Вплив антропогенного фактора на колообіг

В порівнянні з тривалістю існування біосфери людина існує надзвичайно короткий час. Проте, за цей короткий проміжок часу колообіг речовин в біосфері змінився радикально. В. І. Вернадський підрахував, що в античні часи люди використовували лише 18 хімічних елементів, у XVIII ст. - 29, у XIХ ст. - 62, а тепер використовуються 89 елементів, що є в земній корі, крім того одержані такі, яких у природі зовсім немає (плутоній, технецій тощо)

Людина небувало прискорила колообіг деяких речовин - родовища заліза, цинку, свинцю інших елементів, які природа накопичувала мільйони років, швидко вичерпуються. Людина швидкими темпами використовує сонячну енергію "минулих біосфер", накопичену в вугіллі, нафті, природному газі, вона вивільняє енергію, що міститься в урані. Все це збільшує неврівноваженість біосфери. Створюючи водосховища, дістаючи воду з глибинних водоносних горизонтів, людина втручається в колообіг води в природі.

Людям слід чітко уявити, що вони намагаються побудувати для себе та своїх нащадків, бо нічого з того, що робиться з природою, виправити неможливо.

З екологічної точки зору найважливішими є колообіги речовин, які є основними компонентами живої речовини:

Ø Колообіг кисню

Життєдіяльність живих організмів, як відомо, підтримується сучасним співвідношенням в атмосфері кисню і вуглекислого газу. Природні процеси споживання кисню і вуглекислого газу і їх надходження в атмосферу збалансовані. Антропогенна дія робить помітний вплив на круговорот кисню в біосфері. З розвитком промисловості і транспорту кисень використовується на процеси горіння. Наприклад, на спалювання різних видів палива потрібне від 10 до 25% кисню, вироблюваного зеленими рослинами. Зменшується надходження кисню в атмосферу через скорочення площ лісів, степів і збільшення пустель. Скорочується число продуцентів кисню і у водних екосистемах. Головна причина — забруднення океанів і морів, річок і озер. Учені вважають, що в найближчі 150—180 років кількість кисню в атмосфері може скоротитися на 1/3 в порівнянні з його змістом в кінці XX в. Особливу тривогу останніми роками викликає часто спостережуване руйнування озонового шару.

Ø Колообіг води

Вплив господарської діяльності людини на колообіг води, або природний гідрологічний цикл, може бути цілеспрямованим, в інших — випадковим, непередбаченим

Так, кількість опадів в промислових регіонах, як правило, збільшується. Причиною цього служить велика кількість найдрібніших частинок мінеральних речовин, прискорюючих конденсацію водяної пари. Інший приклад — посилення стоку води в результаті знищення рослинного покриву. Як відомо, рослинний покрив (дерева, трави і ін.) уловлюють і утримують воду, що просочується в грунт (згадати водну і вітряну ерозію). Знищення рослинності усилює стік води і може привести до повені (н, у Карпатах). Нерідко людина штучно перешкоджає стоку річкових і озерних вод, наприклад в океани. В таких випадках відбувається забруднення води хімічними і біологічними відходами.

Ø Колообіг карбону

Природні сполуки, до складу яких входить Карбон, постійно зазнають змін, внаслідок яких здійснюється кругообіг Карбону.

Важлива роль у кругообігу Карбону належить оксиду карбону(IV), що входить до складу атмосфери Землі. Цей газ надходить в атмосферу внаслідок багатьох процесів-виверження вулканів, горіння палива, розкладання вапняку, дихання людини, тварин і рослин. З повітря СО₂ у значних кількостях поглинається наземними рослинами та фітопланктоном Світового океану. Процес поглинання СО₂ відбувається тільки на світлі — фотосинтез, внаслідок якого утворюються органічні сполуки, що містять Карбон. Внаслідок фотосинтезу в атмосферу виділяється кисень.

Із рослин, які поїдаються тваринами, Карбон переходить у тваринні організми. Тварини виділяють Карбон у вигляді вуглекислого газу під час дихання. Рослини і тварини з часом відмирають, починають гнисти, окиснюватись і частково перетворюватись на СО₂, що повертається у повітря й знову поглинається рослинами. А частково рослинні та тваринні рештки у ґрунті перетворюються на горючі копалини — кам'яне вугілля, нафту, природний газ. Горючі копалини використовують як паливо, внаслідок згоряння якого СО₂ знову повертається в атмосферу.

Вуглекислий газ із атмосфери поглинається також водою Світового океану й реагує з гірськими породами під час їх руйнування. Відтак утворюються вапняки, доломіти та інші карбонати. Така різноманітність процесів забезпечує постійний кругообіг Карбону в природі.

