Основы инженерной экологии (стр. 1 )

Эдуард Степанович Курочкин

ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОЛОГИИ И ОБЪЕКТ

ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПОНЯТИЕ О БИОСФЕРЕ

Экология относится к одному из разделов биологии и, как самостоятельная наука получила развитие только в текущем столетии. Термин “экология” предложил еще в прошлом веке Э. Геккель, выдающийся немецкий биолог-материалист. Он считал экологию наукой об отношениях организмов к окружающей среде. В переводе с греческого термин означает: oikos - дом, logos - учение, т. е. наука об обитании.

В настоящее время все внимание экологов направлено не на изучение отношения отдельных организмов к внешней среде, а на изучение сообществ растений и животных. Экология сомкнулась с наукой, изучающей биосферу Земли.

Термин “биосфера” впервые предложил австрийский геолог Зюсс, он означает одну из оболочек Земли (наряду с гидросферой, атмосферой и литосферой), состоящую из неорганической части - воды, воздуха, почвы и из населяющих эту часть живых организмов. Но творческое учение о биосфере неразрывно связано с именем нашего ученого академика . По биосфера - та оболочка Земли, в формировании которой играли и играют роль живые организмы. Различие в формулировке Эюсса и огромное и принципиальное, так как и почва, и некоторые осадочные породы, и атмосфера являются продуктом жизнедеятельности живых организмов. В формулировке таким образом показана важнейшая связь живых организмов и окружающей среды. Эта взаимосвязь и является предметом изучения дисциплины “Экология”.

Огромна сила и роль живого вещества в биосфере. Вернадский живым веществом биосферы называл совокупность живых организмов, выраженную в весе, в химическом составе, в мерах энергии и в характере пространства. Он выделил три функции живого вещества в биосфере.

Первая - живое вещество является продуктом уникального явления в природе - фотосинтеза, так как растения поглощают при фотосинтезе углекислый газ, образуя органическое вещество, а за его счет по цепям питания создается животный мир. Живое вещество при дыхании выделяет углекислый газ. Таким образом углерод вовлекается в круговорот и удерживается в жизненном цикле в виде миллионов различных химических соединений. При разложении живого вещества после его отмирания соединения углерода превращаются в углекислый газ и высвобождаются другие элементы. Таким образом, через живое вещество в природе вовлекается в круговорот, в движение большинство из известных химических элементов, что имеет огромное значение в истории Земли. Из живого вещества произошли и отложились в недрах Земли каменный уголь, битум, нефть, известняки. Известняки, например, в виде карбонатных отложений накапливаются в морях из скелетов рыб, моллюсков, кораллов, водорослей, содержащих углекислый кальций. Геологические формации марганца и некоторых других элементов обязаны своим происхождением жизнедеятельности живых организмов. Продуктом биосферы является кислород, установившийся режим дыхания организмов и фотосинтеза создал современную атмосферу с известным содержанием кислорода и диоксида углерода.

Второй важной функцией живого вещества биосферы является способность перерабатывать лучистую энергию солнца, которая накапливается в виде потенциальной энергии в первично синтезированных органических веществах. Количество всего живого определяется количеством земных растений, которые одни обладают этой способностью. Живое вещество, собрав лучистую энергию Солнца, является и ее источником для животных организмов при их питании и передает энергию более глубоким слоям земной коры в виде химических соединений. За счет энергии этих соединений и происходят геохимические процессы элементов во всей земной коре. Живое вещество таким образом накапливает энергию, а не рассеивает.

Третьей функцией живого вещества биосферы является его распространение на земной поверхности. Биомасса его огромна. Распространение живого вещества можно сравнить с распространением газов. Если бы не существовало непреодолимых препятствий, живое вещество, как и газы, наполнило бы все пространство. Одна диатомея, делясь, может, если не встретит к тому препятствий, за восемь дней дать количество материи, равное объему нашей планеты. Из животных организмов, например, обыкновенная инфузория в течение пяти лет может дать массу протоплазмы в 104 раза больше объема Земли. Накопление энергии и передача ее живым веществам при размножении создает ее растекание. Размножение организмов производит, как говорил , “давление жизни”, или “напор жизни”. От “напора жизни” возникает между организмами борьба за площадь, за питание и в особенности “борьба за газ”, за нужный для дыхания свободный кислород.

