Циклы элементов, поступивших

Глава 7

ЦИКЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОСТУПИВШИХ

В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ ДЕГАЗАЦИИ

МАНТИИ

 

В настоящей главе рассматриваются циклы тех химических элементов, миграция и распределение масс которых наиболее ярко отражают связь биосферы с глубинными частями планеты. Эти элементы непрерывно, на протяжении всей геологической истории выделялись из вещества Земли в виде газов и образовали газовую оболочку. Их непрерывное поступление балансировалось столь же непрерывным удалением из атмосферы в гидросферу или осадочную оболочку (за исключением водорода, который мог частично диссипировать за пределы планеты). В то же время именно эти элементы в основном образуют живое вещество Земли, из них состоят ткани организмов океана и суши. Живое вещество в силу замечательного свойства — стремления к возможно более полному использованию энергии для биологических процессов — играет ведущую роль в циклической миграции этих элементов в биосфере. Благодаря указанному свойству и быстрой изменчивости организмов живое вещество обусловило определенную эволюцию циклов массообмена рассматриваемых элементов на протяжении геологической истории Земли.

Глобальный цикл углерода

 

Циклические процессы массообмена углерода имеют особо важное значение для биосферы. Распределение масс этого элемента следующее. В атмосфере, по данным Г. В. Войткевича (1986), находится 2450×10⁹ т углекислого газа, что соответствует 668×10⁹ т углерода; по данным К. И. Кобак (1988), масса углерода в атмосфере по состоянию на 1983 г. составляла 728×10⁹ т. В океане углерод (помимо его содержания в живых организмах) присутствует в двух главных формах: в составе органического вещества (растворенного в воде и отчасти находящегося в виде взвешенных дисперсных частиц) и в составе взаимосвязанных ионов НСО₃^-, СО₃^2- и СО₂.

Средняя концентрация растворимого органического вещества в океане оценивается в 1,5 мг/л органического углерода (С_орг), концентрация дисперсного взвешенного органического вещества значительно ниже — около 0,02 мг/л С_орг (Лисицын А. П. и др., 1983). Учитывая объем Мирового океана, можно считать, что в нем содержится примерно 2100×10⁹ т С_орг. Наряду с углеродом, входящим в состав органических соединений, в океане присутствует углерод, находящийся в карбонатной системе (С_к), главным образом в составе гидрокарбонат-иона НСО₃^-. Средняя концентрация НСО₃^- в океане (см. табл. 4.1) равна 143 мг/л, общая масса — 196 000×10⁹ т. В этой массе содержится 38 600×10⁹ т С_к.

 

Как отмечено ранее, основная масса живых организмов находится на суше и в пересчете на сухое вещество составляет 2500×10⁹ т. Это значение характеризует массу растений Мировой суши до начала активной хозяйственной деятельности человечества. Есть основания полагать, что в результате деятельности человека масса природной растительности суши сократилась на 25 % и составляет 1880×10⁹ т. Средняя концентрация углерода в сухом веществе растительности суши равна 46 % (см. табл. 2.2), следовательно, масса углерода в растительности суши до ее нарушения человеком составляла 1150×10⁹ т, а в настоящее время около 865×10⁹ т.

В океане в биомассе организмов-фотосинтетиков по последним данным Е.А. Романкевича (1988) сосредоточено 1,7×10⁹ т С_орг. Это на порядок больше, чем считали ранее, — около 0,1×10⁹ т (Добродеев О. П. и др., 1976). Кроме того, в океане существует значительная масса организмов-консументов, в которой связано 2,3×10⁹ т С_орг. В целом, количество углерода, находящегося в живых организмах океана, составляет доли процента от количества, которое сосредоточено в массе растений Мировой суши.

На суше, в педосфере, имеется значительное количество неживого органического вещества: слабо разложенных растительных остатков, образующих лесные подстилки и скопления торфа, а также почвенного гумуса. Масса подстилок близка к 200- 10⁹ т, торфа — 500×10⁹ т. Согласно последним данным (Орлов Д. С., Бирюкова О.Н., 1995; Глазовская М.А., 1997), во всем неживом органическом веществе Мировой суши связано около 2500×10⁹ т углерода. В океане средняя концентрация растворимого органического вещества около 1,5 мг/л, взвешенного — 0,02 мг/л. Соответственно масса растворенного С_орг равна 2055×10⁹ т, масса С_орг взвешенного — 27×10⁹т.

