Круговорот веществ в биосфере

Вода и ее круговорот

В.Ф.Попов, О.Н.Толстихин

В момент образования Земли из протопланетного облака элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ. Их формирование было обусловлено выделением водяного пара и газов из верхней мантии при ее дифференциации и вулканических процессах на ранних этапах развития Земли.

Вода - уникальное вещество. Cо школьного курса химии известно, что молекула воды H2O - гидроль состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Атомы водорода образуют с атомом кислорода угол примерно 105°, поэтому одна сторона молекулы имеет общий положительный заряд, а другая - отрицательный. Так как электрические заряды разделены, то молекула воды представляет собой электрический диполь. Благодаря электрическому дипольному моменту в жидкой воде каждая гидроль может соединяться с другими молекулами воды, но не более чем в двух водородных связях, имеющих электростатическую природу. Вследствие этого в воде появляются молекулярные агрегаты в виде цепочек, колец и более сложных систем. В постоянном объеме общее количество водородных связей зависит от термодинамических условий. Таким образом, жидкая вода представляет собой смесь мономерных (отдельных) и полимерных (агрегированных) молекул, определяющих ее структуру. В холодной воде структурировано около половины молекул, а при температуре кипения - около трети молекул. Структурные особенности изменяются не только под действием температуры и давления, но и под влиянием растворенных солей и газов, электрического и магнитного полей.

Интересны факты положительного воздействия на человеческий организм талой воды или воды побывавшей в магнитном поле. При замачивании семян сельскохозяйственных культур намагниченной водой резко возрастает их всхожесть, а полив увеличивает урожайность. Широко применяется метод предварительной магнитной обработки воды для уменьшения интенсивности образования накипи в паровых котлах.

Структурное строение жидкой воды объясняет ее уникальные и аномальные свойства. Так, необходимость разрушения водородных связей предопределяет высокую энергоемкость воды. В результате аномально высокими становятся 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 вещества. Экстраполяция этих линий дает следующие теоретические температуры кипения и плавления воды порядка -7 и -100 °С. В совокупности с общими закономерностями, вытекающими из периодического закона Д.И.Менделеева, вода 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 остывает. Нужны большие затраты энергии для превращения льда в жидкость и жидкой воды в пар. Эти свойства определяют роль воды как аккумулятора энергии и главного регулятора климата на Земле.

Вода обладает максимальной плотностью при температуре +4 °С, в то время как для других жидкостей максимальная плотность соответствует температуре плавления. При температурах выше и ниже +4 °С вода имеет меньшую плотность, то есть она расширяется. Поэтому лед не тонет в собственном расплаве. Благодаря этому водоемы замерзают с поверхности и образовавшаяся ледяная корка защищает их от полного промерзания, а живые организмы от гибели.

Вода обладает самой высокой из всех жидкостей диэлектрической постоянной, в результате чего при растворении солей сила электрического взаимодействия между разноименно заряженными частицами уменьшается примерно в 80 раз и соли диссоциируют на ионы. При этом вода в большинстве случаев не участвует в химических реакциях с растворенными веществами и они могут быть обратно получены через выпаривание. Эта особенность воды имеет колоссальное геологическое и биологическое значение.

Уникальные свойства воды предопределяют особую ее миссию в формировании лика планеты Земля, ее физической и химической среды, а также в появлении и поддержании удивительного явления - жизни. Напомним, что человек почти на 70% состоит из воды.

Работа тепловых машин Земли обуславливает круговорот воды в природе, при этом вода переходит из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно. За счет притока солнечной энергии вода испаряется с поверхности морей 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, совершив, так называемый, малый круговорот. Другая часть воды в виде водяного пара, переносимого воздушными течениями, достигает суши. Атмосферные осадки, выпавшие на суше, частью просачиваются в почву и образуют подземный сток, частью стекают по земной поверхности, образуя ручьи и реки, а в остальной части снова испаряются, в том числе и через процесс биологического испарения, связанного с жизнедеятельностью растений (транспирация) и животных. В конце концов, она снова достигает океана, завершая большой круговорот воды на земном шаре.

