфера)
25
100
Мировой океан (гидросфера):
Биомасса растений и консументов
Органическое вещество (растворенное и взвешенное)
Ионная форма (ионы NO
3
-
)
Растворенный N2
0,52
300
685
20 000
Литосфера:
Осадочные породы
Гранитный слой
600 000
165 000
Основным источником азота для живого вещества биосферы является ат-
мосфера. Несмотря на то что в атмосфере сосредоточено основное количество
азота, он доступен для главных продуцентов суши только в виде его соединения с кислородом (ион нитрата NO
3
-
).
34
Рис. 2.5. Принципиальная схема биогеохимического круговорота
азота в биосфере
Поступление ионов нитратов в почву связано с деятельностью организ-
мов-азотофиксаторов (отдельные виды бактерий, сине-зеленых водорослей и
грибов), а также электрических разрядов (молний). В атмосфере некоторое ко-
личество азота в результате электрических разрядов превращается в окись (NO)
и двуокись азота (NO2), которые, связываясь с молекулами воды, переходят в
ионную форму нитритов (NO
2
-
) и нитратов (NO
3
-
). Живыми организмами и растениями фиксируется до 86% массы азота, поступающего из атмосферы. Между
водной и наземной средами обитания живых организмов происходит постоянный обмен соединениями азота при преобладании поступления с наземной сре-
ды в водную.
В аэробных условиях (окислительная среда) развиваются процессы нитрификации, в анаэробных условиях (восстановительная среда) протекают процессы денитрификации, приводящие к образованию молекулярного азота и возврату его в атмосферу. При этом большая часть азота возвращается в атмосферу из водных экосистем, что связано с более высокой интенсивность
протекания в них процессов денитрификации по сравнению с наземными эко-
системами.
Биогеохимический цикл азота в биосфере связан с процессами трансформации его соединений в водных и почвенных экосистемах:
35
1. Потребление и выделение органического азота гетеротрофными мик-
роорганизмами и водорослями в результате их жизнедеятельности и посмерт-
ного распада.
2. Фиксация атмосферного азота водорослями и бактериями.
3. Ассимиляция аммонийного, нитритного, нитратного и других неорга-
нических форм азота авто- и гетеротрофными организмами.
4. Образование и выделение аммония в процессах аммонификации рас-
творенного и клеточного органического вещества.
5. Окисление ионов аммония и нитрита, а также других промежуточных
азотсодержащих соединений гетеротрофными нитрифицирующими бактериями.
6. Редукция нитратов, нитритов и других кислородсодержащих соедине-
ний азота денитрифицирующими бактериями в анаэробных условиях до моле-
кулярного азота.
7. Окисление ионов аммония в анаэробных условиях ионами нитрита
(ANAMMOX-процесс).
Образовавшиеся в результате процесса микробиологической нитрификации ионы нитрата используются фитопланктонными организмами и бактерия-
ми для синтеза азотсодержащих клеточных компонентов. Данный процесс,
называемый ассимиляционной нитратредукцией, может протекать как в
аэробной, так и в анаэробной среде.
Кроме этого процесса, при недостатке в воде растворенного кислорода и
наличия органических веществ (источник углерода) протекает микробиологический процесс восстановления нитратов до нитритов и далее до газообразных
продуктов, удаляющихся из водоемов в атмосферу (закись азота N2O и моле-
кулярный азот N
2
).
2.5. ЦИКЛ ФОСФОРА
Фосфор — достаточно редкий элемент в литосфере (кларк 1000 г/т, или
0,1%). Фосфор встречается лишь в немногих природных химических соединениях (минералах), входящих в состав осадочных и метаморфических пород
(апатит и фосфорит Ca
3
(PO4)2, вивианит Fe3(PO4)
2
·8H2O). В результате вывет-
ривания соединения фосфора вымываются из богатых ими осадочных пород, в
растворенной форме усваиваются растениями, включаясь в состав живого ве-
щества.