Обобщая изложенные сведения, можно заключить, что наименьшее количество углерода находится в атмосфере, несколько больше — в живом веществе суши, еще больше — в неживом органическом веществе педосферы. Значительная масса углерода содержится в океане в составе гидрокарбонатов — в 10 раз больше, чем в живом веществе, атмосфере и педосфере вместе.

Приведенные данные являются ориентировочными и отражают современный уровень знаний. Данные о распределении масс углерода в биосфере, полученные другими авторами и другими путями, принципиально не расходятся с нашими результатами, хотя численно отличаются (Виноградов А. П., 1967; Иванов А.И. и др., 1988; Кобак К.И., 1988; Романкевич Е.А., 1988; Болин Б., 1979 и др.).

Общая картина распределения масс углерода в земной коре представлена в табл. 7.1. Главной формой нахождения углерода в земной коре является С_к. Средняя концентрация карбонатного углерода на порядок превышает концентрацию органического. Это имеет место для земной коры в целом и ее главных слоев: осадочном, гранитном и базальтовом, а также для основных типов коры: континентальном, субконтинентальном и океаническом. Соотношение масс С_к: С_орг составляет около пяти и несколько возрастает в океанической коре из-за высокого процента карбонатных осадков.

Таблица 7.1

Абсолютное время, млн лет

 

Рис. 7.1. Изменение во времени массы вулканических пород, суммарной массы СО₂ карбонатных пород и массы органического углерода С_орг, погребенного в осадочных толщах континентов (по А. Б.Ронову, 1976)

 

Как известно, молекулы СО₂ в атмосфере поглощают инфракрасное (тепловое) излучение Земли и излучают поток энергии к земной поверхности. Столь значительное повышение содержания углекислого газа могло вызвать очень сильное повышение температуры и разогревание поверхности планеты вплоть до испарения Мирового океана.

Усиление притока углекислого газа в периоды активного вулканизма, по-видимому, сопровождалось общим потеплением климата, уменьшением контрастности температур высоких и низких широт. Возможно, что широкое распространение характерных для тропических ландшафтов красноцветных продуктов выветривания в неогене и затем их полное исчезновение на внетропической территории в плейстоцене обусловлено уменьшением поступления вулканического СО₂ в связи с окончанием альпийского тектоне-геза.

Некоторые ученые (Добродеев О. П. и др., 1976) предполагают, что смена ледниковых и межледниковых периодов в плейстоцене обусловлена колебаниями содержания углекислого газа в атмосфере. Можно допустить, что распространение материкового льда и сильное сокращение площади лесной растительности с характерной для нее высокой биомассой способствовали повышению углекислоты в воздухе и относительному потеплению. Вызванное этим сокращение ледников и распространение лесов сопровождалось изъятием СО₂ из атмосферы и связыванием его в биомассе и органическом веществе педосферы, что, в свою очередь, вызывало постепенное похолодание и появление очередного материкового оледенения, за которым следовало сокращение площади лесов и повторение всего цикла.

Все рассмотренные изменения в циклическом массообмене углерода могли происходить естественным путем, без влияния хозяйственной деятельности человека. Определенные изменения в структуре глобального массообмена углерода вносит хозяйственная деятельность человечества. В результате распахивания земель, строительства городов и дорог, вырубки лесов биомасса растительности суши сократилась примерно на 25%. Соответственно изменились массы химических элементов, участвующие в биологическом круговороте, масса связываемого углерода и выделяемого кислорода. Еще больший деструктивный эффект вызывает сжигание минерального топлива, сопровождающееся изъятием значительных масс кислорода из атмосферы и образованием газообразных соединений углерода. Среди этих соединений преобладают СО и СО₂. Суммарное поступление углерода из техногенных источников в атмосферу оценивается в 5×10⁹ т/год. Поступление указанного количества в глобальный круговорот углерода не деформирует распределение масс элемента в биосфере, но может иметь последствия в связи с упомянутым ранее парниковым эффектом.

В заключение отметим, что сжигание более 90 % горючих веществ происходит в Северном полушарии, что отражается на неравномерном распределении оксида углерода. Максимальные концентрации СО₂ приурочены к полосе между 40 и 50° с.ш., где расположены главные центры индустрии.

