Распределение масс химических элементов, поступивших в биосферу

В результате мобилизации из гранитного слоя

Континентального блока земной коры

 

Резервуар	Масса элементов, 10^9 т
Р	К	Са	Na	Si
Мировая суша
Растительность Органическое вещество почвы	5,0 7,0	25,0 5-10	45,0 25,0	3,0 0,5	12,5 50,0
Океан
Живые организмы Растворенные формы Осадочная оболочка	0,04   120,0   1 311 000	0,17   530 000   38 200 000	0,034   559 000   272 800 000	0,09   14740 000   26 700 000	0,17     493 600 000
Масса элемента в биосфере, 10^15 т	1,3	38,7	273,4	41,4	493,6

 

Указанные элементы, так же как сера (11 %) и хлор (80 %) из группы дегазированных, относятся к циклическим, принимая во внимание участие их значительных масс в годовых миграционных циклах в системе суша—океан — атмосфера — суша.

Рекомендуемая литература

Диви Э. Круговорот минеральных веществ // Биосфера. — М.: Мир, 1972.-С. 120-138.

Ковда В.А. Биогеохимические циклы в природе и их нарушение человеком // Биогеохимические циклы в биосфере. — М.: Наука, 1976. — С. 19-35.

Полынов Б. Б. Кора выветривания // Избр. тр. — М.: Изд-во АН СССР, 1956.-С. 103-255.

Контрольные вопросы

 

1. Каковы главные различия в структуре глобальных циклов массооб-мена калия и натрия?

2. В чем заключается проблема распределения масс кальция в биосфере?

3. Какой элемент из группы щелочных и щелочно-земельных металлов в наибольшем количестве переносится из океана на сушу?

4. Глобальный цикл массообмена какого из рассмотренных элементов отличается наименьшей замкнутостью?

5. Перечислите общие черты распределения масс и главных циклов рассмотренных элементов.

Темы для самостоятельной работы

 

1. Сопоставьте числовые значения масс фосфора, участвующих в биологическом круговороте на суше и в океане. Какие между ними различия и чем они обусловлены?

2. По данным, приведенным в справочных материалах и в ч. I, определите основные миграционные потоки масс в глобальном цикле кальция.

Глава 9

ЦИКЛЫ МАССООБМЕНА

ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

 

Тяжелые металлы играют особую роль в биосфере. Они находятся преимущественно в рассеянном состоянии, но при этом способны образовывать природные локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает кларковые уровни. Металлы не входят в состав органических соединений, из которых состоят ткани живых организмов. В то же время устройство электронных оболочек атомов металлов обусловливает переменную валентность, что способствует взаимодействию металлов с азот- и серосодержащими функциональными группами органических соединений. Благодаря этому металлы являются необходимой частью ферментативной системы живых организмов — основы функционирования живого вещества Земли. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов мирового хозяйства, металлы вместе с тем образуют группу опасных загрязнителей природной среды. Выяснение глобальных закономерностей массообмена и распределения масс металлов в биосфере представляет весьма актуальную проблему.

Биогеохимические циклы тяжелых металлов имеют некоторые общие черты. В качестве примера рассмотрим закономерности распределения и миграции в биосфере типичных представителей группы тяжелых металлов — свинца и цинка.

Глобальный цикл свинца

 

Концентрация свинца возрастает от вещества верхней мантии к гранитному слою земной коры, в которой кларк рассматриваемого металла равен 16 мкг/г. Прогрессирующее накопление свинца в земной коре связано не только с его активным выплавлением из вещества мантии, но также с образованием радиогенных изотопов ²⁰⁶Рb, ²⁰⁷Рb, ²⁰⁸Рb. Изотоп ²⁰⁴Рb не имеет радиоактивных предшественников. Его количество неизменно с момента образования Земли, в то время как масса радиогенных изотопов постепенно возрастала. Можно предполагать, что около 1/3 массы свинца в земной коре возникло в результате распада изотопов урана ²³⁸U, ²³⁵U и тория ²³²Th.

Концентрация свинца в земной коре и даже в однотипных горных породах сильно варьирует; распределение значений обычно аппроксимируется логнормальным законом. Помимо основного рассеянного состояния свинец образует разнообразные природные аккумуляции, в которых концентрация металла увеличивается по сравнению с кларком в тысячи раз.

