Глобальный цикл цинка

Геохимия цинка и свинца в земной коре тесно связана. Концентрация цинка возрастает аналогично концентрации свинца от вещества верхней мантии (3×10^-3 %) к главному выплавляемому продукту — базальту (1,3×10^-2 %), несколько уменьшается в гранитах (6×10^-3 %). Значительные массы цинка и свинца сосредоточены в постмагматических образованиях. В месторождениях свин-цово-цинковых руд аккумулировано более 20×10^б т цинка. Это количество составляет всего 0,001 % массы цинка, находящегося в рассеянном состоянии в верхней части гранитного слоя земной коры мощностью 1 км.

Биосферная геохимия цинка и свинца существенно различается. Различие обусловлено в значительной мере ролью металлов в живом веществе Мировой суши. Свинец не имеет важного физиологического значения, он захватывается наземными растениями наряду с другими рассеянными металлами. Цинк — один из главных микроэлементов, он входит в состав ферментов, обусловливающих и регулирующих многие жизненные процессы, участвует в синтезе рибонуклеиновых кислот, необходим для синтеза хлорофилла. Цинкосодержащие ферменты участвуют в углеводном и фосфатном обмене. Для организмов животных весьма важное значение имеет карбоангидриза, содержащаяся в эритроцитах. Цинк аккумулируется в гонадах животных, участвует в механизмах, обеспечивающих морозо- и засухоустойчивость растений. Цинк активно поглощается растительностью суши. Глобальный коэффициент биологического поглощения К₆ цинка составляет 12, в то время как К_б свинца лишь немногим превышает единицу.

Концентрация цинка в растениях суши сильно варьирует в зависимости от почвенно-геохимических условий. Известны растения, произрастающие на участках аномально высокой концентрации металла в почве и содержащие цинк до 10 и даже 17 % от массы золы растений (так называемая галмейная флора). В то же время многочисленные данные свидетельствуют о сравнительно небольших колебаниях концентраций цинка в определенных систематических группах растений. В распространенных представителях естественной флоры США концентрация цинка, по данным X. Щаклетта, варьирует в пределах 320 — 640 мкг/г золы, в наиболее распространенных представителях травянистой растительности Южного Урала, по данным М.Д.Уфимцевой и В. Б. Черняховского, — 150 — 750 мкг/гзолы. Согласно расчетам биогеохимика из Новой Зеландии Р.Брукса (1983), средняя концентрация цинка в растениях равна 50 мкг/г сухого вещества, т. е. около 1000 мкг/г золы. Согласно нашим данным, среднюю концентрацию цинка в ежегодной продукции растительности Мировой суши можно принять равной 600 мкг/г золы, что соответствует 30 мкг/г сухой фитомассы или 12 мкг/г живой массы растений. Исходя из этой цифры, во всей биомассе растительности суши, не нарушенной человеком, содержалось около 75×10⁶ т цинка, а захват металла годовым приростом составлял 5,2×10⁶ т/год. Примерно такое же количество возвращалось в педосферу.

Большая часть цинка в растениях связана с легко разрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков в отличие от свинца, который прочно фиксирован в растительных остатках. Средняя концентрация цинка в торфе и лесных подстилках около 20 мкг/г сухого вещества, в гумусе почв несколько выше, около 30 мкг/г. Можно предполагать, что в органическом веществе педосферы содержится около (100— 150)×10⁶ т цинка.

Общее содержание всех форм цинка в гумусовом горизонте почв колеблется от 20 до 80 мкг/г. Средняя концентрация цинка в гумусовом горизонте почв европейской территории России около 50 мкг/г. По данным Х.Шаклетта (1984), близкое значение имеет среднее геометрическое концентраций цинка в почвах США — 48 мкг/г. Более половины общей массы цинка в почве входит в комплексы с органическим веществом и сорбировано пленками гидроксидов железа. Отметим, что относительное содержание прочно фиксированного свинца в почвах составляет 80 — 90 %.

