Санкт-петербургский государственный политехнический университет
Скачать 1.88 Mb.
|
5.2.3. Увеличение кислотности океанской воды Активная кислотность раствора (водородный показатель, рН, произносится «пэ аш») вычисляется по формуле pH = – lgaH+ = – lg(CH+∙ ≈ – lgCH+, где aH+ – активность ионов водорода, – коэффициент активности ионов водорода (в разбавленных растворах примерно равен 1), CH+ –молярная концентрация ионов водорода. Предполагают, что за увеличение кислотности морских вод отвечает процесс поглощения водой атмосферного СО2: СО2 + H2O ↔ [H2СО3] ↔ H + + HСО3 – . В то же время возможно и подщелачивание морской воды в результате процессов фотосинтеза по схеме HСО3– + H2O → [СH2O] + О2 + OH–. С 1751 по 1994 гг. рН поверхностных океанских вод снизился с 8,179 до 8,104, что соответствует увеличению CH+ на 19%. За первое десятилетие XXI века рН снизился до 8,069, т.е. концентрация CH+ выросла на 30% по сравнению с доиндустриальной эпохой. Считают, что большую роль в этом процессе играет деятельность человека, а именно антропогенное увеличение выбросов СО2 в индустриальную эпоху. Если недавние темпы прироста кислотности сохранятся, к 2100 году рН снизится до 7,824 (CH+ вырастет на 126% по сравнению с доиндустриальной эпохой). Описанный процесс негативно сказывается на формировании скелета на основе кальция у кораллов, моллюсков и других животных, составляющих основу океанских экосистем (коралловых рифов, устричных банок и др.). Скорость увеличения CH+ в последние годы на несколько порядков выше той, что была на протяжении нескольких последних миллионов лет. Существует опасение, что у морской биоты может не хватить времени для эволюционных изменений, обеспечивающих лучшую адаптацию к происходящим переменам окружающей среды. Возможно, что видовой состав и численность океанской флоры и фауны сильно обеднеют уже в течение ближайшего столетия. Задание для самоконтроля 5. 2 1. Составьте схему, описывающую глобальный гидрологический цикл. 2. Опишите процессы, в которые вовлечен элемент водород помимо гидрологического цикла, охарактеризуйте их влияние на окружающую среду. 5.3. Цикл азота Глобальный цикл азота изучен только в общих чертах, и оценки потоков этого элемента между различными резервуарами отягощены большими неопределенностями. Так, приводимые разными исследователями значения, характеризующие потоки азота в системе атмосфера – почва, различаются в 5…10 раз. В атмосфере содержится 3,87∙106 Гт N почти полностью в форме молекул N2. В составе атмосферных микропримесей присутствуют N2O, NH3 и NH4+, NO и NO2 , HNO3 (см. табл. 1.6) . В земной коре содержится (0,7…1,5)∙106 Гт N (в осадочной части коры 6∙105Гт N, в гранитном слое 1,65∙105Гт N), в верхней мантии 13∙106 Гт N. Таким образом, главным источником азота для географической оболочки Земли является верхняя мантия, выделение азота из нее происходило и продолжает происходить в процессах вулканической деятельности. В живом веществе суши (представленном преимущественно растительностью) содержится около 25 ГтN, в органическом веществе почвы более 100 Гт. В гидросфере содержится 2∙104Гт растворенного N2 (0,5 % от общего количества N2 в атмосфере), 700 Гт N в виде ионов, 300 Гт N в составе органического вещества морей и океанов («мертвой органики», дисперсного органического вещества), около 0,5 Гт N содержат живые организмы. 5.3.1. Природная фиксация азота Азот является элементом, необходимым для жизни, он входит в состав молекул белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул. Однако молекула атмосферного N2 химически инертна и усвоение из нее N невозможно для зеленых растений суши (основных продуцентов) без процессов фиксации азота – перевода его в биологически усвояемые ионные формы. В атмосфере во время грозовых электрических разрядов образуются оксиды азота N2О, NО, NO2. Впоследствии они взаимодействуют с водяными парами и другими компонентами атмосферы: N2O → N2 + O∙ , ∙ОН + NO2 → HNO3 , NO2 + О3 → NO3 ∙ + О2 , NO2 + NO3∙ → N2O5 , N2O5 + H2O → 2HNO3 . Так происходит абиотическая фиксация азота. Биологически усвояемые формы азота (NО3– и