Резервный фонд серы содержится как в почве и отложениях, так и в атмосфере. В атмосфере ее меньше. В обменном фонде, который участвует в круговороте, идут процессы окисления серы и ее восстановления. Эту работу выполняют специализированные микроорганизмы — каждый из них делает свое дело. Так, например, бактерии Desulfovibrio поднимают серу со дна морского. Они обходятся без кислорода (являются анаэробами). Эти бактерии преобразуют сульфаты (SO42-), которые находятся в отложениях и воде на большой глубине, где нет кислорода (к примеру, в Черном море) в H2S. Далее газ H2S сам поднимается и оказывается или в поверхностных водах, или же в верхних слоях отложений. Здесь его используют другие организмы, например, фотосинтезирующие бактерии.
Бесцветные, зеленые и пурпурные серобактерии осуществляют обратный процесс преобразования H2S в сульфаты. Промежуточным звеном в этой реакции является образование серы: H2S — S — SCy. Без этого звена H2S преобразуют в SО4 тиобациллы.
Эта реакция (процесс) называется аэробным окислением сульфида. Аэробные гетеротрофные микроорганизмы превращают серу в SО4-, а анаэробные — в H2S. В результате получения первичной продукции сульфаты включаются в органическое вещество. Сульфаты возвращаются в круговорот через экскрецию животными.
Собственно, основной формулой серы, которая восстанавливается автотрофами (организмами, усваивающими солнечную энергию путем фотосинтеза) в белки, является SО4-.
Круговорот серы важен не только для круговорота фосфора, о чем уже говорилось, но и для круговоротов азота и углерода.
В воде также находятся фотосинтезирующие бактерии, как морские, так пресноводные. Производят они органического вещества очень немного (3–4 %). Но заслуга их в другом — они могут функционировать в таких условиях, где другие организмы жить не могут. Они обитают в граничном слое между окислительными и восстановительными зонами в воде и осадках. Туда свет практически не проникает. Эти бактерии, находясь в илистых отложениях литороли, образуют розовые и пурпурные слои, которые располагаются под верхними зелеными слоями водорослей, обитающих в иле. Они обитают там, где уже имеется свет, но мало кислорода — у самой верхней границы восстановительной (анаэробной) зоны. В условиях, когда в стоячих озерах имеется большое количество H2S, на долю фотосинтезирующих серобактерий приходится четверть общей годовой продукции фотосинтеза.
Мы говорили об естественном цикле, круговороте серы. Но человек много добавил к этому круговороту. В результате промышленного загрязнения в окружающую среду попадает большое количество серы в основном в виде газообразного сернистого ангидрида (SO2), который образуется в результате сжигания угля. Двуокись серы гибельно действует на растительность. Кроме того, SO2 реагирует с водяным паром и кислородом с образованием слабой серной кислоты H2SO4 в виде капелек. Эти капельки и образуют кислотный дождь. Чем больше времени находится в воздухе SО2, тем больше вероятность образования серной кислоты. Можно привести такой пример. Для того, чтобы меньше загрязняющих веществ, в том числе SО2, выпадало в населенных пунктах после их выбросов из труб ТЭЦ, эти трубы стали строить высокими. Эффект проявил себя тут же, поскольку загрязняющие вещества поднимались выше и уносились с воздухом дальше. Но чем дольше SО2 находится в воздухе (в контакте с водяным паром — водой), тем эффективнее образуется серная кислота, которая затем благополучно (с осадками) выпадает на те же населенные пункты. От чего ушли, к тому же пришли, только в худшем варианте. Этого бы не случилось, если бы сразу было понимание проблемы, понимание того, что где бы в атмосферу или гидросферу или почву мы не выбросили загрязняющие вещества, они рано или поздно будут у нашего порога, вернутся к нам через форточку, водопроводный кран или продукты питания. Нельзя быть, в конце концов, страусом. Надо наконец понять, что имеется единственное решение данной проблемы — удаление серы из выбросов и из топлива.
Надо иметь в виду, что в тех почвах, где нет противодействия кислотности, буферов рН, которыми служат карбонаты, соли кальция и других щелочных соединений, кислотные дожди наиболее опасны. Почва от них не защищена. Ясно, что увеличение кислотности (рН) в почве, озерах и т. д. приведет к исчезновению в них жизни.
Осадочные циклы. Рассмотренные выше циклы (круговороты) не исчерпывают всех возможностей, которые реализуются в природе. Ведь не все вещества циркулируют вместе с водой и воздухом. Мы уже говорили, что имеется и осадочный цикл, то есть круговорот веществ в результате вулканической деятельности, горообразования, осадкообразования, эрозии. Конечно, в этом круговороте не обходится и без живых организмов, которые осуществляют биологический перенос.
