Значение водорода для почвы, растений, животных
Водород в составе H2O является главным биологическим компонентом и составляет основной объем живого вещества.
В почвах содержание воды весьма изменчиво и зависит от многих причин, в первую очередь климатических и сезонных, а также от состава почв и рельефа местности. В нормальной почве, независимо от ее состава, содержится ≥20% H2O, в растениях и животных ≥50%, в организме взрослого человека 60—65%. Потеря организмом человека ≥10% H2O может привести к смерти, полное отсутствие поступления воды человеческий организм выдерживает всего несколько суток.
Снижение содержания воды в почве (аридизация), как и ее излишнее накопление (оглеение, заболоченность) являются важнейшими негативными факторами для жизнедеятельности большинства организмов и приводит к изменению видового состава растительных сообществ. При годовом количестве осадков ~250 мм и менее возникают пустыни. He останавливаясь на детально изученных вопросах пространственной и временной зональности распределения воды в почвах, отметим только, что по окислительно-восстановительным условиям почвенных вод, важным для формирования геохимического состава почв, А.И. Перельманом различаются два главных геохимических класса вод: кислородные (засушливые аридные условия, черноземы, буроземы, красноземы, почвы пустынь и т. д.) и глеевые (увлажненные гумидные условия).
Исключительно важное значение для круговорота воды на суше имеет поглощение атмосферных осадков биотой — транспирация. На нее раньше приходилось ~2/3 испарения осадков на суше, что обеспечивало замкнутость круговорота воды. Антропогенное воздействие — замена лесов агроценозами — почти вдвое сокращает транспирацию. В частности, показатели регулирования водообмена (отношение изменчивости осадков к изменчивости суммарного испарения за вегетационный период) для России в настоящее время составляет: леса и болота 2,5—3, луга и степи 1,5—2, агроценозы (Поволжье и Северный Кавказ) 0,8—1,1. Представление об абсолютных масштабах транспиративного переноса воды из почвы в атмосферу дают такие примерные оценки (млн т H2O на 1 га за вегетационный период): пшеница ~2, капуста ~8.
He менее важным показателем является содержание в почвенной воде ионов H+ (pH), так как для большинства растений благоприятны близнейтральные почвы. Вместе с тем, во многих случаях pH соляной вытяжки из почв может снижаться до 5,5 и менее или повышаться, что ведет к деградации растительности и требует нейтрализации. Повышенная кислотность в первую очередь касается подзолистых, дерново-подзолистых и некоторых торфяных, реже серых лесных почв и красноземов и обычно проявлена в гумидных областях. Наоборот, незагрязненные почвы аридных областей обычно имеют повышенные значения pH. Основным регулятором pH почв являются карбонаты кальция (магния).
По величине биофильности (Бф=70) водород занимает третье место среди химических элементов, уступая только углероду и азоту. В среднем составе живого вещества содержание водорода, по А.П. Виноградову, 10,5% — также третье место после кислорода и углерода. Распространенность свободного водорода в биосфере еще не изучена, однако он продуцируется многими путями, от эндогенного земного, которому придается все большее значение и биогенного — результат бактериального разложения органического вещества до продукта окисления Fe, Mn и других металлов и радиолиза H2O, а также водорода, поступающего из космического пространства и т. д.
Содержание водорода при подсчете на сухое вещество в общем увеличивается от растений к животным и бактериям. Средние содержания оценены следующим образом (г/кг): растения морские 41, наземные 55, животные морские 52, наземные 70, бактерии 74; для океанического планктона, по В.С. Савенко, среднее — фито- 50, зоопланктон 70 г/кг (х = 60). Содержание его в среднем в гумусе 4,5%.