Живое вещество биосферы представлено примерно десятком миллионов видов различных организмов. Особое положение занимают производители органического вещества - зеленые растения. Их около 300 тысяч видов. Общий вес сухого вещества зеленых растений оценивается в 2,42..1012 тонн. Это составляет 99 процентов всего живого вещества на Земле. Оставшийся процент приходится на гетеротрофные (животные) организмы.

Таким образом, основными компонентами биосферы являются: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество, обязанное своим происхождением живым организмам - горючие ископаемые, почва и др.; 3) биокосное вещество - вода, приземная часть атмосферы, осадочные породы, глинистые минералы; в создании биокосного вещества участвовали и организмы, и неживая природа.

Отличительные черты биосферы:

1) в биосфере имеется в значительных количествах жидкая вода;

2) на оболочку биосферы падает мощный поток энергии от солнца;

3) в биосфере имеются поверхности раздела между веществами, находящимися в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Все эти три особенности жизненно важны для существования биосферы.

Пределы распространения биосферы.

Живые организмы распространены в водоемах Земли или в гидросфере, в верхней твердой оболочке - литосфере и в атмосфере. Каждый организм имеет свои пределы жизни. Но в целом в биосфере можно выделить верхний и нижний пределы жизни. Верхний предел определяется наличием кислорода, необходимого растениям и животным организмам. Поэтому жизнь не может выйти за пределы стратосферы, за исключением человека, вылетающего в космос. Своеобразной крышей биосферы некоторые ученые считают озоновый экран. Он находится на высоте 20-30 км и защищает все живое от губительного ультрафиолетового излучения.

Из-за недостатка кислорода граница обитания человека составляет около 5 км, высших растений и наземных животных - 6 км. Еще выше, в горах жизнь представлена мелкими животными - клещами, пауками, которые питаются занесенной сюда ветром органической пыльцой. Эта зона жизни называется Эоловой по имени бога повелителя ветров, Эола, в древнегреческой мифологии. До 10 км потоками воздуха могут подниматься в атмосферу мельчайшие споры и организмы - это аэропланктон. Из птиц только кондор поднимается до 7 км. В горах на высоте 8 км наблюдались тли. В целом же лишь тонкий слой атмосферы, исчисляемый десятками метров, переполнен жизнью.

Нижняя граница жизни определяется температурными условиями Земли. Температурная граница не превышает 100 оС. В среднем можно считать, что глубже 3 км от земной поверхности живые существа в их современном виде существовать не могут по этой причине. В океане возможна жизнь (плавающих животных и бактерий) до глубины 7 км. Однако известен факт, что Жак Пикар и Дон Уолш, опустившиеся 23 января 1980 г. в батискафе в Мариинскую впадину Тихого океана, заметили рыбу и креветку на глубине 10525 метров.

В почвах граница жизни определяется глубиной, на которую проникает свободный кислород, - несколько глубже 10 м, на болотах - только 30 см.

Развитие биосферы. До появления жизни на Земле ориентировочно 5 млрд. лет назад атмосфера Земли, подобно атмосфере современного Юпитера, состояла из вулканических газов. В ней было много СО2 и мало кислорода, если он вообще был. Атмосфера содержала и другие газы - метан, аммиак, а также сероводород, азот, хлор, водород, гелий. Из-за отсутствия кислорода в атмосфере не было и озона, защищавшего все живое от губительного ультрафиолета, поэтому жизнь могла развиться только под защитой слоя воды. Как зародилась жизнь на Земле - пока неизвестно, есть много гипотез. Однако известно, что первыми организмами были примитивные анаэробы, извлекающие кислород для окисления пищи не из воздуха или воды, а из различных оксидов. Они питались органическими веществами, синтезированными химическим путем в верхних слоях воды и опускавшимися на дно, где обитали эти голодные организмы, не отважившиеся подняться в верхние слои из-за губительного ультрафиолета.

Скудность органической пищи создавала, вероятно, давление отбора, приведшее к возникновению фотосинтеза, когда под действием света из СО2 и воды образуется вещество и выделяется кислород:

СО2 + Н2О + энергия света = СН2О + О2

В образованном по реакции простейшем органическом веществе - формальдегиде - заключена потенциальная энергия солнца.