содержащийся в атмосфере NH4+) выпадают на сушу с дождями и снегом в количестве около 10∙106 т N в год (3…30 кгN/га в год, что немаловажно для некоторых организмов, таких как лишайники на скалах, мхи верховых болот). Предполагается, что абиотическая фиксация азота возможна и на поверхности песчинок в пустыне, что может объяснить быстрое развитие растительности весной (в течение короткого влажного периода). Однако гораздо большее количество азота – на суше (44…200)∙106 тN/год, в океане (1…120)∙106 тN/год – поступает из атмосферы в результате его фиксации микроорганизмами. Реакцию осуществляют почвенные бактерии родов Azotobacter, Clostridium, Frankia и других. Среди них встречаются свободноживущие и симбиотические формы. Хорошо известны бактерии рода Rhizobium, образующие клубеньки на корнях бобовых растений; благодаря этому около 95% фиксированного атмосферного азота (в форме иона аммония) переходит в цитоплазму растения-хозяина. Деревья и кустарники (облепиха, ольха, восковик) живут в симбиозе с азотфиксирующими грибами-актиномицетами. Свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы дают 5…15 кгN/га, симбиотические клубеньковые бактерии 70…300 кгN/га в год. Фиксировать азот могут также сине-зеленые водоросли, что играет важную роль в обогащения азотом рисовых полей. Эти цианобактерии живут изолированно или в симбиозе с грибами (образуя лишайники) или с папоротниками. Энергетически реакция фиксации молекулярного азота невыгодна, поэтому она происходит за счет использования энергии расщепления углеводов (приведено суммарное уравнение реакции): 3[СН2О] + ЗН2О + 2N2 + 4Н+ → ЗСО 2 + 4NH4+ . В цитоплазме клетки ион NH4+ реагирует с кетокислотами, образуя аминокислоты, используемые впоследствии для построения белков и других биомолекул (происходит ассимиляция аммония). В процессе жизнедеятельности организма происходит постоянное образование и разрушение (деградация) азотсодержащих органических веществ. Продукты распада этих веществ различны у разных организмов – аммоний (рыбы), мочевина (млекопитающие, земноводные), мочевая кислота (насекомые, птицы). Однако наибольший вклад в возращение минеральных компонентов азота в окружающую среду вносят микроорганизмы, разлагающие органические вещества. 5.3.2. Промышленная фиксация азота Получение аммиака из азота воздуха идет в присутствии металлического катализатора при температуре до 550°С и давлении до 250 атм. Азот получают из воздуха, водород – из метана. Основная реакция процесса: N2+3H2 = 2NH3 . Объем производства аммиака составляет 100∙106 тN/год, из них более 80% используется для получения удобрений. 5.3.3. Аммонификация Аммонификация (гниение) происходит после гибели растений и животных в результате деятельности различных микроорганизмов. В результате азотсодержащие вещества (аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, мочевина) подвергаются микробиологическому разложению с выделением аммиака, сероводорода, углекислого газа и других продуктов (в том числе токсичных и дурно пахнущих). В отличие от процессов микробиологического брожения, сопровождающихся закислением среды, процессы гниения происходят с подщелачиванием среды, так что в природе существует антагонизм между этими анаэробными процессами (развивается либо гнилостная, либо бродильная микрофлора). Приведем сопряженные реакции аммонификации для двух аминокислот, осуществляемые бактериями рода Clostridium: CH3−CNH2−COOH (аланин) + 2H2O → CH3COOH + NH3 + CO2 + 4H 2H2N−CH2−COOH (глицин) + 4H → 2CH3COOH + 2NH3 . Аммиак поступает в атмосферу (откуда после вымывается дождями). Улетучивание аммиака происходит в щелочных условиях, когда ион аммония переходит в аммиак. Такие условия есть на пастбищах, где локально создается высокая концентрация аммиака за счет разложении мочевины уробактериями: NH2−CO−NH2 + H2O → CO2 + 2NH3. В водной среде их этих продуктов образуется бикарбонат аммония, подщелачивающий среду; уробактерии могут жить при рН 9…10. Важная экологическая роль NH3 состоит в том, что это единственное летучее основание нейтрализует в атмосфере серную кислоту (образующуюся из SO2) с образованием аэрозолей состава NH4НSO4. 