При выветривании горных пород происходит освобождение ионов РЬ²⁺ из кристаллических структур породообразующих минералов и с поверхности дефектов реальных кристаллов. Преобладающая часть освободившихся ионов сорбируется высокодисперсными глинистыми частицами и гидроксидами железа. Небольшая часть освободившегося при выветривании свинца поступает в виде простых и комплексных ионов в поверхностные и грунтовые воды. Средняя концентрация растворенных форм свинца в речном стоке с континентов близка к 1 мкг/л, в твердой фазе речных взвесей — около 100 мкг/л. С речным стоком выносится водорастворимого свинца около 41×10³ т/год, в составе взвесей — соответственно больше. В речных взвесях присутствует тонкий органический детритус, с которым выносится примерно 10×10³ т свинца в год. Близкое количество металла мигрирует в составе водорастворимых органических соединений. Более 90 % взвесей и значительная часть водорастворимых соединений осаждаются в дельтах, эстуариях и узкой прибрежной полосе шельфа. В пелагическую часть океана поступает не более 200×10³ т свинца в год в составе тонких взвесей и (25 — 30)×10³ т/год в составе растворимых соединений. В дальнейшем благодаря процессам биофильтрации морской воды организмами планктона значительная часть взвесей и некоторая часть водорастворимых форм удаляется в i осадки. При этом происходит дифференциация рассеянных металлов, среди которых свинец выводится в осадок наиболее активно.

Средняя концентрация растворимых форм свинца в океане равна > 0,03 мкг/л, общая масса — 41×10^б т. Время полной смены этого количества за счет поступления речного стока без учета осаждения части растворенных масс в дельтах и эстуариях оценивается: примерно в 1 тыс. лет, с учетом указанных осаждений (30 — 40 %) увеличивается до 1,5 — 1,9 тыс. лет. Концентрация свинца во взвесях около 1 мкг/г, масса металла — 0,014×10⁶ т. В осадочной оболочке сосредоточено около 35×10¹² т металла, в то время как в гранитном слое континентального блока земной коры его содержится 131×10¹² т. Таким образом, в биосфере находится более 20 % от суммы масс в биосфере и гранитном слое.

Значительное количество свинца поступает в океан из гидротерм, некоторые из них содержат весьма высокие концентрации свинца. Примером могут служить металлоносные хлоридные растворы в глубоких рифтовых впадинах Красного моря. По данным; А. П. Лисицина (1983), в Тихом океане поступление свинца из гидротерм превышает 10 % от массы растворимых форм этого металла, приносимых речным стоком.

Сведения о концентрации свинца в фотосинтезирующих организмах океана разноречивы. Средняя концентрация, возможно, близка к 1 мкг/г сухой биомассы. В таком случае в биомассе фотосинтетиков океана содержится 0,004 • 10⁶ т свинца, а на протяжении года через их организмы проходит около 0,11 • 10⁶ т.

Средняя концентрация свинца в наземной растительности близка 1,25 мкг/г сухого вещества. В биомассе растительности Мировой суши до воздействия на нее хозяйственной деятельности людей содержалось 3,1×10⁶ т, а в биологический круговорот захватывалось 0,21×10⁶ т свинца в год. Следует отметить, что интенсивность поглощения свинца наземной растительностью меньше, чем цинка, меди и некоторых других металлов. Глобальный коэффициент биологического поглощения К_б, (отношение средней концентрации металла в растительности суши к кларку гранитного слоя земной коры) равен 1,5.

Свинец может поступать в растения не только через корневую систему, но и через листовые пластинки из атмосферных осадков. В то же время через зеленые части растений происходит выделение свинца в составе фитонцидов и невозгоняемых соединений, которые захватываются ветром или смываются дождем. Геохимики США Г. Куртин, X. Кинг и Е. Мознер обнаружили, что в конденсатах газовых выделений хвойных деревьев субальпийских лесов некоторых горнорудных районов США содержится от 1 до 12 мкг/г свинца, в нерудных районах его значительно меньше.

Согласно У. Бофору, Дж. Барберу и А. Барринджеру (1975), растительность на площади 1 км² в течение года может выделить 5 г свинца. Таким путем в приземный слой тропосферы поступает до 250 — 300 т металла в год. Из-за большого количества свинца, аккумулированного в фитомассе лесных биоценозов, значительные массы металла поступают в тропосферу при лесных пожарах.