В биосфере важное значение фосфор приобретает в результате того, что
без этого элемента невозможен синтез белков. Наряду с углеродом, кислородом, водородом, азотом и серой фосфор является элементом, необходимым для
36
существования живого вещества, и одновременно условием, часто лимитиру-
ющим биомассу и продуктивность живых организмов.
Распределение масс фосфора в биосфере показано в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Распределение масс фосфора в структурных элементах биосферы
Структурный элемент биосферы
Масса, 109 т
Земная поверхность:
Биомасса растений
Органическое вещество почв (педосфера)
5,0
7,0
Мировой океан (гидросфера):
Биомасса растений и консументов
Растворенные формы
0,04
120
Литосфера:
Осадочные породы
Гранитный слой
1 311 000
5 768 000
Для глобального цикла фосфора главное значение имеет миграция элемента в тесно связанных системах биологического круговорота и континен-
тального стока (рис. 2.6).
Особенность биогеохимического круговорота фосфора связана с тем, что
в нем отсутствует газообразная фаза и основным резервуаром фосфора в биосфере, в отличии от азота, являются горные породы и другие отложения, обра-
зовавшиеся в прошлые эпохи.
Породы эти подвергаются процессам физико-химического выветривания,
высвобождая фосфаты в растворенном виде. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в дон-
ные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, повидимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основным поставщиком
фосфора является человек, вылавливающий большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты.
37
Рис. 2.6. Принципиальная схема биогеохимического круговорота
фосфора в биосфере
По современным оценкам на суше в биологический круговорот ежегодно
вовлекается порядка 345·10
6
т фосфора.
В океане через биологический круговорот фотосинтезирующих организмов на протяжении года проходит около 1,2·10
9
т этого элемента. Фосфор, так
же как азот и сера, значительно активнее участвует в биологическом круговороте в гидросфере, чем на суше.
Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот (РНК
и ДНК), выполняющих функции, связанные с записью, хранением и чтением
информации о строении организма. Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем относительное содержание его в
тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы. Таким
образом, дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды.
Другой характерной особенностью глобального цикла фосфора является
отсутствие потока, возвращающего значительные количества данного элемента
на сушу. Перенос его через атмосферу в форме аэрозолей незначителен и не
может компенсировать вынос элемента водным стоком с суши в океан.
В результате глобальный цикл фосфора является менее замкнутым
по сравнению с биогеохимическими циклами других биогенных элементов
(углерод, азот, сера). Главным и практически единственным источником
поступления фосфора в биосферу является процесс выветривания горных
пород суши.
38
2.6. ЦИКЛ СЕРЫ
Сера входит в число шести элементов, принимающих участие в строении
белков. Вследствие этого глобальный миграционный цикл серы в биосфере, так
же как циклы кислорода, углерода, азота и фосфора, определяется деятельно-
стью живого вещества (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Принципиальная схема круговорота серы в биосфере
Основными источниками поступления соединений серы в биосферу яв-
ляются:
1. Вулканические газы.
2. Разложение растительных и животных остатков (сераорганические со-
единения).
3. Разложение серосодержащих минералов (главным образом сульфидов).
4. Производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодер-
жащих углеводородов).
Глобальный массоперенос серы в биосфере не ограничен миграцией газообразных соединений. Биосферный круговорот серы включает в себя миграцию
водорастворимых соединений этого элемента в поверхностных и грунтовых
водах.
Первичной, глубинной по происхождению минеральной формой нахождения серы в земной коре является сульфидная форма MeSn (Me — металлы,
за исключением щелочных, щелочноземельных и благородных).
Сульфидная форма серы устойчива только в восстановительной (анаэ-
робной) среде. Образование водорастворимых форм серы связано с гиперген-
39
ной трансформацией нерастворимых сульфидов, содержащихся в горных породах, в хорошо растворимые сульфаты. В условиях окислительной (аэробной) обстановки земной поверхности сульфидная сера, как правило, окисляется
и входит в состав сульфатных соединений.
