Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь  


Глобальный цикл серы. Влияние хозяйственной деятельности человека на массообмен серы. Кислотные дожди




Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Сера – характерный представитель группы активно дегазируемых элементов. В то же время поступление серы в атмосферу по сравнению с инертными газами или СО2 сильно затруднено. Среди газообразных соединений серы, выделяющихся с вулканическими газами, наиболее обычными являются SO2 и сероводород. В процессе активного дегазирования мантии и прохождения через толщи горных пород газы растворяются в подземных водах. При этом H2S активно восстанавливает тяжелые металлы, образуя груднорастворимые сульфиды, главным образом дисульфид железа (пирит), aSO2 частично связывается в составе также плохо растворимых сульфатов Са, Ва, Sr. В результате указанных реакций значительная часть дегазируемых соединений серы трансформируется в твердые минералы, среди которых наиболее распространен пирит FeS2. В среднем в гранитном слое масса сульфидной серы равна 5,3·1015 т, сульфатной серы – 3,3·1015 т.

Часть диффундирующих через земную кору газообразных соединений серы, а также сернистые газы вулканических выбросов и газово-жидких выделений наземных и подводных гидротерм поступает в систему Мирового океана и педосферу. При этом значительная часть газов захватывается бактериями в своеобразный микробиологический круговорот. Таким образом, дегазируемые соединения серы по пути в атмосферу должны преодолеть двойной фильтр: физико-химический в земной коре и биогеохимический на поверхности суши и на дне океана.



Глобальный массоперенос серы в биосфере не ограничен миграцией газообразных соединений и включает также миграцию водорастворимых соединений этого элемента в поверхностных и грунтовых водах. Образование водорастворимых форм серы связано с трансформацией нерастворимых сульфидов, содержащихся в горных породах, в хорошо растворимые сульфаты. Сульфиды металлов подвергаются гидролизу и окислению, в результате чего образуется серная кислота, нерастворимые гидроксиды железа (Ш), марганца (IV) и легкорастворимые сульфаты. Образование сульфатов также происходит в почвах в результате микробиологических процессов. Водорастворимые сульфаты выщелачиваются из выветривающихся горных пород и выносятся с поверхности суши с речным стоком. В системе Мирового океана аккумулировано 1,2·1015 т S.

Сера – обязательный компонент живого вещества: она входит в состав белков, в молекулярной структуре которых играет важную роль. В составе живого вещества Мировой суши, образованного в основном высшими растениями, концентрация серы невелика – 0,34% сухой биомассы. В животных и бактериях из-за большого содержания в биомассе белков концентрация серы значительно выше. Отношение С : S в белках около 16, в углеводах – 80, в наземных растениях – более 200, в животных – около 70, в морских растениях около 50, почти такое же, как у наземных животных.

Количество серы, находящейся в биомассе суши, равно 8,5·109 т, в фотосинтетиках океана – 0,07·109 т, в консументах океана – 0,09·109 т. Масса серы, находящаяся в органическом веществе педосферы, близка к 25·109 т.

Несмотря на интенсивное дегазирование серы из недр Земли, природные уровни концентрации сернистых газов в атмосфере весьма незначительны благодаря активному связыванию рассматриваемого элемента в земной коре, гидросфере и живом веществе. С учетом вклада антропогенных факторов концентрация каждого из газов оценивается около 2·10–8 %, суммарное количество серы в атмосфере – 14·105 т.

Как следует из изложенного, своеобразие глобального цикла серы в биосфере обусловлено следующими причинами. 1) способностью этого элемента под влиянием микробиологических процессов образовывать газообразные соединения (SО2, H2S и некоторые другие) и благодаря этому активно участвовать в массообмене между сушей и океаном, с одной стороны, и атмосферой – с другой. 2) трансформацией сернистых газов в хорошо растворимые сульфаты и заменой газовой миграции серы на водную. Это происходит благодаря быстрому окислению восстановленных и недоокисленных сернистых газов кислородом атмосферы и образованием хорошо растворимых сульфатов, легко вымывающихся из атмосферы и включающихся в водную миграцию. 3) широким развитием сульфатредуцирующих бактериальных процессов в водных бассейнах и гидроморфных ландшафтах, куда поступают с водой растворенные сульфаты. Образующийся при разрушении сульфатов сероводород переводит растворенные в воде железо и другие металлы в форму труднорастворимых сульфидов, которые уходят в осадки морей и надолго прочно связывают крупные массы серы.

