3. Химия и окружающая среда

В природе существует непрерывный круговорот материи, в основе которого лежит трансформация солнечной энергии живым веществом путем фотосинтеза.

Живое вещество имеет химические особенности. Оно образовано из элементов, представляющих собой растворы жидкого и газообразного типов. В живых организмах обнаружены практически все элементы периодической таблицы Д.И. Менделеева, которые также входят и в состав земной коры. Это указывает на общность живой и абиотической природы и их химических характеристик.

Элементы, составляющие живые организмы, могут быть сгруппированы по функциональному критерию. Все элементы в организме можно разделить на три группы: макроэлементы; микроэлементы; ультрамикроэлементы.

Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений живых организмов. Они нужны организмам постоянно в определенных количествах для осуществления жизненного цикла. Это такие вещества как углерод, кислород, водород, азот, калий, кальций, фосфор. Они могут составлять до 60% массы живого организма.

Микроэлементы – это в основном ионы тяжелых метеллов, которые являются компонентами ферментов, гормонов и других элементов организмов. Микроэлемнты содержаться в незначительных концентрациях и могут составлять от 0,001 до 0,00001 % общей массы тела живого организма. К микроэлементам относятся марганец, бор, кобальт, медь, цинк, молибден, бром, алюминий и др. Роль каждого микроэлемента в жизнедеятельности организма очень специфична потому, что биохимические процессы очень избирательны в своем протекании.

В живых организмах также присутствуют такие ультраэлементы как: уран, радий, золото, ртуть, селен, бериллий, цезий и др. Их количество не превышает 0,00001 % массы тела. Химическая наука пока не может дать полного объяснения их роли в жизни растений и животных.

Необходимо отметить, что существует группа биофильных элементов, без которых невозможно существование и развитие живых организмов.

По современным представлениям наземными растениями включена в жизненные циклы основная масса химических элементов в виде минеральных веществ, толь 0,01% от их количества составляют химические элементы, входящие в состав растительности Мирового океана.

Непрерывные химические превращения обеспечивают развитие живых организмов и существование биосферы. Химические превращения веществ из одной формы в другую обеспечивают их пригодность для усвоения различными организмами в определенной закономерности. Возникает циклическая миграция веществ и химических элементов, требующая затрат энергии, источником которой выступает Солнце. Таким образом, круговорот является естественной формой продолжительного во времени использования ограниченного количества химических элементов для существования и повторения широкого разнообразия живых организмов. На это указал академик В.Р. Вильямс.

Исключениями из этого круговорота являются биогенные осадки в виде полезных ископаемых (нефть, газ, уголь), находящиеся в недрах Земли. Однако деятельность человека включает и их в круговорот, хотя остается открытым вопрос о повторного использования этого ресурса.

Круговорот веществ – это процесс многократного участия веществ в процессах атмосферы, гидросферы, литосферы. Наиболее активно он протекает в биосфере. Наука выделяет два основных круговорота – большой (геологический); малый (биогенный и биохимический).

Биогеохимическим циклом называют круговорот химических веществ из неорганической среды посредством деятельности растительного и животного мира обратно в неорганическую среду на основе химических реакций с использованием энергии Солнца. Большой биосферный круг представляет собой непрерывный планетарный процесс перераспределения вещества, энергии и информации между экологическими системами биосферы.

Биогеохимические круговороты в биосфере могут быть газового или осадочного типов. Круговороты газового типа осуществляются на основе резервного фонда веществ, находящихся в газообразной форме в атмосфере или гидросфере. Круговороты осадочного типа основаны на движении веществ расположенных в земной коре (железо, фосфор, калий и др.)

Живое вещество представляет собой наиболее активную часть биосферы, которая влияет на скорость и направление миграции химических веществ в процессе круговорота. Можно выделить ряд основных функций живого вещества, которые имеют общее значение для биосферы планеты и имеют химическую природу: энергетическую; газовую; концентрационную; обменную; деструкционную.

Сущность энергетической функции состоит в осуществлении взаимосвязи биосферных явлений планеты с энергетическими явлениями Космоса. Механизмом реализации данной функции является фотосинтез, позволяющий аккумулировать и распределять энергию между элементами биосферы. Значительная часть солнечной преобразованной энергии в ходе геологических процессов накопилась в связанной форме в виде залежей полезных ископаемых.

Газовая функция живого вещества связана, прежде всего, с формированием земной атмосферы и газовой структуры основных элементов биосферы в целом. Газы, имеющие абиотическое происхождение, представлены в малых количествах. Большая масса газов возникает в процессе биогенных превращений. Например, фотосинтез обеспечивает наличие кислорода. Дыхание растительного и животного мира порождает диоксид углерода. Источником диоксида углерода служат также химические процессы в осадочных породах.

