Полная версия

Главная arrow Экология arrow Науки о Земле

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

БИОГЕОХИМИЯ

Биогеохимия - раздел геохимии, изучающий геохимические процессы, происходящие в биосфере при участии организмов. Миграция химических элементов на Земле не может быть понята без учёта влияния организмов. Биогеохимические процессы находят отражение на геологических картах. Впервые задачи биогеохимии были сформулированы академиком В. И. Вернадским и решались в специально созданной биогеохимической лаборатории (Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН). Проблемы биогеохимии широко изучаются во всем мире.

Биогеохимия рассматривает не отдельные особи или виды организмов, а всю их совокупность, так называемое живое вещество, выраженное в массе, химическом составе и энергии, которую оно привносит в биогеохимические процессы. Живое вещество неравномерно распределяется по поверхности Земли. Известны области его скопления, или сгущения, например планктона в океанах и морях, лесов на суше, гумуса, торфяника в почвах. Плотность населения неравномерна и в значительной степени зависит от почвенно-климатических зон. Растительные организмы составляют главную массу живого вещества (около 1 % падающей солнечной энергии поглощается растениями, что эквивалентно 3-10 кг углерода: это примерно соответствует массе живого вещества на земном шаре). Одна масса живого вещества не даёт правильного представления об интенсивности участия его в био-геохимических процессах. Огромное значение имеет скорость размножения организмов, т. е. общая продукция органического вещества, образуемая за определённое время. Особенно это относится к низшим организмам - бактериям, грибкам, водорослям и др., обладающим высокой скоростью размножения. В состав живого вещества входят все известные химические элементы и их изотопы. Но основную массу любого организма составляет ограниченное число химических элементов (табл. 19), которые в условиях биосферы образуют легкоподвижные и легкорастворимые соединения, например газы СОг или ЫНз, Н20, ионы Н', ОН", Шз', БОД Р043", №+, К+, Са2+, Mg2+, а также тяжёлые металлы, образующие высокоокисленные комплексные ионы.

Таблица 19

Среднее содержание некоторых химических элементов в земной коре,

почвах и организмах (% по массе)

Химические

элементы

Земная кора (осадочные породы)

Почвенный

покров

Организмы

(растения)

в

МО-2

1 -1 о-3

1-10"4

с

1,0

2,0

18,0

N

6-10-2

МО-1

3-10-1

О

52,8

49,0

70

Е

5-10-2

2 • 10“2

1 • 105

0,66

0,63

2-10-2

1,34

0,63

7-10-2

А1

10,45

7,1

2-10-2

23,8

33,0

1,5-10 1

Р

7-10-2

ГЧ

О

ОС

7-10-2

Б

3-10-1

8-10-2

5-10-2

С1

1,6-10 2

1 • 10-2

10 2

К

2,28

1,36

3-10-1

Са

2,53

1,37

3-10"1

Т

0,45

4,6-10 1

1-10”4

Мп

6,7-10-2

8-10‘2

1 • 1 о-3

Ее

3,3

3,8

ГЧ

О

сч

Си

5,7-10 3

2-10-3

2-10"4

4,5-10 2

3-10"2

10г4

Ъх

2-10-2

3-10"2

10^

I

1-10”4

5-10”4

1 • 1 о-5

Ва

8-10'г

5 -10-2

ю^4

и

3-10"4

1/Э

О

г-

О

Химические элементы, например Тц Zr, ТЬ, не образующие в биосфере растворимых и легкоподвижных соединений, несмотря на значительное содержание их в породах земной коры, в организмах представлены в очень малых количествах. Организмы не повторяют «концентрационной матрицы» химического состава среды, а активно выбирают из нее только те элементы, которые им нужны. Нередко тот или иной вид растений избирательно накапливает определённые химические элементы, что используется в экологии для очищения загрязненных почв, но химический состав «чистого» организма не является характерным признаком для определённого вида.

