Кремний - циклический элемент

Примерно три с половиной миллиарда лет существования жизни на нашей планете коренным образом изменили ее облик. Существенную роль в этом сыграли биохимические процессы с участием соединений кремния — кремнезема, кремнекислот, силикатов и алюмосиликатов.

Кремний является циклическим элементом, совершающим непрерывный круговорот в природе. «Миллионы тонн этого элемента, — указывал В. И. Вернадский, — находятся в непрерывном движении — в геохимической миграции». Но это лишь ничтожная доля всего кремния, находящегося в земной коре. Количество его огромно, гораздо больше, чем количество биогенного кремния, участвовавшего в жизненных процессах. Все жившие на нашей планете организмы непрерывно извлекали кремний из окружающей среды в ходе своей жизнедеятельности и выбрасывали неутилизи-руемую его часть с экскрементами. Весь аккумулированный этими организмами кремний также возвращался в литосферу и гидросферу в виде остаточного продукта после их разложения.

За год через живое вещество проходит огромное количество кремния, в тысячи раз больше его содержания в данный момент во всех живых организмах. Благодаря этому живое вещество имеет большое значение в геохимической истории кремния.

Круговорот кремния в природе

Биохимические функции жизни, приводящие к миграции кремния, принадлежат к геологически вечным, т. е. существующим в течение всего времени наличия биосферы на нашей планете.

Главную роль в биохимическом круговороте кремния играли и играют низшие классы организмов и растения, поглощающие его из окружающей среды и возвращающие в измененном виде после своей гибели.

Существенное влияние на круговорот кремния в природе оказывают и процессы образования осадочных пород, а также высшие беспозвоночные (черви, моллюски, членистоногие, насекомые, иглокожие, оболочники и т. д.). Последние содержат очень мало этого элемента, но следует учитывать их огромную численность и весьма интенсивную деятельность. При их воздействии почва постоянно разрыхляется, перемешивается и размельчается, а разложение растительного материала и высвобождение кремнезема протекает в 2—3 раза быстрее, чем при их отсутствии.

В круговороте кремния участвуют и млекопитающие, в особенности травоядные, однако незначительно. Участниками процесса почвообразования являются грызуны и.другие животные, роющие норы.

В наше время в круговорот кремния стал активно вмешиваться человек. Он постоянно загрязняет среду своего обитания, реки, землю, воздух. В результате этого кремний действует, как адсорбент, и, как следствие, нарушается естественный круговорот кремния в природе.

Кремний в основном концентрируется в биосфере и осадочной оболочке литосферы. С увеличением ее глубины количество кремния постепенно уменьшается. На земной поверхности живое вещество постоянно захватывает кремний из его водных растворов и солей и даже из кремнийсодержащих горных пород и минералов. Биохимический цикл кремния начинается с разрушения горных пород и образования почвы. Первый процесс некогда рассматривался как сугубо физический. Однако теперь твердо установлено, что основной причиной его является биохимическое действие таких организмов, как бактерии, простейшие, грибы, водоросли и лишайники. Разрушение живыми организмами кристаллических горных пород привело к зарождению почвы.

Важную роль в геохимии кремния играют бактерии, и прежде всего силикатные. Они активно разрушают силикаты, высвобождая кремнезем, калий, фосфор и другие минеральные элементы в растворимой и усвояемой растениями форме. Таким образом, бактерии, по-видимому, оказались первыми живыми существами, которые подготовили на суше условия для появления низшей растительности.

Мощнейшим агентом разрушения горных пород являются водоросли, особенно диатомовые, которые обитают не только в соленых и пресных водах, но и на увлажненных скалах, прибрежных песках и других участках суши. Лишайники разрушают горные породы не только химическим, но и механическим путем.

Освобожденный биохимически из силикатных минералов кремнезем вновь непосредственно усваивается бактериями, низшими растениями и, претерпев ряд превращений, опять возвращается в почву в виде вторичных минералов. Многие неустойчивые минералы (глины, слюды, цеолиты и др.) давно бы исчезли с лица земли, если бы постоянно не создавались вновь живыми организмами.

После разложения остатков низшей растительности часть аморфного кремнезема усваивается высшими растениями. Другая часть его вымывается и, попадая в ручьи и реки, выносится в озера, моря и океаны.

Однолетние растения возвращают накопленный кремний в почву в конце вегетации — отмирая, а многолетние сбрасывают его вместе с листьями. Опавшие листья гумифицируются тем быстрее, чем выше в них содержание кремния. Гумусовые кислоты участвуют в разложении силикатов. Некоторую роль в разложении опавших листьев играют животные (в основном низшие). Так завершается цикл биохимического круговорота кремния в природе.

А. П. Виноградов указывал, что в наше время на суше биогенный геохимический круговорот кремния особенно энергично протекает в тропических областях.

