Круговороты веществ в природе

Круговорот веществ в природе – это повторяющиеся процессы перемещения и превращения веществ в природе, имеющие выраженный циклический характер. Существует три вида круговоротов веществ: большой (геологический), малый (биогеохимический) и техногенный (антропогенный или социальный).

Большой (геологический) круговорот происходит под влиянием внутренней энергии Земли. Это энергия радиоактивного распада изотопов химических элементов, образование минералов и горных пород, тектоническое движение земных плат, землетрясения, извержение вулканов, метаморфизм.

Малый биогеохимический круговорот осуществляется с участием живых организмов (растений, животных и микроорганизмов). Он осуществляется в пределах биосферы. Движущей силой этого вида круговорота - солнечная энергия, которая порождает фотосинтез. В его основе лежат также процессы дыхания, питания, метаболизма, размножения, смерти и разложения мертвой (дентритной) биомассы.

Любыеэлементы или их соединения, необходимые для жизнедеятельности организмов, их роста и размножения, называются питательными веществами. Они включают как органические вещества,(жиры белки, углеводы), так и неорганические (углекислый газ, кислород, ионы нитратов, фосфатов, железа, меди и других микроэлементов). Около 40 элементов и их соединений являются наиболее важны­ми для живых организмов. Эти элементы, необходимые в больших количествах, называются питательными макроэлементами. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, калий. Они составляют 97% массы человеческого тела и более 95% массы всех живых организмов. Около 30 других элементов, необходимых дляжизни в небольших или незначительных количествах, называют микроэлементами.Это железо, медь, цинк, йод и прочие

Большинство элементов на Земле находится в состоянии, не пригодном для прямого использования живыми организмами. К счастью, элементы и их соединения. Большинство элементов на Земле находится в состоянии, не пригодном для прямого использования живыми организмами. К счастью, элементы и их соединения, необходимые в качестве пита­тельных веществ для поддержания жизни, пребывают в постоянном круговороте в биосфере и способны преобразовываться в необходимые для поглощения формы в результате целого комплекса биологических, геологических и химических процессов. Такой переход питательных элементов от неживой природы (из запасов атмосферы, гидросферы и земной коры) к живым организмам и обратно в неживую среду происходит в биогеохимических круговоротах (био означает "жизнь", гео - "земля", а слово химический подразумевает переход материи из одной формы в другую).

 

Биогеохимический круговорот можно представить в виде блочной модели:

 

 

Три активных блока составляют обменный фонд элементов. Два добавочных блока составляют резервный фонд элементов. Между активными блоками обмен происходит с высокой скоростью. Обмен между добавочными блоками и остальной частью биосферы замедлен. По В.И.Вернадскому биогенные элементы в биосфере совершают биогеохимические циклы, взаимосвязанные между собой и формирующие в совокупности устойчивую структуру биосферы.

Существуют два основных типа биогеохимических круговоротов: круговороты газообразных веществ и осадочные циклы. Круговороты газообразных веществ - это перемещение питательных элементов от атмосферы и гидросферы к живым организмам и обратно. Как правило, циклы этих круговоротов быстротечны и длятся всего несколько дней. Основными газообразными циклами являются круговороты углерода, кислорода, водорода и азота.

Осадочные циклы включают движение питательных элементов между земной корой (почвами и горными породами), гидросферой и живыми организмами. Скорость перемещения элементов в этих циклах намного медленнее, чем в газообразных круговоротах, сос­тавляющие элементы горных пород могут находиться в них в течение тысяч и миллионов лет. Существует более 36 питательных элементов, участвующих в осадочных циклах. Главными их них являются круговороты фосфора и серы.

Вмешательство человека в эти круговороты непрерывно возрастает в результате промышленной деятельности - наиболее важного элемента экономического развития. Систематизирующим стержнем всей промышленности является химическая и сопряженные с ней отрасли (черная и цветная металлургия, алюминиевая, нефтехимическая промышленность и т.д.), связанные с использованием химических процессов. К сожалению, промышленность вносит и основной вклад в истощение природных ресурсов, загрязнение и накопление вредных отходов и т.д. Например, в химической промышленности России еже­годно образуется около 20 млн. т твердых отходов, из которых утилизируется менее одной трети. Особо опасные хлорорганические отходы составляют более 80 тыс. т в год. В 1991 г. химическими предприятиями России выброшено в атмосферу 530 тыс. т вредных ве­ществ и сброшено в открытые водоемы 1,4 млрд. м³ загрязненных сточных вод. Это ведет к деградации окружающей среды, заключаю­щейся в превышении способности природы к растворению и разложе­нию загрязнений и ведет, согласно первому закону экологии к

непредсказуемым последствиям. Примером могут служить наводнения в Западной Европе вследствие изменения климатических усло­вий, появление озоновых дыр, мутантов, сокращение средней про­должительности жизни и т.д.

