Материал: 4797

20

наиболее сильных проявлений воздействия человечества на окружающую среду.

Основной техногенный поток серы в атмосферу связан с эмиссией сернистых газов, образующихся при сжигании минерального топлива и выплавке металлов. Главными загрязнителями природных вод являются удобрения, смываемые в водоемы и сточные воды предприятий химической промышленности.

Более 95 % выбросов техногенных сернистых газов приходится на SO2. В атмосфере происходит быстрая трансформация SO2 в SO3 и затем в Н2SO4, образуются «кислотные осадки», выпадение которых приводит к серьезным последствиям: нарушается процесс фотосинтеза у зеленых растений, погибают наиболее чувствительные организмы – хвойные деревья, лишайники, происходит асидификация водоемов и почв.

Со сточными водами предприятий и удобрениями в водоемы поступает в сумме около 40*106т/год водорастворимых соединений серы, что оказывает губительное воздействие на гидробионтов, создавая опасность для нормального функционирования водных экосистем.

Вопросы и задания

1. К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот

серы?

2. В чем особенности массообмена серы согласно схеме 11 (см. прил.)?

Общие черты биогеохимических превращений элементов осадочного цикла

Биогеохимические превращения элементов осадочного цикла поддерживаются поступлением вещества из одного источника: из земной коры или, точнее, из гранитного слоя континентального типа земной коры. На протяжении 570 млн лет из гранитного слоя земной коры было извлечено кремния и фосфора 17 % каждого. Основные мигрирующие массы приурочены к системе континентального стока и биологического круговорота. Атмосферная миграция этих элементов ограничена по сравнению с элементами, поступающими в биосферу в результате дегазации мантии. Поэтому элементы этой группы интенсивно аккумулируются в осадках Мирового океана. Подавляющая часть элементов, вынесенных из гранитного блока земной коры, находится в осадочных породах, где сконцентрировано более 99 % кремния, фосфора, кальция от всего

21

количества каждого из перечисленных элементов биосферы. Это обусловлено сильной незамкнутостью глобальных годовых циклов, которые балансируются лишь на протяжении длительных отрезков времени – миллионов и десятков миллионов лет.

Другая особенность биогеохимических циклов рассматриваемых элементов заключается в том, что живое вещество Мировой суши содержит малую часть – миллионные доли всей массы химических элементов, мобилизированных из твердого вещества континентального блока земной коры при выветривании. Для этих элементов живое вещество служит не резервуаром масс, а глобальным биогеохимическим сепаратором.

Наряду с общими чертами обнаруживаются специфические особенности массообмена каждого элемента.

Биогеохимический цикл фосфора

Фосфор – важный элемент биосферы, формирующий свой резервный фонд в литосфере. Кларк фосфора в земной коре составляет около 0,1 %. Фосфор входит в состав выплавленного вещества земной коры. Его концентрация в базальтах – 0,14 %, в гранитах – 0,07 %. В литосфере фосфор представлен изверженными горными породами – апатитами – Ca5(PO4)3(Cl, F, OH) – или осадочными отложениямифосфоритами. Известно свыше 200 минералов фосфора, но из-за его невысокого кларка они не являются породообразующими. Суммарная масса элемента в гранитном слое литосферы равна 6,33*1015 т.

Все живое вещество планеты содержит в среднем 0,07 % фосфора или 5*1015 т. Важное значение в биосфере фосфор приобретает не в силу большого содержания, а в результате того, что без этого элемента невозможен синтез белков. Экзотермическая реакция аденозинтрифосфата с фотосинтезированными углеводами обеспечивает энергией последующие биохимические реакции. У живых организмов фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, костных тканей, зубов. Несмотря на то, что потребности живых организмов в фосфоре составляют около 10 % потребностей в азоте, фосфор входит в состав важнейших органических соединений (фитина, фосфолипидов и других соединений). Водоросли и наземные растения содержат 0,01-0,5 фосфора, животные от 0,1 % до нескольких процентов. Как правило, в питании растений фосфор занимает второе место после азота. Это объясняется отсутствием этого элемента в

22

газовой фазе, что ставит растения в зависимость от интенсивности геохимических циклов. Фосфор, являясь биофильным элементом, имеет низкую миграционную способность, и его биофильность невелика (0,75).

Распределение масс фосфора в биосфере

Для глобального цикла фосфора главное значение имеет миграция элемента в тесно связанных системах биологического круговорота и континентального стока до вмешательства человека. На суше в биокруговорот ежегодно вовлекается 345*106 т элемента. В экосистемы неорганический фосфор попадает из пород земной коры в результате их разрушения или при разложении органического вещества редуцентами. Фосфор усваивается растениями из почвы в форме расворенных фосфат ионов. Усвоение фосфора растениями в значительной степени зависит от кислотности почвенного раствора. В воде фосфаты кальция малорастворимы,

вщелочной среде – практически нерастворимы. В кислой среде образуются химические комплексы, связывающие фосфор с алюминием, железом и марганцем, извлекая фосфор из активного фонда биогенных элементов. Фосфор наиболее легко доступен в узком диапазоне кислотности, в слабокислой среде.

