Введение в экологическую химию - Скурлатов Ю.И.
NBSN 5-06-002593-4
Скачать (прямая ссылка):
93
§ 3.3. КРУГОВОРОТ ФОСФОРА И СЕРЫ
Фосфор содержится в земной коре в количестве около 0,1% в виде химических соединений и минералов, главным образом фосфатных. Основным источником получения фосфора служит апатит, состоящий преимущественно из Саз(Р04)г-
В химических соединениях фосфор может находиться в степени окисления -3, +1, 4-3, +4 или +5. Наиболее распространенные состояния окисления +3 и +5. Соединения фосфора, в которых он имеет степень окисления +5, не являются сильными окислителями, например соответствующие соединения азота. Напротив, соединения, в которых фосфор находится в состоянии окисления -3, являются более сильными восстановителями, чем соответствующие соединения азота.
Круговорот фосфора проще, чем азота, и охватывает только литосферу и гидросферу. В основном происходит одностороннее движение фосфора с суши в воду и далее в донные отложения. Соответственно циркуляция фосфора зависит от его запасов в породах и осадках.
Особенностью фосфорной кислоты (Н3РО4) является ее способность, вступать в реакции конденсации с отщеплением молекулы воды:
О О
II- Г 1 II
НО-Р—01Н + ОН I—Р-ОН —<
| |
он о он
Ортофосфат . Пирофосфат
Соединения фосфора играют важную роль в биологических систе-мах. Этот элемент входит в состав фосфатных групп молекул РНК и ДНК, ответственных за биосинтез белков и передачу наследственной информации. Он входит также в состав молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), при помощи которого химическая энергия запасается в биоло-гических клетках. Связь Р~С-Р концевой фосфатной группы в АТФ разрывается при гидролизе с выделением энергии:
Н20 + АТФ-> Н3РО4+ АДФ
Вследствие этой реакции АТФ и АДФ служат переносчиками фосфатной группы. Кроме того, фосфат-ион регулирует направленность внутриклеточных процессов окисления, блокируя реакционноспособ-ные атомы водорода, окисление которых могло бы привести к нежелательным побочным продуктам. 94
В силу этих особенностей нехватка в окружающей среде фосфора может быть фактором, лимитирующим процессы жизнедеятельности.
Из водной среды фосфат выводится в основном путем осаждения в форме нерастворимых фосфатов железа.
Соединения серы широко распространены в природе. Более 40 элементов образуют с серой соединения, в которых она проявляет степени окисления -2, 4-1, +2, 4-4, 4-6. Самородная сера встречается в верхней части земной коры и на ее поверхности. Месторождения самородной серы распространены в природе и имеют большое промышленное значение. Кроме того, сера встречается в виде залежей сульфидных и сульфатных минералов, а также в виде примесей в угле и нефти.
Всего известно свыше 200 серосодержащих минералов. Из сульфидов наиболее известны халькозин C112S, пирит FeS2, халькопирит CuFeS2, киноварь HgS, станнин Cu2FeSnS4 и др.; из сульфатов — ангидрит CaS04, гипс CaS04*2H20, глауберит Na2S04*CaS04 и др.
Самородная сера служит главным источником добычи этого элемента. Большая часть добываемой серы (а это ы 107 т/г) расходуется на получение серной кислоты. Сера также используется для вулканизации резины.
Круговорот серы в окружающей среде сложен и до конца не ясен, так как баланс по сере не сходится.
Сера распространена в биологических системах, входит в состав двух аминокислот — метионина и цистеина. Биохимическая роль серы связана с легкостью окислительнонвосстановительных переходов:
2RSH RSSR + {2Н}
Эти переходы играют основную роль в образовании четвертичной структуры белков и в их конформационных перестройках. Кроме того, железосерные кластеры играют ключевую роль в электронно-транспортных цепях.
Восстановленные соединения серы синтезируются некоторыми анаэробными бактериями, использующими неорганический сульфат в качестве источника окислительных эквивалентов при окислении органических соединений, выступающих в роли доноров водорода ({2Н}):
H2S04 + 4{2Н} —> H2S + 4Н20
В атмосферном воздухе сера существует преимущественно в виде трех соединений: газообразных оксида серы (IV) и сероводорода, аэрозолей сульфатов. Основным природным источником серы в атмо-
95
сферном воздухе является сероводород. Поступая в атмосферу, H2S быстро окисляется до S02. Среднее время жизни H2S в атмосфере около 2 сут.
Антропогенный источник атмосферной серы — образование S02 в результате сжигания топлива — составляет 12,5% общего содержания серы в атмосфере. В атмосферном воздухе реакции S02 приводят к образованию аэрозолей и "кислых" дождей (см. § 4.5). Время жизни SO2 в атмосфере составляет 4 сут. Учет вулканических и океанических аэрозолей не устраняет дефицита в балансе соединений серы в атмосфере. Для устранения дефицита необходимо учесть биологические источники.
Первоначально предполагалось, что главным биогенным компонентом является сероводород, образующийся в донных отложениях озер, болот и морей. Однако в воде H2S сравнительно легко окисляется кислородом и, как правило, не выходит в атмосферу. Установлено, что многие микроводоросли и некоторые высшие растения выделяют в окружающую среду диметилсульфид (CH3)2S и диметилдисульфид. В качестве главного продуцента соединений серы рассматриваются микроорганизмы. Отмечается большая изменчивость как состава, так и количества выделяемых микробиологическими источниками соединений серы. Среди них помимо упомянутых выше H2S, (CH3)2S и диме-тилдисульфида — метилмеркантан, сероуглерод CS2, карбонилсульфид COS и ряд неидентифицированных соединений.