Влияние живого вещества на

Глобальный цикл серы

 

Сера — характерный представитель группы активно дегазируемых элементов. В то же время поступление серы в атмосферу по сравнению с инертными газами или СО₂ сильно затруднено. Это связано со следующими обстоятельствами. Среди газообразных соединений серы, выделяющихся с вулканическими газами, наиболее обычными являются диоксид cepы (IV) и сероводород. В процессе активного дегазирования мантии и прохождения через толщи горных пород газы растворяются в подземных водах. При этом H₂S активно восстанавливает тяжелые металлы, образуя труднорастворимые сульфиды, главным образом дисульфид железа (пирит), a SO₂ частично связывается в составе также плохо растворимых сульфатов кальция, бария, стронция. В результате указанных реакций значительная часть дегазируемых соединений серы трансформируется в твердые минералы, среди которых наиболее распространен пирит FeS₂. Средняя концентрация сульфидной (в основном пиритной) серы в гранитном слое континентального блока земной коры 0,064%, сульфатной — 0,04%. Исходя из данных А.Б.Ронова и А. А.Ярошевского (1976), можно считать, что в гранитном слое масса сульфидной серы равна 5,3×10¹⁵ т, сульфатной серы — 3,3×10¹⁵ т.

В процессе фракционирования элементов при магматическом процессе сера вместе с металлами отщепляется от силикатного расплава и уходит в пневматолитово-гидротермальные флюиды, из которых затем выпадает в виде скоплений сульфидов железа, меди, цинка, свинца и некоторых других металлов. Заметим, что месторождения сульфидных руд составляют всего лишь тысячные доли процента от массы сульфидов металлов, рассеянных в верхней части гранитного слоя земной коры континентов мощностью 1 км.

Часть диффундирующих через земную кору газообразных соединений серы, а также сернистые газы вулканических выбросов и газово-жидких выделений наземных и подводных гидротерм поступает в систему Мирового океана и педосферу. При этом значительная часть газов захватывается бактериями в своеобразный микробиологический круговорот. Таким образом, дегазируемые соединения серы по пути в атмосферу должны преодолеть двойной фильтр: физико-химический в земной коре и биогеохимический на поверхности суши и на дне океана.

Глобальный массоперенос серы в биосфере не ограничен миграцией газообразных соединений и включает также миграцию водорастворимых соединений этого элемента в поверхностных и грунтовых водах. Образование водорастворимых форм серы связано с гипергенной трансформацией нерастворимых сульфидов, содержащихся в горных породах, в хорошо растворимые сульфаты. Сульфиды металлов в зоне гипергенеза подвергаются гидролизу и окислению, в результате чего образуется серная кислота, нерастворимые гидроксиды железа(Ш), марганца(IV) и легкорастворимые сульфаты. Образование сульфатов также происходит в почвах в результате микробиологических процессов. Водорастворимые сульфаты выщелачиваются из выветривающихся горных пород и выносятся с поверхности суши с речным стоком. Концентрация ионов [SO₄]^2- в морской воде 2,7 г/л. В системе Мирового океана аккумулировано 3,7×10¹⁵ [SO₄]^2-, в том числе 1,2×10¹⁵ т S.

Сера — обязательный компонент живого вещества: она входит в состав белков, в молекулярной структуре которых играет важную роль. В составе живого вещества Мировой суши, образованного в основном высшими растениями, концентрация серы невелика — по данным X. Боуэна, 0,34 % сухой биомассы. В животных и бактериях из-за большого содержания в биомассе белков концентрация серы значительно выше. Отношение С: S в белках около 16, в углеводах — 80, в наземных растениях — более 200, в животных — около 70. В живом веществе океана среднее содержание серы составляет 1,20 % сухого вещества. Отношение С: S в морских растениях около 50, почти такое же, как у наземных животных.

Количество серы, находящейся в биомассе суши, равно 8,5×10⁹ т, в фотосинтетиках океана — 0,07×10⁹ т, в консументах океана — 0,09×10⁹ т. Концентрация серы в неживом органическом веществе суши (лесных подстилках, торфе, гумусе почв), очевидно, близка к 0,5 % сухого вещества. Если эта цифра верна, то масса серы, находящаяся в органическом веществе педосферы, близка к 25×10⁹ т.