Типичное содержание водорода в живом веществе, по С.М. Манской, Т.В. Дроздовой, следующее (%): лигнин 5, углеводы 6, протеины 7, липиды (жиры) 10, органическое вещество OB современных морских осадков 8, OB осадочных пород 9, торф 6—7, лигнит 5—6, битуминозный уголь 5—6, антрацит 4—5, нефть 9—15. А.А. Успенский определил среднее содержание водорода в составе OB различных организмов (%): древесина 6,1, травы и растения-торфообразователи 6,1, водные, цветковые растения и донные водоросли 6,2, водоросли планктонные 7,7, зообентос и наземные беспозвоночные (моллюски, насекомые, черви, ракообразные) 8, зоопланктон, рыбы, наземные позвоночные 7,9; человек — 9,31.
Содержание воды в живом веществе преобладает над всеми компонентами и находится в некоторой зависимости от влажности окружающей среды и почв. У растений пустынь и степей оно 35—65%, лесостепей 70—85%, хвойных лесов до 90%. У животных суши в целом содержание воды ниже, чем у водных (%): домашние животные 60, человек 64, водоплавающие птицы 70, рыбы до 75, медузы до 99. В клетках бактерий и млекопитающих оно близко к 70% общей массы.
Все живые организмы чувствительны к изменению концентрации водорода в воде в виде H+ (pH). Активность фитопланктона снижается при pH≤6, зоопланктона при pH=5, особенно при повышенном содержании Al. В этом же интервале pH (5—6) снижается численность популяций бентоса. При рН~5 зеленые водоросли вытесняются синезелеными и резко снижается популяция рыб. Наоборот, при снижении в воде содержания пероксида водорода H2O2 до значений ≤(1—3)*10в6 моль/л, происходящем, например, при избытке SO2, резко снижается выживаемость рыбной молоди. Нормальной концентрацией H2O2 для рыбных рек считается n*10в-6—10в5 моль/л. Скорость образования H2O2 в незагрязненных реках составляет в летнее время n*10в-4 моль/л*сут, а в среднем n*10в-5 моль/л*сут. He менее опасен и газообразный H2O2 — при повышенном его содержании в облаках (3—5 млрд-1) подвергаются повреждению хвойные и лиственные, а в наибольшей степени — высокогорные леса.
В организм человека, по Ю.И. Москалеву, водород поступает в виде воды, газа и различных органических и неорганических соединений — пищи и жидкостей, в среднем 350 г H2 в сутки. Содержание H2 (в виде H2O, %) заметно снижается с возрастом: эмбрион 97, новорожденные 77, взрослые мужчины 61, женщины 54, старики ~50. Больше всего воды в крови (~83%), легких и сердце (~79%), меньше всего в костях (20%) и зубной эмали (~10%). Величина всасывания воды (1,0) и скорость всасывания из желудочно-кишечного тракта (20—25 мин) одни из самых высоких. Основная роль в переносе в организме Na+ и Cl- и других элементов принадлежит воде. Tб воды у человека 6—12 сут, водорода 14—7 сут. Установлена зависимость между массой тела и скоростью обновления воды.
Процесс пищеварения в значительной мере связан с величиной pH в органах человека, которое меняется от близнейтральной и щелочной в ротовой полости до сильно кислой в желудке и щелочной в поджелудочной железе.
Для органических соединений водорода кинетика в организме существенно отличается и во всех случаях Tб выведения выше, чем для воды, особенно для тимидина (272 сут).
Всасывание трития, как и водорода, в организме человека 100%-ное как из пищи, так и из воздуха; Tб—12 сут.
Источник
Роль в жизни растений
Биоэлемент, является структурной единицей органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (витамины, гормоны, ферменты, белки, жиры, углеводы). На долю водорода на Земле, включая воду и воздух, приходится около 1% по массе.
Водород в соединении с кислородом образует воду.
Водород составляет 6,3% от массы растения, входя в состав всех его клеток и тканей.
Растения на 70–80% состоят из воды. Совокупность процессов поглощения, усвоения и выделения воды растением называется водным режимом растения. Вода является средой для биохимических реакций, участвует в фотосинтезе, обеспечивает структуру коллоидов цитоплазмы, определяет конформацию и функциональную активность ферментов и структурных белков клеточных мембран и органоидов. Насыщенность клеток водой (тургор) определяет их рост растяжением, придает тканям упругость и ориентирует органы растения в пространстве.
