Фосфор и сера в биосфере

Фосфор и сера, хотя и содержатся в живом веществе в малых количествах, но являются совершенно необходимыми его компонентами.
Фосфор не входит в состав белка, но является важнейшим компонентом молекул аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинтри- фосфата (АТФ).

Во всех клеточных организмах усвоение энергии происходит благодаря реакциям, в которых АТФ переходит в АДФ и обратно, высвобождая энергию, содержащуюся в питательных веществах. В сравнительно больших количествах фосфор входит в состав костей, зубов и других твёрдых тканей животных. Наконец, фосфор является непременным компонентом дезоксирибонуклеиновой кислоты ДНК— носителя наследственной информации.
Из шести основных элементов живого вещества фосфор, вероятно, самый дефицитный (рис. 3.7). Он практически отсутствует в атмосфере и гидросфере вне организмов и органических остатков. Круговорот фосфора замыкается между отложениями на материках и дне водоёмов и живыми организмами (рис. 3.14, верхний рисунок). Растворимые соединения фосфора усваиваются растениями и так попадают в пищевые сети биоты. Отмершие остатки и продукты жизнедеятельности живых организмов попадают в почву или растворяются в воде, снова становясь доступными для растений. Однако некоторая часть фосфора оказывается захороненной на дне водоёмов суши и океана в донных отложениях и осадочных породах. Этот фосфор имеет возмож-
4-7841 Гальперин

Рис. 3.14. Потоки фосфора (вверху) и серы (внизу) в биосфере

ность вернуться на поверхность Земли только через миллионы лет в результате тектонических движений земной коры.
Убыль фосфора из биосферы пополняется за счет литосферного фосфора при вулканической деятельности, а его распространение по поверхности Земли связано с эрозией материковых отложений и стоком материковых вод в океан и морскими течениями. Вынос фосфора в океан компенсируется отчасти обратными потоками с моря на континенты. Особая роль принадле

жит морским птицам, оставляющим груды своего помёта на суше. Эти многолетние отложения служили долго единственным источником фосфорных удобрений. Вылавливая и потребляя огромное количество рыбы и морепродуктов, человек также способствует возвращению на сушу приблизительно 100 тыс. тонн фосфора ежегодно.
Вовлечение фосфора в биосферный круговорот резко увеличилось в XX веке за счёт добычи и применения фосфорных удобрений, мировое годовое производство которых составляет около 2 млн тонн. В конечном счёте, это приводит к попаданию огромного количества избыточного фосфора в водоёмы — от мелких озёр до океана в целом — и способствует их эвтрофикации. Вопрос заключается в том, нужно ли природе и человечеству такое количество синезелёных водорослей?
Атомы серы служат звеньями, связывающими друг с другом полипептидные цепи аминокислот, из которых строятся молекулы белков. Сера обеспечивает упорядоченность пространственной конфигурации белка подобно тому, как сварные швы соединяют стальные балки в ажурные конструкции железнодорожных мостов или Эйфелевой башни в Париже и Шуховской башни в Москве. Без этих серных связок молекулы белков превратились бы в беспорядочные клубки и не могли бы функционировать.
Круговорот серы в биосфере показан на рис. 3.14 внизу. Сера в отличие от фосфора в значительном количестве присутствует в океане в окисленном виде в составе сульфат-иона S04". Серобактерии в океане, почве и болотах восстанавливают её из окисленного состояния и выделяют в атмосферу газообразный сероводород H2S. Сероводород сравнительно быстро, за время порядка нескольких минут или десятков минут, окисляется в воздухе с образованием сернистого газа S02. Дополнительными природными источниками сероводорода и сернистого газа являются вулканы, горячие источники и гейзеры. Сернистый газ хорошо растворяется в облачной воде с образованием сернистой кислоты H2S03, которая в свою очередь быстро окисляется и превращается в серную кислоту. Поэтому, попав в облака, где всегда присутствуют аммиак, щелочные или щелочноземельные металлы, сера быстро переходит снова в сульфатную форму и вместе с дождём или снегом выпадает из облаков на землю.

