Биогеохимический цикл веществ

Биогеохимический цикл кремния.

 

Кремний является вторым по распространенности (после кислорода) химическим элементом в земной коре. Его кларки в земной коре – 29,5, в почве – 33, в океане – 5х10-5. Однако, несмотря на огромную распространенность кремния и его соединений в природе (кварц и силикаты составляют 87% литосферы), биогеохимические циклы кремния (особенно на суше) изучены еще недостаточно.

 

Содержание кремнезема в  водах современных озер и рек  составляет 10-30 мг/л, а в морской  воде еще меньше – 0Ю5-3 мг/л, то есть он присутствует в виде резко ненасыщенного  раствора. Это связано с тем. Что  кремний непрерывно поглощается  из воды живыми организмами.

 

Недаром В.И. Вернадский считал, что никакой организм в биосфере не может существовать без кремния, необходимого для образования клеток и тканей растений и животных, их скелетов. Живое вещество извлекает  кремний из природных вод и  почв для питания и функционирования биохимических процессов, высвобождая  его затем с экскрементами  и при отмирании. В результате отмирания миллиардов организмов огромные массы кремнезема откладываются  на дне водоемов. Так формируется  биогеохимический цикл кремния. В.И. Вернадский подчеркивал, что историю кремнезема нельзя понять без изучения результатов  жизнедеятельности организмов.

 

М.Страхов доказал возможность исключительно биогенного извлечения SiO2 из поверхностных вод. Однако, поступление растворенного кремнезема в океан с суши недостаточно для нормального развития фитопланктона. Именно поэтому в умеренных и тропических широтах в океане слабо развиты организмы с кремнистым скелетом. При существующей насыщенности воды кремнеземом для нормального развития фитопланктона диатомовых водорослей каждый атом кремния должен в течение года использоваться многократно (десятки и даже сотни раз). Из всей массы кремнезема, продуцированного в поверхностном фотосинтезирующем слое, донных отложений достигает не более 0,1части, а нередко это только 0,05-0,01 часть. Остальной кремнезем снова переходит в водорастворимое состояние. В дальнейшем, он захватывается из воды новыми поколениями диатомовых водорослей, кремнистых губок и радиолярий. Тем не менее, доходящая до дна 0,1-0,01 часть остатков скелетов диатомового планктона приводит к значительным по масштабам накоплениям осадочных кремнистых пород. Эта ветвь кругооборота кремния относительно статична и необратима и часть кремнезема именно таким путем выводится из биогеохимического круговорота.

 

Для нас важнее другая, более  динамичная ветвь круговорота, которая  и является собственно цикличной. Это  тот кремний, который много раз  за год переходит из организмов фитопланктона  в окружающую среду и обратно. В этих переходах проявляется  наиболее важная функция водного  биогеохимического цикла кремния  – функция массо- и энергопереноса вещества из поверхностных более глубокие зоны Мирового океана.

 

Вторая особенность биогеохимического  цикла кремния в Мировом океане – его неразрывная связь с  углеродом.

 

Континентальная ветвь круговорота  кремния сложна. Водная миграция кремнезема тесно связана с ландшафтно-геохимическими условиями: составом растительности, и  литологией подстилающих отложений. Подвижность  кремнезема резко возрастает с увеличением  рН среды, особенно, в щелочном интервале. При рН=10-11 концентрация кремнезема может достигать 200 мг/л. Сильно увеличивает  растворимость аморфного кремнезема и повышение температуры. Сульфаты, бикарбонаты и карбонаты магния и кальция резко снижают растворимость  кремнезема и вызывают его осаждение. В условиях сильнокислой среды рН=1-2 растворимость кремнезема также  сильно повышается. Некоторые растения являются концентраторами кремния.

 