Несмотря на интенсивное дегазирование серы из недр Земли, природные уровни концентрации сернистых газов в атмосфере весьма незначительны: благодаря активному связыванию рассматриваемого элемента в земной коре, гидросфере и живом веществе концентрация и H₂S, и SO₂ около 2- 10^-8 %. Содержание H₂S и SO₂ в атмосфере очень непостоянно. С учетом вклада антропогенных факторов концентрация каждого из газов оценивается около 2×10^-8 %, суммарное количество серы в атмосфере — 14×10⁵ т.

Как следует из изложенного, своеобразие глобального цикла серы в биосфере обусловлено следующими причинами. Во-первых, способностью этого элемента под влиянием микробиологических процессов образовывать газообразные соединения (SO₂, H₂S и некоторые другие) и благодаря этому активно участвовать в массообмене между сушей и океаном, с одной стороны, и атмосферой — с другой. Во-вторых, трансформацией сернистых газов в хорошо растворимые сульфаты и заменой газовой миграции серы на водную. Это происходит благодаря быстрому окислению восстановленных и недоокисленных сернистых газов кислородом атмосферы и образованием хорошо растворимых сульфатов, легко вымывающихся из атмосферы и включающихся в водную миграцию. В-третьих, широким развитием сульфатредуцирующих бактериальных процессов в водных бассейнах и гидроморфных ландшафтах, куда поступают с водой растворенные сульфаты. Образующийся при разрушении сульфатов сероводород переводит растворенные в воде железо и другие металлы в форму труднорастворимых сульфидов, которые уходят в осадки морей и надолго прочно связывают крупные массы серы.

Благодаря постоянному выводу серы в осадочной оболочке накоплено огромное количество этого элемента. Согласно данным А. Б. Ронова (1976), средняя концентрация сульфидной серы в осадочной оболочке составляет 0,183%, масса — 4,1×10¹⁵ т. Масса сульфатной серы — 5,2×10¹⁵ т, общее количество серы — 9,3×10¹³ т. В то же время во всем гранитном слое земной коры содержится 8,5×10'⁵ т серы. Если же учесть растворенную в океане сульфатную серу (1,2×10¹⁵ т), то очевидно, что в биосфере этого элемента имеется больше, чем его могло быть извлечено из гранитного слоя континентального блока земной коры даже при его полном разрушении. Распределение масс серы в биосфере убедительно свидетельствует, что они не выщелочены из гранитного слоя при выветривании, а привнесены в биосферу в результате дегазации мантии:

Резервуар Масса, 10⁹ т

Атмосфера, S............................................................................ 0,0014

Мировая суша:

биомасса растительности.............................................................. 8,5

органическое вещество педосферы........................................... 25,0

Океан:

биомасса фотосинтетиков............................................................ 0,06

биомасса консументов.................................................................. 0,09

растворенные неорганические ионы.....................................1200000

Земная кора: -^

осадочная оболочка:

S-сульфидная.........................................................................4 100 000

S-сульфатная...........................................................................5200000

гранитный слой континентального блока:

S-сульфидная..........................................................................5 300000

S-сульфатная...........................................................................3300000

 

Значение живого вещества для глобальной геохимии серы в биосфере не менее велико, чем для углерода, хотя проявляется совершенно иначе. Если в биогеохимическом цикле углерода на суше главную роль играет сопряженная жизнедеятельность высших растений и почвенных микроорганизмов, то в биогеохимическом цикле серы основное значение имеет взаимодействие разных групп бактерий. Бактерии, синтезирующие органическое вещество, могут рассматриваться как продуценты, а разлагающие — как деструкторы (Заварзин Г. А., 1984). Взаимодействие таких групп способствует функционированию малых биогеохимических циклов.

Так, фототрофные пурпурные серные бактерии окисляют сероводород с образованием сульфата в качестве метаболита:

Условием для продолжения деятельности серных бактерий является удаление главного продукта обмена — сульфат-ионов; удаление обеспечивается деятельностью вторичных анаэробных бактерий, для которых субстратом служит сульфат, а метаболитом — сероводород. Этой реакцией заканчивается малый цикл серы. Но анаэробный цикл серы, как все биогеохимические циклы, полностью не замкнут.

