Круговорот серы природе схема

Круговорот серы.

Круговорот серы также тесно связан с живым веществом (Рис.13.9). Сера в виде диоксида, триоксида, сероводорода и главным образом элементарной серы выбрасывается вулканами. Кроме того, в природе имеются в большом количестве различные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфиды окисляется в биосфере при участии многочисленных микроорганизмов до сульфатов, которые поглощаются растениями. На планете существуют организмы, которые, создавая органические вещества пищи, обходятся без солнечной энергии. Вероятно, первыми легкодоступными источниками энергии для древних анаэробных бактерий были окислительно-восстановительные процессы с участием соединений серы. Экзотический процесс, например, катализируют серобактерии, получая энергию при восстановлении сульфатов с помощью водорода:

2- SO₄ +H₂ +H + H₂S + H₂O + 154 кдж.

Благодаря этому процессу в толщах морей и океанов формируются слои, содержащие сероводород в высоких концентрациях. Так, например, в Чёрном море «сероводородные» воды занимают около 90% объёма моря.

Рис.13.9 Круговорот серы в биосфере

Получающийся сероводород выходит на поверхность в газообразном состоянии или растворяется в подземных водах. Подобные «серные» источники есть в Пятигорске, Мацесте, Тбилиси и др. Бактериальные микроорганизмы, участвующие в движении серы могут приносить как пользу, так и вред. Установлено, что эти организмы разрушают места, не устойчивые к воздействию сероводорода. Подсчитано, что 50% ущерба от коррозии подземных трубопроводов вызвано активной жизнедеятельностью этих бактерий. В то же время серосодержащие бактерии играют существенную роль на первом этапе геологического процесса образования месторождений серы и сульфидных руд. В ходе круговорота серы может образовываться серная кислота, которая, взаимодействуя с различными солями почвы и воды, переводит их в сульфаты: CaCO₃+ H₂SO₄= CaSO₄+ SO₂+ H₂O.

Так образуются различные минералы, содержащие серу. Процесс восстановления сульфатов в сероводород протекает в меньшей степени. Залежи сульфатов в результате геологических смещений могут попасть в более глубокие слои земли, где при высокой температуре реагируют с органическими веществами: CH₄+ CaSO₄= CaCO₃+ H₂S+ H₂O.

Первичное накопление сероводорода протекало в рамках анаэробных процессов. В атмосфере кислорода сероводород легко окисляется до свободной серы или оксида серы (IV). H₂S + O₂ S + H₂O + 527кдж

В вулканических газах: H₂S + SO₂ S + H₂O.

Избытком кислорода воздуха в водоёмах сера переводиться в серную кислоту: S + O₂+ H₂OH₂SO₄+ 1051кдж.

В воздухе среднее время жизни сероводорода около 2 суток. Cероводород — сильный восстановитель, поэтому он не накапливается в воздухе. Образующийся при окислении оксид серы (IV) H₂S + O₂SO₂+ H₂O, приводит к образованию аэрозолей и кислотных дождей. Время жизни SO₂в атмосфере составляет 4 суток. Основной вред окружающей среде наносит не столько сам оксид серы (IV), сколько продукт его окисления – оксид серы (VI) SO₃. Он растворяется в капельках воды с образованием серной кислоты:

Образование в атмосферной влаге серной и сернистой кислот приводит к выпадению кислотных дождей. Из-за этого увеличивается кислотность пресных водоёмов, что приводит к гибели рыб и других водных организмов. Под действием кислотных дождей ускоренно корродируют металлоконструкции, разрушаются здания и памятники архитектуры. В кислой среде возрастает растворимость гидроксида алюминия. Избыток ионов алюминия в воде токсичен для рыб, к тому же алюминий связывает фосфаты, что приводит к снижению питательных запасов в водоёме. Это создаёт опасность токсического загрязнения водных и почвенных экосистем. Кислотные дожди приводят к гибели растений, особенно хвойных пород. При закислении почв происходит выщелачивание кальция, магния и калия, возрастает подвижность токсичных металлов, меняется состав почвенных микроорганизмов. В организмах сера входит в состав аминокислот и белков, а у растений, кроме того, — в состав эфирных масел и т. д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах, в илах морей сопровождаются очень сложными превращениями серы. При разрушении белков с участием микроорганизмов образуется сероводород, который далее окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом процессе участвуют разнообразные группы серобактерий, создающие многочисленные промежуточные соединения серы. Известны месторождения серы биогенного происхождения. Сероводород может вновь образовать «вторичные» сульфиды, а сульфат кальция — залежи гипса. В свою очередь, сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет миграцию.