С этого момента и началась эволюция биосферы. Мельчайшие фотосинтезирующие зеленые водоросли - фитопланктон - увеличивали содержание кислорода в воде, он диффундировал в атмосферу. Это вызвало громадные изменения в химии Земли. Создалась окислительная атмосфера. Многие минералы окислились, выпали в осадок и образовали характерные геологические формации.

Слой кислорода в верхних слоях атмосферы становился все более мощным, создавая защиту для поверхности Земли от ультрафиолета, и жизнь смогла продвинуться к поверхности моря. В то же время развитие аэробного дыхания - процесса, обратного реакции фотосинтеза, - обеспечило более эффективное питание организмов и сделало возможным эволюцию сложных многоклеточных организмов в океане. Считается, что первые многоклеточные организмы в океане появились после того, как содержание кислорода в атмосфере составило примерно 3 %. Это было примерно 600 млн. лет назад. За относительно небольшой промежуток времени в океане произошел эволюционный взрыв новых форм жизни: губки, кораллы, черви, моллюски, водоросли и другие - предки семенных растений и позвоночных.

Продуцирование кислорода в океане превысило его потребности, и оказалось возможным заселение всей Земли за сравнительно короткий промежуток времени. Жизнь вышла на сушу - это произошло 400 млн. лет назад.

Быстрому развитию зеленой растительности на суше способствовало более эффективное воздушное дыхание. Это обеспечило выделение большого количества кислорода и движение питательных веществ, что в свою очередь способствовало эволюции крупных животных - динозавров, млекопитающих и, наконец человека.

В итоге живое вещество биосферы тончайшей пленкой покрывают сейчас нашу планету. Толщина этой пленки, если ее равномерно распределить по поверхности земного шара, составит не больше 2 сантиметров. Но огромна роль этой “пленочки” в формировании облика биосферы. Пример с кислородом показывает, что, когда растения одели планету в зеленый убор, кислород стал постепенно накапливаться в атмосфере. До современного содержания в атмосфере (21 %) накопление кислорода происходило примерно 200 млн. лет. Очень богатое наследие оставили нам поколения зеленых растений. Но в то же время изложенный путь развития биосферы показывает и абсолютную зависимость человека от природы как ее объекта. Потребление ее ресурсов не может и не должно происходить стихийно, без учета глобальных связей в биосфере. Игнорирование этих связей и ведет к экологическому кризису.

Ноосфера. Отделить человека от биосферы немыслимо. Преобразуя биосферу, человек сейчас представляет собой новую, совершенно исключительную силу в природе, новый по своему происхождению фактор. Человек внес в биосферу разум, труд, науку. Он повлиял, и все больше влияет на течение геологических процессов планеты, становится геологическим фактором. Человек перемещает русла рек, создает новые моря, в связи с чем изменяются климатические условия, исчезают некоторые виды животных, растений и взамен их поселяются другие виды. Миграция химических элементов приобретает невиданный размах и особую форму. Она возникает в связи с производственной деятельностью людей. Например, самородное железо является минералогической редкостью, а человек вырабатывает его в сотнях миллионов тонн, самородный алюминий на нашей планете не встречается совсем, но он производится в любых количествах. Следует вспомнить почти бесчисленные множества искусственных химических соединений, которые создает наша химическая промышленность.

Все это и другие результаты деятельности человека приводит Вернадского к понятию о ноосфере (от греческого “ноос” - разум). Ноосфера - новая фаза эволюции биосферы.

Термин “ноосфера” предложил французский ученый, математик и философ Ле Руа вместе со своим другом - также ученым, геологом и палеонтологом Тельяром де Шарденом в 1927 году, чтобы обозначить современную стадию, переживаемую биосферой. Но авторы понимали ноосферу только как ступень развития сознания, не учитывая всей мощи активной преобразующей силы деятельности человека.

Наступление ноосферы неизбежно, закономерно, и при этом на всей планете, но в разных частях ее оно неравномерно и не одновременно. Ноосфера может иметь место только при широком развитии использования природных ресурсов на благо государства, по существу, народных масс.

