§ 3.3. Круговорот фосфора и серы

Фосфор содержится в земной коре в количестве около 0,1% в виде химических соединений и минералов, главным образом фосфатных. Основным источником получения фосфора служит апатит, состоящий преимущественно из Саз(Р04)2-

В химических соединениях фосфор может находиться в степени окисления -3, +1, +3, +4 или +5. Наиболее распространенные состоя­ния окисления +3 и +5. Соединения фосфора, в которых он имеет степень окисления +5, не являются сильными окислителями, напри­мер соответствующие соединения азота. Напротив, соединения, в кото­рых фосфор находится в состоянии окисления -3, являются более сильными восстановителями, чем соответствующие соединения азота.

Круговорот фосфора проще, чем азота, и охватывает только лито­сферу и гидросферу. В основном происходит одностороннее движение фосфора с суши в воду и далее в донные отложения. Соответственно циркуляция фосфора зависит от его запасов в породах и осадках.

Особенностью фосфорной кислоты (Н3РО4) является ее способность. вступать в реакции конденсации с отщеплением молекулы воды:

Соединения фосфора играют важную роль в биологических систе­мах. Этот элемент входит в состав фосфатных групп молекул РНК и ДНК, ответственных за биосинтез белков и передачу наследственной информации. Он входит также в состав молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), при помощи которого химическая энергия запасается в биоло­гических клетках. Связь Р—О—Р концевой фосфатной группы в АТФ разрывается при гидролизе с выделением энергии:

Н₂0 + АТФ ► Н₃Р0₄+ АДФ

Вследствие этой реакции АТФ и АДФ служат переносчиками фос­фатной группы. Кроме того, фосфат-ион регулирует направленность внутриклеточных процессов окисления, блокируя реакционноспособ-ные атомы водорода, окисление которых могло бы привести к нежела­тельным побочным продуктам. 94

В силу этих особенностей нехватка в окружающей среде фосфора может быть фактором, лимитирующим процессы жизнедеятельности.

Из водной среды фосфат выводится в основном путем осаждения в форме нерастворимых фосфатов железа.

Соединения серы широко распространены в природе. Более 40 элементов образуют с серой соединения, в которых она проявляет степени окисления -2, +1, +2, 4-4, +6. Самородная сера встречается в верхней части земной коры и на ее поверхности. Месторождения само­родной серы распространены в природе и имеют большое промышлен­ное значение. Кроме того, сера встречается в виде залежей сульфид­ных и сульфатных минералов, а также в виде примесей в угле и неф­ти.

Всего известно свыше 200 серосодержащих минералов. Из сульфи­дов наиболее известны халькозин СигЗ, пирит FeS2, халькопирит CuFeS2, киноварь HgS, станнин Cu2FeSnS4 и др.; из сульфатов — ан­гидрит CaSO-i, гипс CaS04*2H20, глауберит Na^SO-rCaSC^ и др.

Самородная сера служит главным источником добычи этого элемен­та. Большая часть добываемой серы (а это ^ы 10⁷ т/г) расходуется на получение серной кислоты. Сера также используется для вулканиза­ции резины.

Круговорот серы в окружающей среде сложен и до конца не ясен, так как баланс по сере не сходится.

Сера распространена .в. биологических системах, входит в состав двух аминокислот — метаюшша и цистеина. Биохимическая роль серы связана с легкостью окислительнснвосстановительных переходов:

2RSH 5=* RSSR + {2Н}

Эти переходы играют основную роль в образовании четвертичной структуры белков и в их конформационных перестройках. Кроме того, железосерные кластеры играют ключевую роль в электронно-транспор­тных цепях.

Восстановленные соединения серы синтезируются некоторыми анаэробными бактериями, использующими неорганический сульфат в качестве источника окислительных эквивалентов при окислении орга­нических соединений, выступающих в роли доноров водорода ({2Н}):

H₂S0₄ + 4{2Н} —+ H₂S + 4Н₂0

В атмосферном воздухе сера существует преимущественно в виде трех соединений: газообразных оксида серы (IV) и сероводорода, аэрозолей сульфатов. Основным природным источником серы в атмо-

95

сферном воздухе является сероводород. Поступая в атмосферу, H2S быстро окисляется до БОг- Среднее время жизни H2S в атмосфере около 2 сут.

Антропогенный источник атмосферной серы — образование SO2 в результате сжигания топлива — составляет 12,5% общего содержания серы в атмосфере. В атмосферном воздухе реакции SO2 приводят к образованию аэрозолей и "кислых" дождей (см. § 4.5). Время жизни SO2 в атмосфере составляет 4 сут. Учет вулканических и океанических аэрозолей не устраняет дефицита в балансе соединений серы в атмо­сфере. Для устранения дефицита необходимо учесть биологические источники.