В целом все вещество литосферы интенсивно подвергается превращениям, участвуя в малом и большом круговороте. Под влиянием лучей Солнца, кислорода, углекислого газа, воды, живого вещества происходит разрушение вещества поверхности Земли. Продукты разрушения уносятся водой и ветром или, будучи растворены в воде, сбрасываются в моря и океаны, где они осаждаются, откладываются на дне, уплотняются, цементируются, образуют слоистые осадочные породы.

Так, ежегодно выносится реками около 2.7·10 9 вещества.

Осадочные породы в результате дальнейшего погружения попадают в магматическую область Земли, под­ергаются действию давления и высокой температуры, переплавляются и в виде изверженных магматических пород могут быть вновь вынесены на поверхность Земли. Изучение круговорота веществ на Земле имеет не только познавательное значение, но и представляет глубокий практический интерес. Воздействие человека на природные процессы становится все значительнее. Последствия этого воздействия стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции вещества и энергии, появляются тысячи химических соединений, прежде ей не свойственных.

В руках человека концентрируются огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества азотсодержащих веществ для удобрения полей и т. д. Меняется обычный ход геохимических процессов. Глубокое изучение всех природных превращений веществ на Земле — необходимое условие рационального воздействия человека на среду его обитания и изменения природных условий в желаемом для него направлении.

Источник

Круговорот серы

Минеральная сера попадает в почву в результате естественного разложения серного и медного колчеданов в горных породах. Она переносится с атмосферными осадками и попадает в наземные и водные экосистемы.

Для круговорота серы характерен обширный резервный фонд в почве и отложениях и меньший фонд — в атмосфере.

В быстро обменивающемся фонде серы ключевую роль играют специализированные группы микроорганизмов (сульфатокисляющих 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.

Рис. 8. Круговорот серы, охватывающий воздух, воду и почву.

«Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата (SO₄ ) и фондом сульфидов железа в почве и в осадках. Специализированные микроорганизмы выполняют реакции: H₂S S₂ SO₄ — бесцветные, зеленые и пурпурные серобактерии; SO₄ H₂ S (анаэробное восстановление сульфата) — Desulfovibrio; H₂S SO₄ (аэробное окисление сульфида) — тиобациллы; органическая S в SO₄ и H₂ S — аэробные и анаэробные гетеротрофные микроорганизмы соответственно. Первичная продукция, разумеется, обеспечивает включение сульфата в органическое вещество, а экскреция животными служит путем возвращения сульфата в круговорот. Двуокись серы (SO₂ ), выделяющаяся в атмосферу при сжигании горючих ископаемых, особенно угля, является одним из самых опасных компонентов промышленных выбросов (по Ю. Одуму, 1986).

Круговорот второстепенных элементов и пестицидов

Второстепенные элементы — это элементы, которые не представляют особой ценности для организма. Они нередко мигрируют между средой и организмами. Большинство из них принимает участие в общем осадочном механизме, некоторые могут поступать в атмосферу. Есть элементы, которые, не будучи биогенными, могут концентрироваться в определенных тканях живых организмов, причем при достижении определенных концентраций становятся опасными для жизнедеятельности.

