Антропогенное воздействие на круговороты веществ

Человеческая деятельность определяет существенную долю биогеохимической динамики вещества на планете. Об этом свидетельствует сравнение антропогенных материальных потоков с параметрами биогенного круговорота.

Например, антропогенный обмен газов в атмосфере составляет до 18 % всего биотического газообмена. Общее потребление пресной воды на планете достигло 2 % объема влаги, вводимой в биосферный круговорот транспирацией всех растений суши.

Антропогенные воздействия оказывают влияние на круговороты Н₂О, С, О₂, S, N₂, и других химических элементов.

Рассмотрим, в чем проявляется влияние хозяйственной деятельности на круговорот веществ.

Н₂О.Влияние хозяйственной деятельности на круговорот воды проявляется в увеличении атмосферных осадков в промышленных регионах. Причиной этого служит большое количество в атмосферном воздухе тонкодисперсных твердых частиц – пылей и аэрозолей, ускоряющих процесс конденсации водяных паров.

СО₂ и О₂.Естественные процессы потребления углерода и кислорода и их поступление в атмосферу сбалансированы (углерод-кислородный баланс), поскольку жизнедеятельность живых организмов в современной биосфере поддерживается определенным соотношением в атмосфере СО₂ и О₂.

Антропогенные же воздействия оказывают заметное влияние на круговорот данных химических элементов в биосфере. Это связано в большей степени с технической энергетикой и промышленным производством.

Процессы сжигания природного углеводородного топлива выделяют в атмосферу СО₂ и его масса в атмосфере возрастает в год на 2,2 млрд. т. Суммарное поступление углерода в атмосферу из техногенных источников оценивается в 5∙10⁹ т/год. СО₂ выделяется при лесных пожарах, вулканический извержениях, из почвы пашен, за счет процессов микробиологического разложения древесных отходов и других техногенных процессов. Общее количество органического углерода, потерянного всеми наземными экосистемами за исторический период, исчисляется величиной, равной 1∙10¹² т.

На представленном слайде (антропогенное воздействие на круговорот углерода) показан целый ряд антропогенных процессов, сдвигающих биосферный баланс углерода в сторону увеличения концентрации СО₂ в атмосфере. И несмотря на то, что часть выделившегося СО₂ при сгорании топлива поглощает Мировой океан, большая его часть остается в атмосфере.

Деятельность человека нарушает и естественный круговорот О₂. Кислород расходуется в процессах сжигания огромных масс природного углеводородного топлива (ежегодно расходуется около 1,5∙10¹⁰ т), в процессах разложения отмерших растительных остатков (23∙10¹⁰ т), на окисление (коррозия) металлов (34∙10⁷ т).

Сокращается число продуцентов кислорода и в водных экосистемах в силу загрязнения морей, океанов, рек и озер. Считают, что в течение 150 лет количество кислорода в атмосфере может сократиться на 30 %.

Определенный дисбаланс в природные циклы массообмена вносят отходы промышленных предприятий и транспорта.

SO₂.Более 95 % техногенных выбросов соединений серы представлено оксидом серы (IV). Главная эмиссия SO₂ происходит при сжигании серусодержащих природных топлив – каменных углей и нефти. Значительное количество SO₂ выделяется в атмосферу при производстве черных и цветных металлов. Общемировая масса техногенных выбросов серы в конце ХХ столетия составила 11∙10⁷ т.

Общее годовое количество серы, вовлеченное в ее биогеохимический цикл, оценивается следующими цифрами:

• из океана в атмосферу поступает 82 млн. т, а осаждается 96 млн. т;

• с суши в атмосферу поступает 130 млн. т и возвращается 116 млн.т.

Большая часть SO₂, окисляясь в атмосфере до SO₃ и взаимодействуя с атмосферной влагой, образует капельную серную кислоту, выпадающую на земную поверхность в виде кислотного дождя, вызывая негативные процессы в природных экосистемах.

Существенные изменения природных биогеохимических циклов ряда химических элементов происходят под влиянием сельскохозяйственного производства, когда в систему биологического круговорота искусственно вводятся значительные массы N, P, K.

В процессе мирового производства зерновых культур одновременно с урожаем в биологический круговорот вовлекается:

• 48∙10⁶ т азота;

• 12∙10⁶ т фосфора в пересчете на P₂O₅ ;

• 36∙10⁶ т калия/

Вынос азота с мировым урожаем в конце ХХ столетия составил 2∙10⁸ т.

Сопоставление масс миграции азота, фосфора и калия приведены в табл.

Таблица 4 – Промышленная продукция и природная миграция масс

азота, фосфора и калия, 10⁶ т/год

Приведенные в табл. 4 данные свидетельствуют, что количество азота и фосфора, искусственно поступающих в систему биологического круговорота, уже превышает массы этих элементов, естественным путем вовлекаемых в водную миграцию.