Сульфатные соли обладают достаточно хорошей растворимостью, и сера
активно мигрирует в водных растворах в составе сульфат-иона SO
4
2
-
. Образо-
вание сульфатов также происходит в почвах в результате микробиологических
процессов. Водорастворимые сульфаты выщелачиваются из выветривающихся
горных пород и выносятся с поверхности суши речным стоком в Мировой оке-
ан.
В результате высокой растворимости сульфат-иона и его водной миграции основная масса серы, в отличии от углерода и азота, аккумулируется в гид-
росфере (Мировой океан). Концентрация ионов SO
4
2–
в морской воде составля-
ет в среднем 2,7 г/л. В результате в системе Мирового океана аккумулировано
3,7·10
15
т иона SO
4
2–
(1,2·1015 т серы). Количество серы, находящейся в биомас-
се суши, равно 8,5·10
9
т, в биомассе океана — 0,15·109 т. Масса серы, находя-
щаяся в органическом веществе почвы (педосфера), близка к 25·10
9
т.
Распределение масс серы в биосфере показано в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Распределение масс серы в структурных элементах биосферы
Структурный элемент биосферы
Масса, 109 т
Атмосфера
0,0014
Земная поверхность:
Биомасса растений
Органическое вещество почв (педосфера)
8,5
25,0
Мировой океан (гидросфера):
Биомасса растений и консументов
Растворенные формы
0,15
1 200 000
Литосфера:
Осадочные породы
Гранитный слой
9 300 000
8 600 000
Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву. Сульфатион SO
4
2,-
аналогично нитрату и фосфату, — основная доступная форма
серы, которая усваивается растениями и включается в белки. В сульфатной
форме сера (в составе водных растворов) эффективно усваивается растениями,
а далее — животными организмами. Усвоению способствует то, что сульфат-
40
ные соединения серы способны накапливаться в почвах, участвуя в процессах
обменной сорбции, и входят при этом в состав почвенного поглощающего
комплекса (ППК).
Разложение органического вещества в кислородной среде приводит к возвращению серы в почву и природные воды. Если же разложение идёт в бескис-
лородной среде, то ведущую роль играет деятельность серобактерий, которые
восстанавливают SO
4
2-
до H
2
S. Сероводород H2S выделяется в атмосферу, где
окисляется и возвращается в другие компоненты биосферы в сульфатной форме. Часть серы в восстановительной обстановке может связываться в сульфидных соединениях, которые, при возобновлении доступа кислорода, снова окис-
ляются и переходят в сульфатную форму.
Изъятие серы из биосферного круговорота происходит в результате
накопления сульфатных отложений (в основном гипсовых СaSO4·nH2O), которые становятся компонентами литосферы.
Компенсируются потери серы двумя путями:
поступление H
2
S и SO
2
в атмосферу в результате вулканической дея-
тельности и последующее выпадение соединений серы на земную поверхность
с атмосферными осадками;
поступление сульфидных соединений в верхние горизонты земной ко-
ры и на дно Мирового океана в результате деятельности термальных вод.
К характерным особенностям круговорота серы относятся второстепенная роль процессов атмосферной миграции и многообразие форм ее
нахождения в биосфере в зависимости от изменения окислительновосстановительных условий, что обусловлено переходом её из сульфидных
форм в сульфатные формы и обратно.
2.7. ЦИКЛ НАТРИЯ, КАЛИЯ И КАЛЬЦИЯ
Натрий (Na), калий (K) и кальций (Са) входят в группу 10 наиболее распространенных элементов литосферы. Кларк кальция в литосфере 2,96%,
натрия и калия — 2,5%. Также данные элементы входят в состав основных минералов литосферы — полевых шпатов, содержание которых в литосфере составляет 54,3%. Полевые шпаты по своему химическому составу представляют
собой алюмосиликаты натрия, калия и кальция:
альбит (Na[AlSi3O8]) — натриевый полевой шпат;
микроклин (K[AlSi3O8]) — калиевый полевой шпат;
анортит Сa[Al2Si2O8]) — кальциевый полевой шпат.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]