Концентрационная функция связана способностью живых организмов аккумулировать химические элементы в процессе взаимодействия с окружающей средой. В результате живые организмы имеют более значительную концентрацию определенных веществ по сравнению с окружающей средой, где они обитают. Могут возникать локальные скопления некоторых химических элементов в отдельных участках земной коры, что оказывает серьезное влияние на геохимические условия экосистем. Такие явления носят название геохимических аномалий.

Обменная функция заключается в химических превращениях веществ на основе окислительно-восстановительных реакций. Возникающие при этом условия способствуют развитию биогенных процессов в живых организмах.

Деструкционная функция живых существ обеспечивает процессы разложения биологических организмов. В этом случае происходит минерализация органического вещества и превращение в косное вещество.

Важнейшими биогеохимическими круговоротами являются – круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора и серы.

Круговорот углерода на суше осуществляется в процессе фотосинтеза с образованием органических соединений и выделением кислорода, одновременно часть кислорода расходуется на дыхание живых организмов.

Химические формулы при этом имеют вид:

6 С О₂ + 6 Н₂ О → С₆ Н₁₂ О₆ + 6 О₂ ↑

и С₆ Н₁₂ О₆ + 6 О₂ → 6 С О₂ + 6 Н₂ О.

Диоксид углерода очень активно выделяется многочисленными организмами: почвенные грибы, бактерии, все сложные организмы. В результате процессов разложения органических веществ в лесах, степях и других зонах выделяется огромное количество диоксида углерода. Биомасса отживших растений разлагается при участии микроорганизмов и углерод в этом процессе превращается в диоксид и поступает в атмосферу. Постепенно происходит полная минерализация органических отмерших тел, окисление веществ, которое сопровождается реакциями спиртового, метанового и уксусного брожения.

Количество двуокиси углерода в атмосфере зависит и от вулканической активности, выбросов промышленных предприятий, электростанций, железнодорожного, авиационного и автомобильного транспорта. Наука считает, что зеленые растения ежегодно потребляют то количество диоксида углерода, которое создается в атмосфере всеми источниками.

Круговорот углерода осуществляется и в гидросфере, однако его оборот в несколько раз меньше из-за особенностей водной среды и процессов в ней. В воде при наличии диоксида углерода образуется угольная кислота, карбонаты и гидрокарбонаты. Образование этих веществ в гидросфере обусловлено также растворением известковых пород суши и коралловых рифов. Это создает возможность миграции углерода между сушей и Мировым океаном. Подсчитано, что полный обмен атмосферы и гидросферы двуокисью углерода в процессе жизнедеятельности организмов осуществляется с периодичностью около 400 лет.

Круговорот азота в природе играет важную роль, учитывая, что азот находящийся в атмосфере не может быть напрямую использован большинством живых организмов. В осуществлении круговорота азота особую роль играют микроорганизмы- азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы. Данные виды микроорганизмов способствуют биологической фиксации азота воздуха и переводят его в доступную для усвоения живыми организмами форму. Азотфиксирующие организмы суши и моря ежегодно улавливают огромное количество азота. Другим источником азота является атмосферное электричество и фотохимические процессы.

В процессе взаимодействия с атмосферной влагой оксиды азота превращаются в кислоты. Воздействие нитрифицирующих бактерий азотистая кислота окисляется до азотной. В процессе взаимодействия с карбонатами, сульфатами, хлоридами и другими солями, содержащихся в почвах, азотная кислота образует нитраты.

Гниение органических веществ приводит к тому, что большая часть азота в них превращается в аммиак, который за счет нитрифицируещих юбактерий окисляется до азотистой и азотной кислоты. Реакции нитрификации требуют хорошей аэрации, т.е. достаточного количества кислорода. При его отсутствии или недостатке начинаются процессы денитрификации, приводящие к восстановлению азота в чистом виде.

В кругообороте принимает участие только азот, фиксированный живыми организмами различных элементов биосферы.

В регионах, затронутых сельскохозяйственной деятельностью человека, кругооборот азота дополняется явлениями искусственного его внесения в почву в виде минеральных удобрений.

Круговорот кислорода – это биогеохимический цикл основополагающего характера, который объединяет атмосферу, гидросферу и литосферу. Основными этапами этого процесса являются образование свободного кислорода в результате фотосинтеза в зеленых растениях, использование кислорода всеми живыми организмами в процессе дыхания, реакции окисления органических и неорганических соединений (разложение органических остатков, сжигание топлива и органических соединений). В результате этих процессов образуется чаще всего диоксид углерода и вода, которые затем вовлекаются в следующий цикл фотохимических превращений.

В круговороте кислорода особенно проявляется активная геохимическая роль живого вещества, указывающая на ведущую роль кислорода в организации жизни. Но, являясь основополагающим круговоротом на планете, кругооборот кислорода в значительной степени зависит от хозяйственной деятельности человека. Свободный кислород присутствует в атмосфере, а в растворенном виде он присутствует в природных водах. Ежегодное продуцирование кислорода осуществляется в объеме 75% растительностью суши и в объеме 25% фотосинтезирующими организмами Мирового океана.