Благодаря постоянному выводу серы в осадочной оболочке накоплено огромное количество этого элемента. Средняя масса сульфидной серы – 4,1·1015 т. Масса сульфатной серы – 5,2·1015 т, общее количество серы – 9,3·1015 т. В то же время во всем гранитном слое земной коры содержится 8,5·1015 т серы. Если же учесть растворенную в океане сульфатную серу (1,2·1015 т), то очевидно, что в биосфере этого элемента имеется больше, чем его могло быть извлечено из гранитного слил континентального блока земной коры даже при его полном разрушении.

Значение живого вещества для глобальной геохимии серы в биосфере не менее велико, чем для углерода, хотя проявляется совершенно иначе. Если в биогеохимическом цикле углерода на суше главную роль играет сопряженная жизнедеятельность высших растений и почвенных микроорганизмов, то в биогеохимическом цикле серы основное значение имеет взаимодействие разных групп бактерий. Бактерии, синтезирующие органическое вещество, могут рассматриваться как продуценты, а разлагающие – как деструкторы. Взаимодействие таких групп способствует функционированию малых биогеохимических циклов.

Так, фототрофные пурпурные серные бактерии окисляют сероводород с образованием сульфата в качестве метаболита:

H2S+CO2=CH2O+SO4

Условием для продолжения деятельности серных бактерий является удаление главного продукта обмена – сульфат-ионов; удаление обеспечивается деятельностью вторичных анаэробных бактерий, для которых субстратом служит сульфат, а метаболитом – сероводород. Этой реакцией заканчивается малый цикл серы. Но анаэробный цикл серы, как все биогеохимические циклы, полностью не замкнут.

Образующийся сероводород удаляется двумя путями. Во-первых, происходит связывание серы в виде черных гидратированных сульфидов железа – гидротроилита (мельниковита), в дальнейшем эволюционирующего в пирит и марказит. Во-вторых, сероводород мигрирует в атмосферу.

Вторичные аэробные бактерии серного цикла продуцируют большую часть сероводорода, поступающего в атмосферу. Поступление этого газа из вулканических источников значительно меньше.

В результате деятельности микроорганизмов из океана в атмосферу выделяется 48·106 т/год серы. Одна ее часть в виде недоокисленных газов типа SO2 растворяется в воде (25·106 т), другая полностью окисляется до сульфатов и вымывается атмосферными осадками. Почвенные бактерии на суше выделяют в атмосферу в виде газов 58·106 т/год серы, из которых 15·106 т поглощаются растительностью, а 43·106 т окисляются в атмосфере до сульфатов и выпадают с атмосферными осадками.

Кроме того, с поверхности континентов ветром захватывается значительная масса сульфатов в виде дисперсных твердых частиц, которые входят в состав аэрозолей и затем выпадают на поверхность. В эоловой эмиссии в атмосферу с последующим осаждением участвует масса серы, равная 8·106 г/год.

Эффект фракционирования изотопов живыми организмами: В природе известны четыре стабильных изотопа серы. Самый легкий из них 32Sимеет распространенность (%) 95,1, другие: 33S – 0,74; 34S – 4,2; 35S – 0,016. Практический интерес представляет соотношение двух изотопов: 32S и 34S.

Относительную распространенность этих изотопов можно определить по формуле

В качестве стандарта принята сера троилита из метеорита Каньон Диаболо, имеющая отношение 34S : 32S = 0,0450045. Любое соотношение двух изотопов серы в природных объектах может быть выражено через значение δ34S, которое будет иметь знак плюс в случае возрастания соотношения по сравнению с эталоном и знак минус при уменьшении этого соотношения.

Установлено, что биогенные соединения серы – твердые и газообразные – обогащены легким изотопом. Наибольший эффект характерен для реакции биохимического восстановления сульфата до сероводорода, производимого бактериями Desulfovibrio desulphuricans. При этом в Н2Sувеличивается содержание легкого изотопа 32S, а не охваченные биогеохимическими процессами ионы [SO4]2– остаточно обогащаются изотопом 34S.

