Круговорот фосфора

Фосфор – один из наиболее важных биогенных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов клеточных мембран, АТФ¹, ферментов, костной ткани, дентина. Основные звенья круговорота фосфора:

1. в биотический круговорот фосфор поступает в процессе разложения организмов и постепенно переходит в фосфаты. Основной путь круговорота – превращение нерастворимых солей фосфорной кислоты (H3PO4) в растворимые;

2. большая часть фосфора быстро и прочно связывается с металлами почвы, особенно с Fe и Al;

3. бактерии и особенно микоризообразующие грибы способны растворять фосфаты своими органическими кислотами. Живя в симбиозе с растениями, они делают фосфаты съедобными для них;

4. биосферный фосфор медленно вымывается с континентов в океан. Механизмы возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективны и не возмещают его потерь. Вынос фосфатов на сушу осуществляется в основном с рыбой (около 60 тыс. т. в год). Морские птицы также участвуют в возвращении фосфора в круговорот. Однако перенос фосфора и других веществ из моря на сушу птицами сейчас происходит не столь интенсивно, как в прошлом;

5. человек ускоряет перенос континентального фосфора в океан, добывая ежегодно свыше 100 млн. т фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора попадает в море с удобрениями и с моющими средствами, в производстве которых он используется. Фосфорные удобрения усваиваются не более чем на 20 – 30 %. В воде, стекающей с городских территорий, в 7 раз больше этого элемента, чем в воде реки, протекающей по местности, занятой лесом. Кроме того, в стоке с освоенных территорий до 80 % фосфора содержится в минеральной форме, т.е. в виде фосфатов, а в стоке с территорий, занятых естественной растительностью, преобладают органические соединения фосфора. Основной вред от смыва фосфора в водоемы – эвтрофикация. В то же время запасы фосфоритов и апатитов на Земле быстро истощаются.

Круговорот микроэлементов в биосфере

Микроэлементы – необходимые живым организмам вещества, содержание которых в них очень мало. Большинство микроэлементов биологически активно, поэтому входит в состав ферментов. Недостаток или избыток того или иного микроэлемента вызывает функциональные нарушения систем организма и потерю гомеостаза («нет яда, нет лекарства, есть только доза»). Многие микроэлементы являются тяжелыми металлами, то есть имеют плотность больше, чем у железа.

Цинк – необходимый компонент некоторых ферментов, способствует клеточному делению, влияет на рост и развитие организма. Избыток его подавляет клеточное дыхание. Особого значения, как загрязнитель среды, не имеет. Попадает в атмосферу при сжигании топлива и с выбросами цветной металлургии, а в воду – при коррозии цинковых сплавов.

Медь входит в состав многих ферментов, осуществляет транспорт газов у моллюсков, ракообразных в составе гемоцианина (аналог гемоглобина), входит в состав хлорофилла. Недостаточности меди не наблюдалось. Избыток приводит к развитию болезни Вильсона, поражающей печень и центральную нервную систему. Попадает в окружающую среду с выбросами цветной металлургии.

Молибден входит в состав ферментов, определяющих обмен азота в биологических системах (это ферменты – нитрогеназы азотфиксирующих бактерий), и детоксикационных ферментов (окисляют серу в печени). Дефицит сильно тормозит продуктивность биоценозов, приводит к накоплению меди в организмах. Избыток вызывает молибденоз, связанный с дефицитом меди и угнетением большинства внутриклеточных процессов, особенно в клетках печени.

Свинец, как и некоторые химические элементы (Cd, Hg, As), не является необходимым для жизни элементом. В организме, накапливаясь в мозге, почках и костях, подавляет синтез липидов (жироподобных веществ, составляющих вместе с белками основу клеточных мембран). В организм попадает с водой и пищей (быстро выводится через кишечник), через кожу (у детей при контакте с городской пылью) и через легкие (наиболее опасный путь).

Отравление свинцом сопровождается малокровием, головными и мышечными болями, психическими расстройствами, у детей – задержкой умственного и физического развития. У растений свинец угнетает фотосинтез. Способен накапливаться в организмах, например, в клубнях картофеля. Попадает в окружающую среду при сжигании угля и бензина и с отходами промышленности. При выпасе скота на зараженных территориях (100 – 300 м от автострады) свинец накапливается в молоке.

Кадмий также является ксенобиотиком – чуждым жизни элементом. Гораздо токсичнее свинца, вызывает острую почечную недостаточность, малокровие, размягчение костей (болезнь «итай-итай»). Накапливается в грудном молоке, печени, период полувыведения из организма – 30 лет. Растения страдают меньше, так как кадмий прочно задерживается почвой. Попадает во внешнюю среду при сжигании топлива и с отходами цветной металлургии. Кадмием укрепляют пластмассы, при сжигании которых он попадает в атмосферу. Много кадмия в табачном дыме.

Исходные концентрации микроэлементов в различных почвах разные и, как правило, не соответствуют нашим потребностям. Комбинированное действие микроэлементов иногда дает неожиданный эффект (повышение дозы селена помогает при отравлении мышьяком, а избыток марганца усиливает недостаток йода). Многие организмы имеют разнообразные защитные системы, которые на молекулярном и клеточном уровне обезвреживают опасные вещества. Овладение полной информацией о действии химических элементов на организм позволит человеку избежать многих собственных и биосферных недугов.

Радионуклиды – ядра радиоактивных изотопов. Характер излучения изотопов очень важен (табл. 5.3):

• α-частицы имеют наименьшую проникающую способность и наибольшую энергию. При попадании пыли, излучающей α-частицы, в легкие быстро развивается рак легких;

• β-частицы проникают в ткани на несколько сантиметров, обычно в результате развивается рак крови;

• γ-излучение прошивает организм насквозь и влияет на клетки, которые быстро делятся (кроветворные органы, эпителий кишечника, мужские половые клетки).

В настоящее время особо опасно внутреннее облучение, связанное с попаданием источников излучения внутрь организма, тем более что живые организмы накапливают радионуклиды так же, как тяжелые металлы или пестициды.

Таблица 5.3