Лекции по экологии (стр. 2 из 8)
Общее количество углерода земной коры (трех оболочек), по Вернадскому, составляет примерно 1×1017 т, причем большая часть его рассеяна повсюду в природе, поэтому такой разброс в данных по распределению его по отдельным формам нахождения (табл. 2.9).
Таким образом, основная масса углерода принимает участие в медленном геологическом кругообороте. Естественно предположить, что в настоящее время атмосфера содержит лишь ничтожную часть СО2 от того запаса, который первоначально имелся, и углерод постепенно выводился из биологического кругооборота из-за отложений в литосфере. Но из-за антропогенных факторов (использование горючего, его сгорания) в последнее время доля СО2, а значит, и углерода в атмосфере неуклонно растет из года в год.
Таблица 2.9. Количество углерода, в т
| Скопление углерода | Количество углерода, т | |
| По Вернадскому | По Г.В. Стадницкому и А.И. Родионову | |
| Атмосфера | 3×1012 | 2,35×1012 |
| Океан | 1×1014 | - |
| Карбонатные отложения | - | 1,3×1016 |
| Кристаллические породы | - | 1×1016 |
| Известняки | 3×1016 | - |
| Живое вещество | 1×1012 | » 5×1011 |
| В растительных тканях | - | 5×1011 |
| В животных тканях | - | 5×109 |
| Каменные угли | 2×1013 | - |
| В каменных углях + нефти | - | 3,4×1015 |
Большим регулятором содержания СО2 в атмосфере является Мировой океан. Много углерода исключается из биологического кругооборота веществ на суше и попадает в океан в основном в виде карбонатных солей. Если в атмосфере повышается содержание СО2, то часть его растворяется в воде, вступает в реакцию с СаСО3, с образованием растворимых в воде гидрокарбонатов, например Са(НСО3)2. Наоборот, при уменьшении содержания СО2 в атмосфере, гидрокарбонаты, которые всегда содержатся в морской воде, превращаются в карбонаты, которые выпадают из раствора, частью используются организмами для построения скелетов или панцирей (раковин) животных, при отмирании, а частью и без отмирания в виде СаСО3 оседают на морское дно. Таким образом, существует обратимый процесс:
® уменьшение концентрации СО2
Са(НСО3)2 « СаСО3¯ + Н2О + СО2 .
¬ увеличение концентрации СО2
Один из наиболее сложных кругооборотов, так как с кислородом О2 вступает в реакцию большое количество органических и неорганических веществ, а также водород (последний дает с О2 ® воду Н2О). Упрощенная схема кругооборота кислорода представлена на рис. 2.8).
Кругооборот кислорода непосредственно связан с кругооборотом углерода (процессы фотосинтеза, дыхания и питания животных). Особенностью кругооборота кислорода является широкое многообразие кислородсодержащих веществ в биосфере. Кислород в
Рис. 2.8. Кругооборот кислорода
целом самый распространенный в биосфере химический элемент. В свободном виде (О2) он присутствует в наземных водных источниках, в почве и составляет основу воздуха, присутствуя в атмосфере также и в виде озона (главным образом в стратосфере). Роль озона в биосфере, его образование подробно рассматривается в других разделах пособия. В связанном виде кислород составляет основу горных пород и минералов (например, солевых и оксидных), а также газообразных продуктов (например, оксидов углерода, серы, азота и др.), и, наконец, воды (самого распространенного на планете вещества), образование которых рассматривается в других кругооборотах элементов и веществ.
Нарушение стабильного кругооборота кислорода происходит в основном из-за больших объемов сжигания органического топлива (свободный кислород тратиться на окисление), а с другой стороны, из-за массовой вырубки лесов (главного источника поступления свободного кислорода в биосферу). Одновременно с этим возникает целый блок глобальных проблем (парниковый эффект, кислотные дожди, явления "смога" и др.).
2.6.3. Кругооборот серы
Существуют гипотезы, что в ранние геологические эпохи Земли недостаток О2 предполагал существование серы в основном в виде Н2S и солей (главным образом, сульфидов, например FeS2). С формированием О2 начинаются окислительные процессы. В наше время сера на планете присутствует в виде Н2SО4 и Н2S (и их солей), и части свободной серы, SО2 , а также в виде органических веществ в живых организмах.