При высыхании облачных капель и брызг, образующихся при обрушении морских волн, в атмосфере остаются сульфатные частицы с размерами 0,01 — 10 микрометров. Эти частицы прак-

Рис. 3.14. Потоки фосфора (вверху) и серы (внизу) в биосфере

ностъ вернуться на поверхность Земли только через миллионы лет в результате тектонических движений земной коры.
Убыль фосфора из биосферы пополняется за счет литосферного фосфора при вулканической деятельности, а его распространение по поверхности Земли связано с эрозией материковых отложений и стоком материковых вод в океан и морскими течениями. Вынос фосфора в океан компенсируется отчасти обратными потоками с моря на континенты. Особая роль принадле-

жит морским птицам, оставляющим груды своего помёта на суше. Эти многолетние отложения служили долго единственным источником фосфорных удобрений. Вылавливая и потребляя огромное количество рыбы и морепродуктов, человек также способствует возвращению на сушу приблизительно 100 тыс. тонн фосфора ежегодно.
Вовлечение фосфора в биосферный круговорот резко увеличилось в XX веке за счёт добычи и применения фосфорных удобрений, мировое годовое производство которых составляет около 2 млн тонн. В конечном счёте, это приводит к попаданию огромного количества избыточного фосфора в водоёмы — от мелких озёр до океана в целом — и способствует их эвтрофикации. Вопрос заключается в том, нужно ли природе и человечеству такое количество синезелёных водорослей?
Атомы серы служат звеньями, связывающими друг с другом полипептидные цепи аминокислот, из которых строятся молекулы белков. Сера обеспечивает упорядоченность пространственной конфигурации белка подобно тому, как сварные швы соединяют стальные балки в ажурные конструкции железнодорожных мостов или Эйфелевой башни в Париже и Шуховской башни в Москве. Без этих серных связок молекулы белков превратились бы в беспорядочные клубки и не могли бы функционировать.
Круговорот серы в биосфере показан на рис. 3.14 внизу. Сера в отличие от фосфора в значительном количестве присутствует в океане в окисленном виде в составе сульфат-иона S04". Серобактерии в океане, почве и болотах восстанавливают её из окисленного состояния и выделяют в атмосферу газообразный сероводород H2S. Сероводород сравнительно быстро, за время порядка нескольких минут или десятков минут, окисляется в воздухе с образованием сернистого газа S02. Дополнительными природными источниками сероводорода и сернистого газа являются вулканы, горячие источники и гейзеры. Сернистый газ хорошо растворяется в облачной воде с образованием сернистой кислоты H2S03, которая в свою очередь быстро окисляется и превращается в серную кислоту. Поэтому, попав в облака, где всегда присутствуют аммиак, щелочные или щелочноземельные металлы, сера быстро переходит снова в сульфатную форму и вместе с дождём или снегом выпадает из облаков на землю.
При высыхании облачных капель и брызг, образующихся при обрушении морских волн, в атмосфере остаются сульфатные частицы с размерами 0,01 — 10 микрометров. Эти частицы прак-

тически невесомы и могут реять в воздухе очень долго, переносимые ветрами на огромные расстояния. Рано или поздно они вымываются осадками или осаждаются на землю, будучи вынесены к её поверхности турбулентными потоками воздуха. Такая же судьба постигает и молекулы сернистого газа, не успевшие превратиться в сульфаты. Попав на поверхность, сернистый газ реагирует с её материалом и также превращается в сульфаты.
Органическое топливо — уголь и нефть — содержит много, от 0,5 до 5 %, серы. Поэтому при его переработке и сжигании в атмосферу выбрасываются огромные объёмы сернистого газа, концентрации которого во многих регионах многократно превосходят естественный уровень, что вызывает закисление дождей, почв и водоёмов с тяжёлыми последствиями для многих биогеоценозов.

<< | >>

↑

Источник: Гальперин М. В.. Экологические основы природопользования. 2003

Еще по теме Фосфор и сера в биосфере:

- Диссертации по экологии - Общая экология - Природопользование - Социальная экология - Экологический мониторинг - Экология города и региона - Экология человека -