Биогеохимические циклы серы и фосфора

В природе сера широко встречается в составе различных неорганических и органических соединений: в виде залежей сульфидных минералов — продуктов разложения материнских горных пород; в сульфатных формах — в морской воде и минеральных источниках; в форме газообразных оксидов, сероводорода и меркаптанов — в воздухе. На поверхности земной коры встречается самородная (вулканическая) сера.

Накопления избыточной массы серы в компонентах биосферы не происходит, так как цикл серы, как и все биогеохимические циклы, не замкнут полностью. Нерастворимые формы удаляются из оборота в основном в виде сульфидов железа и цинка, которые откладываются в виде руд и осадочных пород, а также в виде сульфатов кальция и магния, залежей элементарной серы.

Аналогично циклу азота, в природе круговорот серы включает как восстановительные, так и окислительные процессы, протекающие в газообразных, водных и твердых средах (рис. 2.8).

В атмосфере сероводород быстро (в течение 2 сут) окисляется до S0₂ и далее до S0₃ Фотохимическое окисление кислородом происходит на пылевидных частицах оксидов металлов, выполняющих роль катализатора, или частицах влаги с дальнейшим образованием серной кислоты. В результате хорошо растворимые сульфаты и кислота вымываются из атмосферы и попадают в водную среду, где под действием сульфатредуцирующих бактерий превращаются в труднорастворимые сульфиды, которые аккумулируются в осадках.

В океане поступающий биогенный сероводород, образующийся в результате восстановительных процессов, химически или биологически окисляется в верхней, богатой кислородом толще воды. Микроорганизмы этой зоны препятствуют проникновению основных масс сероводорода в атмосферу, большая часть его связывается в виде сульфидов или переходит в сульфаты.

В почвах сера претерпевает химические и биохимические превращения, переходя из неорганической части в органическую и обратно. Часть серы в виде сульфатов ассимилируется растениями и микроорганизмами. Сероводород образуется как при восстановлении сульфатов, так и в результате процессов гниения и разложения (рис. 2.9).

Рис. 2.8. Природный цикл серы и основные окислительновосстановительные процессы.

Рис. 2.9. Микробиологические процессы превращение серы в природных условиях.

Тионовые бактерии и серобактерии являются постоянными обитателями сточных вод и вод фильтратов, образующихся на полигонах ТБО. Они содержат восстановленные соединения серы (меркаптаны, диметилсульфид и др.), особенно их много на биофильтрах, очищающих воду от белка и других серосодержащих соединений. Именно эти бактерии способствуют появлению дурного запаха, что является основной проблемой работы очистных сооружений.

Так же как и сера, фосфор участвует в цикле осадочных элементов. Источниками фосфора, главным образом, служат горные породы и осадочные отложения, образовавшиеся в далекие геологические эпохи. В земной коре в количестве около 0,1% он содержится в виде химических соединений и минералов. Поскольку практически все соли фосфора труднорастворимы, то фосфор химически малоактивен, малоподвижен и, следовательно, труднодоступен для живых организмов. В живых клетках фосфор находится в форме фосфит- (Р0₃)~, (Р0₃)^2- или фосфат-ионов (Р0₄)³. Поэтому глобальный цикл фосфора наименее замкнут (рис. 2.10), проще, чем цикл азота, и происходит только в твердой и жидкой средах. Круговорот осуществляется в основном за счет выветривания горных пород (резервный фонд фосфора), и поэтому наблюдается односторонний поток фосфора с суши в воду и далее — в донные отложения.

Перенос фосфора в атмосфере в форме аэрозолей незначителен и не компенсирует вынос элемента с водным стоком с суши в океан. В водной среде фосфор накапливается в виде нерастворимых фосфатов железа. Элиминированию фосфора из донных осадков способствуют турбулентные потоки и течение воды, особенно в мелких водах, а также деятельность водных организмов и выход метана и сероводорода, которые образуются в осадках в анаэробных условиях.

Фосфор, являясь биогенным элементом, промотирует прирост биомассы, особенно явно это проявляется в поверхностных водоемах и часто является причиной их эвтрофикации. Водные микроорганизмы переводят нерастворимые фосфаты в растворимые формы, создавая кислую среду за счет продуктов метаболизма — азотной кислоты (нитрифицирующие бактерии), серной кислоты (тионовые бактерии) и органических кислот (молочной, гликолевой, щавелевой, лимонной, 2-кетоглутаровой и др.).

Рис. 2.10. Глобальный круговорот фосфора.

(по Д. А. Шабанову, М. А. Кравченко, 2009).

Благодаря деятельности бактерий фосфор включается в состав жизненно важных органических соединений (нуклеиновых кислот, фосфатов инозита, фосфолипидов и др.), а при разложении остатков растений и животных микроорганизмы участвуют в минерализации этих веществ.

Многие фосфорсодержащие вещества имеют антропогенное происхождение и также включаются в кругооборот. Практически все поверхностноактивные вещества (ПАВ) содержат фосфор: их сброс с промышленными и бытовыми стоками, а также смыв с полей фосфорных удобрений приводит к загрязнению и эвтрофикации замкнутых водоемов и прибрежных участков морей.

Для сточных вод разработаны технологии биологического удаления фосфора водорослями или бактериями Acinetobacter, Acetobacter, Nocardia, которые способны накапливать значительное количество фосфатов в аэробных условиях и выделять их в анаэробных. Для биологического удаления фосфора в биореакторе чередуют аэробные и анаэробные условия, что позволяет повысить степень изъятия фосфатов до 80—90%^[1].

• [1] Кузнецов Л. Е., Градова Н. Б. Указ. соч.