Первоначально предполагалось, что главным биогенным компонен­том является сероводород, образующийся в донцых отложениях озер, болот и морей. Однако в воде H2S сравнительно легко окисляется кислородом и, как правило, не выходит в атмосферу. Установлено, что многие микроводоросли и некоторые высшие растения выделяют в окружающую среду диметилсульфид (СНз^Б и диметилдисульфид. В качестве главного продуцента соединений серы рассматриваются микроорганизмы. Отмечается большая изменчивость как состава, так и количества выделяемых микробиологическими источниками соедине­ний серы. Среди них помимо упомянутых выше НгБ, (СНз)г8 и диме-тилдисульфида — метилмеркантан, сероуглерод СБг, карбонилсульфид COS и ряд неидентифицированных соединений.

Сероуглерод может служить предшественником COS и SO2, давая существенный вклад в их образование в атмосфере. Время жизни CS2 в атмосфере составляет 10 сут;

В упрощенном виде цикл серы в окружающей среде молено предста­вить такой схемой:

где {0} — окислительный эквивалент (акцепотор двух электронов, атомов Н); {2Н} — двухэлектронный восстановительный эквивалент.

Замкнутость круговорота биогенов в процессах биологического синтеза и разложения органических веществ служит необходимым

96

условием устойчивого состояния биосферы. Жизнь на Земле оказыва­ется возможной на основе органических соединений, энергия которых используется при их разложении. При этом накладываются естествен­ные ограничения на внешний поток питательных веществ и на запасы этих веществ в биосфере. Прежде всего биологический поток синтеза или разложения органических веществ должен быть намного больше внешнего потока питательных веществ в биосферу. Переход из дина­мически равновесного состояния на основе замкнутого круговорота веществ к стационарному состоянию, когда внешний поток питатель­ных веществ покрывал бы значительную долю биологических потреб­ностей, с неизбежностью ведет к деградации экосистемы.

Биота, функционирующая за счет замкнутости круговорота ве­ществ, требующего затрат энергии и активности биоты, неизбежно потеряет конкурентоспособность по сравнению с биотой, существую­щей за счет внешних потоков питательных веществ. Последняя пере­шла бы на потребление этих веществ, не заботясь о замкнутости их круговорота, и могла бы существовать в форме одного или нескольких видов, не образующих экологических сообществ. Именно ограничения, накладываемые на земную биоту замкнутостью круговорота веществ, составляют сущность экологии. Биологический поток синтеза и разло­жения биоты должен превосходить внешние потоки питательных ве­ществ настолько, чтобы биота, функционирующая на основе сообществ и замкнутого круговорота веществ, была более конкурентоспособной, чем биота, живущая за счет внешних потоков.

Окружающая среда включает запасы неорганических и органичес­ких веществ, которые вовлекаются в биохимический круговорот. Для поддержания равенства потоков синтеза и разложения биологически активных химических веществ, (биогенов) запас этих веществ в органи­ческой и неорганической формах должен быть не только ограничен, но и совпадать по порядку величины. В противном случае либо при избытке неорганических веществ в условиях относительного изобилия окажутся автотрофные организмы (синтезаторы), либо при избытке органических веществ — гетеротрофные организмы (деструкторы). При этом скоррелированность между синтезом и разложением будет неиз­бежно нарушена.

Внешний поток питательных веществ в биосферу определяется структурой земных недр и космического пространства, а также произ­водственной деятельностью человека. Биота Земли не может изменить этот поток, она контролирует только концентрации питательных ве­ществ в окружающей среде, их перераспределение между экосистемой и средами обитания жизни. В настоящее время на концентрации био­генов в окружающей среде и на поток их в биосферу все большее

возмущение оказывает человеческая деятельность. Ниже мы рассмот­рим влияние этой деятельности на загрязнение атмосферного воздуха, почвенных и водных экосистем, а также к каким' локальным и гло­бальным последствиям природят наиболее опасные виды антропоген­ных воздействий.

ЛИТЕРАТУРА

Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружение. -— М.: Наука, 1965. - 314 с.

Гаррелс P.M. Круговорот углерода, кислорода и серы в течение геологичес­кого времени. — М.: Наука. — 47 с.

Комиссаров Г.Г. Химия и физика фотосинтеза. —М.: Знание, 1980. —- 64 с.

Крамер П., Козловский Т. Физиология древесных растений. — М.: 1983.

Небел П. Физиология растительной клетки. — М.: Мир, 1973.

Романенко В.И. Микробиологические процессы продукции и деструкции органического вещества во внутренних водоемах. — М.: Наука, 1986. — 295 с.

Ронов А.Б. Осадочная оболочка земли (количественные закономерности строения, состава и эволюции). — М.: Наука, 1980.

Хайлов К.М. Экологический метаболизм в море. — Киев: Наукова думка, 1971. - 252 с.