Любой человек должен хорошо осознать, что такое ноосфера и что он может сделать на своем месте для ее наступления, так как научно-технический прогресс, развитие науки и использование окружающей среды ведет, по словам Вернадского, к увеличению силы, находящейся в руках человека, увеличивает производительность каждого.

Человечество должно рассматривать свою деятельность на Земле в соответствии с естественными законами развития природы. Только в этом случае можно разработать прогнозы на будущее, притом на долгие сроки, с учетом последствий научно-технического прогресса как положительных, так и вредных, чтобы эти последствия максимально снизить.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ

2.1. Экологическая система

Экологическая система - одно из важнейших понятий экологии, сокращенно - экосистема. Экосистема - основная функциональная единица экологии. Это сообщество организмов растительных и животных и неорганической среды. Каждая из этих частей влияет на другую часть и обе необходимы для поддержания жизни в том виде, в каком она существует на Земле. Иными словами экосистема - уравновешенное сообщество живых организмов и окружающей неживой среды. В природе нет таких организмов, которые существовали бы в форме отдельных особей вне связи со средой и другими организмами.

Сообщество организмов называют биоценозом, а науку, изучающую сообщество организмов - биоценологией. Биогеоноз - это совокупность организмов и природных явлений, характерных для данной географической местности. Например, кенгуру живут в Австралии, тропические растения отсутствуют в Северном полушарии. То есть повсюду сложились определенные сообщества организмов, успешно сосуществующих в определенной местности. Эти сообщества и названы экосистемами.

Таких видовых сообществ (экосистем) может быть очень много. Они отличаются друг от друга составом организмов, структурой биогеоценоза, обилием органической массы, количеством неорганических факторов: влаги, диапазоном колебания температур и т. д.

Термин “экосистема” можно применить к сообществам организмов и их средам различных размеров. Например:

Микросистема - гниющий древесный пень.

Мезоэкосистема - средняя по размерам: лесная ассоциация, пруд.

М а к р о э к о с и с т е м а - океан, континент.

Гигантская экосистема - земной шар, где все экосистемы связаны в целом условиями существования на Земле, и в итоге последняя экосистема приводит к представлению о “биосфере”.

2.2. Компоненты экосистемы

Живые (биотические) организмы и их неживое (абиотическое) окружение нераздельно связаны друг с другом и находятся в постоянном взаимодействии. Бесчисленные же живые организмы, составляющие сообщество, соединены всевозможными видами связей, важнейшие из которых пищевые (трофические) и те, через которые осуществляется борьба между организмами за пространство и пищу (хорологические связи).

Пищевые связи, или цепи, начинаются с уровня создания продукции, за которым следует несколько уровней потребления. Эти уровни создания продукции и потребления можно классифицировать следующим образом.

Продуценты. С них начинаются пищевые цепи. Это зеленые растения, макро - и микроскопические. Они, единственные в биосфере, за счет уникального явления природы - фотосинтеза - создают органическое вещество, трансформируя световую энергию Солнца в потенциальную химическую, заключенную в созданных органических соединениях - углеводах, белках, жирах. Органические соединения созданы из минеральных веществ - воды, СО2, питательных химических элементов, поставляемых растениям окружающей средой. Продуценты - это автотрофный, т. е. самостоятельно питающийся компонент биосферы.

Консументы. Они представляют в биосфере уровни потребления органического вещества, созданного продуцентами. Это гетеротрофные организмы, т. е. организмы, питаемые другими организмами, они делятся на три группы.

Консументы первого порядка - существуют за счет продуцентов. К ним относятся прежде всего растительноядные животные.

Консументы второго порядка, питающиеся консументами первого порядка, т. е. плотоядные хищники, питающиеся растительноядными животными.

Консументы третьего порядка - также плотоядные хщики, питающиеся плотоядными же.

Особый уровень потребления представлен микроорганизмами сапротрофами (от греческого слова сапро - разлагать), осуществляющими разложение отмерших растительных и животных организмов. Это бактерии, грибы, различные животные. Роль организмов этого уровня потребления для биосферы огромна. Они, питаясь трупами, осуществляют постепенную минерализацию органической материи и ее возврат в неорганический мир. Легко представить, что было бы на Земле, если бы не было этих организмов. Высвобожденные минеральные вещества пригодны для повторного использования продуцентами.