Проте через різке збільшення спалювання різних видів палива вміст вуглекислого газу в атмосфері дедалі збільшується, а вміст кисню зменшується. Порушення рівноваги між вмістом кисню й вуглекислого газу в атмосфері може призвести до так званого «парникового ефекту» (шар СО₂ відіграє таку саму роль, як скло в теплиці). Це доволі загрозливе явище. Річ у тім, що вуглекислий газ вільно пропускає на Землю випромінювання Сонця, але сильно затримує теплове випромінювання Землі. Порушується нормальна тепловіддача Землі у космічний простір, а це спричинює потепління клімату.

Потепління клімату Землі може викликати танення льодовиків і призвести до підвищення рівня Світового океану. В результаті позатоплюються всі низько розташовані частини материків — низини, що межують з океаном і густозаселені. Почнеться танення вічної мерзлоти, що спричинить заболочування великих територій, випадання рясних дощів, а це позначиться на сільському господарстві тощо.

Відомо, що головним регулятором співвідношення вуглекислого газу і кисню в атмосфері Землі є фотосинтез. Ще 50 років тому це співвідношення було оптимальним: об'ємна частка кисню в атмосфері становила 21 %, вуглекислого газу — 0,03 %. Нині нормальне співвідношення порушується. Господарська діяльність людини, з одного боку, призводить до посилення викидів СО₂ в атмосферу, а з другого — до знищення «природних лабораторій», в яких здійснюється фотосинтез, тобто поглинається вуглекислий газ (вирубування лісів, масова загибель фітопланктону тощо). Отже, нині проблема охорони навколишнього середовища, у тому числі й повітря, дуже гостра, без її розв'язання людство не зможе вижити.

Ø Колообіг нітрогену

Хімічні елементи, як і вся природа, перебувають у постійному русі. Процеси відбуваються в усіх трьох оболонках Землі — літосфері, гідросфері, атмосфері. Значну роль у процесах, що відбуваються у природі, обирає біосфера — зона існування живих організмів. Так, вам відомо, що Нітроген входить до складу білків і, отже, зумовлює існування рослин, тварин, взагалі життя на 3eмлі.

У природі Нітроген зустрічається як у вільному стані, так і у зв'язаному. У вільному стані Нітроген у вигляді азоту входить до складу повітря (об'ємна частка N2 становить 78 %, масова — 75,6 %). Оскільки азот з повітря витрачається мало, його запаси в атмосфері залишаються сталими. У вигляді неорганічних сполук Нітроген у невеликих кількостях є в ґрунті. Проте у вигляді складних органічних сполук — білків — він увіходить до складу всіх живих організмів, беручи участь у їх життєдіяльності.

З Нітрогену складається азот N2, його багато в повітрі. Проте безпосередньо з повітря Нітроген у вигляді азоту засвоюють лише деякі бактерії, а всі інші організми здатні засвоювати Нітроген тільки у складі сполук.

Рослини засвоюють Нітроген неорганічних сполук, які у ґрунті, у вигляді йонів NH4 і NO3. У рослинах здійснюється синтез білків. Рослини частково поїдаються травоїдними тваринами, і білкові речовини потрапляють до організму тварин. Під час гниття залишків рослин і тварин під впливом спеціальних бактерій відбуваються складні біохімічні процеси, внаслідок яких органічні сполуки, що містять Нітроген, перетворюються на неорганічні сполуки Нітрогену, які повертаються в ґрунт. Ці сполуки знову засвоюються рослинами, і цикл перетворень замикається. Прянишников Дмитро Миколайович (1865—1948) видатний російський учений, академік, спеціаліст у галузі агрохімії, фізіології рослин і рослинництва. Розробив теорію нітратного живлення рослин (1916), наукові основи вапнування кислих грунтів, гіпсування солонців, застосування мінеральних добрив у землеробстві. Встановив, що нітратний нітроген (NО3-) тільки після відновлення до аміаку може бути використаний рослиною для синтетичного процесу. Розробив проблему використання фосфоритів безпосередньо на добриво і довів можливість переробки їх на суперфосфат, склав фізіологічну характеристику вітчизняних калійних добрив. Розробляв проблему розміщення добрив у сівозмінах, питання норм, строків і техніки внесення добрив у грунт, виробництва складних мінеральних добрив.

Крім того, під час грози атмосферний азот сполучається з киснем, утворюючи NО, що окиснюється киснем повітря до NО2 і зрештою перетворюється на нітратну кислоту (кислі дощі), яка потрапляє в ґрунт і там унаслідок взаємодії з мінералами переходить у нітрати.

Зв'язування атмосферного азоту в основному здійснюється в біосфері за рахунок життєдіяльності бульбочкових бактерій, що живуть на корінні деяких бобових рослин (конюшина, люцерна, люпин та ін.).

Існують у природі й зворотні процеси: одночасно відбувається розкладання нітрогеновмісних речовин і виділення вільного азоту в атмосферу (також робота спеціальних бактерій). Перетворення Нітрогену органічних сполук на вільний азот відбувається і під час лісових пожеж.