Концентрация свинца в органическом веществе педосферы близка к 2 — 3 мкг/г, масса металла равна (6 — 8)×10⁶ т. Распределение масс свинца в биосфере следующее:

Резервуар Масса, 10⁶ т

Мировая суша:

тропосфера............................................................................0,003

растительность континентов.................................................3,1

органическое вещество педосферы.....................................6—8

Океан:

тропосфера............................................................................0,001

фотосинтезирующие организмы........................................0,004

растворенные формы............................................................41,0

Земная кора:

осадочная оболочка..........................................................33,0×10^б

гранитный слой................................................................ 131,2×10⁶

 

Концентрация свинца в тропосфере над континентами варьирует от 0,2 — 0,5 до 300 — 400 нг/м³ над неурбанизированными районами. Значительная вариация объясняется влиянием многих природных факторов, из которых наиболее важным является количество высокодисперсной минеральной пыли. При минимальном содержании пыли концентрация металла в воздухе изменяется в более узких пределах: от 0,5 до 8 нг/м³ (Жигаловская Т. Н. и др., 1974; Шоу Т. и Эрл Дж., 1970). Самые низкие концентрации свинца становлены в воздухе Антарктиды, где осадки полностью выводят из тропосферы ничтожную примесь континентальной пыли.

В рыхлых продуктах выветривания, которые покрывают поверхность континентов и активно развеиваются ветром, концентрация свинца около 20×10⁴ %. При среднем содержании пыли в тропосфере около 30 мг/м³ в 1 м³ воздуха должно находиться 0,6 нг металла, а в 1 км³ — 0,6 г. В действительности концентрация металла в континентальных аэрозолях, как правило, значительно выше: от 30 — 50 до 100 — 500 мкг/г. Увеличение концентрации происходит в результате аккумуляции на поверхности тонких пылевых частиц рассеянного свинца, поступившего из других источников. Коэффициент аэрозольной аккумуляции К_а свинца (отношение концентрации металла в твердой фазе аэрозолей к кларку металла в гранитном слое земной коры) обычно равен 30.

Концентрации свинца в твердой фазе аэрозолей обусловливают его содержание в воздухе незагрязненных районов от 0,9 — 1,5 до 3 — 15 нг/м³, а в 1 км³ приземного слоя тропосферы находится от 1 до 15 г свинца. Таким образом, разница между массой свинца, которую можно ожидать, исходя из концентраций металла в рыхлых продуктах выветривания, покрывающих поверхность континентов, с одной стороны, и из концентраций в твердой фазе аэрозолей — с другой, весьма значительна. Эта разница окажется еще больше, если учитывать циклическую миграцию тонкой пыли в тропосфере.

Для основной массы пылевых частиц — носителей свинца — наиболее обычен период полного возобновления («время жизни» аэрозолей) около 7 сут. Следовательно, можно предположить, что циклическая обращаемость пылевых частиц в системе поверхность суши — тропосфера происходит на протяжении года около 50 раз. В результате многократного выпадения аэрозолей на поверхность суши поступает примерно 300×10³ т свинца в год. Кроме того, (40 — 50) ×10³ т металла переносится с тонкой пылью в тропосферу над Мировым океаном и там осаждается.

Под воздействием многократной конденсации и испарения паров воды на поверхности пылевых частиц накапливаются растворимые формы металла, которые вымываются атмосферными осадками. Средняя концентрация свинца в осадках, выпадающих на незагрязненных территориях, может быть принята равной 1 мкг/л, хотя во многих неурбанизированных районах концентрация достигает 2 — 4 мкг/л и более. Количество растворимых форм металла, поступающее с атмосферными осадками на Мировую сушу, может быть оценено в п× 110 × 10³ т/год, где и от 1 до 3 в зависимости от концентрации свинца. В указанное количество входит также около п× 40 × 10³ т/год металла, переносимого на сушу с осадками океанического происхождения.

При сопоставлении масс свинца, поступающих в тропосферу в составе континентальной пыли и выпадающих на поверхность суши с жидкими и твердыми осаждениями, создается кажущийся дисбаланс: из тропосферы выпадает свинца больше, чем захватывается с развеиваемыми частицами рыхлого покрова суши. Аналогичная ситуация существует в системе Мировой океан — тропосфера, где выпадающие с атмосферными осадками массы свинца значительно превышают его количество, поступающее в тропосферу в составе морских солей из брызг морской воды.