Вырубка лесов, рост народонаселения, сжигание топлива – все это ведет к увеличению потребления кислорода. Возможно, в будущем возникнет ситуация, когда количество потребляемого кислорода сравняется с его количеством, продуцируемым природой.

Круговорот фосфора существенно отличается от других биогеохимических циклов. Эти особенности объясняются природой соединений фосфора, которые не являются газообразными. Фосфорные соединения входят в состав сложных белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов. Именно наличие фосфорных соединений как показывают исследования обуславливают биоэнергетические процессы. Живые организмы концентрируют фосфор в 10 раз интенсивнее чем неорганическая природа.

Интенсивный круговорот фосфора на поверхности суши происходит в биосистеме «почва-растения-животные-почва». Растения используют преимущественно легкодоступные формы фосфата, которые возникают при разложении органических остатков. Из минеральных соединений в природе встречаются чаще всего соли ортофосфорной кислоты, которые труднодоступны растениям. Под влиянием ферментов в почвенном растворе эти соли могут превращаться в гидрофосфаты или дигидрофосфаты.

Круговорот серы представляет собой биогеохимичесикй цикл, в котором ведущую роль играют микроорганизмы. При этом одни из них способствуют окислению серы, а другие – восстановлению. Круговорот серы сопровождается явлениями иммобилизации (превращение неорганических соединений в органические под влиянием микроорганизмов) и минерализации.

Круговорот калия осуществляется в земной коре на основе комплекса процессов выветривания и кристаллохимических превращений силикатных пород. При этом высвобождаются катионы калия, которые являются приемлемой формой калия для усвоения растениями.

Калий практически не вступает в органические сложные соединения и его движение возобновляется после отмирания растений. Круговорот калия в гидросфере изучен в настоящее время недостаточно. Все рассмотренные биогеохимические круговороты охватывают всю биосферу, а их движущей силой является деятельность живых организмов в различных ее компонентах.

В виду прогрессивного развития хозяйственной деятельности человека возникает ряд серьезных угроз, связанных с нарушением естественного течения основных круговоротов химических элементов. За последние полтора века экономические явления и промышленное производство произвели на биосферу значительно большее воздействие, чем за весь предыдущий период существования человечества.

Деятельность человека привела к количественным и качественным изменениям во всех частях биосферы. В глобальном плане начинается формирование новых условий протекания уже существующих жизненных процессов. К каким последствиям для существующих форм жизни это может привести предсказать трудно. Однако можно уверенно объяснить реально протекающие в биосфере явления на основе представлений о химических превращениях веществ.

В атмосфере постепенно увеличивается количество различных химических ингредиентов: оксиды серы и азота; галогенпроизводные углеводороды.

Оксид серы поступает в атмосферу с дымовыми газами предприятий теплоэнергетики, на которых в качестве топлива используется уголь. Большое количество серосодержащих примесей содержится в нефти и мазуте в виде меркаптанов, которые представляют собой органические производные сероводорода. Сгорание меркаптанов приводит к образованию диоксида серы.

Образование оксидов азота обусловлено термическими особенностями его активности. При значительных температурах в процессе сгорания топлива азот вступает в соединения с кислородом. Этот же процесс, но в меньших масштабах, происходит в при наличии газовых разрядов (молний) в атмосфере.

Механизмы химических превращений загрязняющих веществ в атмосфере очень сложны, они могут иметь гомогенную, гетерогенную, молекулярную или радикальную основу. Значительную роль в процессах преобразования загрязняющих веществ в атмосфере принадлежит излучению различных диапазонов. В зависимости от времени суток, широты местности, времени года и др. факторов скорость газофазного окисления будет различной, но в любом случае происходит изменение химического состава атмосферы.

В химии атмосферных явлений значительную роль играет озон. Этот газ в виде оболочки располагается в атмосфере на высоте 20-25 км (стратосфера) от поверхности земли. Он диффундирует и может достигать нижних слоев атмосферы (тропосфера).

Конечным итогом всех химических процессов в атмосфере в отношении вредных веществ сводится в образованию кислот и выпадению кислотных дождей (рН меньше 5). Экологические последствия связаны с гибелью растительного и животного мира в глобальных масштабах. Происходит окисление почв и как следствие снижение урожайности, гибель лесов и др.

Галогенпроизводными углеводородами называют соединения, содержащие вместо атомов водорода галогены. К такого рода соединениям относятся фреон (фтортрихлорметан) и его разновидности. Эти вещества применяются в качестве хладагентов в различного рода технических устройствах бытового и промышленного назначения. В конечном итоге все эти вещества оказываются в атмосфере и разрушают озоновый слой. Это приводит к увеличению доли солнечной радиации, достигающей земной поверхности и оказывающей губительное действие на все живое.