Круговорот серы

Круговорот серы также тесно связан с живым веществом (Рисунок 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.

Рисунок 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 + H₂O H₂SO₄ + 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 + O₂ SO₂ + H₂O, приводит к образованию аэрозолей и кислотных дождей. Время жизни SO₂ в 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:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄.

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 2.7·10⁹ 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 глубокийпрактический 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.