Отже, в природі постійно відбуваються процеси утворення сполук з атмосферного азоту і розкладання цих сполук до вільного азоту, тобто відбувається кругообіг Нітрогену.

Збираючи врожай, людина втручається у цей процес, Порушуючи природну рівновагу, збіднюючи ґрунт Нітрогеном. Тому й треба постійно вносити Нітроген у ґрунт у вигляді азотних добрив.

Ви вже знаєте, що вивченням питань живлення рослин і підвищенням їхньої урожайності за допомогою застосування добрив займається агрохімія. Великий внесок у розвиток цієї науки зробили французький учений Ж. Б. Буссенго німецький хімік Ю. Лібіх і російський учений Д. М. Прянишников.

Ø Колообіг сульфуру

Як відомо, близько 50% сірки потрапляє в атмосферу за рахунок її біологічних перетворень у ґрунті і воді, в яких провідну роль відіграють мікроорганізми. Причому кожний їх вид виконує певну реакцію – окислення або відновлення. Вважають, що внаслідок цих мікробіологічних процесів сірка вивітрюється у вигляді сірководню.

Для кругообігу сірки характерним є те, що в надходженні сірчаних сполук до атмосфери природні екосистеми відіграють більш важливу роль, ніж антропогенна діяльність. Для колообігу атмосферної сірки характерним є окислення сірководню до двоокису сірки, а останнього – до сульфатів. Двоокис сірки може бути окисленим у реакції з ОН і Н₂О. В реакції з ОН утворюється H₂SО₃. Сульфати надходять безпосередньо в атмосферу і разом з частинками морської солі в краплях морської води. У північній півкулі антропогенна сірка переважає природні потоки. В даний час надходження субмікронних частинок сірки в тропосферу північної півкулі становить 0,17·1012 г із природних джерел і 0,23·1012 г внаслідок антропогенної діяльності.

Загальна кількість сірки, залучена в її біогеохімічний цикл, оцінюється наступними цифрами (в рік): з океану в атмосферу поступає 82 млн т, а осідає 96 млн т. З суші в атмосферу поступає 130 млн тонн і повертається 116 млн т. Антропогенні джерела дають 46% надходження сірки з суші в атмосферу, і практично всі її з'єднання, що поступили туди техногенним шляхом у вигляді оксидів і інших з'єднань, повертаються на поверхню землі і надають згубну дію на екосистеми. Одне з основних антропогенних джерел з'єднань сірки, що поступають в біосферу, — це сіра витягнутих з надр нафти і вугілля або сіра, накопичена живою речовиною минулої біосфери протягом величезного часу, що повертається в сучасну біосферу «залпом». За прогнозами, глобальні викиди техногенних оксидів сірки в порівнянні з початком 70-х рр. XX в. до 2000г. можуть збільшитися в 2—3,5 рази. Таке перенасичення сприятиме значній зміні природного колообігу сірки в природі.

Велика частина двоокису сірки протягом декількох днів після викиду в атмосферу перетворюється на сульфати і сірчану кислоту. За цей час вітри можуть віднести ці забруднення на сотні кілометрів від місця їх викиду, викликати кислотні дощі і, як результат, руйнування матеріалів, пошкодження рослин, захворюваність і навіть смерть тварин. Вважають, що високий зміст оксидів сірки в повітрі безпосередньо впливає на збільшення захворюваності людей і навіть на зростання смертності.

Ø Колообіг фосфору

Фосфор належить до головних органогенних елементів, який живі організми вживають у достатньо великій кількості (приблизно 0.1 необхідної кількості азоту). Він входить до складу нуклеїнових кислот, складних білків, клітинних мембран, кісткової тканини і дентину, є основою біоенергетичних процесів.

У наземних біогеоценозах відбувається активний кругообіг фосфору в системі ґрунт > рослина > тварина > ґрунт. Рослини асимілюють фосфор у вигляді фосфат-іона (РО43-) безпосередньо із ґрунту і води. Утворені лишки органічного фосфору, одержаного з їжею, виносяться з організму із сечовиною у вигляді фосфатів. Одночасно деякі групи бактерій перетворюють наявний у детриті фосфор у фосфат. Як бачимо, в кругообігу фосфору в біогеоценозі беруть участь лише ґрунт і вода. У зв'язку з тим що мінеральні сполуки фосфору не розчиняються швидко, а тому майже недоступні рослинам, останні використовують легкодоступні форми фосфору, які утворюються із органічних решток рослин і тварин. Проблема полягає в тому, що в грунт вноситься недостатньо органічних добрив (приорювання рослинних решток замість їхнього спалювання, внесення перегною, компосту та ін.). На доступність фосфору для рослин впливає чимало факторів середовища. Наприклад, у лужному середовищі фосфат-іони легко з'єднуються з натрієм або кальцієм, утворюючи нерозчинні сполуки. У кислому ж середовищі фосфат перетворюється в добре розчинну фосфорну кислоту.

