6.4. Круговорот кислорода

Круговорот кислорода является планетарным процессом, связывающим атмосферу и гидросферу с земной корой. В отличие от углерода, азота и фосфора резервуары доступного для биоты кислорода по сравнению с его потоками огромны. Поэтому отпадает проблема глобального дефицита кислорода и замкнутости его круговорота. Общее количество кислорода в атмосфере Земли составляет 1,0·10 т, а ежегодное продуцирование кислорода зеленой растительностью планеты составляет 300 млрд т. При этом почти ¾ этого количества выделяется растительностью суши и лишь немногим более четверти – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Таким образом, весь кислород атмосферы проходит через живое вещество Земли за 2000-250 лет.

Основными звеньями биотического круговорота является образование свободного кислорода в результате фотосинтеза в зеленых растениях, последующие затраты его на дыхание живых организмов, протекания реакций окисления органических остатков и неорганических соединений (например, сжигания топлива) и другие химические преобразования, которые ведут к образованию СО и Н О, после чего указанные вещества включаются в новый цикл фотосинтетических превращений.

Специфика процесса состоит в том, что образующаяся при фотосинтезе молекула О₂ один из атомов получает от СО₂, а другой - от воды. При дыхании потребляемая молекула О₂ один из атомов отдает воде, а другой – диоксиду углерода (рис.6.5)

Рис.6.5. Схема биотического круговорота кислорода

С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием жестких УФ-лучей происходит ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к возбужденным молекулам кислорода, образуя озон:

^(6.2)

На образование озона тратится около 5% поступающей к Земле солнечной энергии. Реакции (6.2) легко обратимы. При распаде озона выделяется энергия, за счет которой в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура.

Равновесие процесса круговорота кислорода нарушается антропогенной деятельностью. Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется около 23% кислорода, который выделяется при фотосинтезе.

6.5. Круговорот серы

Круговорот серы имеет основной резервный фонд в почве и отложениях, но в отличие от фосфора имеет резервный фонд и в атмосфере.

В быстро обменивающемся фонде серы ключевую роль играют специализированные группы микроорганизмов (сульфатокислющих и сульфатредуцирующих).

Сера является компонентом белков и входит в состав ряда аминокислот: цистина, цистеина, метионина. Эти аминокислоты синтезируются растениями, использующими минеральную серу. В организм животных сера попадает с растительной пищей.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (серный колчедан FeS , медный колчедан CuFeS ). В растворах – в форме иона (SO ), в газообразной фазе в виде сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S ) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

Ключевым звеном круговорота серы являются процессы аэробного окисления серы и сульфидов до сульфатов и анаэробного восстановления сульфатов до сульфидов. Эти реакции осуществляются соответствующими группами бактерий.

Сульфиды и элементная сера постепенно окисляются даже кислородом воздуха; в аэробных условиях в окислении принимают участие различные группы тионовых и серобактерий. Элементная сера появляется в почве как промежуточный продукт окисления сульфидов железа или вносится с загрязняющими веществами. Окисление серы в почве протекает ступенчато, причем конечными продуктами являются сульфаты или серная кислота:

(6.3)

(6.4)

Особый интерес представляют реакции восстановления сульфатов сульфатредуцирующими бактериями. Сульфаты неустойчивы в анаэробных условиях и при достаточном содержании органического вещества восстанавливаются анаэробными бактериями:

(6.5)

(6.6)

Сульфатокисляющие микроорганизмы (например, серобактерии) окисляют серу (а также H S и сульфиды), превращая ее в сульфаты (см. 5.2.2). Последние поглощаются растениями и вновь попадают в круговорот. Благодаря окислительно-восстановительным процессам происходит обмен серы между фондом доступного сульфата в аэробной зоне почвы и фондом сульфидов металлов, расположенным глубоко в почве и в осадках (в анаэробной зоне).

Сера, находящаяся в глубоководных отложениях в составе различных химических соединений, подвергается микробному восстановлению под действием сульфатредуцирующих бактерий. При этом создается вертикальный поток сероводорода, что типично, например, для Черного моря.

Круговорот серы находится под сильным влиянием антропогенной деятельности, в первую очередь, в результате сжигания ископаемого топлива. Выделяющийся при этом диоксид серы может реагировать с водяными парами атмосферы с образованием сернистой кислоты, а также в сильной степени подавлять процесс фотосинтеза вплоть до полной гибели листьев.