Вода, будучи сильнейшим растворителем, играет огромную роль в геохимических 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 соли, газы, органические и коллоидные вещества. Совместно с циркуляцией воды в биосфере, растворенные в ней элементы также участвуют в круговороте. Количество растворенных веществ варьирует в очень широких пределах. Минерализация может составлять от первых миллиграммов на дм3 до почти 600 г/дм3. 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 связано оздоровительное влияние морской воды на организм человека. В питьевой воде растворены важные для жизнедеятельности организма органические и неорганические вещества. Вода, благодаря электролитической диссоциации содержащихся в ней солей, кислот и щелочей, выполняет роль катализатора разнообразных процессов обмена веществ в организме. Вода - обязательный компонент практически всех технологических процессов сельскохозяйственного и промышленного производств. Воды гидросферы используются 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 хозяйстве, а также стремительного роста потребления воды во многих регионах 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 болезнетворных бактерий и вирусов. Состав воды имеет важное значение. Например, недостаточное или чрезмерное содержание фтора приводит к поражению зубов. Питьевая вода должна удовлетворять по органолептическим свойствам, таким как вкус, запах, прозрачность.

Естественные циклы основных биогенных веществ

Для обеспечения жизнедеятельности растений и животных требуются различные химические элементы, но только некоторые из них имеют преобладающее значение. Основа жизни - белки, углеводы и жиры складываются из шести основных элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы. Кроме фосфора они все образуют растворимые и летучие соединения и таким образом участвуют в повторном цикле воды.

В процессе фотосинтеза зеленые растения и водоросли на свету выделяют кислород, 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, поэтому первые организмы были анаэробными. Накопление кислорода началось в докембрии и он по сути является биогенным. Сейчас запасы свободного кислорода оцениваются приблизительно в 1,6*1015 т. В процессе фотосинтеза ежегодно участвует 1013 кг углерода атмосферы.

Кислород является самым распространенным элементом на Земле. В гидросфере 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 преобладают силикаты, кварц, окислы железа, карбонаты и сульфаты. В живых организмах содержится в среднем около 70% кислорода. Он входит в состав большинства органических соединений (белков, жиров, углеводов и т.д.) и в состав органических соединений скелета.

Свободный кислород играет большую роль в биохимических и физиологических процессах, особенно в аэробном дыхании.

В области свободного кислорода формируются резко окислительные условия, в отличие от сред, в которых кислород отсутствует (в магме, глубоких горизонтах подземных вод, илах морей и озер, в болотах), где образуется восстановительная обстановка.

Огромное значение для атмосферы имеет также двуокись углерода. Его содержание в атмосфере до промышленной революции, в 1800 г составляло 0,029%, а в настоящее 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 карбонатных породах - 9,6*1015 т и горючих ископаемых (угли, нефть, сланцы, битумы, газы, торф). Разведанные запасы горючих ископаемых по углероду оцениваются в 1013 т.

Синтезированные растениями углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал и другие) являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных организмов. В процессе аэробного дыхания, синтезированное органическое вещество вновь разлагается с образованием углекислого газа и воды, при этом высвобождается энергия Q:

С6Н12О6 + 6О2 ® 6СО2 + 6Н2О + Q.

Воздух по объему почти на 80% состоит из молекулярного азота N2 и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента. Естественный цикл азота является более сложным, чем углерода. Большинство биологических форм не могут усваивать газообразный азот. Поэтому сначала происходит фиксация азота - превращение N2 в неорганические и органические соединения, которые происходят как физико-химическим, так и биологическим путем. Основными фиксаторами азота являются бактерии, грибки и водоросли (прежде всего синезеленые). Например, клубеньковая бактерия Rhizobium, проникая в корневые волоски 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 составной частью белков, нуклеиновых кислот и других компонентов. Погибшие организмы являются объектом деятельности редуцентов - бактерий и грибов, при этом они азот превращают в аммиак. И далее в нитрит и обратно газообразный азот.

Фосфор, необходимый животным и растениям для построения белков протоплазмы, поступает в круговорот за счет эрозии фосфатных пород и гуано, минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков. Фосфаты потребляются растениями. Не образующий летучих соединений фосфор имеет тенденцию накапливаться в море. Вынос фосфора из моря на сушу осуществляется в основном с рыбой и с пометом морских птиц.

Сера относится к весьма распространенным химическим элементам, которые встречаются в свободном состоянии - самородная сера и в виде соединений - сульфидов, полисульфидов и сульфатов. Известно более 150 минералов серы, среди которых доминируют сульфаты. В природе широко распространены процессы окисления сульфидов до сульфатов, которые обратно восстанавливаются до H2S и сульфидов. Эти реакции происходят при активном участии микроорганизмов, прежде всего десульфирующих бактерий и серобактерий.