Мощным механизмом, приводящим в движение этот круговорот является растительный покров суши, в котором происходят разнообразные процессы образования содержащих кремний органогенных минералов (биолитов). Под биолитами в данном случае понимаются минералы, образующиеся внутри организма в процессе его жизнедеятельности. Их роль в круговороте кремния чрезвычайно велика, но изучена недостаточно. В основном, кремнезем инкрустирует клеточные оболочки. Больше всего биолитов кремнезема содержат злаки, осоки, хвощи, папоротники, мхи, пальмы, хвоя сосен, елей, листья и кора вяза, осины, дуба. В золе ковылей содержание кремнезема по данным Парфенова и Ярилова может достигать 80%. В стволах бамбука иногда обнаруживаются образования, сложенные опалом, достигавшие в длину 4 см и имевшие массу до 16 г! Генезис почвенной кремнекислоты в некоторых условиях напрямую связан с накоплением этого элемента живыми организмами. Наиболее яркий пример – образование солодей, кремнекислота которых накапливалась благодаря деятельности диатомовых водорослей. В процессе жизнедеятельности сине-зеленых водорослей происходит «захват» железа, марганца и кремнезема с образованием биолитов. Соотношение процессов накопления и выноса кремнезема в условиях умеренной зоны сдвинуто в сторону накопления. Растительный покров суши, особенно хвойные леса, выступает как мощный механизм, перекачивающий массы кремнезема из горных пород, почв и природных вод, и возвращающий их снова в ландшафт в форме биолитов. В дальнейшем опал биолитов переходит в халцедон и даже во вторичный кварц. Значительная же часть кремнекислоты биолитов включается в активную миграцию в почвенно-грунтовых водах в форме коллоидных и истинных растворов.

 

В результате воздействия  аэрозолей кремнезема на живые организмы (животные и человек) развивается  серьезное заболевание – силикоз.

 

Биогеохимические циклы  алюминия, железа и марганца

 

Как Вы уже знаете, алюминий один из трех наиболее распространенных элементов земной коры. Его кларк – 8,05. Железо по распространенности занимает второе место после алюминия среди металлов и четвертое среди всех элементов земной коры. Его кларк составляет 4,65. Содержание марганца в земной коре значительно ниже -0,1%. Эти два элемента занимают соседние места в периодической системе элементов Д.И. Менделеева и имеют сходное строение электронных оболочек. Однако марганец мигрирует более активно, т.к. значение рН, при котором выпадает в осадок его гидроксид, выше, чем для железа. Железо и марганец активно вовлекаются в биологический круговорот, так как входят в состав многих ферментов. Железо участвует в образовании хлорофилла и входит в состав гемоглобина. Марганец принимает участие в окислительно-восстановительных реакций – дыхании, фотосинтезе и усвоении азота. Участие алюминия в биологическом круговороте ограничено. Хотя в земной коре это самый распространенный металл, биофильность его очень низкая, кларк живого вещества всего 5х10-3.

 

Биогеохимичекие циклы железа и марганца в решающей степени зависят от условий увлажнения, реакции среды, степени аэрации почвы, условий разложения органического вещества. Миграция алюминия в меньшей степени зависит от окислительно-восстановительных условий, так как он обладает постоянной валентностью. В то же время, амфотерность этого элемента обуславливает сильную зависимость его миграции от кислотно-основных условий среды: в сильно кислой среде он ведет себя как катион, а в сильно щелочной – как анион. В нейтральных и слабощелочных водах степей и пустынь он почти не мигрирует, наиболее высока подвижность этого металла в сильно кислых водах районов активного вулканизма и зон окисления сульфидных месторождений. Под защитой органических коллоидов алюминий активно мигрирует в болотных водах. Тем не менее, интенсивность миграции алюминия в целом значительно ниже, чем у железа и марганца, а его минералы более устойчивы. Слабая подвижность алюминия определяет остаточное (за счет выноса более подвижных элементов) накопление его гидроксидов в коре выветривания влажных тропиков и образование бокситов.

 

Известно, что соединения алюминия, железа и марганца в почвах с промывным режимом мигрируют  в вертикальном направлении и  образуют иллювиальные горизонты, обогащенные  полуторными окислами и марганцем. Многими исследователями доказано, что миграция полуторных окислов  в условиях промывного типа водного  режима происходит в виде высокодисперсных золей, стабилизированных кислым гумусом. При этом немаловажную роль играет создание анаэробной обстановки, обуславливающей  образование соединений двухвалентного железа и марганца. Решающее значение имеют агрессивные фульвокислоты, разрушающие почвенные минералы и образующие с алюминием, железом и марганцем легкоподвижные комплексные соединения.

 

Соединения железа и марганца активно мигрируют с боковым  внутрипочвенным стоком, образуя  скопления конкреций в болотах. Луговых и глеевых почвах, мелководных озерах и лагунах. Это свидетельствует о способности этих соединений мигрировать на весьма большие расстояния. Осаждение железа в аккумулятивных ландшафтах происходит в виде карбонатов железа, окислов разной степени гидратированности, а также фосфатов и гуматов. В степях и пустынях в условиях щелочной среды эти элементы мигрируют слабо.