Образующийся сероводород удаляется двумя путями. Во-первых, происходит связывание серы в виде черных гидратированных сульфидов железа — гидротроилита (мельниковита), в дальнейшем эволюционирующего в пирит и марказит. Во-вторых, сероводород мигрирует в атмосферу.

По мнению Г.А.Заварзина (1984), вторичные аэробные бактерии серного цикла продуцируют большую часть сероводорода, поступающего в атмосферу. Поступление этого газа из вулканических источников значительно меньше.

Определить микробиологическое продуцирование сернистых газов весьма сложно. По данным Дж. Фрейда (1976), в результате Деятельности микроорганизмов из океана в атмосферу выделяется 48×10⁶ т/год серы. Одна ее часть в виде недоокисленных газов типа SO₂ растворяется в воде (25×10⁶ т), другая полностью окисляется до сульфатов и вымывается атмосферными осадками. По Мнению Дж. Фрейда, почвенные бактерии на суше выделяют в атмосферу в виде газов 58×10⁶ т/год серы, из которых 15×10⁶ т поглощаются растительностью, а 43×10⁶ т окисляются в атмосфере до сульфатов и выпадают с атмосферными осадками.

Кроме того, с поверхности континентов ветром захватывается значительная масса сульфатов в виде дисперсных твердых частиц, которые входят в состав аэрозолей и затем выпадают на поверхность. Оценить эту массу в настоящее время можно лишь очень приблизительно. Поданным А. Ю.Лейн и соавторов (1988), в эоловой эмиссии в атмосферу с последующим осаждением участвует масса серы, равная 8×10⁶ т/год.

Одно из наиболее интересных открытий биогеохимии заключается в установлении эффекта фракционирования изотопов живыми организмами. Компоненты живой клетки и внеклеточные метаболиты, как правило, обогащены легкими изотопами. Это явление, рассмотренное в разделе о биогеохимическом цикле углерода, не менее ярко выражено в биогеохимии серы. В природе известны четыре стабильных изотопа серы. Самый легкий из них ³²S имеет распространенность (%) 95,1, другие: ³³S — 0,74; ³⁴S — 4,2; ³⁵S — 0,016. Практический интерес представляет соотношение двух изотопов: ³²S и ³⁴S.

Относительную распространенность этих изотопов можно определить по формуле

В качестве стандарта принята сера троилита из метеорита Каньон Диаболо, имеющая отношение ³⁴S: ³²S = 0,0450045. Любое соотношение двух изотопов серы в природных объектах может быть выражено через значение d³⁴S, которое будет иметь знак плюс в! случае возрастания соотношения по сравнению с эталоном и знак минус при уменьшении этого соотношения.

Установлено, что биогенные соединения серы — твердые и газообразные — обогащены легким изотопом. Наибольший эффект характерен для реакции биохимического восстановления сульфата до сероводорода, производимого бактериями Desulfovibrio desulphuricans. При этом в H₂S увеличивается содержание легкого изотопа ³²S, а не охваченные биогеохимическими процессами ионы [SO₄]^2- остаточно обогащаются изотопом ³⁴S.

В результате очень распространенного процесса микробиологической редукции сульфатов в биосфере произошло разделение серы на две части: серу биогенных сернистых газов и их производных (сульфидов), обогащенную легким изотопом, и серу сульфатов, в которых вследствие потери легкого изотопа произошло возрастание относительного содержания тяжелого изотопа ³⁴S. Так как сульфаты аккумулированы в морях и океанах, то в океанической воде и эвапоритах значение d³⁴S равно соответственно 20 и 17, а в осадочных породах, где, как отмечено ранее, присутствует значительное количество биогенного сульфида железа, d³⁴S имеет значение -12. Сера H₂S, продуцируемого сульфатредуцирующими микроорганизмами, имеет d³⁴S до -43.

Оценка масс серы, участвующих в массообмене в системах суша —тропосфера —суша и океан—тропосфера—океан, у разных авторов сильно различается. Так, выделение серы с поверхности океана в виде биогенных сернистых газов Дж.Френд (1976) и А.Цендер (1980) оценивают в 48×10⁶ т/год, а А. Ю.Лейн и соавторы (1988) — в 7×10⁶ т/год. Это связано с большими трудностями экспериментального определения масс сернистых газов, поступающих из разных источников. В то же время сернистые газы в атмосфере быстро окисляются и переходят в сульфатную форму, легко вымываемую атмосферными осадками. Следовательно, определив массу сульфатов, выпадающих на протяжении года с атмосферными осадками на поверхность океана, можно получить представление о суммарном количестве серы, поступающей в атмосферу в разных формах и из разных источников. Аналогичный прием можно применить по отношению к Мировой суше.

