Техногенные факторы, влияющие на круговорот азота, фосфора, углерода в природе и последствия этого влияния

    Введение. 

    По  мере развития человеческого общества в направлении интенсификации научно-технического прогресса повышается скорость происходящих антропогенных изменений в природе. Поскольку практически все области  деятельности человека носят все  более индустриальный характер (добывающая и обрабатывающая отрасли, с.-х. технологии, коммунальное хозяйство и т. п.), синонимом антропогенного фактора по сути становится фактор техногенный. С этой позиции сегодня можно констатировать всепроникающее влияние техногенных потоков на локальные природные геобиосистемы и на всю экосистему Земли. Причем, техногенные трансформации, которые непрерывно претерпевают естественные экосистемы, или природно-технические геобиосистемы, как правило, связаны с развитием деградационных процессов.Таким образом в основе техногенного воздействия на окружающую среду лежат монотонные и скачкообразные количественные превращения, закономерно приводящие к качественно новым ее состояниям, преимущественно более низкого уровня.

    Техносферное  развитие современной цивилизации имеет объективную обусловленность, связанную с необходимостью материального производства и потребления. Вовлечение в хозяйственный оборот любых природных ресурсов неизбежно приводит к загрязнению в той или иной степени окружающей среды отходами производства, к непосредственному многофункциональному воздействию на все объекты биосферы планеты, а также к нарушениям круговорота веществ.

    Различают два вида круговоротов веществ: большой (между сушей и океаном), и малый (в пределах экосистем).Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками.Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества. Малые круговороты чаще нарушаются в результате несоответствия между массой веществ, поставляемых в среду, и потенциалами организмов по их разложению.Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. В такие циклы вовлечены практически все химические элементы и прежде всего те, которые участвуют в построении живой клетки. Так, тело человека состоит из кислорода (62,8%), углерода (19,37%), водорода (9,31%), азота (5,14%), кальция (1,38%), фосфора (0,64%) и ещё примерно из 30 элементов.

    Процессы  фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтезирующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес). 
Громадные количества воды проходят через растения и водоросли в процессе обеспечения транспортной функции и испарения. Это приводит к тому, что вода поверхностного слоя океана фильтруется планктоном за 40 дней, а вся остальная вода океана приблизительно за год. Весь углекислый газ атмосферы обновляется за несколько сотен лет, а кислород за несколько тысяч лет. Ежегодно фотосинтезом в круговорот включается 6 млрд т азота, 210 млрд т фосфора и большое количество других элементов (калий, натрий, кальций, магний, сера, железо и др.). существование этих круговоротов придаёт экосистеме определённую устойчивость.

    Круговорот  углерода. 
 
 
 

    Самый интенсивный биогеохимический цикл – круговорот углерода. В природе  углерод существует в двух основных формах – карбонатах (известняках) и в углекислом газе . Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа. Углерод участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.Основное звено активного круговорота углерода – взаимосвязь процессов фотосинтеза и аэробного дыхания

    Растительные  организмы в процессе фотосинтеза  извлекают из атмосферы до 300 млрд. т углекислого газа (или 100 млрд. т  углерода) ежегодно. Содержащийся в  атмосфере углерод вводится в  органическое вещество растений, а далее – в цепи питания.Растения частично поедаются животными, частично отмирают. Другое звено активного цикла круговорота углерода представляет собой анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в метан и другие вещества (например, в болотных экосистемах, на свалках отходов). Органическое вещество в результате процессов брожения и гниения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа. Из которых в дальнейшем образуются угли, нефть, горючий газ. В активном круговороте углерода участвует очень небольшая его часть, значительное количество законсервировано в виде горючих ископаемых, известняков и других горных пород.Основная масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом цикле круговорота.Нарушение циклов углерода связано с высвобождением его из геологических структур и в результате изменения площадей и производительности растительных сообществ и т. п. Часть углерода накапливается в атмосфере в форме углекислого газа и метана, создавая парниковый эффект.

    За  период с 1750 г. По настоящее время  концентрация СО2 в атмосфере возросла примерно на 1/3 ,достигнув самого высокого уровня за последние 420 тыс. Лет., о чем свидетельствуют данные ледяных кернов.