Несомненно, что организмы выполняют геохимическую функцию, участвуя в биогенной миграции того или иного химического элемента, но число таких химических элементов не велико - в основном это кальций и фосфор. Например, кальций в виде СаСОз с раннего кембрия использовался организмами для образования скелета. Эта очень древняя геохимическая функция была характерна для многих низших организмов. Позже, наряду с организмами со скелетом из СаСОз, появились организмы со скелетом из фосфата кальция (в первую очередь среди брахиопод), который характерен и для всех высших организмов. У многих древних низших организмов (включая морских губок и радиолярий) встречается также скелет из кремнекислоты. Это указывает, что организмы в процессе эволюции пробовали разные варианты организации, перебирая Бц Са и Р.

Участие живого вещества в биогеохимических процессах проявляется прямо и косвенно. В мощнейших разрезах карбонатных пород, например, в палеозойских метаморфизованных известняках (мраморах), в мезозойских известняках, состоящих из карбонатных раковин фораминифер (писчий мел), в кайнозойских известняках-ракушечниках сосредоточился почти весь углекислый газ былой углекислой атмосферы. В итоге морские организмы становятся могильщиками жизни на Земле, изымая из биосферы углекислый газ, служащий продуцентам для синтеза биомассы, являющейся пищей для всего живого. Мертвые организмы непосредственно участвуют в образовании диатомита, известняков, углей, нефти и др. Зелёные растения в результате фотосинтетической деятельности создали всю массу кислорода современной атмосферы Земли. Морские водоросли концентрируют значительное количество йода, который после отмирания зеленой массы рассеивается в окружающей среде, удерживаясь в связанном виде в составе N31. Далее его природная миграция повторяет промышленные процессы получения йода.

Сырьём для промышленного получения йода служат нефтяные буровые воды; за рубежом - морские водоросли, а также маточные растворы чилийской (натриевой) селитры, содержащие до 0,4 % йода в виде йодата натрия. Для извлечения йода из нефтяных вод (содержащих обычно 20-40 мг/л йода в виде иодилов) на них сначала действуют хлором (2№Т + С12 = 2№С1 + 12) или сернистой кислотой (2№1 + + 2ЫаЫ02 + 2Н2Б04 = 2Ыа2Б04 + 2ЫО + 12 + 2Н20). Выделившийся йод либо адсорбируют активным углём, либо выдувают воздухом. На йод, адсорбированный углём, действуют едкой щёлочью или сульфитом натрия (12 + Ыа280з + Н20 = = Ыа28С>4 + 2Н1). Из продуктов реакции свободный йод выделяют действием хлора или серной кислоты и окислителя, например дихромата калия (К2Сг202 + 7Н2804 + 6Ыа1 = — К2Э04 + 3№2804 + Сг2(804)з 312). При выдувании воздухом йод

поглощают смесью диоксида серы с водяным паром (2Н20 + 802 + 12 = = Н28С>4 + 2Н1) и затем вытесняют йод хлором (2Н1 + С12 = 2НС1 + 12).

Сырой кристаллический йод очищают возгонкой. Ещё более разнообразно косвенное влияние организмов и продуктов их жизнедеятельности на геохимические процессы. Микроорганизмы участвуют, например, в окислении соединений железа, марганца и других элементов, что ведёт к выпадению их из природных растворов и отложению в осадках. Микроорганизмы восстанавливают сульфаты, образуя биогенные месторождения серы и т. д. Когда на Земле ещё не было месторождений органики, уран, германий и ванадий концентрировались в осадочных железных рудах, а с её появлением они стали накапливаться и в некоторых ископаемых углях и битумах. Следовательно, под влиянием живого вещества, генерирующего органику, геохимические процессы отыскивают новые барьеры осаждения. В Африке даже разрабатывалось битумное месторождение ванадия. Угли, нефть, газ и другая органика (например, фосфориты, которые до минерализации были органическим веществом) являются отличными адсорбентами и абсорбентами для многих тяжелых металлов.

