Вопрос 2. Что такое «биогеохимические циклы» и каковы функции живого вещества в биосфере?

Химические элементы циркулируют в биосфере характерными путями из внешней среды в организм и снова во внешнюю среду. Процессы движения химических элементов, которые происходят с участием живого вещества, называются биогеохимическими циклами. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговоротом элементов питания. Относительно биосферы, биогеохимические циклы можно разделить на два основных типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере,

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Из газообразных круговоротов рассмотрим два глобальных круговороты -- углерода и воды. Они имеют очень большое значение для человечества. От изменений, происходящих в этих круговорот, зависит будущее человечества на Земле.

Углекислый газ поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Второе его источник -- выделение по трещинам земной коры из осадочных пород благодаря химическим процессам.

Можно считать, что этот СО₂ тоже имеет биогенное происхождение. Часть углекислого газа поступает в атмосферу из мантии Земли во время вулканических извержений. Это 0,01% всего СО₂, выделяемого живыми организмами (Н.М. Чернова, А.М. Билова, 1986). Кроме СО₂, в атмосфере присутствуют в небольшом количестве СО (0,1 части на миллион) и СН₄ -- 1,6 части на миллион. Эти соединения, как и СО₂, находятся в быстром круговороте: 0,1 года для СО; 3,6 года для СН₄ и 4 года для СО₂. СО и СН₄ образуются при неполной или анаэробного разложения органических соединений. В дальнейшем в атмосфере они окисляются до СО₂. Сегодня запасы углерода в атмосфере оценивают в 700 млрд. тонн, а в гидросфере -- 50 000 млрд. тонн. Годовой фотосинтез составляет для атмосферы 30 млрд. тонн и для гидросферы -- 150 млрд. тонн. Исходя из этих цифр, время кругооборота СО₂ составляет 300-400 лет (Р. Дажо, 1975). Количество СО₂ в атмосфере не уменьшается, его запасы постоянно увеличиваются за счет дыхания, брожения, сведение лесов, распашка почв, сгорания. С увеличением содержания СО₂ в атмосфере связана глобальная экологическая проблема -- потепление климата.

Понятие «живое вещество» обозначает совокупность живых организмов биосферы. Область распространения включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю водную оболочку (гидросферу), и верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы). Это понятие было введено В.И. Вернадским. Он отметил, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, её населяющими идёт непрерывный обмен энергией. Живое вещество играет наиболее важную роль по сравнению с другими веществами биосферы, и выполняет рад важнейших функций.

Энергетическая функция

Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы является Солнце. По сравнению с Солнцем, энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы ничтожно мал (около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу). Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99% этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.) Только около 1% накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. По словам Вернадского, зеленые хлорофильные организмы, зеленые растения, являются главным механизмом биосферы, который улавливает солнечный луч и создает фотосинтезом химические тела - своеобразные солнечные консервы, энергия которых в дальнейшем становится источником действенной химической энергии биосферы, а в значительной мере - всей земной коры. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.

В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно усваивает около двухсот миллиардов тонн углекислого газа и выделяет в атмосферу примерно сто сорок пять миллиардов тонн свободного кислорода, при этом образуется более ста миллиардов тонн органического вещества. Если бы не жизнедеятельность растений, исключительно активные молекулы кислорода вступили бы в различные химические реакции, и свободный кислород исчез бы из атмосферы примерно за десять тысяч лет. К сожалению, варварское сокращение человеком массивов зеленого покрова планеты являет реальную угрозу уничтожения современной биосферы. В процессе фотосинтеза одновременно с накоплением органического вещества и продуцированием кислорода растения поглощают часть солнечной энергии и удерживают ее в биосфере. На фотосинтез используется около 1% солнечной энергии, падающей на Землю. Возможно, этот низкий показатель связан с малой концентрацией углекислого газа в атмосфере и гидросфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают около 3*1018 кДж солнечной энергии, что примерно в десять раз больше той энергии, которая используется человечеством.

