Возврат веществ в кругооборот

Рециркуляция веществ в природных экосистемах должна служить моделью для решения одной из главных природоохранных задач - возвращения различных использованных веществ в естественные циклы.

Основные пути возвращения веществ в круговорот следующие (рис. 4.12).

1. Непосредственные выделения животных и человека без предварительного разложения бактериями. В состав выделений входят СО₂, растворимые органические и неорганические соединения фосфора и азота, которые могут непосредственно усваиваться растениями. Например, в толще морской воды мелкий фитопланктон активно и быстро поедается животными, особенно микрозоопланктоном. Поэтому азот и фосфор в этих условиях регенерируются в основном из экскре­ментов животных. Зоопланктон (дафнии, коловратки и др.) выделяет в воду в несколько раз больше минеральных элементов, чем их освобождается после микробного разложения отмерших растительных организмов.

Рис. 4.12. Пять основных путей возврата веществ в круговорот

2. Микробное разложение органических остатков редуцентами. Бактерии и грибы - основные агенты регенерации элементов этим путем, который преобладает в наземных экосистемах. Гетеротрофный процесс разложения, происходящий несколько стадий (2а, 2б) благодаря жизнедеятельности микроорганизмов, приводит не только к освобождению потенциальной энергии органических веществ, но и к регенерации химических элементов, вступающих в новый цикл обращения.

3. Возвращение веществ в круговорот благодаря жизнедеятельности организмов, живущих в симбиозе с растениями. Это могут быть бактерии, микроскопические грибы, водоросли, лишайники, другие растения. Они передают элементы питания непосредственно растениям, как, например, клубеньковые бактерии. Этот путь особенно важен в экосистемах с низким содержанием пита­тельных веществ.

4. Поступление в круговорот элементов и веществ в результате физических процессов, движимых солнечной энергией, т.е. в результате выветривания, эрозии, с потоками воды и т. д. Вода также возвращается в круговорот благодаря энергии Солнца. Таким путем элементы из осадочных пород выносятся из абиотического резервуара и попадают в биотические циклы.

5. Поступление элементов в биогеохимические циклы, связанные с деятельностью человека и затратами энергии ископаемого топлива. Таким путем возвращаются в круговорот опресненная морская вода, биогенные элементы в виде удобрений, металлы, другие ценные вещества, извлекаемые из отходов, и т.д.

Иногда элементы питания могут высвобождаться из остатков и выделений организмов и без участия микроорганизмов. Этот процесс называется автолизом (саморастворени­ем). Автолиз имеет большое значение тогда, когда степень дисперсности отмерших частичек велика (размеры очень малы), т.е. они имеют большую (относительно объема) поверхность соприкосновения с водой. В водных системах еще до бактериального разло­жения детрита может освобождаться от 25 до 75% биогенных элементов. При проекти­ровании систем очистки сточных вод часто выгодно затратить механическую энергию на распыление органического вещества, чтобы ускорить его разложение. Такую же работу выполняют и животные организмы, измельчая и перерабатывая органические остатки (например, дождевые или водные черви). Так, водные черви олигохеты из семейства трубчатых пропускают за сутки через кишечник количество ила, «о много раз превосхо­дящее массу их тела. Грубый ил и детрит в кишечнике перетираются и выбрасываются на поверхность отложений уже сильно измененными по механическому и химическому составу, а увеличение степени дисперсности и минерализация переработанных частиц в 3-4 раза ускоряют освобождение питательных веществ (Л.И. Цветкова, 1968).

На возврат веществ в круговорот всегда затрачивается энер­гия. Для первых трех путей энергия поступает из органических веществ, для четвертого - от Солнца, для пятого - от топлива. В четырех случаях из пяти людям не приходится затрачивать доро­гостоящее топливо. Если не нарушать природные механизмы рециркуляции, то они способны возвращать в круговорот и воду, и питательные вещества. Повторное же использование промыш­ленных материалов, например металлов, требует затрат топлива и денежных средств.