Так, интенсивная жизнедеятельность почвенных организмов, высокая температура и влажность способствуют быстрому перемещению кремнезема из горных пород в почву в виде гелей кремнекислоты. Последняя в избытке поглощается растениями (бамбук, сахарный тростник и другие злаки), в тканях которых отлагается аморфный кремнезем. С гибелью растения он возвращается в почву.

Мировой океан — природное хранилище кремния

В океанах, морях и озерах начинается самый мощный и масштабный цикл круговорота кремния. Осаждение растворенного в морской воде кремния происходит лишь биогенным путем. Об этом свидетельствуют современные морские и озерные отложения кремнезема, состоящие из остатков низших организмов (скелеты диатомей, спикулы губок и др.). Исключительно биогенное происхождение имеет и взвешенный в воде кремний.

А. П. Виноградов допускает присутствие в морских и океанических водах кремнийорганических соединений, являющихся продуктами распада древнейших реликтовых кремнийконцентрирующих организмов. Их останки постепенно минерализируются и в виде взвеси медленно оседают на дно водоемов. В ходе этого процесса они частично растворяются, частично поедаются кремнийконцентрирующими животными, возвращаясь снова в круговорот кремния.

Основная же масса биогенного кремния образует на дне огромные залежи кремнезема (диатомовый, глау-конитовый и радиоляриевый илы, яшма, халцедон и т. д.). Наиболее распространены в этих отложениях диатомовые осадки. Они составляют 70-75% всех кремнеземистых осадков и расположены в основном в холодных частях океана, ближе к его северным областям. В отложениях тропических и субтропических областей океанов преобладают скелеты радиолярий. Вместе с диатомовыми отложениями они составляют 98—99% всех кремнеземистых осадков мирового океана. Останки кремниевых губок и других кремнийорганиз-мов составляют лишь 1—2% донных отложений кремнезема (хотя в отдельных водоемах, например в озере Байкал, спикулы кремнистых губок составляют существенную часть отложений).

За год на дне океанов откладывается 1900 миллионов тонн кремнезема. Это несколько сотен тысяч кубических километров. Такие донные отложения занимают 20,4% площади Индийского океана, 14,7% — Тихого и 6,7% — Атлантического.

Вследствие частичного растворения остатков крем-нийорганизмов вода, находящаяся в порах осадков кремнезема, представляет собой насыщенный раствор. Очень высока концентрация кремния и в природном слое воды. Поднятый восходящими потоками наверх кремний возвращается в биологический круговорот. Нередко в почвах в значительных количествах содержатся скелеты диатомовых водорослей и спикулы кремнистых губок.

Человеческая деятельность вносит диссонанс в биогеохимический круговорот кремния в водоемах. Так, известно, что фосфатные сточные воды вызвали в южной части озера Мичиган столь сильное развитие диа-томей, чтосодержание кремния в воде опустилось ниже минимального значения, необходимого для жизнедеятельности, и создались все условия для вытеснения диатомовых водорослей сине-зелеными.

Горючие полезные ископаемые органического происхождения — каустобиолиты (нефть, уголь и горючие сланцы) также содержат сравнительно много кремния.

В состав золы нефтяного кокса, например, входит до 15% кремнезема. Однако вопрос о том, является ли происхождение кремния в каустобиолитах биогенным, остается до сих пор открытым. Не исключено, что в нефти содержатся и кремнийорганические соединения.

КРЕМНИЙ В ЗЕЛЕНОМ ЦАРСТВЕ

Наличие кремния в растениях было обнаружено в XVIII в. В деревьях и травах сравнительно много кремния — 1,5—4% от веса сухого вещества. Наиболее интенсивно забирают кремний из почвы многие культурные растения — пшеница, овес, ячмень, просо, рис. Рекордсменами по содержанию кремния являются хвойные, хвощи, папоротники. В золе этих растений содержится до 96% двуокиси кремния. Высоким содержанием кремния отличается полынь. Он содержится абсолютно во всех зеленых растениях. Рекордсменом по содержанию кремния среди пищевых продуктов является топинамбур. На почвах, лишенных кремнезема, растения развиваются слабо. Об этом хорошо знали древние люди. В Египте поля удобряли илом, в котором содержание кремнезема достигает 80%. В растениях содержится особый фермент — силиказа. Он способствует превращению неорганических соединений кремния в органические.

В стволе бамбука синтезируется чистая кремниевая кислота — табашир. Ее используют как лекарство.

Крапива обязана кремнию своими жгучими свойствами. Ее листья покрыты волосками, которые являются стеклянными капиллярами с ядовитой жидкостью. Кремнийконцентрирующие растения используются в строительстве, сельском хозяйстве и как естественные средства поддержания здоровья человека.