Водорастворимые формы цинка составляют очень небольшую часть от общей массы металла в почве, но активно вовлекаются в водную миграцию. Глобальный коэффициент водной миграции К_в цинка более 3, К_в свинца — всего 0,5. Средняя концентрация цинка в реках мира около 20 мкг/л, выносимая масса — 820×10³ т/год. Средняя концентрация в речных взвесях значительно выше — 143 мкг/л (Гордеев В. В., 1983), выносимая масса — 5,8×10⁶ т/год. Таким образом, вынос масс цинка в составе взвесей составляет 87 % от общей массы выносимого реками металла, в то время как масса свинца — более 98 %.

Цинк активно участвует в массообмене между сушей и тропосферой. Имеются сведения о том, что 1 м² листьев деревьев может выделять до 9 кг цинка в год в составе терпенов (Бофор У. 1975). Значительное количество летучих органических соединени| цинка выделяется в условиях морских побережий и субаквалънь ландшафтов в результате бактериальной биометилизации. К сожалению, количественно оценить участие масс цинка в этих процессах пока невозможно.

В приземном слое воздуха над территорией, свободной от техногенного воздействия, концентрация цинка колеблется от 2 до 70 мг/м³ (Остромогильский А. X. и др., 1981). Следовательно, над площадью в 1 км² в слое высотой 1 км находится от 2 до 70 г металла, а над всей сушей (за исключением площади, покрытой ледниками и занятой внутренними водоемами) в приземном слое находится от 270 до 9450 т, в среднем 500 — 5000 т.

Некоторое количество цинка поступает в атмосферу с минеральной пылью. Средняя концентрация цинка в рыхлых покровных отложениях, которые в основном подвергаются развеиванию, равна 50 мкг/г. В тропосферу с пылью поступает (250 — 300) ×10³ т Zn в год, из них около 90×10³ т выносится в океан, (160 — 210) ×10³ т осаждаются на поверхности суши.

Природные концентрации цинка в атмосферных осадках разных регионов сильно отличаются. Наименьшие значения свойственны полярным и высокогорным районам, воздух которых содержит незначительное количество пыли. По данным американских и французских исследователей, в снеге Антарктиды концентрация цинка составляет сотые доли микрограмма на 1 метр, в снеге Гренландии — на математический порядок выше. В снежном покрове Шпицбергена концентрация цинка достигает 31 мкг/л (Евсеев А. В., 1988). В снеге, выпадающем в высокогорных районах в центре Евразии, концентрация цинка измеряется также десятками микрограммов на 1 метр (Кулматов Р. А., 1988).

Концентрация цинка в дождевых осадках над районами суши, не подвергающимися непосредственному техногенному загрязнению, составляет 10 — 40 мкг/л, но колебания весьма значительны и концентрации в отдельных пунктах выходят за указанные пределы. Исходя из средней концентрации (20 мкг/л), можно считать, что на поверхность Мировой суши с атмосферными осадками выпадает 2,28×10⁶ т цинка в год. Таким образом, на поверхность суши выпадает водорастворимых форм цинка значительно больше, чем захватывается ветром в атмосферу с минеральной пылью. По-видимому, это обусловлено тем, что в атмосферу выделяются также газообразные соединения цинка, которые конденсируются и сорбируются на аэрозолях, а затем вымываются атмосферными осадками. По этой причине концентрация цинка в твердой фазе аэрозолей из приземного слоя воздуха больше клар-ка цинка в земной коре в 10 — 30 раз.

Газообразные соединения цинка поступают в атмосферу при вулканических извержениях и в результате выделения летучих органических соединений зелеными растениями и бактериями. С вулканическими продуктами выбрасывается в атмосферу около 216×10³ т цинка в год. Из этого количества около 150×10³ т фиксировано на поверхности дисперсных частиц размером 0,001 — 0,05 мм, откуда металлы могут вымываться атмосферными осадками. Как следует из приведенных данных, масса цинка вулканического происхождения значительно меньше количества металла, поступающего с атмосферными осадками. Очевидно, главным источником цинка в атмосфере являются упоминающиеся процессы бактериальной биометилизации.