Величайшую роль в кругообороте выполняют бактерии. Мы уже знакомы с фотосинтезом, но, кроме этого, некоторые бактерии, используя энергию химических экзотермических реакций окисления (хемосинтез), синтезируют органические вещества. Так под действием особого вида бактерий (серобактерии) идет окисление Н2S до S:
2Н2S + О2 ® 2Н2О + 2S + 127 ккал (+ Q).
Cера откладывается в «телах» серобактерий, составляя до 95 % их общей массы, тем самым устраняя вредное действие Н2S на растения и животных. Это неполный процесс окисления серы, он идет и дальше до Н2SО4 под действием О2 воздуха, а также пурпурных бактерий, для которых дыхание заменяется процессом:
бактерии
Н2S + 2О2 ® Н2SО4 + 189 ккал.
Сера окисляется на воздухе, а также в организмах серобактерий, если они будут лишены сероводородной среды:
2S + 3О2 + 2Н2О = 2Н2SО4 + 251 ккал,
SО2 или Н2SО3 – практически не образуются, а образуется Н2SО4, так как протекают достаточно сложные процессы:
2S + 2О2 + 2Н2О = 2Н2SО3 + 157 ккал, (1)
2Н2SО3 + Н2О + O2 = 2Н2SО4 + 94 ккал. (2)
Вторая реакция протекает быстрее, поэтому Н2SО3 (или же SО2 + Н2О) не накапливается. Свободная Н2SО4 в природе встречается редко (разве что при кислотных дождях), она очень активна, поэтому реагирует с содержащимися в почве и воде веществами или горными породами, например:
СаСО3 + Н2SО4 = СаSО4 + СО2 + 2Н2О.
Большая часть сульфатов уносится водами рек, а также под действием осадков и выветривания минералов, в моря, частью растворяясь в океанических водах, а частью откладываясь на дне в виде напластований и образуя минералы, особенно природного гипса СаSО4×2Н2О, перемещаясь в глубины литосферы, а затем через годы – на поверхность и т.д.
Попадая в глубокие слои литосферы, тот же СаSО4, претерпевает восстановительный процесс, например, с участием органических веществ:
СаSО4 + СН4 ® СаS + СО2 + 2Н2О ® СаСО3 + Н2S + Н2О.
Таким образом, возникают сероводородные («серные») источники (например, Мацеста, Пятигорск). Но существуют и другие бактерии – сульфатовосстанавливающие, которые питаются за счет сульфатов. Так, на глубине ниже 150 м, например, в Черном море, сульфаты под действием этих бактерий восстанавливаются до сероводорода, который, поднимаясь наверх, вновь подвергается действию серобактерий, окисляется до SО42-, а часть Н2S уходит в атмосферу. Источники Н2S – болота, вулканическая деятельность, природные процессы гниения отмерших живых организмов.
При извержении вулканов выделяется Н2S и SО2, концентрации которых могут быть различными, тогда возможно протекание реакции: 2Н2S + SО2 ® 3S + 2Н2О.
При избытке Н2S, выделяющаяся сера защищается от окисления и потому может образовывать на некоторой глубине в толще литосферы – пласты S или вкрапления.
Кроме того, на больших глубинах формируются горючие природные ископаемые (тот же уголь, и углеводороды, содержащие серу), откладываются сланцы и другие осадочные породы, содержащие серу.
При добыче этих ископаемых, их сжигании или химической переработке, а также их естественном разложении в атмосферу выбрасываются SО2 и Н2S, которые окисляются до Н2SО4 и, наряду с природными источниками, затем выпадают на землю в виде осадков – кислотных дождей. И так, круг замыкается. Особенно из-за деятельности человека, а также из-за окислительной способности воздуха в наше время кругооборот осуществляется с увеличением содержания сульфатов, а в прошлом – преобладали сульфиды.
Остался неучтенным процесс потребления серы растениями, с учетом которого кругооборот серы можно выразить упрощенной схемой (рис. 2.9).
Переработка сульфатов растениями, в том числе и с использованием бактерий, очень сложный процесс, приводящий к синтезу растениями серосодержащих белковых веществ.