Біогеохімічний цикл водню.

Вміст водню в земній корі невеликий: кларк Н гранітоїдів становить 0,15.

У земній корі більша частина атомів водню входить до складу води, вугілля, нафти, горючих газів, глинистих мінералів, живих організмів.

Геохімія водню тісно пов'язана з історією води й живої речовини: кларк водню гідросфери дорівнює 10,72, а живої речовини - 10,5.

У земній корі вільний водень нестійкий. Він швидко з'єднується з киснем, утворює воду, або, завдяки своєї легкій масі, здатний дисипувати, тобто видалятися в космос (хоча під час збурень на Сонці у вигляді сонячого вітру може повертатися до Землі) .

Із утвореної води лише 10 % - вільна вода, яка бере участь у гідрологічному циклі.

90% земної води є зв’язаною:

а) в гірських породах, що утворюють земну кору;

б) у відкладах на поверхні Землі.

Ця зв’язана вода в гідрологічний цикл вступає дуже рідко, і водень потрапляє з неї в атмосферу лише при вулканічних викидах.

Вільна вода вступає у гідрологічний колообіг (атмосферні опади – фільтрація – випаровування – атмосферні опади), і використовується живими організмами, розкладаючись в процесі фотосинтезу, причому Н включається до складу органічних сполук.

У сучасний час у процесі фотосинтезу природною рослинністю на суходолі й фотосинтетиками в океані протягом року розщеплюється близько 200*10⁹тонн води й в органічній речовині зв'язується приблизно (30-35)х10⁹ тонн водню.

Органічні сполуки, окислюючись під час аеробного дихання, розкладаються, і водень може виводиться в навколишнє середовище в складі метаболічної води.

При розкладання органічних решток мікроорганізмами, особливо в анаеробних умовах, постійно утворюється газоподібний водень. Проте, спостерігається поступове нагромадження кисню в атмосфері планети, що пов'язано з диссипацією водню.

Організми закріплюють водень у біосфері планети, зв'язуючи його не тільки в органічній речовині, але й беручи участь у фіксації водню мінеральною речовиною ґрунту. Це стає можливим у результаті дисоціації кислотних продуктів метаболізму з вивільненням іона Н⁺.

Останній, як правило, з молекулою води утворить за допомогою водневих зв'язків іон гідроксонію (Н₃О⁺).

При поглинанні іона гідроксонію гіпогенними силікатами відбувається трансформація їх кристалохімічних структур у глинисті мінерали.

Таким чином, інтенсивність продукування кислотних продуктів метаболізму є важливим чинником гіпергенного перетворення кристалічних гірських порід і утворення кори вивітрювання.

У процесі круговороту води в біосфері відбувається фракціонування ізотопів кисню й водню. Пари води при випаровуванні збагачуються легкими ізотопами, тому атмосферні опади, поверхневі й ґрунтові води містять більше легких ізотопів. Океанічні води характеризуються стійким ізотопним складом. Материкові льоди Арктики й Антарктиди містять найбільш легку воду, тому що активність поділу ізотопів кисню посилюється при зниженні температури.

Кругообіг азоту.

Азот становить приблизно 78% повітря атмосфери.

Частина його міститься в ґрунті й у воді у вигляді неорганічних сполук (у вигляді амонійних солей, а також нітритів і нітратів), а частина - у формі органічних сполук, що входять до складу рослинних і тваринних білків, амінокислот.

Існує великий кругообіг азоту, що включає сушу й атмосферу, частиною якого є малий кругообіг (біотичний).

Первинно азот в атмосфері був, імовірно, результатом процесів дегазації верхньої мантії, магми й вулканічних виділень.

Електричні й фотохімічні реакції у високих шарах атмосфери приводять до синтезу з атмосферного N₂ й О₂ оксидів азоту NО, і надходженню сполук азоту на суходіл й в океан з атмосферними опадами (3-8 кг/га амонійного азоту в рік і 1,5-6,0 кг/га нітратного - Goldschmidt, 1954).

Цей азот включається в загальний біогеохімічний потік розчинених сполук, що мігрують із водними масами, бере участь у грунтотворних процесах і у формуванні біомаси рослин.