Исключительную роль живое вещество наряду с Н2О и ССЬ играет в процессах выветривания и образования осадочных пород (биогенных осадков в морях и океанах). Представляет интерес участие организмов в процессах разделения близких по свойствам пар химических элементов, например БЕве, Ее/Мп, К/Ыа, Са/8г и т. д. В свою очередь среда обитания отражается на составе организмов. В пределах так называемых биогеохимических провинций возникают формы организмов, накапливающие иногда значительные количества определенного химического элемента, т. е. имеет место интенсивная биогенная миграция данного элемента. Известно также, что организмы участвуют в нарушении изотопного состава ряда лёгких химических элементов (углерода, кислорода, серы). Как правило, в биогенных процессах организмами поглощаются преимущественно более лёгкие изотопы.

В современной геологической деятельности огромную биогеохи-мическую роль играет человек. Ежегодно из недр Земли извлекается не менее 100 млн т минеральной руды и порядка 120 Гт горной породы (Воронков И. А., 1999). Рассредоточивая руду, а еще больше золу от сжигания угля, по поверхности Земли человек влияет на химический и изотопный состав почвы, атмосферы и биосферы в целом, и это влияние с каждым столетием непрерывно растет.

Биогеохимические провинции - области на поверхности Земли, различающиеся по содержанию (в почвах, водах и т. п.) химических элементов (или соединений), с которыми связаны определённые биологические реакции со стороны местной флоры и фауны. Состав почв влияет на подбор, распределение растений и на их изменчивость под влиянием тех или иных химических соединений или химических элементов, находящихся в почвах. Границы ареала определённой флоры или фауны в пределах одной почвенной зоны нередко совпадают с областью развития конкретных горных пород или геологических формаций. Хорошо известна специфическая растительность, распространённая на серпентинитах, известняках, в бессточных засоленных областях, на песках и т. п. Резкая недостаточность или избыточность содержания какого-либо химического элемента в среде вызывает в пределах данной биогеохимической провинции биогеохимические эндемии - заболевания растений, животных и человека. Например, при недостаточности йода в пище - зоб у животных и людей, при избыточности селена в почвах - появление ядовитой селеновой флоры и многие другие эндемии.

По генезису выделяются два типа биогеохимических провинций:

  • 1. Биогеохимические провинции, приуроченные к определенным почвенным зонам в виде отдельных пятен или областей и определяемые недостаточностью того или иного химического элемента в среде. Например, для зон подзолистых и дерново-подзолистых почв Северного полушария, простирающихся почти через всю Евразию, характерны биогеохимические провинции, связанные с недостаточностью йода, кальция, кобальта, меди и др. Подобные биогеохимические провинции с характерными для них эндемиями (зоб, акобальтоз, ломкость костей у животных и т. п.) не встречаются в соседней зоне чернозёмов. Причина лежит в большой подвижности ионов I, Са, Со, Си и др., легко вымываемых из подзолистых почв. Подобный процесс имеет место и в аналогичных почвах Южного полушария. Этот тип биогеохимической провинции носит негативный характер, так как возникает в результате недостаточности того или иного химического элемента в среде.
  • 2. Биогеохимические провинции и эндемии, встречающиеся в любой зоне. В этом смысле они имеют интразональный характер и возникают на фоне первичных или вторичных ореолов рассеяния рудного вещества месторождений, солёных отложений, вулканогенных эманаций и т. п. Например, борные биогеохимические провинции и эндемии (среди флоры и фауны) обнаружены в бессточных областях; флюороз человека и животных - в области недавно действующих вулканов, месторождений флюорита и фтор-апатита; молибденозис животных - в пределах месторождений молибдена и т. п. Этот тип провинций и эндемий имеет преимущественно позитивный характер, поскольку связан с избыточным содержанием химических элементов в среде.

Химические элементы, образующие хорошо растворимые соединения в почвенных условиях, вызывают наиболее сильную биологическую реакцию у местной флоры. Имеет значение и форма нахождения химических элементов в среде. Например, молибден вызывает у животных заболевание только в районах распространения щелочных почв (молибденовая кислота даёт растворимые соединения с щелочами); в районах кислых почв избыток молибдена не приводит к заболеваниям и т. п. Химические элементы Тц Zr, Н? ТЬ, Эп, Р1 и многие другие, не образующие в почвенных условиях легкоподвижных растворимых соединений, не вызывают образования биогеохимических провинций и эндемий.