Продуценты и консументы являются биотическим компонентом экосистем и составляют биомассу (живой вес) биосферы (или экосистем).

К абиотическим компонентам экосистем относятся неорганические вещества - углерод, азот, вода, атмосферная углекислота, минералы. Все они являются источником питательных элементов для растений и включаются в круговорот. К этой группе относятся и органические вещества, находящиеся преимущественно в почве: белки, углеводы, жиры, гуминовые вещества и др., попавшие в почву после отмирания организмов. Эти органические соединения являются связующими между живыми и неживыми частями экосистемы.

2.3. Экологические факторы

Чтобы жить и процветать в конкретных условиях, организм должен иметь все необходимые вещества и комплекс условий внешней среды. Эти вещества и внешние условия называют экологическими факторами. К ним относятся: 1) питательные элементы, 2) почва и ее состав, 3) температура, 4) излучение - свет, 5) вода, 6) совместное действие температуры и влажности, 7) атмосферные газы, 8) течение и давление в атмосфере и воде, 9) пожар.

Любой фактор, находящийся в недостатке, называется лимитирующим. В 1840 г. Либихом сформулирован принцип, названный затем законом минимума Либиха. Он установил, что урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в большом количестве например, углекислота, вода, а теми, которые требуются в малых количествах, но которых в почве мало, например, бора. Либих сформулировал принцип: веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость урожая во времени.

Закон минимума Либиха сформулирован лишь для химических питательных элементов. Однако для развития организмов важны и другие перечисленные факторы. Объединенная концепция, рассматривающая влияние всех факторов, представляет собой общий принцип или закон лимитирующих факторов. Например, содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере постоянно, и они, на первый взгляд, не могут быть лимитирующими факторами. Это так, но не для всех растений. Бобовые при уменьшении кислорода в атмосфере до 5 % вместо 21 % повышают эффективность фотосинтеза на 51 %. Следовательно, повышенное содержание кислорода для них есть лимитирующий фактор.

Ниже при изложении круговорота элементов будет показано, как фосфор оказывается лимитирующим фактором для биосферы в связи с особенностью его круговорота.

В глубоких слоях почвы содержание кислорода уменьшается. При этом замедляется разложение отмершего органического вещества, замедляется круговорот элементов. В этом случае кислород также является лимитирующим фактором.

Приведем еще пример менее известный и, может быть, несколько неожиданный, связанный с пожаром как лимитирующим фактором. Не всегда отсутствие пожара благоприятно для экосистемы. Болотная сосна на береговых равнинах юго-запада США лучше сопротивляется огню, чем все другие древесные виды. Ее верхушечная почка хорошо защищена пучком длинных, плохо горящих игл. Низовые пожары благоприятствуют этому виду. При полном отсутствии пожаров поросль лиственных деревьев быстро растет и заглушает болотную сосну. Важную роль пожары играют в степи. Огонь в сухих степях бывает необходим, чтобы сохранить степь от вторжения пустынных кустарников.

Использование огня специально обученными людьми - это часть правильного землепользования. Следует помнить, что, как частное лицо, каждый человек не имеет права намеренно или случайно вызывать пожар в природе. Неосторожность - причина “диких” пожаров, приводящих к гибели экосистем.

Аналогично можно рассмотреть примеры, когда остальные вышеперечисленные факторы могут выступать в качестве лимитирующих.

ГЛАВА 3. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ЭКОСИСТЕМАХ

Круговороты веществ, элементов в экосистемах называют еще биогеохимическими циклами - это круговые движения химических элементов между организмами и окружающей средой. Существование экосистем и в целом возможность жизни на Земле обусловлены круговоротом химических элементов, поэтому говорят, что жизнь есть движение, а круговорот веществ является одним из важнейших механизмов функционирования биосферы. Нарушение баланса в круговороте, обусловленное хозяйственной деятельностью человека, ведет к экологически кризисным ситуациям в экосистемах, регионах и в биосфере в целом, что и является предметом рассмотрения этой главы.

Сущность круговорота в следующем. Минеральные элементы проникают в ткани растений и животных в процессе их роста и там входят в состав органических веществ. После смерти организма эти вещества вновь попадают в окружающую среду. Здесь они претерпевают сложные превращения, и в итоге минерализуются, после чего попадают в новые организмы.

