Круговорот веществ в биосфере

Вода и ее круговорот В.Ф.Попов, О.Н.То лстихин В момент образова ния Земли из протопланетного облака элементы ее будущей атмосферы и гид росферы находились в связанном виде в составе твердых веществ. Их формир ование было обусловлено выделением водяного пара и газов из верхней ман тии при ее дифференциации и вулканических процессах на ранних этапах ра звития Земли. Вода - уникальное вещество. Cо школьного курса химии известно, что молекул а воды H2O - гидроль состоит из двух атомов водорода и одного атома кислород а. Атомы водорода образуют с атомом кислорода угол примерно 105°, поэтому о дна сторона молекулы имеет общий положительный заряд, а другая - отрицат ельный. Так как электрические заряды разделены, то молекула воды предста вляет собой электрический диполь. Благодаря электрическому дипольному моменту в жидкой воде каждая гидроль может соединяться с другими молеку лами воды, но не более чем в двух водородных связях, имеющих электростати ческую природу. Вследствие этого в воде появляются молекулярные агрега ты в виде цепочек, колец и более сложных систем. В постоянном объеме общее количество водородных связей зависит от термодинамических условий. Та ким образом, жидкая вода представляет собой смесь мономерных (отдельных ) и полимерных (агрегированных) молекул, определяющих ее структуру. В холо дной воде структурировано около половины молекул, а при температуре кип ения - около трети молекул. Структурные особенности изменяются не только под действием температуры и давления, но и под влиянием растворенных со лей и газов, электрического и магнитного полей. Интересны факты положительного воздействия на человеческий организм т алой воды или воды побывавшей в магнитном поле. При замачивании семян се льскохозяйственных культур намагниченной водой резко возрастает их вс хожесть, а полив увеличивает урожайность. Широко применяется метод пред варительной магнитной обработки воды для уменьшения интенсивности обр азования накипи в паровых котлах. Структурное строение жидкой воды объясняет ее уникальные и аномальные свойства. Так, необходимость разрушения водородных связей предопредел яет высокую энергоемкость воды. В результате аномально высокими станов ятся теплоемкость (4,19 Дж/°С), температуры кипения (100 °С) и плавления воды (0 °С). Заметим, что другие водородные соединения группы кислорода (H2S, H2Se, H2Te) кипят и плавятся при отрицательных температурах (-61 и -82; -42 и -64; -4 и -51 °С соответственно ), которые ложатся на плавные линии, в зависимости от молекулярной массы в ещества. Экстраполяция этих линий дает следующие теоретические темпер атуры кипения и плавления воды порядка -7 и -100 °С. В совокупности с общими за кономерностями, вытекающими из периодического закона Д.И.Менделеева, во да в земных условиях должна была бы быть дурно пахнущим газом. Теплоемкость воды превышает теплоемкость спирта в 8 раз, бензола в 10,7 раза и песка более чем в 20 раз. Поэтому вода медленно нагревается и медленно ос тывает. Нужны большие затраты энергии для превращения льда в жидкость и жидкой воды в пар. Эти свойства определяют роль воды как аккумулятора эн ергии и главного регулятора климата на Земле. Вода обладает максимальной плотностью при температуре +4 °С, в то время ка к для других жидкостей максимальная плотность соответствует температу ре плавления. При температурах выше и ниже +4 °С вода имеет меньшую плотнос ть, то есть она расширяется. Поэтому лед не тонет в собственном расплаве. Б лагодаря этому водоемы замерзают с поверхности и образовавшаяся ледян ая корка защищает их от полного промерзания, а живые организмы от гибели. Вода обладает самой высокой из всех жидкостей диэлектрической постоян ной, в результате чего при растворении солей сила электрического взаимо действия между разноименно заряженными частицами уменьшается примерн о в 80 раз и соли диссоциируют на ионы. При этом вода в большинстве случаев н е участвует в химических реакциях с растворенными веществами и они могу т быть обратно получены через выпаривание. Эта особенность воды имеет ко лоссальное геологическое и биологическое значение. Уникальные свойства воды предопределяют особую ее миссию в формирован ии лика планеты Земля, ее физической и химической среды, а также в появлен ии и поддержании удивительного явления - жизни. Напомним, что человек поч ти на 70% состоит из воды. Работа тепловых машин Земли