Поглощение и передвижение воды в растении происходит под действием присасывающей силы транспирации (испарения) и нагнетающей силы корневого давления в системе почва–растение–атмосфера. Вода, поглощаемая корнями (главным образом в зоне корневых волосков), поступает в сосуды центрального цилиндра и далее в побеги. С током воды транспортируются и растворенные в ней питательные вещества, поглощаемые (ионы минеральных солей) или синтезируемые (аминокислоты, цитокинины и др.) в корнях. Достигнув листовой поверхности, меньшая часть воды расходуется на рост и метаболизм листовых клеток, а большая (до 90%) – выделяется в атмосферу при транспирации и гуттации (выделение листьями растений через водяные устьица – гидатоды, расположенные на краях и кончиках листьев, капелек жидкости под воздействием корневого давления при избытке воды в растении). Некоторое количество воды образуется самим растением в процессе дыхания. Вода, заполняющая сосуды проводящей системы, представляет единую гидростатическую систему и, обладая большой силой сцепления молекул, может подниматься на высоту более 10 м. Скорость передвижения воды в растениях зависит от внешних факторов (температуры и влажности воздуха, освещенности, влажности и засоленности почвы и т.д.), а также от особенностей самого растения (величины листовой поверхности, протяженности корневой системы). У хвойных она может достигать 0,5–1 см/ч, а у лиственных – более 40 см/ч. В течение суток эти величины меняются, увеличиваясь днем.
Масштабы потребления и расходования воды растениями очень велики. Так, одно растение кукурузы за сутки испаряет 0,800 л воды, капуста – 1 л, а береза – больше 60 л. За вегетационный период одно растение кукурузы испаряет 200 л воды, 1 га посевов пшеницы – 2–3 тыс. л, 35-летняя яблоня – до 26 тыс. л.
В процессе эволюции растения приспособились к регуляции водного режима в конкретных условиях обитания. По этим признакам их относят к разным экологическим группам.
1. Гидатофиты (от греч. гидатос – вода, фитон – растение) – водные растения (элодея, кувшинки, лотос и др.). Гидатофиты полностью погружены в воду. Стебли почти не имеют механических тканей и поддерживаются водой. В тканях растений имеется много крупных межклетников, заполненных воздухом.
2. Гидрофиты (от греч. гидрос – водный) – растения, частично погруженные в воду (стрелолист, камыш, тростник, рогоз и др.). Обычно обитают по берегам сырых водоемов, на сырых лугах.
3. Гигрофиты (от греч. гигра – влага) – растения влажных мест обитания (калужница, осоки, ситник).
4. Мезофиты (от греч. мезос – средний) – растения, живущие в условиях умеренного увлажнения и хорошего минерального питания (сурепка, нивяник, ландыш, земляника, яблоня, ель, дуб и др.). Растут в лесах, на лугах, в поле. Большинство сельскохозяйственных растений – мезофиты. Они лучше развиваются при дополнительном поливе.
5. Ксерофиты (от греч. ксерос – сухой) – растения сухих местообитаний, где воды в почве мало, а воздух сухой (алоэ, кактусы, саксаул и др.). Среди ксерофитов различают сухие и сочные. Сочные ксерофиты запасают воду в мясистых листьях (алоэ, толстянки и др.) или стеблях (кактусы – опунция, маммиллярия) и называются суккулентами. Сухие ксерофиты – склерофиты (от греч. склерос – жесткий) приспособлены к жесткой экономии воды, к уменьшению испарения (ковыль, саксаул, кермек, верблюжья колючка и др.).
Многие бактерии обитают во влажной среде. В почве широко распространены водородные бактерии, которые в процессе хемосинтеза окисляют водород, постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы:
Источник