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):

Таблица 5. Характеристики изотопов.

Изотоп	Период полураспада	Вид излучения
Йод-131	8 дней	γ
Плутоний-239	24 тыс. лет	α, γ
Стронций-90	28 лет	β
Цезий-137	27 лет	β

• 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.

Наиболее важные из нескольких сотен радионуклидов:

• стронций (⁹⁰Sr) – химический аналог кальция. Встраивается в костную ткань и практически не выводится из организма, поражая кроветворные органы;

• цезий (¹³⁷Cs) – постоянный спутник ⁹⁰Sr, химический аналог калия, поэтому распределяется по мягким тканям. Период полураспада ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr 27 – 28 лет. В зоне Чернобыля и сейчас радиоактивный фон определяется именно этими изотопами;

• плутоний (²³⁹Pl) входит в состав ядерного горючего. После оседания радиоактивной пыли постепенно вымывается в почву. Если пыль попадает в легкие, за счет действия α-излучения быстро развивается рак легких. Период полураспада очень длительный;

• йод (¹³¹J), его период полураспада всего 8 дней. В организме быстро накапливается в щитовидной железе, поражая ее ткани. Это один из множества короткоживущих изотопов, определяющих радиационный фон первые 1 – 2 месяца после аварий на атомных электростанциях (АЭС).

Однако в большей степени, чем аварии на АЭС прогрессивную общественность беспокоит проблема захоронения радиоактивных отходов. В идеальном варианте контейнеры с «остывшими» отходами должны захороняться в глубоких слоях земной коры, но такие мероприятия по карману только очень богатым странам. Также остро стоит проблема демонтажа выработавших ресурс АЭС.

Реальную же опасность мирного атома для человека может прояснить неумолимая статистика, из сведений которой, следует: среди причин смертности населения развитых стран курение и употребление спиртных напитков перевешивают все другие причины вместе взятые, в том числе и смерть от радиации. Недаром Аристотель говорил, что все зло в мире от незнания.