В результате очень распространенного процесса микробиологической редукции сульфатов в биосфере произошло разделение серы на две части: серу биогенных сернистых газов и их производных (сульфидов), обогащенную легким изотопом, и серу сульфатов, в которых вследствие потери легкого изотопа произошло возрастание относительного содержания тяжелого изотопа 34S. Так как сульфаты аккумулированы в морях и океанах, то в океанической воде и эвапоритах значение δ34S равно соответственно 20 и 17, а в осадочных породах, где, как отмечено ранее, присутствует значительное количество биогенного сульфида железа, δ34S имеет значение -12. Сера H2S, продуцируемого сульфат-редуцирующими микроорганизмами, имеет δ34S до –43.

Оценка масс серы, участвующих в массообмене в системах суша – тропосфера – суша и океан – тропосфера – океан.

Выделение серы с поверхности океана в виде биогенных сернистых газов оценивают от 7 до 48·106 т/год.

Исходя из годового количества атмосферных осадков, на поверхность океана выпадает серы 0,28·109 т/год. Кроме того, 10% от всей массы солей, находящихся над акваторией Земли, переносится с воздушными массами на сушу. Следовательно, можно считать, что разными путями (захват брызг морской воды, испарение, выброс пленок газовых пузырьков, выделение биогенных и вулканических SO2 и H2S) в атмосферу над океаном поступает около 0,31·109 т/год S, которая переходит в сульфатную форму и в количестве 0,28·109 т/год S выпадает на поверхность океана, а немногим менее 0,03·109 т/год S переносится на сушу.

Большая часть Мировой суши дренируется реками, стекающими в систему Мирового океана. С этой территории испаряется 62·1015 л/год воды, которая вновь выпадает в виде атмосферных осадков. Средняя концентрация [SO4]2– в атмосферных осадках суши около 5 мг/л. Следовательно, с поверхности рассматриваемой территории ежегодно поступает в атмосферу и вновь возвращается 0,103·109 т S с осадками плюс 20 % в форме сухих осаждений серы 0,02·109 т, всего 0,123·109 г S. Кроме того, на поверхность суши выпадает 44·1015 атмосферных осадков, принесенных воздушными массами с акватории, а вместе с этими осадками 0,03·109 т/год S.

Территория площадью 32·106 км2 не имеет стока в океан. Здесь происходит замкнутый круговорот 7,5·1015 л воды в год. В этом круговороте принимает участие 0,75·109 т S.

Итак, с поверхности Мировой суши на протяжении года поступает 0,198·109 т серы, а выпадает на 0,03·109 т больше за счет переноса с океана. В то же время с речным стоком выносится в океан в форме растворимых сульфатов 0,163·109 т S в год.

На дне морей и океанов происходят интенсивные процессы редукции сульфатов, содержащихся в морской воде, и образование сульфидов железа. Осаждения сульфидной серы в океане составляют 0,111·109 т/год, сульфатной серы значительно меньше – 0,028·109 т/год. Интенсивность бактериальной сульфатредукции в морских и океанических донных осадках изменяется в очень широких пределах – от 0,001 до 1,8 мг H2S на килограмм осадка в сутки.

Выделение H2S с поверхности суши и океана измеряется десятками миллионов тонн серы в год. Эмиссия сероводорода особенно активно происходит на участках морских прибрежных мелководий и в ландшафтах болот. H2S и SO2 в атмосфере быстро окисляются и трансформируются в сульфатную форму. Но имеются сведения о том, что некоторая часть SO2 может растворяться в морской воде, а также поглощаться наземными растениями и почвой.

Необходимо отметить значительное количество различных соединений серы, поступающих через гидротермы: 129·109 т/год серы в сульфатной форме. Эмиссия серы при собственно вулканических извержениях значительно меньше и разными авторами определяется от 2 т/год до 28 т/год.

Как ни важна роль хемолитотрофных бактерий в системе глобального массообмена серы, значение фотосинтезирующих организмов остается весьма существенным. В биологическом круговороте на суше ежегодно участвовало 0,59·109 т серы. В биологическом круговороте в океане участвует 1,32·109 т/год серы.