В отличие от зеленых растений некоторые группы бактерий синтезируют органическое вещество за счет не солнечной энергии, а энергии, выделяющейся в процессе реакций окисления серных и азотных соединений. Этот процесс именуется хемосинтезом. В накоплении органического вещества в биосфере он, по сравнению с фотосинтезом, играет ничтожно малую роль. Внутри экосистемы энергия в виде пищи распределяется между животными. Синтезированные зелеными растениями и хемобактериями органические вещества (сахара, белки и др.), последовательно переходя от одних организмов к другим в процессе их питания, переносят заключенную в них энергию. Растения поедают растительноядные животные, которые в свою очередь становятся жертвами хищников и т. д. Этот последовательный и упорядоченный поток энергии является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере.

Деструктивная функция

Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений, химическое разложение горных пород, вовлечение образовавшихся минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную) функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, бактерии. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т.д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).

Особо следует сказать о химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из вулканической горной породы 3% содержащегося в ней кремния, 11% алюминия, 59% магния, 64% железа.

Сильнейшее химическое воздействие на горные породы растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, серной и разнообразных органических оказывают бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы - кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы. Общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот только на суше, составляет около восьми миллиардов тонн, что в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года. Благодаря жизнедеятельности организмов-деструкторов создается уникальное свойство почв - их плодородие.

Концентрационная функция

Концентрационная (накопительная) функция - избирательное накопление определенных веществ, рассеянных в природе - водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы, в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных -- все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа - в 65 000, ванадия - в 420 000, серебра - в 240 000 раз.

Для построения своих скелетов или покровов активно концентрируют рассеянные минералы морские организмы. Так, существуют кальциевые организмы - известковые водоросли, моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, и т. п., и кремниевые - диатомовые водоросли, кремниевые губки, радиолярии. Особого внимания заслуживает способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. В теле беспозвоночных и рыб их концентрация может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде. Вследствие этого морские организмы полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.

Средообразующая функция

Живое вещество преобразует физико-химические параметры среды в условия, благоприятные для существования организмов. В этом проявляется еще одна главная функция живого вещества -- средообразующая. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом.

Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия. Эту способность живого вещества к восстановлению благоприятных условий существования выражает принцип Ле Шателье, заимствованный из области термодинамических равновесий. Он заключается в том, что изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений. В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям система возвращается в первоначальное состояние, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Например, на повышение содержания углекислого газа в атмосфере биосфера отвечает усилением фотосинтеза, который снижает концентрацию кислорода. Таким образом, устойчивость биосферы оказывается явлением не статическим, а динамическим. Средообразующая роль живого вещества имеет химическое проявление и выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы. В результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химический состав вод первичного океана; образовалась толща осадочных пород в литосфере; на поверхности суши возник плодородный почвенный покров (также плодородны воды океана, рек и озер). Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции: газовые, концентрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические, связанные с деятельностью человека.

Вопрос 3. Какой экологический ущерб наносит эрозия почв (земель)?

Эрозия почв в тех масштабах, в которых она наблюдается сейчас, является, несомненно, результатом человеческой деятельности, поэтому ее называют антропогенной эрозией. Было бы неправильно, однако, причину возникновения эрозии относить исключительно на счет деятельности человека. Эрозия почв без вмешательства человека существовала и существует в настоящее время. Она называется геологической эрозией. Понятие антропогенной эрозии часто необоснованно отождествляют с понятием ускоренной эрозии, а понятие геологической эрозии - с понятием нормальной эрозии. И если антропогенная эрозия чаще всего бывает ускоренной, то геологическая не обязательно бывает нормальной.

Эрозия почв наносит большой урон народному хозяйству страны и в первую очередь - земельным ресурсам: снижается плодородие почв и сокращаются площади обрабатываемых земель. Велика территория нашей Родины - 17,1 млн. км² и велики, на первый взгляд, земельные ресурсы - около 12 га на одного жителя страны. Но избыток земельных ресурсов - кажущийся. Объясняется это тем, что значительная часть территории приходится на зону с холодным климатом и крутые склоны. На обширных пространствах распространены заболоченные, засоленные и маломощные почвы, и только на 13% территории почвы используются для возделывания сельскохозяйственных культур. Вот почему пахотных почв в стране не так уж много, всего около 0,89 га на одного жителя, и эта цифра ежегодно сокращается на 0,0065 га (в среднем за последние 20 лет).