К главным циклам относятся круговороты элементов и веществ: С, Н2О, N2, P, S, O2, требующихся всем организмам в наибольших количествах. Кроме указанных главных циклов, в круговороте в биосфере в меньших количествах участвуют Na, Ca, Mg, Fe, Mn, Co, Cu, Zn, Cl. Некоторым организмам для специальных нужд требуются Аl, B, Br, I, Se, Cr, Mo, V, Si, Ba, Ni, у некоторых позвоночных организмов найден Сr, а Se у ряда растений, птиц и млекопитающих. Всего же в круговорот через живое вещество биосферы вовлекается около 60 элементов.

3.1. Круговорот углерода

Источников углерода в природе много. Однако только углекислота (СО2), находящаяся в газообразном состоянии в атмосфере или растворенная в воде, представляет собой источник углерода для переработки его в органическое вещество живых существ - первоначально по реакции фотосинтеза (см. выше), а затем за счет растений по цепям питания создается животный мир биосферы.

В процессе фотосинтеза углекислота превращается в сахара, белки, жиры и многие другие органические вещества. Возвращается углерод в биосферу в виде той же углекислоты за счет окисления органического вещества при дыхании растительных и животных организмов - обратная реакция фотосинтезу. При отмирании организмов они разлагаются и минерализуются в почве сапротрофами. В итоге этих процессов углерод также возвращается в круговорот в виде СО2 - почвенное дыхание. Такой же процесс имеет место и в море, а СО2 растворяется в воде.

Круговорот углерода, обусловленный живыми организмами, составляет только часть его общего круговорота, называемого быстрым круговоротом, и длительность его исчисляется временем жизни организма. Леса являются главным потребителем углекислоты на суше, одновременно и основным хранилищем биологически связанного углерода. В них содержится 2/3 атмосферного запаса. Таким образом, углерод лесов выходит из круговорота на 30 лет - средний срок жизни дерева.

На более длительное время исключается углерод из кругооборота - медленный круговорот - с горючими ископаемыми.

Это время исчисляется целыми геологическими периодами (миллионы лет). Возвращается этот углерод в круговорот в виде СО2 в результате только хозяйственной деятельности человека - сжигание топлива.

В море часть органического вещества, не успевая окисляться, опускается в глубины океана, где меньше кислорода для его разложения. За счет этого неразложенного органического вещества также образуются горючие полезные ископаемые (нефть, уголь), но основная масса углерода в океане отлагается в виде скелета фитопланктона (мельчайших водорослей). Эти отложения образовали мощные пласты карбоната кальция, с которым углерод также исключается из круговорота на целые геологические периоды времени, пока пласты СаСО3 не поднимутся над поверхностью моря. С этого момента начинается поступление углерода и кальция в круговорот вследствие выщелачивания карбоната осадками, воздействием первых поселенцев - лишайников, корней цветковых растений.

За счет наземных растений в круговороте участвует несколько десятых процентов всего огромного запаса углерода в биосфере. Общие же запасы углерода на земной поверхности и вблизи нее содержат 20.1015 т углерода и основное количество его, более 99 , сосредоточено в неорганических - СаСО3 и органических (топливо - уголь, нефть, газ) отложениях, накопившихся за сотни миллионов лет. Вовлечение их в круговорот идет весьма медленно, но эти медленные крупномасштабные процессы и ответственны за общую циркуляцию углерода. Схема круговорота углерода приведена на рис.1. Цифры у стрелок даны в млрд. т/год. Из схемы видно, что наземные растения суши ассимилируют 35 млрд. т; возвращается в атмосферу за счет дыхания растений 10 млрд. т и почвенного дыхания (разложение отмерших организмовмлрд. т. При этом, как видно, сохраняется баланс по ассимиляции и возвращении СО2 в атмосферу (по 35 млрд. т). Сжигание же топлива в результате хозяйственной деятельности человека приводит к выделению еще 5 млрд. т углерода в виде СО2 сверх баланса, имеющего место в природе. Это опасно, т. к. ведет к парниковому эффекту на Земле, см. разделы 3.2, 6.5.