Основные черты существующего массообмена серы, по-видимому, сложились более 0,5 млрд лет назад. Глобальный цикл серы в биосфере в значительной мере обусловлен биогеохимическими процессами. В то же время структура глобального цикла и распределение масс серы изменялись по мере того, как шло преобразование окружающей среды под воздействием деятельности живых организмов.

Интересные данные получены при изучении изотопного состава серы отложений разного возрастав отложениях, имеющих возраст более 2 млрд лет, существенного изменения в соотношении 32S и 34S не происходило. Это указывает на небольшой размах деятельности сульфатредуцирующих и серобактерий. Но в более поздних отложениях обнаруживаются сильные колебания в соотношении изотопов, что связано с избирательным поглощением живыми организмами легкого изотопа 32S. Около 1,7 млрд лет назад началось отложение мощных толщ морских сульфатов – гипсов и ангидритов. По-видимому, это было связано с нарастающим поступлением кислорода благодаря деятельности цианобактерий в интервале 2,8–1,7 млрд лет назад. Согласно М. Шидловскому (1980), 38% всего кислорода, поступившего на протяжении геологической истории, было связано в мощных толщах осажденных сульфатов. Отложенные гипсы обогащены тяжелым изотопом 34S, что указывает на высокую активность бактерий, захвативших значительную массу легких изотопов, в том числе 32S. Благодаря этому гипсы оказались достаточно обогащенными тяжелым изотопом 34S.

В глобальном цикле серы ярко выражена его сильная незамкнутость, проявляющаяся в непрерывном выведении из миграционных потоков крупных «избыточных» масс серы в виде сульфидов железа и сульфатов кальция (и отчасти магния). Благодаря выведению серы в океане и атмосфере поддерживается очень невысокое содержание сернистых газов. В то же время сера – один из главных компонентов газов, выделяющихся из недр Земли. Учитывая массы серы, содержащиеся в разной форме в осадочной оболочке и Мировом океане, можно заключить, что за время существования биосферы в нее поступило не менее 10,5·1015 т серы.

Поступление соединений серы, образованных в результате хозяйственной деятельности людей, в атмосферу, педосферу и природные воды является одним из наиболее сильных проявлений воздействия человечества на окружающую среду.

Основной техногенный поток серы в атмосферу связан с эмиссией сернистых газов, образующихся при сжигании минерального топлива и выплавке металлов. Главными путями загрязнения природных вод растворимыми соединениями серы являются смыв удобрений в гидрографическую сеть и сточные воды предприятий химической промышленности.

Более 95 % выбросов техногенных сернистых газов приходится на SO2 и ее производные – SO3 и H2SO4, которые способствуют активизации коррозии металлов, оказывают поражающее действие на растения, животных и человека. В середине 70-х годов прошлого столетия из разных источников в атмосферу ежегодно поступало 120·106 т SO2 и (4 – 5) ·106 т H2S. Это количество в начале XXI в. должно существенно возрасти. В атмосфере происходит быстрая трансформация SO2 в SO3 и затем в H2SO4. При взаимодействии с постоянно присутствующим в тропосфере аммиаком образуется сульфат аммония. В определенных условиях часть SO2 вымывается атмосферными осадками, поглощается растениями и почвой. Большая часть SO2 окисляется до [SO4]2–, который является самым распространенным ионом атмосферных осадков. Общее количество серы, поступающей в атмосферу из индустриальных источников, составляет около (100–110)·106 т/год.

Определенный вклад в движение масс водорастворимых соединений серы, в частности в водный сток с континентов, вносит смыв минеральных удобрений – около (20 – 30)·106 т/год. Примерно такое же количество серы поступает со сточными водами промышленных предприятий химической, горной и металлургической промышленности.

Техногенные выбросы соединений серы в окружающую среду не нарушают баланса масс, мигрирующих в глобальном цикле серы. В то же время соединения серы в индустриальных и бытовых отходах оказывают губительное воздействие на биоту обширных территорий, создавая опасность для нормального функционирования самого главного звена биосферы. Массированная эмиссия SO2 в атмосферу порождает кислотные дожди, распространяющиеся далеко за пределы индустриальных районов. Растворимые соединения серы в промышленных и бытовых стоках поражают экосистемы крупных внутриконтинентальных водоемов и шельфовых морей.

Вопрос 43




Читайте также:
Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние...
Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ...



©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1491)

Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.013 сек.)
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7