Человечество осознало необходимость перехода к новой модели развития - модели устойчивого развития, которая бы должным обра­зом учитывала баланс экономических и экологических интересов и была основана, в частности, на основополагающем законе экологии: любое производимое нами вещество не должно нарушать ни один природный биогеохимический цикл.

Техногенный (антропогенный или социальный) круговорот обусловлен хозяйственной деятельностью человека. В нем можно выделить две составляющие:

- биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма;

- техногенную, связанную с хозяйственной деятельностью человека.

Антропогенный характер присущ миграционным циклам металлов.

 

КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА

 

Углерод является основным "строительным материалом" молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых белков и других важных для жизни органических соединений. Большинство наземных растений по­лучают необходимый им углерод, поглощая через поры в своих листьях углекислый газ из атмосферы, концентрация которого там составляет 0,04%. Фитопланктон получает углерод из атмосферного углекислого газа, растворенного в воде. Зеленая масса планеты за год использует для фотосинтеза 69 млрд. т углерода их углекислого газа. В океане находится в растворенном виде 24 млрд. т углерода. За 350-400 лет весь углерод атмосферы и гидросферы совершает полный оборот.

Антропогенное вмешательство значительно не повышает содержания СО₂ в атмосфере из-за его высокой растворимости в водах Мирового океана и последующего образования нерастворимых карбонатов:

СО₂+ Н₂О = Н₂СО₃ и Са²⁺ + СОз^2- = СаСОз.

Особенно опасным для климата Земли является оксид углерода СО₂, который выделяют природные источники (вулканы, лесные пожары и т.д.), транспортные средства, топливно-энергетический комплекс и промышленность. Из 102 млн. т СО₂, ежегодно выбрасываемого в атмосферу, 62,7% составляют выхлопы автомобилей, 2,5% авиации и 11,9% - промышленности. В результате концентрация СО за последние 100 лет увеличилась в 1,2 ра­за, что привело к повышению средней температуры планеты за счет увеличения "парникового эффекта^».

Атмосфера в течение длительного времени способна компенсировать увеличение концентрации газов, влияющих на парниковый эффект, путем внутренних взаимодействий. Однако, если эта концентрация превышает некоторое пороговое значение,то такая компенсация становится невозможной и система выходит из состояния экологического равновесия. В результате наблюдаются быстрые колебания холодных и теплых годов. По имеющимся данным, за счет парниковых газов среднегодовая температура воздуха на Земле за последнее столетие повысилась на 0,3- 0,6 ⁰С. В настоящее время увеличение концентрации СО₂ идет со скоростью примерно 0,3 – 0,5% в год. Сходными темпами увеличивается и содержание других парниковых газов (метана – на 1%, оксидов азота на 0,2% в год). Удвоение содержания парниковых газов может произойти во второй половине ХХI столетия, это обусловит повышение среднегодовой температуры нашей планеты на 1 – 3,5 ⁰С

В соответствии с распоряжением Правительства Росийской Фе­дерации от 12 июня 2003 г. № 344 «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления» (с изменениями от 1 июля 2005 г.)установлены нормативы платежей за выбросы (сбросы, размещение) загрязняющих веществ, порядок их применения и установлена для всех природопользователей плата за загрязнение окружающей среды. Плата рассчитывается по установленным нормативам платежей с учетом соответствующего коэффициента экологической ситуации (или экологической значимости состояния окружающей среды)..

 

Таблица 2.1 Коэффициенты экологической ситуации (экологической значимости состояния окружающей среды) на территории Краснодарского края

 

Экономический район, бассейны морей и рек	Коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния окружающей среды
атмосферного воздуха	почвы	водного объекта
Северо-Кавказский экономи­ческий район Бассейн р. Кубань Бассейн Черного моря Бассейн Азовского моря	1,6	1,9	2,0 1,2 2,2

 

Расчет ущерба, нанесенного окружающей среде от выбросов загрязняющих веществ, производится по формуле:

У = к • m • С,

где У - величина платежей за нанесенный ущерб окружающей среде, р.;

к - коэффициент, учитывающий аварийные и залповые выбросы по вине природопользователей; устанавливается десятикратный тариф к нормативным платежам за допустимые загрязнения; при использовании для обезвреживания отработавших газов двигателя передвижных источников нейтрализаторов к нор­мативам платежей применяется коэффициент 0,75;

m - масса сгоревшего топлива, т;

С - платежи за выброс, образующийся при сжигании 1т топлива.

Штраф предприятия равен экологическому ущербу, умноженному на коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния окружающей среды (табл. 2.1).

В связи с изменением уровня цен на природоохранное строительство и по другим направлениям природоохранной деятельности к нормативам платы за загрязнение окружающей среды применяются коэффициенты индексации платы.