Исходя из годового количества атмосферных осадков, выпадающих на поверхность Мирового океана (411×10¹⁵ л), и их средней минерализации (10 мг/л), можно считать, что на поверхность океана выпадает растворенных солей 4,1×10⁹ т/год плюс 20 % от этой массы солей в форме сухих осаждений — 0,8×10⁹ т/год S, всего 4,9×10⁹ т солей в год, в том числе серы 0,28×10⁹ т/год. Кроме того, как отмечено в разд. 3.3, 10 % от всей массы солей, находящихся над акваторией Земли, переносится с воздушными массами на сушу. Следовательно, можно считать, что разными путями (захват брызг морской воды, испарение, выброс пленок газовых пузырьков, выделение биогенных и вулканических SO₂ и H₂S) в атмосферу над океаном поступает около 0,31×10⁹ т/год S, которая переходит в сульфатную форму и в количестве 0,83×10⁹ т/год [SO₄]²" или 0,28×10⁹ т/год S выпадает на поверхность океана, а немногим менее 0,08×10⁹ т/год [SO₄]^2- или 0,03×10⁹ т/год S переносится на сушу.

Большая часть Мировой суши (117×10⁶ км²) дренируется реками, стекающими в систему Мирового океана. С этой территории испаряется 62×10¹⁵л/год воды, которая вновь выпадает в виде атмосферных осадков. Средняя концентрация [SO₄]²~ в атмосферных осадках суши около 5 мг/л. Следовательно, с поверхности рассматриваемой территории ежегодно поступает в атмосферу и вновь возвращается 0,310×10⁹ т [SO₄]²- или 0,103×10⁹ т S с осадками плюс 20 % в форме сухих осаждений серы 0,02- 10⁹ т, всего 0,123×10⁹ т S. Кроме того, на поверхность суши выпадает 44×10¹⁵л атмосферных осадков, принесенных воздушными массами с акватории, а вместе с этими осадками 0,03×10⁹ т/год S.

Территория площадью 32×10⁶ км² не имеет стока в океан. Здесь происходит замкнутый круговорот 7,5×10^|5 л воды в год со средней концентрацией [SO₄]^2- около 30 мг/л. В этом круговороте принимает участие 0,225×10⁹ т/год [SO₄]^2-, в том числе 0,75×10⁹ т S.

Итак, с поверхности Мировой суши на протяжении года поступает 0,198×10⁹ т серы, а выпадает на 0,03×10⁹ т больше за счет переноса с океана. В то же время с речным стоком выносится в океан в форме растворимых сульфатов 0,163×10⁹ т S в год.

На дне морей и океанов происходят интенсивные процессы редукции сульфатов, содержащихся в морской воде, и образование сульфидов железа. Количественная оценка образующихся масс сульфидов проблематична, данные авторов различаются в 100 раз: от 7×10⁶ т S в год (Цендер А., 1980) до 100×10⁶ т S в год и более. Согласно данным А.Ю.Лейн и соавторов (1988), осаждения сульфидной серы в океане составляют 0,111×10⁹ т/год, сульфатной серы значительно меньше — 0,028×10⁹ т/год. Интенсивность бактериальной сульфатредукции в явно восстановленных морских и океанических донных осадках изменяется в очень широких пределах — от 0,001 до 1,8 мг H₂S на килограмм осадка в сутки.

Возвращаясь к оценке различных источников поступления сернистых газов в биосфере, отметим, что выделение H₂S с поверхности суши и океана измеряется десятками миллионов тонн серы в год. Эмиссия сероводорода особенно активно происходит на участках морских прибрежных мелководий и в ландшафтах болот. Как уже отмечалось, H₂S и SO₂ в атмосфере быстро окисляются и трансформируются в сульфатную форму. Но имеются сведения о том, что некоторая часть SO₂ может растворяться в морской воде, а также поглощаться наземными растениями и почвой.