Среднюю концентрацию свинца в океанических аэрозолях, по данным А. А. Безбородова и В.Н.Еремеева (1984), Р. Честера и Дж. Стонера (1974), можно принять равной 230 мкг/г. Это на математический порядок больше величины концентрации металла в рыхлой толще продуктов выветривания, покрывающей континенты, и во много раз больше, чем в морской соли. А. А. Безбородов полагает, что среднее содержание свинца в воздухе над океаном около 3 нг/м³. По-видимому, в поверхностном слое океана происходят процессы, способствующие обогащению океанических аэрозолей свинцом и некоторыми другими тяжелыми металлами. Об этом свидетельствует оценка поступления масс металла из тропосферы на протяжении года. Поступление свинца на поверхность океана с жидкими атмосферными осадками оценивается величинами от 400 × 10³ до 2500 × 10³ т/год при концентрации в дождевой воде от 1 до 6 мкг/л. С сухими осаждениями, очевидно, поступает около 50 × 10³ (от 20 × 10³ до 100 × 10³) т свинца в год. Таким образом, суммарное поступление металла из тропосферы в океан имеет величину многих сотен тысяч — первых миллионов тонн, что сильно превышает поступление свинца в атмосферу с континентальной пылью и морскими солями. Следовательно, должны быть другие источники поступления металла в тропосферу.

Селективное обогащение аэрозолей свинцом и некоторыми другими металлами обусловлено несколькими факторами, наиболее важный из которых, по мнению английского биогеохимика П.Крэйга (1980), — процесс биометилизации, т.е. образование тетраметилсвинца в результате деятельности микроорганизмов. Определенный вклад в обогащение атмосферы свинцом также вносят вулканические эманации и сорбирование металлов водными пленками газовых пузырьков.

Изложенные данные позволяют представить динамику массообмена свинца в биосфере следующим образом. Массы металла находятся в рассеянном состоянии, их миграция имеет четко выраженный циклический характер и осуществляется в водорастворимых и газообразных формах, а также в формах, связанных с твердой фазой. Главным источником форм, связанных с твердой фазой, служат педосфера и рыхлые продукты выветривания, т.е. производные биогеохимических процессов. Перенос этих форм в океан происходит преимущественно с речным стоком и отчасти через атмосферу (около 40×10³ т/год). В массообмене континентов с атмосферой участвует от 100×10³ до 300×10³ т/год металла в формах, связанных с твердой фазой, включая около 30×10³ т выносимых с тонким вулканическим пеплом. В результате бытовых и производственных отходов на континенты поступает не менее 350×10³ т/год свинца в составе твердой фазы.

Мировой океан — глобальный аккумулятор растворимых форм свинца. В результате селективного выделения свинца на контакте океан —тропосфера в последнюю поступает (500 — 2300) ×10³ т/год растворимых форм металла. Почти все это количество удерживается в цикличной миграции в системе океан — тропосфера и лишь n×40×10⁸ т/год (п = от 1 до 3) переносится на континенты с воздушными массами морского происхождения. С речным стоком с континентов удаляется около 40×10³ т/год растворимых форм металла, к которым добавляется, вероятно, не менее 20×10³ т/год растворимых форм металла антропогенного происхождения. Из тропосферы на континенты осаждается (100 — 300) ×10³ т/год растворенных форм свинца, включающие выделенные из океана и перенесенные с воздушными массами океанического происхождения (40— 120) ×10³ т/год; около 2×10³ т/год вынесенных с вулканическими газами, а также с эманациями, поступающими от растительности (до 10×10³ т/год). К природным массам металла, находящимся в тропосфере, добавляется (4 — 8)×10³ т/год растворимых форм антропогенного происхождения. В процессе тропосферной миграции происходит существенная трансформация состояния свинца, и часть форм, связанных с твердым веществом, переходит в растворимое состояние. По этой причине на поверхность педосферы и растительный покров поступает значительно больше растворимых форм свинца, чем их вовлекается в массооб-мен с атмосферой.

Живое вещество захватывает рассеянный свинец из растворов и частично из твердой фазы и вовлекает в биологический круговорот около 210×10³ т/год металла на суше. Через фотосинтезиру-ющие организмы океана проходит не менее 110×10³ т/год.