Поскольку осадочный цикл связан с самой Землей, то приведем некоторые пояснения. Ядро Земли покрыто сверху слоем, толщина которого равна 2900 км. Этот слой называют мантией. Сверху мантия покрыта слоем базальта. Базальт — это черная порода, которую можно обнаружить в районах вулканических выбросов. Слой базальта практически является дном океанов. Сверху на базальтовом слое местами (там, где имеется суша) имеется «слой» гранита. Гранит — это весьма устойчивая порода, имеющая светлую окраску. Выше слоя гранита находится слой отложений. Кстати, в океанах и морях также имеется слой отложений, под которым (при достаточной глубине океана или моря) находится базальт. Материки же (суша) представляют собой гранитные глыбы, плавающие, словно пробки, на базальтовом слое! Эти пробки сверху покрыты отложениями.
Теперь, имея перед собой картину устройства Земли, попробуем представить себе, как происходит циркуляция различных элементов. В атмосферу поднимаются элементы, которые извергаются из вулканов, переносятся воздушными потоками из отложений (результаты эрозии и др.) и поднимаются в атмосферу вместе с морской (океанической) водой. Все эти вещества (элементы), находящиеся в воздухе, рано или поздно должны выпасть на землю (и на водную поверхность океанов и морей). Кроме того, надо иметь в виду, что идет обмен элементами между мантией и слоем базальта (в ту и другую сторону), а также между отложениями и гранитом. Нас интересует жизнь. Ее участие в круговороте и ее участь в результате вторжения человека в этот процесс. Поэтому осадочные элементы мы будем называть элементами питания. Ясно, что лучше всего, оптимально, если элементы питания будут находиться там, где они нужны, где в них имеют потребность живые организмы. Очевидно, что слой отложений образовался не сразу, а в процессе длительного переноса вещества сверху вниз, как это описано выше. Накопление элементов питания происходило в периоды минимальной геологической активности. Это были растворенные или пригодные к использованию минеральные элементы. Они оседали на низменностях и в океанах. Естественно, что возвышенности при этом обеднялись. Нормально, если это обеднение будет восполняться поступлением веществ снизу. В этом и будет состоять нормальный круговорот. Этот возврат элементов питания снизу вверх могут осуществлять живые организмы. Поэтому говорят о биологических механизмах возврата.
Любая из цивилизаций, которые существовали на Земле до сегодня, так или иначе приводила к ухудшению этого механизма восполнения, то есть к ухудшению качества почв. На Азиатском континенте, который был свидетелем многих цивилизаций, потери почв наибольшие. Помешать нормальному круговороту веществ (элементов питания) можно по-разному. Можно, например, на высокоширотных реках поставить плотины, перекрыть ход лососей на нерест (а заодно не только лососей). При таком варианте никто не думает о том, что когда в глубине материка лососи гибнут во время нереста, то в своем теле они там оставляют ценные элементы питания, которые они транспортировали, доставили вглубь материка из моря. Можно привести и другой пример. Мы уже говорили, насколько пагубна сплошная, плановая вырубка леса. И не только потому, что атмосфера недополучит свой кислород (это для нас чрезвычайно важно), но и потому, что с древесиной мы удаляем с этого участка элементы питания. В естественных условиях эти элементы питания остались бы там же, в почве леса. Они поступили бы в почву после того, как дерево разложилось бы. Но мы оголили почву и нарушили круговорот элементов питания.
Ранее экологов интересовал круговорот только важных для живых организмов (главное, для человека) веществ, элементов питания. Но с появлением радиоактивных веществ, которыми человек за короткое время успел загрязнить все среды — воздух, воду и почву, — постановку проблемы пришлось изменить. Те элементы, которые еще недавно считались второстепенными, оказались в центре внимания. Второстепенных не стало. Оказалось, что вместе с второстепенными элементами может совершать круговорот радиоактивный элемент, химические свойства которого такие же. Он что-то вроде близнеца. А это в корне меняет дело. Если второстепенный элемент для нас был безразличен, поскольку он не приносил ни вреда ни пользы, то его двойник, проникая к нам вместе со второстепенным элементом, может обернуться для нас драмой, если не трагедией. Так проникает в наши кости радиоактивный стронций-90, который совершает круговорот с безобидным кальцием. Пока человек не породил стронций-90, проблемы не было. Но сейчас она стала одной из зубных болей человечества. Подробнее об этом будет сказано в разделе «Радиационная экология».
Второй важной проблемой, которую создал человек, — это тяжелые металлы и в том числе ртуть. Это такие металлы, как цинк, медь, кадмий и др. В результате промышленных разработок эти металлы попадают в почву, воду, а затем и к нам на стол. Что касается ртути, то она также мигрирует в реки и почву. Если она приходит в контакт с микроорганизмами, то они ее перерабатывают. Но! Из нерастворимых ее форм они делают растворимую, которая очень подвижная и очень ядовитая. Это метилртуть.