Александр Перельман - Биокосные системы Земли

• Название: Биокосные системы Земли
• Автор: Александр Перельман
• Издательство: Наука
• Жанр: Экология
• Год: 1977

Живые организмы и неорганическая (косная) материя на Земле тесно связаны между собой и образуют в совокупности различные сложные природные системы, которые В. И. Вернадский назвал биокосными. В книге биокосные системы рассмотрены с позиций геохимии.

Характеризуя почвы, подземные воды, биосферу и другие биокосные системы, автор рассказывает не только о том, как перемещаются атомы в этих системах, но и как происходит при этом превращение энергии, изменение информации. В последнее десятилетие изучение биокосных систем приобрело особенно большое значение в связи с проблемой охраны природы и загрязнения окружающей среды. Этим вопросам также уделено внимание.

---

Но где же распространены почвы с глеевой средой, насколько типично это явление? Оказывается, в некоторых областях земного шара глеевые процессы наблюдаются на протяжении сотен и даже тысяч километров. Это, прежде всего, заболоченные низменности в районах влажного климата, как, например, великая Западно-Сибирская низменность с ее тундрами, заболоченной тайгой, березовой лесостепью. Это также и заболоченные низменности Амазонии в Южной Америке, и болота подмосковной Мещеры, белорусского Полесья и многие другие районы. Только в горах, степях и пустынях, где болот мало, оглеение встречается реже. Однако в мерзлотной горной тайге Восточной Сибири оглеение не так уж редко. Все это позволяет по особенностям окислительно-восстановительных условий выделить второй ряд почв — с восстановительной глеевой обстановкой.

В глеевых почвах часто содержится растворенное органическое вещество, в том числе различные органические кислоты, которые образуются при неполном окислении растительных остатков. Эти кислоты дают легкорастворимые соединения со многими металлами — железом, марганцем, медью, никелем, кобальтом, цинком, свинцом и т. д. Поэтому глеевая обстановка — это обстановка энергичной миграции многих металлов.

Однако не всегда при заболачивании и отсутствии кислорода в почве образуется глей. Впервые с этим автору пришлось столкнуться в Средней Азии, при изучении болотистого участка на берегу соленого озера в пустыне. Мокрая почва в зарослях тростника имела темный цвет, однако привычного глея не было — при копании шурфа обнаружился черный горизонт, по внешнему виду напоминающий сапожный крем. Сильный запах тухлых яиц говорил о том, что в почве есть сероводород (H2S). Образование сероводорода в таких почвах было обнаружено давно; микробиологи объяснили его происхождение.

Сильно минерализованные воды соленых болот и солончаков, как правило, богаты сульфатами, т. е. содержат много иона SO42-. В этих условиях в почвах развиваются особые бактерии, способные отнимать кислород у сульфатов и окислять с его помощью органические вещества. Такие бактерии получили наименование сульфатвосстанавливающих (десульфуризирующих), а сам процесс -десульфуризации. Примерная схема процесса следующая:

C6H12O6 + 3Na2SO4 → 3CO2 + 3Na2CO3 + 3H2S + 3H2O + Q кал.

Как видим, органический углерод окислился до CO2, а сера восстановилась и вместо сульфат-иона, где сера шестивалентна, образовался сероводород, в котором сера двухвалентна. В такой обстановке трехвалентное железо тоже легко восстанавливается до двухвалентного, однако сизого глея не возникает, так как, соединяясь с сероводородом, железо дает нерастворимый, черный, мажущийся колоидный минерал гидротроилит — FeS·nH2O. Этот минерал и придает горизонту черную окраску.

Теперь нам понятно, почему в солончаковом болоте нет глея — этому помешал сероводород, осадивший железо. Но почему же тогда гидротроилитовый горизонт не образуется в болотах севера и других районах влажного климата, почему там развивается глей? И на этот вопрос ответить совсем нетрудно. В районах влажного климата воды пресные, маломинерализованные, в них мало сульфатов, т. е. нет источников кислорода для сульфат-редуцирующих бактерий. Если даже они восстановят то небольшое количество сульфатов, которое имеется в болотной воде, то сероводорода образуется очень мало и он свяжет мало атомов двухвалентного железа. Большая часть железа будет в подвижной двухвалентной форме, и возникнет глей.

Сероводород осаждает не только железо, но и другие металлы, давая нерастворимые минералы — сульфиды. Так, с цинком он образует нерастворимый сфалерит (ZnS), со свинцом — галенит (PbS), с никелем — миллерит (NiS), с кобальтом — джайпурит (CoS) и т. д.

В почвах в основном присутствует гидротроилит (FeS·nH2O), но в прочих биокосных системах накапливаются и другие сульфиды.