Соотношение разных форм свинца в миграционных потоках регулируется глобальными механизмами: океаническим осадкообразованием, фракционированием на разделе океан — тропосфера, процессами, происходящими при формировании аэрозолей и протекающими в педосфере. В глобальной системе циклов миграции свинца весьма важная роль принадлежит педосфере. В почвах путем взаимообусловленных равновесий происходит перераспределение различных форм нахождения металла. Крупные массы растворимых форм свинца, поступающие на поверхность континентов в процессе циклической миграции, частично закрепляются на поверхности дисперсных частиц, входят в состав устойчивых гумусовых соединений. Повышенная концентрация свинца в верхнем горизонте почвы традиционно объяснялась аккумулятивной деятельностью растений. Новые факты позволяют предполагать, что это явление в определенной мере связано с циклической миграцией металла в системе поверхность суши — тропосфера.

Глобальный цикл цинка

 

Геохимия цинка и свинца в земной коре тесно связана. Концентрация цинка возрастает аналогично концентрации свинца от вещества верхней мантии (3×10^-3 %) к главному выплавляемому продукту — базальту (1,3×10^-2 %), несколько уменьшается в гранитах (6×10^-3 %). Значительные массы цинка и свинца сосредоточены в постмагматических образованиях. В месторождениях свин-цово-цинковых руд аккумулировано более 20×10^б т цинка. Это количество составляет всего 0,001 % массы цинка, находящегося в рассеянном состоянии в верхней части гранитного слоя земной коры мощностью 1 км.

Биосферная геохимия цинка и свинца существенно различается. Различие обусловлено в значительной мере ролью металлов в живом веществе Мировой суши. Свинец не имеет важного физиологического значения, он захватывается наземными растениями наряду с другими рассеянными металлами. Цинк — один из главных микроэлементов, он входит в состав ферментов, обусловливающих и регулирующих многие жизненные процессы, участвует в синтезе рибонуклеиновых кислот, необходим для синтеза хлорофилла. Цинкосодержащие ферменты участвуют в углеводном и фосфатном обмене. Для организмов животных весьма важное значение имеет карбоангидриза, содержащаяся в эритроцитах. Цинк аккумулируется в гонадах животных, участвует в механизмах, обеспечивающих морозо- и засухоустойчивость растений. Цинк активно поглощается растительностью суши. Глобальный коэффициент биологического поглощения К₆ цинка составляет 12, в то время как К_б свинца лишь немногим превышает единицу.

Концентрация цинка в растениях суши сильно варьирует в зависимости от почвенно-геохимических условий. Известны растения, произрастающие на участках аномально высокой концентрации металла в почве и содержащие цинк до 10 и даже 17 % от массы золы растений (так называемая галмейная флора). В то же время многочисленные данные свидетельствуют о сравнительно небольших колебаниях концентраций цинка в определенных систематических группах растений. В распространенных представителях естественной флоры США концентрация цинка, по данным X. Щаклетта, варьирует в пределах 320 — 640 мкг/г золы, в наиболее распространенных представителях травянистой растительности Южного Урала, по данным М.Д.Уфимцевой и В. Б. Черняховского, — 150 — 750 мкг/гзолы. Согласно расчетам биогеохимика из Новой Зеландии Р.Брукса (1983), средняя концентрация цинка в растениях равна 50 мкг/г сухого вещества, т. е. около 1000 мкг/г золы. Согласно нашим данным, среднюю концентрацию цинка в ежегодной продукции растительности Мировой суши можно принять равной 600 мкг/г золы, что соответствует 30 мкг/г сухой фитомассы или 12 мкг/г живой массы растений. Исходя из этой цифры, во всей биомассе растительности суши, не нарушенной человеком, содержалось около 75×10⁶ т цинка, а захват металла годовым приростом составлял 5,2×10⁶ т/год. Примерно такое же количество возвращалось в педосферу.

Большая часть цинка в растениях связана с легко разрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков в отличие от свинца, который прочно фиксирован в растительных остатках. Средняя концентрация цинка в торфе и лесных подстилках около 20 мкг/г сухого вещества, в гумусе почв несколько выше, около 30 мкг/г. Можно предполагать, что в органическом веществе педосферы содержится около (100— 150)×10⁶ т цинка.

Общее содержание всех форм цинка в гумусовом горизонте почв колеблется от 20 до 80 мкг/г. Средняя концентрация цинка в гумусовом горизонте почв европейской территории России около 50 мкг/г. По данным Х.Шаклетта (1984), близкое значение имеет среднее геометрическое концентраций цинка в почвах США — 48 мкг/г. Более половины общей массы цинка в почве входит в комплексы с органическим веществом и сорбировано пленками гидроксидов железа. Отметим, что относительное содержание прочно фиксированного свинца в почвах составляет 80 — 90 %.