 

Миграция железа и марганца возможна и в составе живого вещества. После отмирания организмов и  их минерализации в почве часть  этих элементов закрепляется в почве, другая же часть поступает в природные  воды. Возвращаясь в почву, они  начинают новый биогеохимический цикл.

 

В результате процессов выветривания железо в огромных количествах выносится  в океаны. Вынос железа реками в  океан происходит в разнообразных  формах – в виде грубых взвесей  обломков минералов и пород, содержащих железо в кристаллической решетке (силикатов, в т.ч. глинистых минералов), в виде коллоидов, содержащих железо в абсорбированном состоянии, в виде гидратов, гуматов и органических содинений закисного железа.

 

Недостаток железа приводит у растений к заболеванию, известному под названием хлороз. Однако непосредственное накопление железа в значительных количествах  характерно лишь для немногих организмов. В этом отношении уникальны железобактерии, окисляющие двухвалентное железо, в  результате чего образуется лимонит. Диатомовые водоросли способны усваивать железо из нерастворимых коллоидов. Железо потребляет и зоопланктон с красной  кровью (мелкие рачки). При гибели этих организмов и растворения детритовых частей определенное количество железа также переходит в раствор  в виде гидратов и других форм. В  качестве особых случае концентрации железа организмами можно отметить наличие магнетита и гетита в  в зубах некоторых современных гастропод.

 

Биогеохимический цикл железа и марганца существенно нарушается техногенными процессами, причем, несмотря на значительно более высокое  содержание в земной коре железа, технофильность этих элементов примерно равна. В ноосфере алюминий играет исключительно важную роль, но технофильность его почти в 100 раз ниже, чем у железа.

 

Биогеохимические циклы  тяжелых металлов.

 

Тяжелыми металлами обычно называют химические элементы, имеющие  атомную массу более 50 единиц. Несмотря на сравнительно низкую распространенность этих элементов в природе, они  оказывают большое влияние на биогеохимические процессы в биосфере. Так как многие изних оказывают выраженное токсическое действие на живые организмы.

 

Многочисленными исследованиями установлено, что наиболее токсичными являются следующие 9 элементов: Cr, As, Ni, Sb, Pb, Vo, Cd, Hg, Ta. Польские ученые провели ранжирование тяжелых металлов по потенциалу загрязнения на 4 группы. К группе элементов с очень высоким потенциалом загрязнения отнесены кадмий, ртуть, свинец, медь, таллий, олово, хром, сурьма, серебро, золото.

 

К группе элементов с высоким  потенциалом загрязнения относятся  висмут, уран. Молибден, барий, марганец, титан, железо, селен, теллур. К группе элементов со средним потенциалом загрязнения относятся фтор, бериллий, ванадий, рубидий, никель, кобальт, мышьяк, германий, индий, цезий, вольфрам. Элементы со слабым потенциалом загрязнения – стронций, цирконий, лантан, ниобий.

 

Как видно, 4 металла из первой группы (с очень высоким потенциалом  загрязнения) – свинец, ртуть, кадмий и хром

 

В известной степени каждый крупный город является причиной возникновения биогеохимических аномалий, в том числе и опасных для  человека.

 

Общеизвестно, что накопление свинца и цинка происходит в зонах  интенсивного движения автотранспорта, вдоль автострад и в индустриальных центрах. Почвы в сельской местности  содержат в 10-20 раз меньше свинца. Чем  почвы городов. Свинец обладает способностью накапливаться в органическом веществе почв.

 

Доступность тяжелых металлов растениям зависит от вида растений, почвенных и климатических условий. У каждого вида растений концентрации тяжелых металлов могут варьировать  в различных частях и органах, а также зависят от возраста растений.

 

К почвенным факторам, существенно  влияющим на доступность для растений тяжелых металлов относятся: гранулометрический состав, реакция среды почвы,, содержание органического вещества, катионообменная способность и дренаж. В более тяжелых почвах меньшая опасность возможной адсорбции растениями избыточного (токсичного) количества тяжелых металлов. С повышением рН почвенного раствора возрастает вероятность образования нерастворимых гидроксидов и карбонатов. Сложилось мнение, что для снижения до минимума доступности токсичного металла в почве необходимо поддерживать рН не ниже 6,5. Металлы могут образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, и поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения растениями. Обменная емкость катионов зависит, главным образом, от содержания и минералогического состава глинистой части почв и содержания в них органического вещества. Чем выше обменная емкость катионов, тем больше удерживающая способность почв по отношению к тяжелым металлам.

 

Избыток воды в почве способствует появлению в ней металлов с  низкой валентностью в более растворимой форме.