обуславливает круговорот воды в природе, пр и этом вода переходит из жидкого в газообразное и твердое состояния и об ратно. За счет притока вода испаряется с поверхности м орей и океанов, а также суши в количестве порядка 519 тыс. км3 в год. Часть воды , испарившейся с поверхности океанов, выпадает в виде осадков в океан, сов ершив, так называемый, малый круговорот. Другая часть воды в виде водяног о пара, переносимого воздушными течениями, достигает суши. Атмосферные о садки, выпавшие на суше, частью просачиваются в почву и образуют подземн ый сток, частью стекают по земной поверхности, образуя ручьи и реки, а в ос тальной части снова испаряются, в том числе и через процесс биологическо го испарения, связанного с жизнедеятельностью растений (транспирация) и животных. В конце концов, она снова достигает океана, завершая большой кр уговорот воды на земном шаре. Вода, будучи сильнейшим растворителем, играет огромную роль в геохимиче ских процессах. Промывая толщи горных пород, она вовлекает в круговорот большую часть химических элементов периодической системы Менделеева. На Земле нет дистиллированной воды. Любая вода содержит растворенные со ли, газы, органические и коллоидные вещества. Совместно с циркуляцией во ды в биосфере, растворенные в ней элементы также участвуют в круговороте . Количество растворенных веществ варьирует в очень широких пределах. Ми нерализация может составлять от первых миллиграммов на дм3 до почти 600 г/д м3. Пресными называют воды с минерализацией до 1 г/дм3. Химический состав воды Мирового океана по ряду химических элементов (Cl, Na, О, Ca, K) очень близок к химическому составу крови человека. Вероятно, с этим с вязано оздоровительное влияние морской воды на организм человека. В пит ьевой воде растворены важные для жизнедеятельности организма органиче ские и неорганические вещества. Вода, благодаря электролитической дисс оциации содержащихся в ней солей, кислот и щелочей, выполняет роль катал изатора разнообразных процессов обмена веществ в организме. Вода - обяза тельный компонент практически всех технологических процессов сельско хозяйственного и промышленного производств. Воды гидросферы использую тся то как сырье, то как теплоноситель, то как транспортная система, то как растворитель и почти всегда как среда, в которую удаляются всевозможные отходы. В силу широкого применения воды в промышленности и в сельском хо зяйстве, а также стремительного роста потребления воды во многих регион ах мира проблема воды является весьма актуальной. Необходимо бороться с истощением и загрязнением водных ресурсов планеты. Для питьевой воды существуют строгие стандарты качества (для России это ГОСТ - 2874). Вода должна быть эпидемиологически безопасной, не содержащей бо лезнетворных бактерий и вирусов. Состав воды имеет важное значение. Напр имер, недостаточное или чрезмерное содержание фтора приводит к поражен ию зубов. Питьевая вода должна удовлетворять по органолептическим свой ствам, таким как вкус, запах, прозрачность. Естественные ц иклы основных биогенных веществ Для обеспечения ж изнедеятельности растений и животных требуются различные химические э лементы, но только некоторые из них имеют преобладающее значение. Основа жизни - белки, углеводы и жиры складываются из шести основных элементов: в одорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы. Кроме фосфора они все образуют растворимые и летучие соединения и таким образом участвуют в п овторном цикле воды. В процессе фотосинтеза зеленые растения и водоросли на свету выделяют к ислород, причем не из углекислого газа, как это считалось раньше, а из воды . Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом: 6СО2 + 6Н2О ® С6Н12О6 + 6О2. В первичной атмосфере Земли было мало или совсем не было кислорода, поэт ому первые организмы были анаэробными. Накопление кислорода началось в докембрии и он по сути является биогенным. Сейчас запасы свободного кисл орода оцениваются приблизительно в 1,6*1015 т. В процессе фотосинтеза ежегодн о участвует 1013 кг углерода атмосферы. Кислород является самым распространенным элементом на Земле. В гидросф ере его содержится 85,82% по массе, в литосфере 47%, в атмосфере 23,15%. Кислород стоит на первом месте по числу образуемых им минералов (1364). Среди них преобладаю т силикаты, кварц, окислы железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах содержится в среднем около 70% кислорода. Он