Водорастворимые формы цинка составляют очень небольшую часть от общей массы металла в почве, но активно вовлекаются в водную миграцию. Глобальный коэффициент водной миграции К_в цинка более 3, К_в свинца — всего 0,5. Средняя концентрация цинка в реках мира около 20 мкг/л, выносимая масса — 820×10³ т/год. Средняя концентрация в речных взвесях значительно выше — 143 мкг/л (Гордеев В. В., 1983), выносимая масса — 5,8×10⁶ т/год. Таким образом, вынос масс цинка в составе взвесей составляет 87 % от общей массы выносимого реками металла, в то время как масса свинца — более 98 %.

Цинк активно участвует в массообмене между сушей и тропосферой. Имеются сведения о том, что 1 м² листьев деревьев может выделять до 9 кг цинка в год в составе терпенов (Бофор У. 1975). Значительное количество летучих органических соединени| цинка выделяется в условиях морских побережий и субаквалънь ландшафтов в результате бактериальной биометилизации. К сожалению, количественно оценить участие масс цинка в этих процессах пока невозможно.

В приземном слое воздуха над территорией, свободной от техногенного воздействия, концентрация цинка колеблется от 2 до 70 мг/м³ (Остромогильский А. X. и др., 1981). Следовательно, над площадью в 1 км² в слое высотой 1 км находится от 2 до 70 г металла, а над всей сушей (за исключением площади, покрытой ледниками и занятой внутренними водоемами) в приземном слое находится от 270 до 9450 т, в среднем 500 — 5000 т.

Некоторое количество цинка поступает в атмосферу с минеральной пылью. Средняя концентрация цинка в рыхлых покровных отложениях, которые в основном подвергаются развеиванию, равна 50 мкг/г. В тропосферу с пылью поступает (250 — 300) ×10³ т Zn в год, из них около 90×10³ т выносится в океан, (160 — 210) ×10³ т осаждаются на поверхности суши.

Природные концентрации цинка в атмосферных осадках разных регионов сильно отличаются. Наименьшие значения свойственны полярным и высокогорным районам, воздух которых содержит незначительное количество пыли. По данным американских и французских исследователей, в снеге Антарктиды концентрация цинка составляет сотые доли микрограмма на 1 метр, в снеге Гренландии — на математический порядок выше. В снежном покрове Шпицбергена концентрация цинка достигает 31 мкг/л (Евсеев А. В., 1988). В снеге, выпадающем в высокогорных районах в центре Евразии, концентрация цинка измеряется также десятками микрограммов на 1 метр (Кулматов Р. А., 1988).

Концентрация цинка в дождевых осадках над районами суши, не подвергающимися непосредственному техногенному загрязнению, составляет 10 — 40 мкг/л, но колебания весьма значительны и концентрации в отдельных пунктах выходят за указанные пределы. Исходя из средней концентрации (20 мкг/л), можно считать, что на поверхность Мировой суши с атмосферными осадками выпадает 2,28×10⁶ т цинка в год. Таким образом, на поверхность суши выпадает водорастворимых форм цинка значительно больше, чем захватывается ветром в атмосферу с минеральной пылью. По-видимому, это обусловлено тем, что в атмосферу выделяются также газообразные соединения цинка, которые конденсируются и сорбируются на аэрозолях, а затем вымываются атмосферными осадками. По этой причине концентрация цинка в твердой фазе аэрозолей из приземного слоя воздуха больше клар-ка цинка в земной коре в 10 — 30 раз.

Газообразные соединения цинка поступают в атмосферу при вулканических извержениях и в результате выделения летучих органических соединений зелеными растениями и бактериями. С вулканическими продуктами выбрасывается в атмосферу около 216×10³ т цинка в год. Из этого количества около 150×10³ т фиксировано на поверхности дисперсных частиц размером 0,001 — 0,05 мм, откуда металлы могут вымываться атмосферными осадками. Как следует из приведенных данных, масса цинка вулканического происхождения значительно меньше количества металла, поступающего с атмосферными осадками. Очевидно, главным источником цинка в атмосфере являются упоминающиеся процессы бактериальной биометилизации.

