Материал: 4797

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