5.3.4. Нитрификация и другие процессы Процесс микробной нитрификации быстро идет в почвах и водных экосистемах при доступе воздуха (оптимальный диапазон рН от 7 до 8). В результате образуются более доступные для всасывания растворимые соединения – нитриты и нитраты. Впоследствии в клетках растения или микроорганизма с затратами энергии нитраты восстанавливаются до нитритов, и затем нитриты – до иона аммония, который необходим для образования аминокислот (происходит ассимиляция нитрата). Образования нитрита осуществляют нитрозные бактерии (рода Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira и др.). Это многостадийный процесс (в кислой среде он не идет, поскольку исходным веществом является аммиак, а не ион аммония): NH3 + 2О2 + 2Н → NH2OH + Н2О ; NH2OH + Н2О → HNO2 + 4H+ ; 4H+ + 2O2 → 2Н2О . Следующую реакцию превращения нитрита в нитрат осуществляют нитратные бактерии (почвенные бактерии рода Nitrobacter и водные бактерии родов Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina): 4NО2− + 2О2 → 4NО3−. Следует отметить, что в сложившемся микробном сообществе накопление нитритов не происходит, т.к. скорость превращения нитрита в нитрат выше скорости превращения аммония в нитрит. Существуют и гетеротрофные организмы (бактерии, грибы) способные к нитрификации. Интенсивность такого процесса невелика, но она объясняет тот факт, что и на кислых почвах (чайные плантации, хвойные леса) происходит образование нитрата. Деятельность нитрификации может быть опасна для строительных материалов на основе извести, т.к. азотная кислота реагирует с нею. В отличие от иона аммония, задерживающегося в почве (особенно благодаря сорбции на отрицательно заряженных частицах – глинистых и гумусовых), нитраты и нитриты хорошо вымываются из нее и быстро переходят в грунтовые и подземные воды. В целом с континентальным стоком эти ионы поступают в моря и океаны, водная миграция ежегодно захватывает 25…80 Мт азота (20…30 кгN/га). В условиях, когда по каким-то причинам после нитрификации не происходит вымывания или вовлечения нитратов в биологические процессы, происходит их накопление. Так образовались месторождения чилийской селитры (NaNO3 с примесями хлоридов, сульфатов и йодатов) (предполагают, что это результат гетеротрофной нитрификации). Месторождения селитры в Чили начали разрабатывать в 1830 х, основными потребителями в мире было сельское хозяйство (азотные удобрения) и военная промышленность (производство пороха). Годовой экспорт селитры в начале 20 века достигал миллионов тонн, запасы месторождения в Чили быстро истощались. Проблему решил немецкий химик Фриц Габер, который предложил в начале 20 века экономичный процесс синтеза аммиака. В средние века для получения селитры (компонента пороха) в затененных местах устраивали селитряницы – кучи навоза и отбросов, где развивались процессы нитрификации. Нитраты (Ca(NO3)2, NaNO3) извлекали при промывке грунта и обрабатывали поташем (K2CO3) для образования KNO3. Нерациональное использование азотсодержащих удобрений приводит к накоплению нитратов в овощах и загрязнению источников питьевой воды до значений, превышающих ПДК (45 мгNO3–/л по СанПиН 2.1.4.1074-01, 10 мгNO3– /л по стандартам US EPA). Опасность нитратов для человека состоит в следующем. Микрофлора кишечника и ферменты печени восстанавливают нитраты до нитритов, которые в крови превращают гемоглобин в метгемоглобин, не способный переносить кислород. Из за несформированности некоторых процессов детоксикации особенно опасна приобретенная метгемоглобинемия для младенцев. 5.3.5. Денитрификация и другие процессы Если бы биосфера не испытывала влияния человека, то процессы денитрификации полностью уравновешивали бы азотфиксацию и нитрификацию, замыкая таким образом цикл азота. Денитрификация протекает в несколько стадий: NO3− → NО2 − → NО → N2О → N2. Денитрификаторами являются аэробные бактерии и грибы, однако процесс осуществляется в анаэробных условиях, т.