В пределах биогеохимических провинций различают два вида концентрации химических элементов в организмах: групповой, когда все виды растений в данной провинции в той или иной степени накапливают определённый химический элемент, и селективный, когда имеются определённые организмы-концентраторы того или иного химического элемента вне зависимости от уровня содержания этого элемента в среде. Известны различные виды растений, которые в биогеохимических провинциях концентрируют определённые элементы и подвергаются при этом изменчивости. К ним относятся специфическая галмейная флора (концентрирующая Zn), известковая, селеновая, галофитная, серпентинитовая флора и многие другие.

В зависимости от конституционных свойств данного вида организмов и особенно при длительном изолированном существовании его в той или иной биогеохимической провинции возникает изменчивость организмов - появление физиологических рас (без видимых внешних изменений), морф, вариаций, подвидов и видов. Это сопровождается повышением содержания в организмах соответствующих химических элементов - Си, Ъл, 8е, 8г и др. Появляются также химические мутанты с изменением в ядрах клеток числа хромосом и т. п.; изменчивость может приобрести наследственный характер, особенно у микробов.

Многие редкие и рассеянные химические элементы (микроэлементы) играют значительную физиологическую роль, входя в физиологически важные органические соединения у организмов - в дыхательные пигменты, ферменты, витамины, гормоны и другие акцессорные вещества.

Известно более 30 химических элементов (1л, В, Ве, С, Ы, Р, Ыа, Mg, А1, 81, Р, 8, С1, К, Са, V, Мп, Си, 1п, Аь, Ъе, Вг, Мо, I, Ва, РЬ, И и др.), которые накапливаются в определенных организмах-концентраторах, являющихся индикаторами биогеохимических провинций и эндемий.

На основе изучения химической экологии биогеохимических провинций в практику борьбы с соответствующей эндемией широко вошло использование химических элементов (В, Си, Мп, Со, I и др.) в качестве удобрения или подкормки животных. На основе изучения содержания химических элементов в почвах и растениях были созданы биогеохимические методы поисков полезных ископаемых. В геологическом прошлом биогеохимические провинции также играли значительную роль в отборе и изменении флоры и фауны. Реконструкция палеобиогеохимических провинций может многое объяснить в эволюции органического мира.

Бор в организме. Бор относится к числу химических элементов, которые в очень малых количествах содержатся в тканях растений и животных (тысячные и десятитысячные доли процента на сухую массу). Бор необходим для поддержания нормальной жизнедеятельности растений. Важнейший симптом недостатка бора - отмирание точки роста главного стебля, а затем и пазушных почек. Одновременно черешки и листья становятся хрупкими, цветки не появляются или не образуются плоды; поэтому при недостатке бора падает урожай семян. Известны многие болезни, связанные с недостатком бора, например, гниль сердечка сахарной свёклы, чёрная пятнистость столовой свёклы, побурение сердцевины брюквы и цветной капусты, засыхание верхушки льна, желтуха верхушки люцерны, бурая пятнистость абрикосов, опробковение яблок. При недостатке бора замедляется окисление сахаров, аминирование продуктов углеводного обмена, синтез клеточных белков; однако ферменты, для которых бор является необходимым элементом, пока неизвестны. По данным М. Я. Школьника, при недостатке бора у растений снижается содержание аденозинтри-фосфорной кислоты, а также нарушается процесс окислительного фосфорилирования, вследствие чего энергия, выделяющаяся при дыхании, не может быть использована для синтеза необходимых веществ. При недостатке бора в почве в неё вносят борные удобрения. В биогеохимических провинциях с избытком бора в почве (например, в Северо-Западном Казахстане) возникают морфологические изменения и заболевания растений, вызываемые накоплением бора, - гигантизм, карликовость, нарушение точек роста и др. На почвах с интенсивным борным засолением встречаются участки, лишённые растительности, «плешины», - один из поисковых признаков месторождения бора. Значение бора в организме животных пока не выяснено. У человека и животных (овец, верблюдов) при питании растениями с избыточным содержанием бора (60-600 мг/кг сухого вещества и более) нарушается обмен веществ (в частности, активность протеолитических ферментов) и появляется эндемическое заболевание желудочно-кишечного тракта - борный энтерит.