Значительная часть внесенных пестицидов может сорбироваться почвой и под воздействием водно-эрозионных процессов попадает в гидрографическую сеть, достигая морей и океанов, где накапливается в живых организмах. Пестициды, которые при попадании на растения включаются в метаболизм, после разложения растительных остатков могут включаться в различные биогеохимические циклы.

Таким образом, круговорот пестицидов в некоторой степени связан с атмосферой и осадочным циклом. В круговороте могут принимать участие только те пестициды, которые имеют большой период разложения (хпорорганические). Кроме самих пестицидов, в круговороте в отдельных случаях принимают участие и их составляющие (ртутьсодержащие пестициды). Что же касается не стойких к разложению пестицидов, то их круговорот разомкнут. Например, гербицид раундап разлагается на углекислый газ и воду в течение одной недели.

В настоящее время для предотвращения накопления пестицидов в природной среде запрещено производство и применение пестицидов, стойких к разложению.

Рис. 13. Движение пестицидов в биосфере

Источник

Микроорганизмы

Сера — биогенный элемент, необходимый компонент живой материи. Она содержится в белках в составе аминокислот, содержание серы в белках составляет 0,8-2,4%. Сера также входит в состав витаминов, гликозидов, коферментов, имеется в эфирных маслах. Сера в изобилии присутствует в земной коре. Циклические превращения соединений серы называются круговоротом серы. Цикл превращения серы включает окислительные и восстановительные звенья, а также превращения серы без изменения ее валентности. Цикл серы, так же, как и круговорот веществ, невозможен без участия прокариот, обеспечивающих замкнутость цикла.

КРУГОВОРОТ СЕРЫ В ПРИРОДЕ

Основным резервуаром, из которого сера черпается живыми организмами, является литосфера. Первичной, глубинной по происхождению, минеральной формой нахождения серы в земной коре, является сульфидная. Сульфидные соединения в условиях биосферы практически нерастворимы, и потому сульфидная сера растениями не усваивается. Но, в то же время, сульфиды в кислородной среде неустойчивы. Сульфатные соли обладают достаточно хорошей растворимостью, и сера в географической оболочке активно мигрирует в водных растворах в составе сульфат-иона SO4. Именно в этой, сульфатной форме сера, в составе водных растворов, эффективно усваивается растениями, а далее — животными организмами. Разложение органического вещества в кислородной среде приводит к возвращению серы в почву и природные воды.

Схема круговорота серы в природе с учетом антропогенного фактора

Биогеохимический цикл серы состоит из 4 стадий:

1) усвоение соединений серы живыми организмами (растениями и бактериями) и включение серы в состав белков и аминокислот. 2) Превращение органической серы живыми организмами (животными и бактериями) в конечный продукт — сероводород. 3) Окисление минеральной серы живыми организмами (серобактериями, тионовыми бактериями) в процессе сульфатредукции. На этой стадии происходит окисление сероводорода, элементарной серы, ее тио- и тетрасоединений. 4) Восстановление минеральной серы живыми организмами (бактериями) в процессе десульфофикации до сероводорода. Таким образом, важнейшим звеном всего биогеохимического цикла серы в биосфере является биогенное образование сероводорода.

Круговорот серы с участием микроорганизмов

Микроорганизмы круговорота серы

Восстанавливающие серу бактерии

Восстанавливающие серу бактерии — это микроорганизмы, способные восстанавливать элементарную серу до сероводорода (H2S). Эти микробы используют неорганические соединения серы в качестве акцепторов электронов для поддержания нескольких видов деятельности, таких как дыхание, сохранение энергии и рост, в отсутствие кислорода.

Большинство микроорганизмов используют серу как вспомогательный источник энергии или как акцептор электронов. (Proteus, Campylobacter, Pseudomonas и Salmonella ) Лишь несколько таксонов являются настоящими восстанавливающими серу бактериями, использующими восстановление серы в качестве единственной или основной катаболической реакции. Обычно они связывают эту реакцию с окислением ацетата, сукцината или других органических соединений. (Thermotoga, Thermosipho и Fervidobacterium)

Источник