В мировом масштабе земельные ресурсы также не безграничны. В настоящее время на Земле в сельском хозяйстве используется около 1.5*10-9 га земель. Потенциально пригодных к использованию земель насчитывается около 3,2-10-9 га, однако вовлечение в сельскохозяйственное использование новых земель обусловлено все возрастающими капитальными вложениями на их освоение, включая мелиорацию и ирригацию.

Положение осложняется также географической неравномерностью распределения народонаселения: на 7% суши сконцентрировано 70% человечества. И в этих сложных условиях часть пахотных почв ежегодно и во все возрастающих масштабах отчуждается для целей строительства городского, транспортного и промышленного. Кроме того, часть почв ежегодно безвозвратно теряется в результате эрозии. Только в черноземной зоне России овраги ежедневно "съедают" до 70-80 га земли. Но овраги - это крайняя степень проявления эрозии. Более широко распространена поверхностная эрозия. Она не столь заметна, как овражная, но очень вредна. Под действием поверхностной эрозии снижается плодородие почвы, повреждаются растения, а это приводит к потере 10-70% урожая.

От эрозии почв страдает не только сельское хозяйство. Почва, смываемая с полей, откладывается в прудах, озерах, водохранилищах, попадает в каналы и реки. В некоторых случаях пруды полностью заиливаются в течение 10-15 лет. Заиливание водоемов и повышение мутности воды в реках затрудняет действие гидроэлектростанций, работу систем водоснабжения и водного транспорта. Количество наносов, транспортируемых рекой, зависит от интенсивности эрозии почв в ее бассейне и может достигать очень большой величины. Наибольшей мутностью воды отличаются реки Хуанхэ и Янцзы (до 35-40 кг/м3). Расчистка водохранилищ, каналов и рек требует больших капитальных вложений. адаптация биосфера экологический сознание

Важно отметить, что при стоке воды и смыве почвы с пашни отчуждается от 10 до 30% вносимых удобрений и пестицидов, и они не только безвозвратно теряются, но и оказывают огромное негативное влияние на экологическое состояние территории, особенно на качество воды в реках, прудах и водохранилищах. В США на очистку воды тратится около одного миллиона долларов в день. В нашей стране чистая вода также достается с большими затратами.

Особое значение имеет эрозия почв в миграции радионуклидов. Радиоактивные изотопы, например цезий-137, прочно сорбируются почвой и перемещаются вместе с ней, в результате чего при смыве и дефляции почв происходит территориальное перераспределение радионуклидов, сосредоточенных, главным образом, в пахотном горизонте. Развитие эрозии почв на загрязненной территории может вызвать образование новых очагов радиоактивности в местах аккумуляции смытой или сдутой почвы с повышенным содержанием радионуклидов. Аналогичным путем образуются очаги вторичного загрязнения почв некоторыми гербицидами, а также засоления. Вторичное засоление в результате отложения содержащих растворимые соли эоловых наносов в настоящее время широко распространено в окрестностях высыхающего Аральского моря.

Вопрос 4. Каким образом очищают сточные воды от загрязнений?

Вода необходима для жизнедеятельности человека. Однако она постоянно загрязняется промышленными отходами и продуктами жизнедеятельности человека. Грязь, жир, пыль и прочие составляющие делают воду непригодной для употребления в чистом виде. В природе очищение сточных вод в реках и озёрах происходит естественным путём, однако этот процесс очень медленный и требует времени. Человек, вмешивающийся в естественный ход истории и препятствующий естественному развитию природных процессов, должен нести собственную ответственность за вред, наносимый земле, на которой он живет и воздуху, которым сам же дышит.

Именно в последнее время человечество озаботилось разработкой решения такой проблемы, как разработка методов очистки сточных вод. Для разработки эффективных технологий использовались достижения и знания из различных областей наук, в результате получилось несколько вариантов решения проблемы.