к молекулярный кислород подавляет необходимые для процесса ферменты. Поэтому потери почвенного азота в виде газов, поступающих в атмосферу, возрастают при застойном переувлажнении почвы, когда происходит закупорка ее пор водой. По той же причине в нитратсодержащих сточных водах или на удобренных нитратами рисовых полях при отсутствии доступа кислорода может происходить накопление нитритов. Только некоторые организмы (например, грибы) могут осуществлять всю последовательность реакций денитрификации; многие бактерии имеют не все необходимые для этого ферменты и проводят только некоторые из реакций (что не мешает бактериям во многих случаях формировать сообщества, осуществляющие все стадии процесса). Например, в анаэробных условиях Esherichia coli или Enterobacter осуществляют нитратное дыхание – превращение нитрата в нитрит (образование N2 не происходит). Впоследствии нитрат может восстанавливаться до иона аммония с выделением последнего в среду (аммонификация нитрата). В анаэробных условиях возможно протекание реакции анаэробного окисления азота (с образованием примесей в виде нитратов). Этот процесс (как и процессы нитрификации и денитрификации) используют в очистке сточных вод: NH4+ + NO2− → N2 + 2H2O. В океане до 50% азота образуется по этому механизму. Денитрификации принадлежит решающая роль в сохранении жизни на суше – если бы эти процессы не происходили, атмосферный азот полностью превратился бы в нитраты, накапливавшиеся в океанской воде, так что организмы суши лишились бы источника азота. |
Похожие:
 | Фгбоу впо «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» Правила приема в Государственный университет – Высшую школу экономики в 2010 году | | Санкт-Петербургский государственный морской технический университет... Рецензия на книгу: С. А. Остроумов "Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод: элементы теории и приложения" (Москва,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, Факультет Иностранных Языков | | Исследование и разработка моделей для организации и управления виртуальными предприятиями Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический... |
 | Психическое здоровье в Германии и России: Клиническая и исследовательская инициатива Санкт-Петербургский научно-исследовательский Санкт-Петербургский государственный университет | | Выходные данные: Диссертация на соискание ученой степени магистра.... Министерство обазования и науки Российской федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический университет |
| Санкт-Петербургский центр научно-технической информации «Прогресс»,... Особенности размещения государственного заказа в связи с изменениями в федеральном | | Национальное Общество Имитационного Моделирования Санкт-Петербургский... Современные среды визуального моделирования являются базисом таких технологий и используются в научных исследованиях, промышленном... |
| Основная образовательная программа (ооп) бакалавриата, реализуемая... «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им проф. М. А. Бонч-Бруевича» (СПбгут) по направлению подготовки... | | Основная образовательная программа (ооп) бакалавриата, реализуемая... «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им проф. М. А. Бонч-Бруевича» (СПбгут) по направлению подготовки... |
| Национальное Общество Имитационного Моделирования Санкт-Петербургский... Цель освоения дисциплины «Теория измерений в социологии» формирование у студентов навыков практического использования наиболее эффективных... | | Санкт-петербургский государственный политехнический университет «Основы экологии и охраны природы» для специальности 040500 -фармация, подготовленной в соответствии с государственным образовательным... |
| Санкт Петербургский государственный университет информационных технологий... Санкт Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики | | «Санкт-Петербургский государственный университет» (СПбГУ) Исторический факультет утверждаю Краснодарский государственный историко-археологический музей-заповедник им. Е. Д. Фелицына |
| Правительство Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный университет | | «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет... |