входит в состав большинства ор ганических соединений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав органиче ских соединений скелета. Свободный кислород играет большую роль в биохимических и физиологичес ких процессах, особенно в аэробном дыхании. В области свободного кислорода формируются резко окислительные услови я, в отличие от сред, в которых кислород отсутствует (в магме, глубоких гор изонтах подземных вод, илах морей и озер, в болотах), где образуется восста новительная обстановка. Огромное значение для атмосферы имеет также двуокись углерода. Его соде ржание в атмосфере до промышленной революции, в 1800 г составляло 0,029%, а в наст оящее время ее содержание превысило 0,033%. В океане этого газа растворено в 50 раз больше. Углерод в больших количествах содержится в земной коре, прежде всего в к арбонатных породах - 9,6*1015 т и горючих ископаемых (угли, нефть, сланцы, битумы, газы, торф). Разведанные запасы горючих ископаемых по углероду оценивают ся в 1013 т. Синтезированные растениями углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал и други е) являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных о рганизмов. В процессе аэробного дыхания, синтезированное органическое вещество вновь разлагается с образованием углекислого газа и воды, при э том высвобождается энергия Q: С6Н12О6 + 6О2 ® 6СО2 + 6Н2О + Q. Воздух по объему почти на 80% состоит из молекулярного азота N2 и представля ет собой крупнейший резервуар этого элемента. Естественный цикл азота я вляется более сложным, чем углерода. Большинство биологических форм не м огут усваивать газообразный азот. Поэтому сначала происходит фиксация азота - превращение N2 в неорганические и органические соединения, которы е происходят как физико-химическим, так и биологическим путем. Основными фиксаторами азота являются бактерии, грибки и водоросли (прежде всего с инезеленые). Например, клубеньковая бактерия Rhizobium, проникая в корневые вол оски растений семейства бобовых, превращает азот в нитраты. На клеверном поле площадью 100 м2 ежегодно в нитраты превращается около 600 кг азота. В процессе цикла продуцент - консумент - редуцент нитраты становятся сос тавной частью белков, нуклеиновых кислот и других компонентов. Погибшие организмы являются объектом деятельности редуцентов - бактерий и грибо в, при этом они азот превращают в аммиак. И далее в нитрит и обратно газооб разный азот. Фосфор, необходимый животным и растениям для построения белков протопл азмы, поступает в круговорот за счет эрозии фосфатных пород и гуано, мине рализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков. Фосфат ы потребляются растениями. Не образующий летучих соединений фосфор име ет тенденцию накапливаться в море. Вынос фосфора из моря на сушу осущест вляется в основном с рыбой и с пометом морских птиц. Сера относится к весьма распространенным химическим элементам, которы е встречаются в свободном состоянии - самородная сера и в виде соединени й - сульфидов, полисульфидов и сульфатов. Известно более 150 минералов серы, среди которых доминируют сульфаты. В природе широко распространены про цессы окисления сульфидов до сульфатов, которые обратно восстанавлива ются до H2S и сульфидов. Эти реакции происходят при активном участии микроо рганизмов, прежде всего десульфирующих бактерий и серобактерий. В виде органических и неорганических соединений сера постоянно присут ствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом, о на входит в состав широко распространенных соединений: аминокислот, коф ерментов, витаминов. Организмы в основном состоят из вышеперечисленных элементов, однако он и не смогут жить, если не будут содержать в достаточных количествах неко торые катионы: калий, кальций, магний и натрий, которые относятся к группе макроэлементов, потому что их содержание выражается в сотых долях сухог о вещества. Некоторые вещества нужны организмам в очень маленьких колич ествах, к ним, например, относятся железо, бор, цинк, медь, марганец, молибде н и анион хлора. Микроэлементы выражаются в миллионных долях сухого веще ства. В пищевую цепь они поступают в основном через круговорот воды. Они о бладают высокой биологической активностью и участвуют во всех процесс ах жизнедеятельности: белковом, жировом, углеводном, витаминном, минерал ьном обмене, газо- и теплообмене, тканевой проницаемости, клеточном деле нии, образовании костного