На сегодняшний день существует несколько основных методов. Их применение зависит от степени загрязнения воды и наличия вредных примесей, а так же каждой конкретной ситуации, в которой они используются. Специалисты выделяют следующие методы очистки сточных вод:

Механический. Этот метод заключается в отстаивании и фильтрации воды. Для этой цели используются различные сита, решётки, септики, новозоуловители. Поверхностные загрязнения удаляются при помощи нефтеловушек и отстойников. Такой метод очистки сточных вод позволяет произвести очистку до 75%, но так как выделяются исключительно нерастворимые примеси, механический метод не очищает от органических соединений, растворённых в воде. Этот метод является одним из наиболее примитивных, поэтому усложняющиеся требования к чистоте вод потребовали дальнейшего развития технологий очистки.

Химический. Сущность химического метода очистки сточных вод состоит в применении различных химических реагентов, вступающих в химические реакции с загрязнителями и превращающих их в нерастворимые осадки. Благодаря химической очистке, количество нерастворимых примесей в воде уменьшается на 95%, однако растворимых - только на 25%. Существенным недостатком этого метода является высокая стоимость химических реагентов, что делает его малодоступным для отдельных лиц. Поэтому химический метод чаще всего используется предпринимателями, чей бизнес связан с производством или крупными заводами и организациями, несущими большой урон окружающей среде и потому берущими на себя ответственность за её сохранность. Такой метод чаще всего применяется в промышленности и производстве.

Физико-химический. Этот метод заключается в совокупном применении ультразвука и озона. Такой метод позволяет удалять из воды тонкодисперсные и растворённые неорганические примеси, разрушать плохо окисляемые и органические вещества. Наиболее распространённый вариант такого метода - электролиз. Задача электролиза состоит в разрушении органических веществ в сточных водах. Он же позволяет извлекать из воды и неорганические вещества - различные металлы, кислоты и т.д. Такой способ очистки наиболее эффективен на медных и свинцовых предприятиях, в лакокрасочной промышленности. Очистка с помощью электролиза осуществляется при помощи специальных приборов - электролизеров. Кроме того, существуют и другие физико-химические методы очистки сточных вод - коагуляция, окисление, экстракция, сорбция и т. д. Каждый конкретный метод требует тщательного изучения ситуации и определенного выбора в пользу максимально эффективного, но при этом наиболее безвредного способа очистки. Этот способ очистки особенно привлекателен тем, что обладает обеззараживающим свойством. Такие свойства объясняются конструктивными особенностями очистной системы, в которой применяется озон и ультразвук.

Биологический. Этот метод большинство специалистов называют самым эффективным способом очистки воды. Его особенность заключается в использовании особых бактерий, которые влияют на минерализацию загрязнений. Под воздействием этих бактерий все загрязнения распадаются на отдельные компоненты, которые совершенно безвредны для здоровья человека. Этот метод очистки сточных вод является надёжной защитой от загнивания воды, который в то же время и максимально безопасен в экологическом плане. Существует несколько разновидностей биологических устройств, созданных для очистки водоёмов. К ним относятся биофильтры, биологические пруды и аэротенки. Перед тем, как применять биологический метод, нередко рекомендуют применять механическую, а затем и химическую очистку для того, чтобы удалить болезнетворные микробы и бактерии. Часто в этих целях воду очищают жидким хлором или хлорной известью. Можно использовать и другие приемы для дезинфекции, например озонирование, ультразвук и т.д.

Биологический метод очистки сточных вод наиболее распространён при очистке коммунально-бытовых стоков. Кроме того, он нередко применяется для утилизации отходов предприятий нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, так как является наиболее эффективным в этой области и для этого рода загрязнений.

Комбинированный. Сущность комбинированного метода очистки сточных вод состоит в одновременном использовании двух или более методов очистки для достижения наилучшего результата. Выбор методов очистки и порядка из использования зависит от конкретных особенностей водоёма и степени загрязнения воды. Как правило, в первую очередь используется механическая очистка, удаляющая основную массу нерастворимых неорганических загрязнений. Вторым этапом становится биологическая очистка. В качестве последующей дезинфекции используются методы физико-химической очистки, такие как ультразвук, озонирование, электролиз.