Рециркуляцию веществ в антропогенной системе промышлен­ного города удобно рассмотреть на примере повторного ис­пользования бумаги (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Схема движения использованной бумаги в городской системе: А - достаточные запасы сырья (деревья лесу) и достаточные площади для свалок; Б - ресурсы сырья иссякают, площади для свалок уменьшаются, отходы повторно используются

Ее движение напоминает циркуляцию важных элементов в ес­тественных экосистемах. Пока имеются большие запасы деревьев в лесу, бумажные фабрики и свободные участки земли для свал­ки ненужной бумаги, нет стимулов тратить средства и энергию на ее повторное использование. Но по мере того как растет плот­ность населения в пригородах, дорожает земля, становится все труднее находить места для свалок - отходы на выходе накапли­ваются. Запасы пригодной древесины могут постепенно иссякать и существующие фабрики перестанут обеспечивать спрос на бумагу. Во всех этих случаях следует подумать о повторном использова­нии бумаги. Для этого должен быть рынок сбыта старой бумаги, т.е. фабрика по переработке макулатуры. Такая фабрика реализует механизмы экономии энергии путем рециркуляции и соответствует диссипативной структуре вприродной системе.

Вторичное использование бумаги выгодно всему населению. Это уменьшает темпы уничтожения лесов и вред, наносимый окружающей среде, а также расходы, идущие на очистку горо­да. Для вторичного использования бумаги необходимы: участие горожан; система сбора и склады для хранения; заводы по переработке макулатуры; транспорт; рынок для использованной бумаги (перерабатывающая фабрика); экономически эффектив­ная технология переработки. К сожалению, из-за инерции и административного разделения города и области часто слишком поздно начинают утилизировать использованные материалы, что ведет к моральным и материальным убыткам.

Оценка степени рециркуляции веществ внутри экосистемы осуществляется с помощью коэффициента рециркуляции:

К_рец = ПВ_р/ПВ,

где К_рец - коэффициент рециркуляции; ПВ_р - рециркулируемая доля потока веществ, проходящего через систему (возврат); ПВ - общий поток вещества через систему.

На рис. 4.14 приведено схема, поясняющая возврат веществ в круговорот.

Рис. 4.14 Схема возврата ворот (по Ю. Одуму, 1986)

Для экспериментального водосборного бассейна был рас­считан коэффициент рециркуляции кальция. Он оказался рав­ным 0,76-0,80. Это озна­чает, что около 80% общего потока кальция, проходящего через систему, используется в ней многократно. Для калия, натрия и азота коэффициен­ты рециркуляции оказались выше. В этом водосборном бассейне циркулирующие элементы по значению К_рец располагались от большего к меньшему следующим образом:

К>Nа>N>Са>Р>Mg>S

Значение коэффициента рециркуляции для каждого элемен­та зависит от его поступления извне, подвижности и потребности в нем организмов. Коэффициент рециркуляции в природных экосистемах возрастает в трех случаях: 1) при увеличении раз­нообразия и усложнении биотических компонентов, 2) при обед­нении питательных ресурсов среды на входе, 3) при накоплении отходов на выходе. Как правило, К_рец ниже для второстепенных элементов или для важных, но потребность в которых невелика (например, для меди). Элементы, которые человек считает ценны­ми (платина, золото, серебро), он использует повторно на 90% и более. Коэффициент рециркуляции не характеризует ско­рость движения веществ по кругу, которая в значительной степени определяется температурными и климатическими особен­ностями экосистем. Коэффициент рециркуляции энергии равен нулю, поскольку энергия вторично не используется.

Усилия по охране природных ресурсов, в конечном счете, должны быть направлены на превращение ациклических процессов в циклические. Основной целью должно стать возвращение веществ в круговорот.

Начинать следует с воды, так как, если удастся восстановить и поддерживать круговорот воды, станет возможным взять под конт­роль и элементы питания, которые движутся вместе с ней.

Дата добавления: 2014-11-18