В виде органических и неорганических соединений сера постоянно присутствует во всех живых организмах и является важным биогенным элементом, она входит в состав широко распространенных соединений: аминокислот, коферментов, витаминов.

Организмы в основном состоят из вышеперечисленных элементов, однако они не смогут жить, если не будут содержать в достаточных количествах некоторые катионы: калий, кальций, магний и натрий, которые относятся к группе макроэлементов, потому что их содержание выражается в сотых долях сухого вещества. Некоторые вещества нужны организмам в очень маленьких количествах, к ним, например, относятся железо, бор, цинк, медь, марганец, молибден и анион хлора. Микроэлементы выражаются в миллионных долях сухого вещества. В пищевую цепь они поступают в основном через круговорот воды. Они обладают высокой биологической активностью и участвуют во всех процессах жизнедеятельности: белковом, жировом, углеводном, витаминном, минеральном обмене, газо- и теплообмене, тканевой проницаемости, клеточном делении, образовании костного скелета, кроветворении, росте, размножении, иммунобиологических реакциях.

Циклы некоторых токсичных элементов

Второстепенные для живых организмов химические элементы, также как и жизненно важные, мигрируют между организмами и средой. В естественных экологических системах они содержатся в таких концентрациях и формах, что не оказывают отрицательного влияния на организмы. В настоящее время стала весьма острой проблема токсичных веществ в связи с региональными и глобальным техногенным загрязнением биосферы. Ниже рассмотрим лишь некоторые примеры токсичных химических элементов, оказывающих значительный отрицательный биологический эффект.

Ртуть, также как и другие тяжелые металлы, почти не влиял на организмы до наступления индустриальной эры, потому что ее концентрации в природе были невелики, а она сама химически малоподвижна. Разработка месторождений и промышленное использование ртути (в электротехническом оборудовании, термометрах, красках и фунгицидах) увеличили ее поток в экосистемы. Чистый элемент не токсичен. Превращение в токсичные органические соединения ртути, такие как метилртуть CH3Hg и этилртуть C2H5Hg, происходит благодаря бактериям, присутствующим в детритах и осадках. Эти соединения легко растворимы, 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 мозга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций опасных для человека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь "Минамата".

Тяжелый металл кадмий представляет собой один из самых опасных токсикантов среды, он значительнее токсичнее свинца. В последние 30-40 лет он находит все большее техническое применение. Его попадание в пищевые цепи связано с его промышленными выбросами в воздух и воду. Например в среднем тонна угля содержит 2 г кадмия. Кадмий имеет свойство накапливаться в организмах животных и растений. Так, растения аккумулируют до 70% кадмия содержащегося в почве. В Финляндии, Норвегии и Швеции ветеренарные учреждения предостерегают 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 кадмием реки Дзинцу в Японии от хронического отравления умерло более 150 человек, сопровождавшегося атрофией костей всего скелета. Этот случай вошел в историю эндемических отравлений тяжелыми металлами под названием "болезнь итаи-итаи". Именно с такими словами умирали больные.

Стронций-90 и цезий-137 - продукты деления атома, имеющие большой период полураспада. Эти ранее малоизученные элементы теперь являются объектами пристального внимания в связи с их большой опасностью для человека и животных. Они попадают в окружающую среду при производстве и использовании различных 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 мнению некоторых ученых в костях людей уже содержится такое количество стронция, что он может оказывать канцерогенное действие.

Дихлордифенилтрихлорэтан или просто ДДТ - пестицид (пестис - зараза, циде - убиваю, лат.), использовавшийся, а местами используемый до сих пор в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми. В свое время его открытие было отмечено Нобелевской премией. Он малорастворим и никогда не поступает в верхние слои атмосферы и при этом встречается повсюду. Его обнаруживают в тканях пингвинов Антарктиды. Он в основном мигрирует по пищевым цепям, при 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 хлорброморганических циклических эфиров. Диоксины образуются во многих технологических процессах различных производств, включая сжигание отходов, биологическую очистку сточной воды и сгорание топлива в двигателях. Эти вещества превосходят по своей токсичности соединения тяжелых металлов. Являются сильными канцерогенами. Они способны накапливаться в организме, являясь причиной многих тяжелых заболеваний.