Иод в организме. Иод - необходимый для животных и человека микроэлемент. В почвах и растениях таёжно-лесной нечернозёмной, сухостепной, пустынной и горных биогеохимических зон йод содержится в недостаточном количестве или не сбалансирован с некоторыми другими микроэлементами (Со, Мп, Си); с этим связано распространение в этих зонах эндемического зоба. Среднее содержание йода в почвах около 3-10 4 %, в растениях около 2-10 5 %. В поверхностных питьевых водах йода мало (от 10 до 10 %). В приморских областях количество йода в 1 м воздуха может достигать 50 мкг, в континентальных и горных - составляет 1 или даже 0,2 мкг.

Поглощение йода растениями зависит от содержания в почвах его соединений и от вида растений. Некоторые из них (так называемые

концентраторы йода), например морские водоросли - фукус, ламинария, филлофора, накапливают до 1% йода, а некоторые губки - до 8,5 % (в скелетном веществе спонгине). Водоросли, концентрирующие йод, используются для его промышленного получения. В животный организм йод поступает с пищей, водой, воздухом. Основной источник йода - растительные продукты и корма. Всасывание йода происходит в передних отделах тонкого кишечника. В организме человека накапливается от 20 до 50 мг йода, в том числе в мышцах около 10-25 мг, в щитовидной железе в норме 6-15 мг. С помощью радиоактивного йода ( 1 и “1) показано, что в щитовидной железе йод

накапливается в митохондриях эпителиальных клеток и входит в состав образующихся в них дииод- и моноиодтирозинов, которые конденсируются в гормон тетраиодтиронин. Выделяется йод из организма преимущественно через почки (до 70-80 %), молочные, слюнные и потовые железы, частично с желчью.

В различных биогеохимических провинциях содержание йода в суточном рационе колеблется (для человека от 20 до 240 мкг, для овцы от 20 до 400 мкг). Потребность животного в йоде зависит от его физиологического состояния, времени года, температуры, адаптации организма к содержанию йода в среде. Суточная потребность в йоде человека и животных - около 3 мкг на 1 кг массы (возрастает при беременности, усиленном росте, охлаждении). Введение в организм йода повышает основной обмен, усиливает окислительные процессы, тонизирует мышцы, стимулирует половую функцию.

В связи с большим или меньшим недостатком йода в пище и воде осуществляют йодирование поваренной соли, добавляя обычно 10-25 г йодистого калия к 1 т соли или пропорциональную концентрацию в хлебные выпечки. Применение удобрений, содержащих йод, может удвоить и утроить его количество в сельскохозяйственных культурах.

Молибден в организме растений, животных и человека постоянно присутствует как микроэлемент, участвующий преимущественно в азотном обмене. Молибден необходим для активности ряда окислительно-восстановительных ферментов, катализирующих восстановление нитратов и азотфиксацию у растений (много молибдена в клубеньках бобовых), а также реакции пуринового обмена у животных. В растениях молибден стимулирует биосинтез нуклеиновых кислот и белков, повышает содержание хлорофилла и витаминов. При недостатке молибдена бобовые, овёс, томаты, салат и другие растения заболевают особым видом пятнистости, не плодоносят и погибают. Поэтому растворимые молибдаты в небольших дозах вводят в состав микроудобрений. Животные обычно не испытывают недостатка в молибдене. Избыток же молибдена в корме жвачных животных (биогео-химические провинции с высоким содержанием молибдена известны в Кулундинской степи, на Алтае, Кавказе) приводит к хроническим молибденовым токсикозам, сопровождающимся поносом, истощением, нарушением обмена меди и фосфора. Токсическое действие молибдена снимается введением соединений меди.

Избыток молибдена в организме человека может вызвать нарушение обмена веществ, задержку роста костей, подагру и т. п.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>