Важную информацию содержат данные о распределении масс цинка в земной коре:

Показатель Породы

Глины песчаники карбонатные

и глинистые сланцы

Средняя концентрация, 95 16 20

мкг/г

Масса цинка, 10¹² т 108 6,9 14,2

 

Общая масса цинка в осадочной оболочке 129,1×10¹² т. Масса цинка в гранитном слое континентального блока земной коры 418×10¹² т. Общая масса металла в гранитном слое и осадочной оболочке 547×10¹² т. Таким образом, на протяжении геологической истории было отложено в осадочной оболочке более 23 % цинка от его общей массы. Это превышает массу цинка, извлеченную при гипергенном преобразовании гранитного слоя. Вероятно, некоторое количество цинка поступило в биосферу дополнительно благодаря процессам дегазации.

Основная масса цинка в океане представлена водорастворимыми неорганическими соединениями. Согласно данным А. П. Лиси-цина и др. (1983), на контакте суша — океан ежегодно осаждается 90 % массы цинка, связанного во взвешенном веществе речного стока, и 35 % растворенных форм. В результате в пелагическую часть океана поступает не то количество цинка, которое выносится реками, а около 0,6×10⁶ т/год в составе высокодисперсной взвеси и менее 0,5×10⁶ т/год водорастворимых форм. Средняя концентрация растворенных форм цинка в океане близка к 5 мкг/л, масса соответственно равна 6,8×10⁹ т. Масса металла, связанного в океанической взвеси, значительно меньше, но количественная его оценка пока затруднительна.

Концентрация цинка в фотосинтезирующих организмах океана, как и в наземных организмах колеблется от 38 до 850 мкг/г сухой массы (Демина Л.Л. и др., 1983; Брайен Г., 1976). Если исходить из средней концентрации 50 мкг/г, количество цинка в биомассе фотосинтетиков океана можно определить равным 170×10³ т. Эта цифра очень мала по сравнению с количеством цинка, содержащимся в растительности Мировой суши. Вместе с тем очень быстрые жизненные циклы планктонных организмов обусловливают столь же быструю воспроизводимость биомассы и большую годовую биологическую продуктивность океана. По этой причине в состав фотосинтезируемого органического вещества на протяжении года включается такое количество цинка, которое в несколько раз превышает годовой захват металла растительностью суши. Разумеется, благодаря очень быстрой оборачиваемости планктона в этом количестве суммирована многократно обращающаяся одна и та же масса цинка, соответствующая циклу полного оборота биомассы планктона.

Есть сведения, что благодаря столь энергичному использованию цинка планктонными организмами от 4 до 50 % массы водорастворимых форм цинка в разных районах океана представлены метаболитами — комплексными органическими соединениями металла (Демина Л. Л. и др., 1983).

Балансовые расчеты показали, что в тропосфере над океаном находится больше тяжелых металлов, чем их должно быть только при захвате ветром брызг морской воды. Содержание цинка в нижнем слое тропосферы над океаном колеблется в широких пределах: от сотых долей до 60 нг/м³. Согласно данным А. А. Безбородова и В.Н.Еремеева (1984), среднее содержание цинка над пелагическими районами океана равно 7,8 нг/м³. Следовательно, в нижнем слое тропосферы высотой 1 км над всей акваторией Земли находится 2,8×10³ т цинка. Средняя концентрация цинка в дождевых осадках над пелагической частью океана близка к 6 мкг/л, с атмосферными осадками на поверхность океана поступает водорастворимых форм цинка примерно 2,5×10⁶ т/год. Это в 3 раза превышает поступление растворимых форм с глобальным речным стоком. Можно предположить, что главным источником поступления цинка в тропосферу над океаном являются процессы микробиологической метилизации металлов. Кроме того, в атмосферу над акваторией выносится с континентов около 1×10⁶ т/год цинка, фиксированного твердыми пылевыми частицами. В свою очередь, из океанической тропосферы с воздушными массами переносятся 260 • Ю³ т цинка в год, которые выпадают с атмосферными осадками.

На основании изложенных материалов можно следующим образом представить общую картину распределения масс цинка в биосфере:

Резервуар Масса, 10⁶ т

Мировая суша:

нижняя тропосфера.......................................................0,0005 — 0,005

растительность континентов........................................ 75,0

органическое вещество педосферы............................. 100,0

Оксан:

тропосфера..................................................................... 0,0028

фотосинтезирующие организмы.................................. 0,17

растворенные формы.................................................... 6800,0

Земная кора:

осадочная оболочка....................................................... 129,0×10⁶

гранитный слой............................................................. 418,0×10⁶