Обратим внимание на существенное распределение масс азота в мировом сельском хозяйстве. В 1970 году в обрабатываемые почвы всего мира вносилось с минеральными удобрениями около 30∙10⁹ т азота, а в 1990 году в 2 раза больше – 60∙10⁹ т. В связи с увеличением искусственного включения этого элемента в почвы возникла проблема азота, имеющая не только биологическое, но и экологическое значение.

Это связано, во-первых, с тем, что искусственное введение больших количеств азота в обрабатываемые почвы нарушает сбалансированный массообмен в системе «почва – растительность». Избыточные массы азота, на включенные в биологический круговорот, активно вовлекаются в водную миграцию и азот аккумулируется в водных экосистемах. Это вызывает интенсивный рост водной растительности, что приводит к зарастанию водоемов и перегрузке их продуктами разложения растительных остатков.

Во-вторых, аномально высокое содержание растворимых соединений азота в почве влечет за собой повышенную концентрацию этих соединений в продуктах питания и питьевой воде.

Кроме того, оксиды азота, поступая в атмосферу из антропогенных источников, играют существенную роль в образования смога. Техногенные выбросы оксидов азота и аммиака в атмосферу ежегодно составляют 200 – 350 млн. т, определенная часть которых возвращается на поверхность почвы или водоемов в виде кислотных дождей.

Нарушение биологического круговорота фосфора связано со следующими антропогенными факторами:

• извлечение фосфора из минеральных руд и шлаков;

• производство препаратов, содержащих фосфор и используемых в индустрии и быту;

• производство фосфорсодержащих продуктов и кормов, вывоз и потребление их в зонах концентрации населения;

• добыча морепродуктов и потребление их на суше, которое включает перераспределение биогенных фосфатов из океана на сушу.

Металлы.Негативным последствием хозяйственной деятельности человека является процесс прогрессирующего накопления металлов в окружающей среде. Основными антропогенными источниками металлов являются технологические процессы их производства и использования в различных отраслях экономики. Общемировая добыча металлов представлена в табл. 5.

Как видно из данной таблицы, металлы извлекаются из земных недр в количестве, непропорциональном их содержанию в земной коре.

Примеры.

Кларк алюминия (80000·10^–4 %) в тысячи раз больше кларка меди (22·10^–4 %), а современная добыча этих металлов по массе очень близка.

Молибдена в земной коре в 100 раз (кларк 12000·10^–4 %) меньше, чем ванадия (кларк 76·10^–4 %), а производится молибдена значительно больше.

Парадоксальная особенность использования металлов в мировом хозяйстве заключается в их активном рассеивании. Источниками техногенного рассеивания металловслужат процессы транспортировки, обогащения и сортировки металлических руд и выбросы их в атмосферу при металлургическом переделе руд.

Пример.За десятилетие (1965 – 1975 гг.) во всем мире было рассеяно:

• меди – 600 тыс. т;

• цинка – 500 тыс. т;

• свинца – 30 тыс. т;

• молибдена – 50 тыс. т

Вся технология современного использования металлов сопровождается их рассеиванием в окружающей среде. Часть используемых металлов сбрасывается в окружающую среду с промышленными выбросами и сбросами.

Таблица 5 – Сопоставление масс тяжелых металлов, вовлекаемых

в техногенную и природную миграцию, 10³ т

Среди других процессов техногенного рассеивания металлов следует выделить процессы сжигания минерального топлива, главным образом каменного угля.

Пример.Количество Mn, Cr, поступающие в результате сжигания угля в биосферу в течение года, близки к величине выноса их растворимых форм речным стоком со всей суши (табл. 5).

Рассеивание металлов осуществляется не только металлургическими и металлообрабатывающими предприятиями, но и другими производствами.

Примеры.

1. При производстве фосфорных удобрений рассеивается в окружающую среду.

2. Производство бумаги сопровождается рассеиванием Hg.

3. Своеобразные биогеохимические аномалии Pb образуются вдоль автомагистралей. С выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания свинец выносится в виде мелких твердых частиц оксидов, хлоридов, фторидов, сульфатов, нитратов. Они оседают в непосредственной близости к дороге и переносятся воздушными массами на большие расстояния.

Поскольку тяжелые металлы являются необходимым компонентом биокатализаторов и регуляторов наиболее важных физиологических процессов, то высокая концентрация их в окружающей среде в высокоактивном рассеянном состоянии оказывает отрицательное влияние на живые организмы. Среди металлов – загрязнителей наибольшую опасность для живого организма представляют Hg, Pb, Mn, Sn, Cu, V, Cd, Mo, Cr, Ni, Co.

Приведенные материалы однозначно указывают на то, что в последнюю четверть ХХ столетия человечество вступило в эпоху эколого-экономического кризиса, который имеет глобальный характер, не имеет национальных границ, хотя по разному проявляется и развивается в различных континентах и регионах.

Главным направлением в преодолении этого кризиса является поиск и реализация грамотных и действенных научно-технических решений, которое связано с совершенствованием технологических процессов, созданием экологически чистых технологий, внедрением малоотходных, ресурсосберегающих производств.

Какие пути для преодоления эколого-экономического кризиса разрабатывает мировое сообщество мы рассмотрим на следующей лекции.