Врастениях фосфор участвует в синтезе различных органических соединений, далее по пищевым цепям переходит к животным и возвращается

впочву в виде фосфатов, либо непосредственно – выводимый животными, либо опосредованно – в результате бактериального преобразования органических соединений, содержащихся в остатках отмирающих растений. Фосфаты при посредстве фосфатмоболизующих бактерий образуют растворимые фосфат ионы, доступные растениям.

23

Рассматривая почву как источник фосфорного питания для растений, отмечаем, что содержание составляет около 0,08 %, и в почве фосфор может быть в двух формах:

1)фосфор входит в структуру первичных минералов и встречается в форме фосфатов кальция (до 80 % - апатиты, фосфориты) и в форме фосфатов железа и алюминия;

2)от 25 до 85 % общего фосфора в разных почвах находится в органической форме. Органический фосфор составляет 0,5-2 % количества органического вещества почвы. Масса почвенного органического вещества составляет 4,65*109 т.

В почву соединения фосфора поступают с растительными и животными остатками, экскрементами животных, а также с минеральными удобрениями.

В минерализации органических и неорганических фосфатов (фосфат кальция в нейтральных и щелочных почвах, фосфаты алюминия и железа в кислых) участвуют различные микроорганизмы: бактерии (родов

Pseudomonas, Bacillus), грибы Penicillium, Aspergillus и другие),

актиномицеты, дрожжи. При разложении органических веществ микроорганизмами последние фиксируют в своих клетках определенное количество фосфора, содержащегося в этих веществах. Поэтому внесение в почву органических соединений, бедных фосфором, например, соломы, может вызвать биологическое закрепление фосфатов и связанное с ним фосфорное голодание растений.

Растворение фосфатов в почве происходит в результате выделения микроорганизмами углекислоты и кетокислот при неполном окислении углеводов или их брожении. При этом труднорастворимые трикальцийфосфаты переводятся в растворимые моно- и дигидрофосфаты.

В некоторых случаях растворению фосфатов способствует азотная кислота, образуемая нитрифицирующими бактериями, и серная кислота, появляющаяся в результате сульфофикации. Все это повышает доступность фосфора для растений. Однако растворимые формы фосфора биологически и химически адсорбируются почвой и довольно прочно закрепляются в ней, поэтому вымывания фосфора из почвы практически не происходит.

Но в анаэробных условиях под влиянием фосфатредуцирующих бактерий возможно восстановление фосфорной кислоты до

24

фосфорноватистой и фосфористой кислоты, которая может улетучиваться из почвы.

Основной фонд фосфора, в отличие от азота и углерода, сосредоточен не в живом веществе, а в горных породах, включая вулканический апатит. Образующиеся в процессе эрозии горных пород растворимые фосфаты частично выщелачиваются и сносятся в водоем. В ионной форме в океан с континентальным стоком поступает 1*106 т/год фосфора.

Количество фосфора, выносимое со взвешенными твердыми частицами, значительно превышает массу растворенных форм фосфора. Средняя концентрация взвешенных форм элемента равна 510 мкг/л, а выносимая во взвеси масса оценивается в 21*106 т/год, что составляет 88 % общей массы выносимого реками фосфора. Интенсивность стока фосфора с суши тесно связана с физическими, химическими и биологическими факторами, влияющими на скорость механической эрозии.

Реки непрерывно обогащают океаны фосфатами, что способствует развитию фитопланктона и живых организмов. В океане в биологический круговорот фотосинтетиками ежегодно вовлекается 1210*106 т, что существенно больше по сравнению с вовлекаемой в биокруговорот массой фосфора на суше. Это свидетельствует об ограниченности запасов доступного фосфора, как и азота, в океане, в то время как на суше живое вещество более обеспечено.

Впищевых цепях водных экосистем фосфор переходит от фитопланктона к рыбам, далее к морским птицам, возвращающим его на сушу. Последний перенос привел, в частности, к огромным скоплениям экскрементов птиц (гуано). Перуанские залежи гуано свидетельствуют о крупномасштабности этого явления в некоторых районах земного шара. Образование гуано в масштабе биосферы на сравнительно короткий период размыкает круговорот фосфора. Возвращение минеральных фосфатов в воду осуществляется посредством биовосстановителей.

Во всех водных экосистемах, так же, как и в континентальных, фосфор встречается в четырех формах: минеральные и органические, нерастворимые

ирастворимые, фосфаты биомассы и мертвого вещества.

Вводах умеренных широт в зимнее время возрастает содержание минеральных фосфатов. Максимального значения концентрация фосфатов достигает весной, в то время, когда биосфера особенно сильно в них