3.2. Круговорот кислорода

Кислород появился в атмосфере благодаря растениям, в результате чего стала возможной эволюция биосферы высших растений и животных, которым для обмена веществ нужен кислород. В этом вся сущность круговорота кислорода. Растения создают кислород в процессе фотосинтеза и сами же потребляют его в процессе дыхания - реакция, обратная фотосинтезу:

6×СО2 + 6×Н2О « С6Н12О6 + О2

Круговороты углерода и кислорода связаны таким образом непосредственно.

Дыхание - это разложение в присутствии кислорода горючего (органического вещества), созданного первоначально в процессе фотосинтеза. Энергия, выделяющаяся в процессе такого разложения, идет на поддержание больших энергетических затрат многоклеточных организмов. Различают два типа дыхания: анаэробное и аэробное.

Анаэробное дыхание имеет место у низших организмов. Они в процессе дыхания не производят непосредственного окисления органического вещества кислородом, т. к. при прямом окислении выделяется много энергии, опасной для живого организма. Так, при прямом окислении глюкозы выделяется 2881 кДж/моль энергии. Поэтому многие низшие организмы “научились” проводить окисление в анаэробных условиях (без кислорода) под действием ферментов, которые отнимают от пищи водород, не добавляя к ней кислорода. У метановых бактерий, например, продуктом дыхания является метан. Отнятие водорода эквивалентно увеличению в молекуле кислорода, что и характерно для процесса окисления. Ферменты передают отнятый водород специализированным молекулам, которые восстанавливаются. При таком процессе выделяется меньше энергии (процесс брожения). Для глюкозы выделяющаяся энергия при брожении составляет 209,3 кДж/моль. Эта энергия не опасна для таких организмов, но достаточна для поддержания их существования. Так, при сбраживании глюкозы дрожжами за счет процессов окисления-восстановления часть молекул глюкозы окисляется до СО2, а другая часть их восстанавливается до этилового спирта.

Аэробное дыхание. Энергетические потребности высших форм жизни (животные, растения) могут быть удовлетворены только за счет прямого окислительного процесса органического вещества:

СН2О + О2 ® СО2 + Н2О + энергия

Исследования показали, что при разложении органических молекул кислород из них переходит в диоксид углерода, а молекулярный кислород действует как акцептор атомов водорода, водород и кислород, соединяясь, образует воду. В целом механизм процесса достаточно сложен, но итог его в том, что выделяется достаточное количество энергии с образованием конечных продуктов полного окисления СО2 и Н2О.

Таким образом, дыхание высших организмов дает им энергию, при этом расходуется кислород и выделяется в атмосферу СО2 и Н2О.

Установившийся режим деятельности растений в потреблении и выделении кислорода обеспечивает круговорот кислорода и поддерживает известную нам концентрацию кислорода в атмосфере - 21 %. При этом выделившийся при фотосинтезе кислород проходит в итоге через живое вещество биосферы примерно за 2000 лет - это скорость круговорота кислорода в нашу эпоху в атмосфере.

Небольшая часть кислорода постепенно уходит из среды обращения, создавая осадочные породы (карбонаты, сульфаты), расходуется на окисление и другие процессы. Количество кислорода в осадочных породах больше, чем углерода. Но указанные процессы идут весьма медленно и не отражаются в целом на главном круговороте кислорода в атмосфере.

Самый новый фактор, влияющий на круговорот кислорода в биосфере и кислородный бюджет Земли, появился в лице человека. Сжигание топлива снижает содержание кислорода и увеличивает СО2 в атмосфере. Подсчитано, что за последние 100 лет уничтожено 240 млрд. т кислорода и выброшено взамен 360 млрд. т углекислоты.

Сейчас для производства тепла потребляется кислорода в 16 раз больше, чем 100 лет назад. Приводятся сведения, что четвертая часть кислорода, ежегодно вырабатываемого растительностью Земли, потребляется сегодня промышленностью и энергетикой. Ежегодно на сжигание топлива расходуется 10 млрд. т кислорода и ежегодный прирост сжигания топлива составляет 5 %. Ожидается, что при таких темпах расхода кислорода через 165 лет его содержание может стать критическим в атмосфере, а СО2 увеличится вдвое. Последнее приведет к увеличению средней температуры на Земле на 3,6 о С из-за парникового эффекта с катастрофическими последствиями изменения климата, таяния ледников и др. (см. раздел 6.5).