    Примерно  на 2/3 рост концентрации СО2 за последние 20 лет обусловлен выбросами в атмосферу за счет сжигания ископаемых топлив(остальное приходится на долю последствий от сведения лесов и в меньшей степени цементной промышленности).В процессе сжигания топлива в топках электростанций и двигателях внутреннего сгорания в атмосферу выбрасывается огромное колличество СО2 -в пересчете на углерод 6 гигатонн в год, что составляет вполне значимую величину по сравнению с естественным кругооборотом углерода(160 Гт/год),обусловленным массообменом атмосферы с океаном и биосферой.

    За  последние 200 лет концентрация СО2 выросла на 30% по сравнению с доиндустриальным уровнем. В соответствии с многочисленными прогнозами если не принимать никаких мер, то к середине 21 века вследствии дальнейшего развития энергетики, транспорта и промышленности произойдет удвоение концентрации углекислого газа в атмосфере по сравнению с 1800 годом.

    Еще одним компонентом углеродного цикла является метан, содержание которого в атмосфере оценивается в 1,8ppm(parts per million, частей на миллион). Основные места образования метана-это сильноувлажненные территории, залежи углеводородов, включая газогидраты.

    Ранее считалось, что поток метана из недр Земли невелик, и его практически  не учитывали. Однако некоторые современные  оценки поступления метана от дегазации  недр, основанные на анализе содержания различных изотопов углерода, входящего  в состав метана, дают уже весьма значимые цифры около 0,2 Гт/год, и даже более.

    Поток метана в атмосферу может значительно  увеличиться при разрушении метангидратов, обнаруженных в последние десятилентия в вечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана. Метангидраты-это  фактически тот же лед, в котором в каркасах молекул воды за счет действия ван-дер-ваальсовых сил присутствуют еще и молекулы метана (химическое взаимодействие отсутствует).Значительная часть метангидратов находится в метастабильном состоянии и подвергается опасности разложения при небольшом повышении температуры (порядка одного-двух градусов).

    Кроме того метан высачивается на дне океана через трещины в земной коре, выделяется в немалом колличестве при  горных разработках, сжигании лесов.

    Судя  по анализу пузырьков воздуха, запечатанных во льдах Антарктиды, содержание метана за последние 400 тыс. лет. демонстрировало колебания, практически совпадающие с колебаниями содержания углекислого газа(СО2 ) и изменениями температуры, хотя механизмы образования этих газов, так же как механизмы изъятия их из атмосферы, совершенно разные. Рост концентрации метана в атмосфере вызывает немалое беспокойство. За последние два столетия она возросла в 2 раза, в то время как углекислого газа – только на четверть.В 1970-80-е годы рост метана был особенно заметен, но в последнее десятилетие 20 века он, по непонятным причинам, резко замедлился. Основная причина межгодовых различий в поступлении метана- это состояние болот. Похолодание ведет к ослаблению эмиссии метана, но и сильная жара также не способствует его накоплению, так как многие болота просто высыхают.Подводя итоги, можно высказать предположение, что в нынешнем глобальном потеплении «повинен» в основном метан, как уже отмечалось, интенсивно поступающий в атмосферу из разных источников. Проверить это непосредственными наблюдениями непросто, ибо скорость его перемещения в атмосфере высока, а срок жизни мал. Но неуклонный рост содержания в атмосфере метана, фиксируемый в последние десятилетия, заставляет усомниться в том, что потепление вызвано лишь антропогенными факторами. 

    Круговорот  азота. 
 
 
 

    Один  из самых сложных, но одновременно самых  идеальных круговоротов- круговорот азота. Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных  путей, по которым азот циркулирует  в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH3) или ионов аммония (NH4+). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO3–). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

    Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится  азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

    Приведем  несколько цифр. В атмосфере азота  содержится примерно 4 квадрильона (4·1015) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·1012) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

    Главный поставщик связанного азота в  природе — бактерии: благодаря  им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

    Некоторое количество азота переводится в  связанное состояние во время  грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

    Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.