Важную информацию содержат данные о распределении масс цинка в земной коре:

Показатель Породы

Глины песчаники карбонатные

и глинистые сланцы

Средняя концентрация, 95 16 20

мкг/г

Масса цинка, 10¹² т 108 6,9 14,2

Общая масса цинка в осадочной оболочке 129,1×10¹² т. Масса цинка в гранитном слое континентального блока земной коры 418×10¹² т. Общая масса металла в гранитном слое и осадочной оболочке 547×10¹² т. Таким образом, на протяжении геологической истории было отложено в осадочной оболочке более 23 % цинка от его общей массы. Это превышает массу цинка, извлеченную при гипергенном преобразовании гранитного слоя. Вероятно, некоторое количество цинка поступило в биосферу дополнительно благодаря процессам дегазации.

Основная масса цинка в океане представлена водорастворимыми неорганическими соединениями. Согласно данным А. П. Лиси-цина и др. (1983), на контакте суша — океан ежегодно осаждается 90 % массы цинка, связанного во взвешенном веществе речного стока, и 35 % растворенных форм. В результате в пелагическую часть океана поступает не то количество цинка, которое выносится реками, а около 0,6×10⁶ т/год в составе высокодисперсной взвеси и менее 0,5×10⁶ т/год водорастворимых форм. Средняя концентрация растворенных форм цинка в океане близка к 5 мкг/л, масса соответственно равна 6,8×10⁹ т. Масса металла, связанного в океанической взвеси, значительно меньше, но количественная его оценка пока затруднительна.

Концентрация цинка в фотосинтезирующих организмах океана, как и в наземных организмах колеблется от 38 до 850 мкг/г сухой массы (Демина Л.Л. и др., 1983; Брайен Г., 1976). Если исходить из средней концентрации 50 мкг/г, количество цинка в биомассе фотосинтетиков океана можно определить равным 170×10³ т. Эта цифра очень мала по сравнению с количеством цинка, содержащимся в растительности Мировой суши. Вместе с тем очень быстрые жизненные циклы планктонных организмов обусловливают столь же быструю воспроизводимость биомассы и большую годовую биологическую продуктивность океана. По этой причине в состав фотосинтезируемого органического вещества на протяжении года включается такое количество цинка, которое в несколько раз превышает годовой захват металла растительностью суши. Разумеется, благодаря очень быстрой оборачиваемости планктона в этом количестве суммирована многократно обращающаяся одна и та же масса цинка, соответствующая циклу полного оборота биомассы планктона.

Есть сведения, что благодаря столь энергичному использованию цинка планктонными организмами от 4 до 50 % массы водорастворимых форм цинка в разных районах океана представлены метаболитами — комплексными органическими соединениями металла (Демина Л. Л. и др., 1983).

Балансовые расчеты показали, что в тропосфере над океаном находится больше тяжелых металлов, чем их должно быть только при захвате ветром брызг морской воды. Содержание цинка в нижнем слое тропосферы над океаном колеблется в широких пределах: от сотых долей до 60 нг/м³. Согласно данным А. А. Безбородова и В.Н.Еремеева (1984), среднее содержание цинка над пелагическими районами океана равно 7,8 нг/м³. Следовательно, в нижнем слое тропосферы высотой 1 км над всей акваторией Земли находится 2,8×10³ т цинка. Средняя концентрация цинка в дождевых осадках над пелагической частью океана близка к 6 мкг/л, с атмосферными осадками на поверхность океана поступает водорастворимых форм цинка примерно 2,5×10⁶ т/год. Это в 3 раза превышает поступление растворимых форм с глобальным речным стоком. Можно предположить, что главным источником поступления цинка в тропосферу над океаном являются процессы микробиологической метилизации металлов. Кроме того, в атмосферу над акваторией выносится с континентов около 1×10⁶ т/год цинка, фиксированного твердыми пылевыми частицами. В свою очередь, из океанической тропосферы с воздушными массами переносятся 260 • Ю³ т цинка в год, которые выпадают с атмосферными осадками.

На основании изложенных материалов можно следующим образом представить общую картину распределения масс цинка в биосфере:

Резервуар Масса, 10⁶ т

Мировая суша:

нижняя тропосфера.......................................................0,0005 — 0,005

растительность континентов........................................ 75,0

органическое вещество педосферы............................. 100,0

Оксан:

тропосфера..................................................................... 0,0028

фотосинтезирующие организмы.................................. 0,17

растворенные формы.................................................... 6800,0

Земная кора:

осадочная оболочка....................................................... 129,0×10⁶

гранитный слой............................................................. 418,0×10⁶