У сільськогосподарській практиці надто кислі ґрунти нейтралізують додаючи вапно (СаСО₃), щоб підвищити доступність фосфору для рослин. У процесі розкладання трупів тварин, які при житті асимілювали рослинний фосфор бактеріями, фосфати повертаються в ґрунт і знову використовуються рослинами.

Біогеохімічний цикл фосфору має найбільш простий характер. Основний запас фосфору зосереджений на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивітрюванні утворюються фосфати, які використовуються рослинами для побудови органічних речовин свого тіла. Після відмирання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми-редуценти. Втрати фосфору з біогеохімічного циклу пов'язані в основному з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано. Втрати фосфору роблять його круговорот менш замкнутим. Ці порушення пов'язані з наступними антропогенними чинниками.

1. Витягання фосфору з руд і шлаків, виробництво і застосування добрив для сільського господарства. 2. Виробництво препаратів, що містять фосфор і що використовуються в індустрії і побуті. 3. Виробництво великої кількості фосфорсодержащих продуктів і кормів, вивіз і споживання їх в зонах концентрації населення. 4. Здобич морепродуктів і споживання їх на суші, яке включає за собою перерозподіл біогенних фосфатів з океану на сушу.

Заміна природних біоценозів агроценозами супроводжується втратою значних запасів фосфору, оскільки його вміст у фітомасі лісів і лугових степів досягає нерідко десятків кілограмів на гектар, а в лісових підстилках — ще більше. Втрати фосфору при водній ерозії грунтів також вельми значні. Грунти, що еродують, втрачають фосфору до 9-22 кг з гектара в рік.

Основна кількість фосфатів витягується з гірських порід, решта частини — з гуано. Подальше використовування цього фосфору таке: з 10 частин фосфору, витраченого на корм худобі, людині з продуктами харчування потрапляє одна частина, три частини поглинаються грунтом і залишаються там, а шість частин, або 60%, поступають в екскрети і, якщо не використовуються як добрива, що нерідко і відбувається на практиці, то змиваються у водоймища і викликають їх евтрофізацію (цвітіння водойм). Що потрапив в річки фосфор тільки частково поступає в океан. Частина його утримується у водосховищах, знову ж таки стимулюючи їх евтрофізацію. Таким чином, спостерігається перекачування фосфору з гірських порід (апатити, фосфорити) в клітини синьо-зелених водоростей, що нагромаджуються в евтрофіцированних водоймищах.

На жаль, діяльність людини веде до посиленої втрати фосфору, що робить його кругообіг менш замкнутим. Хоча людина виловлює багато морської риби, вважають, що в рік цим способом на сушу повертається 60000 т елементарного фосфору. Видобувається ж на добрива щорічно 1-2 млн.т. фосфоровмісних порід; більша частина цього фосфору змивається і вимикається з колообігу.

Екологи приділяють велику увагу круговороту фосфору, вважаючи, що його важливість сильно зросте в майбутньому, так як з усіх макроелементів, тобто елементів, необхідних для всього живого у великих кількостях, фосфор - один з найрідкісніших в сенсі його відносного великої кількості в доступних резервуарах на поверхні Землі.

Особливістю природних екосистем є повторне використання біогенних речовин. Хоча в біогеохімічних циклах деякі з таких елементів і губляться, надходячи в депо, і робляться недоступними для рослин, у природних екосистемах масштаб цих процесів незначний. Антропогенне природокористування вносить у біогеохімічні цикли чимало перешкод. Та к, поширеність процесів спалювання палива, в т.ч. і для потреб сільськогосподарського виробництва, призводить до надходження в атмосферу близько 20 млрд тонн вуглекислого газу та 700 млн тонн інших газів і твердих часток. Самі вирубки лісу призводили тільки на території СРСР до винесення з екосистем лісу до 1,2—5 тис. тонн фосфору, 6—20 тис. тонн азоту та 1,2—6 тис. тонн кремнію. Перенесені в урбанізовані райони або в аґроекосистеми, ці речовини виявляються або зовсім, або тимчасово виключеними з природного їх кругообігу. Ці процеси, по суті, ведуть до появи нового техногенного типу кругообігу хімічних елементів.

Отже, є всі підстави вважати теперішній стан біосфери порушеним і неномальным. Такий стан може перейти в кризовий, якщо людство не проведе спеціальні заходи по оздоровленню навколишнього середовища. В нинішній час вся територія нашої планети підвержена різним антропогенним впливам. Серйозний характер набули наслідки руйнування біоценозів і забруднення середовища. Вся біосфера знаходиться під все більш зростаючим тиском діяльності людини.