Кроме того, человек начал обширный, хотя и непланируемый эксперимент по воздействию нефти и всевозможных пестицидов на фитопланктон океана, также являющийся поставщиком кислорода. Молекулярный слой нефти на поверхности океана повышает отражательную способность Земли. Это может снизить температуру и замедлить рост растений, поставка кислорода уменьшится. Возможны и другие последствия загрязнения океана нефтью. Та же пленка нефти уменьшает испарение воды с поверхности океана, уменьшается вследствие этого количество осадков и замедляется рост растений, а с этим и образование кислорода. Модели здесь сложные и невозможно предсказать, к чему все это может привести.

Важно понять, что наша окружающая среда - это сложное и неделимое целое. Если мы хотим обеспечить длительное существование биосферы и круговорот в ней кислорода, то ни одно новое действие не должно предприниматься без обдумывания того, каковы могут быть последствия для экосистемы, как избежать возможных вредных последствий или сделать их благоприятными. Необходимо также много знать, но знаний-то нам и не хватает. Значит наша задача - продолжить исследования всех аспектов единой, глобальной экосистемы, в частности: ранее существовавшие, нынешние и будущие взаимодействия в ней, как явные, так и скрытые.

3.3. Круговорот азота

Воздух содержит 79 % азота, являясь его огромным вместилищем. Он беспрерывно и в разных формах питает круговорот азота. Хотя люди и наземные животные живут на дне воздушного океана, содержащего 79 % азота, однако все мы зависим от имеющихся ресурсов связанного азота. Связанный азот (фиксированный) - это азот, включенный в такое химическое соединение, из которого он усваивается растениями и может быть использован животными: нитраты, аммонийный азот, амидный, входящий в состав амидной группы карбамида (мочевины) СО(NН2)2 . Большинство организмов неспособно прямо использовать атмосферный азот.

Связанный азот поступает в экосистему следующими путями: 1) в виде оксидов азота, синтезированных в атмосфере грозовыми разрядами. Эти оксиды поступают в почву в форме нитратов с дождевыми водами до 10 кг/га в год: 2) наибольшее количество поступает с микроорганизмами - фиксаторами азота (25 кг/га в год), а с бобовыми - до 40 кг/га в год; 3) в водной среде и на влажных землях фиксацию азота осуществляют некоторые водоросли, играющие большую роль в продуктивности рисовых полей; 4) искусственно синтезируемый человеком: аммиак, аммиачная селитра, карбамид, сульфат и фосфаты аммония и другие соли, используемые как удобрения.

3.3.1. Круговорот связанных форм азота

Азот из этих разнообразных источников поступает к корням в форме нитратов, транспортируется в листья, где используется для синтеза протеинов - простых белков, являющихся составной частью всех клеток растительных и животных организмов. Растительные протеины служат основой азотного питания животных.

Протеины при отмирании организмов служат питанием целой цепи почвенных организмов, которые разлагают органическое вещество и переводят азот из органических соединений в минеральные. Обычно цикл заканчивается образованием аммиака. Этот аммиак нитрифицируется бактериями и цикл питания азотом повторяется: в листья - в почву - в неорганику.

Реакция нитрификации NH3+11/2О2 ® HNO2+H2O+273 кДж/моль осуществляется одним из видов микроорганизмов - Nitrosomonаs. Интересно, что выделяющейся энергии вполне достаточно для приличного существования этих бактерий. Эти организмы не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, созданную хлорофиллосодержащими растениями, а получают ее из неорганических соединений. Другие микроорганизмы идут дальше, окисляя до , получая энергию 71 кДж/моль, немного, но достаточно, чтобы поддержать существование. Таким образом организмы обходятся без энергии солнца - это редкий случай в природе.

Аммиак, образовавшийся в почве, может поглощаться корнями растений и без нитрификации. Азот при этом включается в аминокислоты и становится частью белка. Если растения поедаются животными, то азот аминокислот включается в другие белки - животные. Белок в любом случае возвращается в почву, где распадается на составляющие его аминокислоты. Последние окисляются бактериями также до СО2, Н2О, NH3 и цикл по азоту повторяется. Так циркулирует связанный азот в биосфере.