Необходимо отметить значительное количество различных соединений серы, поступающих через гидротермы. Это количество А.Цендер и соавторы (1980) определили в 129×10⁹ т/год серы в сульфатной форме. Эмиссия серы при собственно вулканических извержениях значительно меньше и разными авторами определяется от 2 т/год (Френд Дж., 1976) до 28 т/год (SCOPE - 21, 1983).

Как ни важна роль хемолитотрофных бактерий в системе глобального массообмена серы, значение фотосинтезирующих организмов остается весьма существенным. На основании данных о продукции наземной растительности до ее нарушения хозяйственной деятельностью человека и среднем содержании серы в сухой биомассе наземной растительности, равном 0,34 %, можно полагать, что в биологическом круговороте на суше ежегодно участвовало 0,59×10⁹ т серы. Средняя концентрация серы в фотосинтезирующих организмах океана значительно выше, чем в растениях суши, а именно 1,2% (Боуэн X., 1966). Соответственно в биологическом круговороте в океане участвует 1,32×10⁹ т/год серы.

Основные черты существующего массообмена серы, по-видимому, сложились более 0,5 млрд лет назад. Как показано в настоящем разделе, глобальный цикл серы в биосфере в значительной мере обусловлен биогеохимическими процессами. В то же время структура глобального цикла и распределение масс серы изменялись по мере того, как шло преобразование окружающей среды под воздействием деятельности живых организмов.

Интересные данные получены при изучении изотопного состава серы отложений разного возраста. Установлено, что в отложениях, имеющих возраст более 2 млрд лет, существенного изменения в соотношении ³²S и ³⁴S не происходило. Это указывает на небольшой размах деятельности сульфатредуцирующих и серобактерий. Но в более поздних отложениях обнаруживаются сильные колебания в соотношении изотопов, что связано с избирательным поглощением живыми организмами легкого изотопа ³²S. Около 1,7 млрд лет назад началось отложение мощных толщ морских сульфатов — гипсов и ангидритов. По-видимому, это было связано с нарастающим поступлением кислорода благодаря деятельности цианобактерий в интервале 2,8— 1,7 млрд лет назад. Согласно М. Шидловскому (1980), 38 % всего кислорода, поступившего на протяжении геологической истории, было связано в мощных толщах осажденных сульфатов (гипсов и ангидритов). Отложенные гипсы обогащены тяжелым изотопом ³⁴S, что указывает на высокую активность бактерий, захвативших значительную массу легких изотопов, в том числе ³²S. Благодаря этому гипсы оказались достаточно обогащенными тяжелым изотопом ³⁴S.

В глобальном цикле серы ярко выражена его сильная незамкнутость, проявляющаяся в непрерывном выведении из миграционных потоков крупных «избыточных» масс серы в виде сульфидов железа и сульфатов кальция (и отчасти магния). Благодаря выведению серы в океане и атмосфере поддерживается очень невысокое содержание сернистых газов. В то же время сера — один из главных компонентов газов, выделяющихся из недр Земли. Учитывая массы серы, содержащиеся в разной форме в осадочной оболочке и Мировом океане, можно заключить, что за время существования биосферы в нее поступило не менее 10,5×10¹⁵ т серы.

Поступление соединений серы, образованных в результате хозяйственной деятельности людей, в атмосферу, педосферу и природные воды является одним из наиболее сильных проявлений воздействия человечества на окружающую среду.

Основной техногенный поток серы в атмосферу связан с эмиссией сернистых газов, образующихся при сжигании минерального топлива и выплавке металлов. Главными путями загрязнения природных вод растворимыми соединениями серы являются смыв удобрений в гидрографическую сеть и сточные воды предприятий химической промышленности.

Более 95 % выбросов техногенных сернистых газов приходится на SO₂ и ее производные — SO₃ и H₂SO₄, которые способствуют активизации коррозии металлов, оказывают поражающее действие на растения, животных и человека. Согласно И.И.Альтшулеру (1980), в середине 70-х годов прошлого столетия из разных источников в атмосферу ежегодно поступало 120×10^б т SO₂ и (4—5) ×10⁶ т H₂S. Это количество в начале XXI в. должно существенно возрасти. В атмосфере происходит быстрая трансформация SO₂ в SO₃ и затем в H₂SO₄. При взаимодействии с постоянно присутствующим в тропосфере аммиаком образуется сульфат аммония. В определенных условиях часть SO₂ вымывается атмосферными осадками, поглощается растениями и почвой. Большая часть SO₂ окисляется до [SO₄]^2-, который является самым распространенным ионом атмосферных осадков. Общее количество серы, поступающей в атмосферу из индустриальных источников, составляет около (100 — 110×10⁶т/год.