Соленые болота и солончаки с гидротроилитом не представляют интереса для сельского хозяйства (если, конечно, их не рассоляют и не осушают). Однако это не значит, что они совершенно не имеют практического значения. Напротив, они очень ценны, так как черные соленые гидротроилитовые грязи обладают замечательными целебными свойствами и помогают вылечивать тяжелые поражения суставов и другие заболевания. Под названием «лечебные грязи» они давно уже используются в медицине, в местах их распространения созданы грязевые курорты. Например, в Туркмении славится своими грязями солончак Моллакора в пустыне Каракумы, в Таджикистане — Оксукон в Ферганской долине. В лечебных целях местное население использовало грязи очень давно. Летом 1950 г. автору довелось побывать на Оксуконе. Процедура лечения в то время состояла в следующем: больного прямо на солончаке закапывали в горячую грязь. Через некоторое время он вылезал, смывал грязь рассолом, накопившимся тут же в ямке, надевал овчинный тулуп и шел в расположенную на берегу чайхану. Там после зеленого чая он начинал потеть, и вся соль вместе с потом смывалась с тела. На этом сеанс грязелечения заканчивался, после нескольких процедур многие больные чувствовали себя много лучше, некоторые расставались с костылями. Слава об Оксуконе гремела по Средней Азии.

Борис Лаврентьевич ИСАЧЕНКО (1871—1948)

В 1971 г. автору снова пришлось побывать на Оксуконе, где в это время уже существовал современный курорт. Больные жили в разноцветных красивых и удобных домиках на берегу солончака, их лечение проводилось под строгим врачебным контролем.

Ведущая роль микробиологических процессов в образовании черных соленых грязей была доказана трудами многих ученых, среди которых особенно выделяются работы крупного советского ботаника и микробиолога акад. Б. Л. Исаченко. Эта теория нашла блестящее подтверждение в серии лабораторных экспериментов. Например, микробиологи брали обыкновенную красную глину (образовавшуюся в окислительных условиях) и замешивали ее с сульфатной водой и органическим веществом. Так создавалась обстановка, необходимая для деятельности сульфатредуцирующих бактерий — они получали пищу (органические соединения) и сульфаты для дыхания (источник кислорода). Когда в эту мокрую глинистую массу вносили чистую культуру бактерий, они быстро размножались. В результате через некоторое время красная глина становилась черной, появлялся запах сероводорода. Так получалась искусственная лечебная грязь, которую можно было готовить далеко от мест естественного обитания сульфатредуцирующих бактерий, практически в любой лечебнице.

Итак, мы познакомились с третьей главнейшей окислительно-восстановительной обстановкой в почвах — восстановительной сероводородной, или сульфидной. Это позволяет выделить самостоятельный третий ряд почв — с восстановительной сероводородной обстановкой. Они встречаются не столь часто, как почвы двух предыдущих рядов, но по своеобразию (а это и важно для классификации) вполне заслуживают выделения в самостоятельный ряд.

К почвам третьего ряда относятся солончаки и соленые болота степей и пустынь. Но почвы этого ряда имеются и в районах влажного климата — там, где есть сильноминерализованные сульфатные воды и, следовательно, возможна деятельность десульфуризирующих бактерий. Таковы, например, почвы морских побережий, подтопляемые морскими водами, которые всегда содержат сульфаты. Подобные почвы встречаются и во влажных тропиках, например в мангровых зарослях, в тайге и даже в тундре по побережью Северного Ледовитого океана. Но, конечно, больше всего их в степях и пустынях — ведь там сульфатный состав вод определяется климатом и поэтому подчиняется закону зональности.

Может показаться, что различия почв второго (глеевого) и третьего (сульфидного, сероводородного) рядов не столь уж велики — ведь в обоих случаях в почвах преобладает восстановительная среда. Однако это не так. По ряду главнейших показателей глеевая и сероводородная обстановки резко отличаются друг от друга. И прежде всего это касается подвижности металлов. В то время как в глеевой обстановке многие металлы подвижны, образуя легкорастворимые соединения (особенно с органическими кислотами), в сероводородной обстановке большинство металлов малоподвижно и образует нерастворимые сульфиды.

Итак, геохимический анализ сущности почвообразования показал, что по окислительно-восстановительным Условиям почвы разделяются на три основных ряда:

1) почвы с преобладанием окислительной обстановки;

2) почвы с восстановительной глеевой обстановкой;

3) почвы с восстановительной сероводородной обстановкой.

В названии первого ряда подчеркивается преобладание окислительной среды, а не ее абсолютное господство. Бывают периоды, когда в этих почвах развивается восстановительная обстановка (например, весной, когда идут дожди). В почвах нередко встречаются следы оглеения в виде ржавых пятен и полос. Почвоведы называют подобные почвы глееватыми, однако более существенно то, что для этих почв характерен длительный период в течение года, когда в них присутствует свободный кислород и развиваются окислительные процессы.