Азот у вільному виді, що міститься в повітрі (у вигляді N₂), недоступний рослинам. Для свого росту рослини можуть використовувати лише солі азотної й азотистої кислот, гірше - аміачні сполуки.

Надходження азоту з повітря в ґрунт у зв'язаному виді можливо завдяки азотофіксующим бактеріям, що живуть у ґрунтах, а також ціанобактериям у водоймах. Тому їхнє значення надзвичайно велике. Прикладами таких бактерій є аеробні азотобактерії, анаеробні клострідіуми Пастера, бульбочкові бактерії з роду Rhizobium, симбіонти бобових рослин.

Процес фіксації такий:

N₂ + 3Н₂  2NН₃ + 615,63 кДж.

За рік ці бактерії можуть запасати для рослин до 20 –30 кг азоту.

Далі починають виконувати свої функції нітрифікуючі бактерії (спрощено - нітритні й нітратні), що окисляють аміак відповідно, до азотистої й азотної кислот: 2NН₃ + 3О₂  2НNО₂ + 2Н₂О + 148 ккал;

2НNО₂ + О₂  2НNО₃ + 48 ккал.

Ці кислоти в процесі обмінних реакцій у ґрунтових розчинах утворять солі (нітрити й нітрати), які й використовуються рослинами:

К₂СО₃ + 2НNО₃  2КNО₃ + СО₂ + Н₂О. (або з СаСО₃)

Рослини використовують нітрати для синтезу білкових сполук, які в свою чергу використовуються для живлення іншими живими організмами (наприклад, тваринами), що синтезують свої власні амінокислоти й т.д.

Продукти виділення (екскреція) – сечовина й інші, трупи рослин і тварин піддаються деструкції й мінералізуються під дією амоніфікуючих бактерій, грибів (амоніфікація) спочатку до аміаку НN₃ й аміачних сполук, і далі до солей азотних кислот, а останні денітріфікуючими бактеріями до N₂, що знов потрапляє до атмосфери:

5С₆Н₁₂О₆ + 24КNО₃  30 СО₂ + 18Н₂О + 24КОН + 12N₂ + 9388,3 кДж/моль

Частково в атмосферу азот виділяється й у вигляді NН₃.

Потім починається новий цикл.

Частина аміаку після амоніфікації в ґрунті нітрифікується бактеріями до солей (нітритів і нітратів) і використовується в ґрунті для живлення рослинами.

Р ис. 4. Схема біотичного кругообігу азоту.

• азотофіксуючі бактерії N переводять в NН₃;

• нітрифікуючі переводять аміак - в основному у солі НNО₃;

• денітріфікуючі розкладають нітратні солі, перетворюючи їх в NН₃ і навіть до N₂.

Отже перші й другі бактерії збагачують ґрунт доступними для рослин формами азоту, а треті - збіднюють ґрунт азотом.

У геологічний кругообіг постійно надходить частина азоту у вигляді різних сполук, що використовуються у сільському господарстві як азотні добрива (надходження за рахунок азотних добрив становить 30% від загальних надходжень азоту на сушу й в океан.).

Азотовмісні речовини при вимиванні надходять і в ріки, і зі стоком виносяться в моря.

Частина азоту потрапляє в ґрунт і в ріки, а далі й у моря, за рахунок опадів, наприклад, кислотних дощів (що містять НNО₃), через викиди оксидів азоту, а також утворення оксиду азоту в атмосфері при грозах).

Найбільший вміст сполук азоту в районах впадання рік у моря, найменше - у центральних частинах океанів.

Азот може вийти із круговороту, якщо він досягне океану.

Частина азотовмісних сполук використовуються водоростями для синтезу органічних речовин і надходять у кругообіг океану (морський фітопланктон - зоопланктон - риби - птаха й ссавці), частина поступово осідає на дно, акумулюється в глибоководних відкладеннях, і тому, винесення азоту із суходолу не збільшує його концентрацію в морській воді.

Втрати азоту компенсується азотом з вулканічних газів.