Определенный вклад в движение масс водорастворимых соединений серы, в частности в водный сток с континентов, вносит смыв минеральных удобрений — около (20 — 30)×10⁶ т/год. Примерно такое же количество серы поступает со сточными водами промышленных предприятий химической, горной и металлургической промышленности.

Как следует из данных табл. 7.3, техногенные выбросы соединений серы в окружающую среду не нарушают баланса масс, мигрирующих в глобальном цикле серы. В то же время соединения серы в индустриальных и бытовых отходах оказывают губительное воздействие на биоту обширных территорий, создавая опасность для нормального функционирования самого главного звена биосферы. Массированная эмиссия SO₂ в атмосферу порождает так называемые кислотные дожди, распространяющиеся далеко за пределы индустриальных районов. Растворимые соединения серы в промышленных и бытовых стоках поражают экосистемы крупных внутриконтинентальных водоемов и шельфовых морей, не считаясь с государственными границами.

Таблица 7.3

Глобальный цикл азота

 

Азот — один из элементов, отделившихся в газовой фазе уже на этапе формирования Земли в процессе ударной дегазации. В дальнейшем выделение газообразных соединений азота из недр Земли продолжалось при извержении вулканов, выносе гидротерм и газовых струй. Газообразный молекулярный азот благодаря химической инертности является наиболее устойчивой формой нахождения этого элемента. По этой причине N₂ изначально аккумулировался в атмосфере, а не концентрировался в форме растворенных соединений в воде океана, как хлор, или в форме нерастворимых соединений в осадках океана, как углерод в составе карбонатных толщ.

Основная масса азота в форме N₂ сосредоточена в атмосфере, где содержится 3 866 000×10⁹ т этого элемента. Часть газа N₂ растворена в воде Мирового океана. При равновесии газов атмосферы с водой океана в последнем может быть растворено от 115000 ×10⁹ до 200 000 ×10⁹ т N₂.

В океане азот присутствует также в виде растворенных ионов, в составе растворенного и дисперсно-взвешенного органического вещества. Масса азота, находящегося в форме растворенных ионов [NH₄]⁺, [NO₂]- и [NO₃]-, составляет 685 ×10⁹ т.

Среднее содержание азота в живом веществе Мировой суши, массу которого в основном образуют зеленые растения, разные авторы определяют от 0,6 % (Базилевич Н.И., 1974) до 3 % сухой биомассы (Боуэн X., 1966). Значительную часть биомассы растений суши представляют стволы деревьев, состоящие преимущественно из целлюлозы и лигнина. По этой причине мы принимаем для расчетов среднее содержание азота в сухой биомассе растений равным 1 % (возможно, это значение несколько завышено). В то же время в годовом приросте растительности суши, состоящем из вегетирующих органов растений, значительно больше белков, чем в фитомассе в целом. Поэтому среднее содержание азота в годовом приросте мы принимаем равным 2 %, что соответствует данным Е. А. Романкевича (1988). С учетом изложенного можно считать, что в биомассе растений Мировой суши до ее нарушения хозяйственной деятельностью человека содержалось порядка 25 • 10⁹т азота. В органическом веществе педосферы среднее содержание азота близко к 3 %, а общая масса элемента около 200 • 10⁹ т. Значительно меньше в педосфере солевого, главным образом, нитратного азота, количество которого пока не поддается оценке.

Концентрация азота в фотосинтезирующих организмах океана оценивается от 4,5 % (Базилевич Н.И., 1974) до 8,2% (Романке-вич Е.А., 1988), в среднем 6% сухого органического вещества, а количество азота равно 0,20×10⁹ т. В организмах-консументах при средней концентрации азота 7 % его масса составляет 0,32×10⁹ т. Общее количество азота в организмах океана равно 0,52×10⁹ т. В растворенном органическом веществе океана при концентрации в нем азота 6% сухой массы (Виноградов А. П., 1987) содержится 252×10⁹ т азота, во взвешенном органическом веществе — примерно в 10 раз меньше. Общее количество азота в мертвом органическом веществе океана составляет около 0,3×10¹² т.