скелета, кроветворении, росте, размножении, им мунобиологических реакциях. Циклы некоторы х токсичных элементов Второстепенные д ля живых организмов химические элементы, также как и жизненно важные, ми грируют между организмами и средой. В естественных экологических систе мах они содержатся в таких концентрациях и формах, что не оказывают отри цательного влияния на организмы. В настоящее время стала весьма острой п роблема токсичных веществ в связи с региональными и глобальным техноге нным загрязнением биосферы. Ниже рассмотрим лишь некоторые примеры ток сичных химических элементов, оказывающих значительный отрицательный б иологический эффект. Ртуть, также как и другие тяжелые металлы, почти не влиял на организмы до н аступления индустриальной эры, потому что ее концентрации в природе был и невелики, а она сама химически малоподвижна. Разработка месторождений и промышленное использование ртути (в электротехническом оборудовании , термометрах, красках и фунгицидах) увеличили ее поток в экосистемы. Чист ый элемент не токсичен. Превращение в токсичные органические соединени я ртути, такие как метилртуть CH3Hg и этилртуть C2H5Hg, происходит благодаря бакт ериям, присутствующим в детритах и осадках. Эти соединения легко раствор имы, подвижны и очень ядовиты. Химической основой агрессивного действия ртути является ее сродство с серой, в частности с сероводородной группой в белках. Эти молекулы связываются с хромосомами и клетками головного м озга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций опасных для ч еловека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь "Минамата". Тяжелый металл кадмий представляет собой один из самых опасных токсика нтов среды, он значительнее токсичнее свинца. В последние 30-40 лет он находи т все большее техническое применение. Его попадание в пищевые цепи связа но с его промышленными выбросами в воздух и воду. Например в среднем тонн а угля содержит 2 г кадмия. Кадмий имеет свойство накапливаться в организ мах животных и растений. Так, растения аккумулируют до 70% кадмия содержаще гося в почве. В Финляндии, Норвегии и Швеции ветеренарные учреждения пре достерегают от употребления печени, почек и легких лосей, оленей, косуль и зайцев, в связи с высоким содержанием в них кадмия. Вследствие деятельности цинкового рудника произошло загрязнение кадм ием реки Дзинцу в Японии от хронического отравления умерло более 150 челов ек, сопровождавшегося атрофией костей всего скелета. Этот случай вошел в историю эндемических отравлений тяжелыми металлами под названием "бол езнь итаи-итаи". Именно с такими словами умирали больные. Стронций-90 и цезий-137 - продукты деления атома, имеющие большой период полур аспада. Эти ранее малоизученные элементы теперь являются объектами при стального внимания в связи с их большой опасностью для человека и животн ых. Они попадают в окружающую среду при производстве и использовании раз личных источников ядерной энергии. Эти вещества активно циркулируют по пищевым цепям и накапливаются в тканях животных и растений. Это связано с тем, что стронций по свойствам похож на кальций, а цезий - на калий. По мнен ию некоторых ученых в костях людей уже содержится такое количество стро нция, что он может оказывать канцерогенное действие. Дихлордифенилтрихлорэтан или просто ДДТ - пестицид (пестис - зараза, циде - убиваю, лат.), использовавшийся, а местами используемый до сих пор в сельс ком хозяйстве для борьбы с насекомыми. В свое время его открытие было отм ечено Нобелевской премией. Он малорастворим и никогда не поступает в вер хние слои атмосферы и при этом встречается повсюду. Его обнаруживают в т канях пингвинов Антарктиды. Он в основном мигрирует по пищевым цепям, пр и этом в конце пищевого цикла его концентрация может увеличиться в 1000 раз. Сейчас его использование запрещено. Диоксины - это группа веществ, в которую входят сотни видов хлор-, бром- и хл орброморганических циклических эфиров. Диоксины образуются во многих технологических процессах различных производств, включая сжигание отх одов, биологическую очистку сточной воды и сгорание топлива в двигателя х. Эти вещества превосходят по своей токсичности соединения тяжелых мет аллов. Являются сильными канцерогенами. Они способны накапливаться в ор ганизме, являясь причиной многих тяжелых заболеваний. Список литерат уры Для подготовки да нной работы были использованы материалы с сайта http://www.sitc.ru