Параграф 6.3. Ресурсний цикл як антропогенний кругообіг речовини.Раціональне використання ресурсів. Безвідходні технології. Основні види відходів і їх утилізація.

Для того, щоб створити необхідну продукцію, одержати енергію(059), сировину, людина знаходить і видобуває природні ресурси, переміщує їх до місць переробки, виробляє з них продукти, які надходять у споживання. Таким чином, людина втягує природні ресурси в ресурсний цикл.

Під ресурсним циклом розуміють сукупність перетворень і просторових переміщень певної кількості речовини або групи речовин на всіх етапах використання їх людиною (виявлення, підготовку до експлуатації, вивільнення з природного середовища, переробка, перетворення, вертання в природне середовище).

Слово “цикл” передбачає замкнутість процесу. В природі всі хімічні речовини рухаються у замкнених колах. Коли б не було замкненості, ці речовини виявилися б вже вичерпаними. А рерсурсний цикл, який спочатку можна назвати антропогенним кругообігом, фактично, незамкнений. Дісно, якщо вироблений рослинами вуглець, який видобутий та перевезений до міста його використання, назад у своє сховище не вертається.

На кожному етапі ресурсного циклу (наприклад, розробка родовища, транспортування сировини, переробка) обов’язкові втрати або внаслідок особливостей технології, або суб’єктивних причин. При видобуванні частина сировини залишається в родовищі, у відвали йде так звана “пуста порода”, на видобування якої була витрачена енергія. Значна частина видобутого вугілля втрачається при транспортуванні до заводів та фабрик, при його перевантаженні та переробці. Якщо ресурсом слугує паливо (наприклад, те ж саме кам’яне вугілля), то при його спалюванні утворюється велика кількість золи, шлаків, різного типу окисів, що викидаються в атмосферу або у відвали на поверхні Землі.

Якщо те ж вугілля або нафта перероблюються хімічною промисловістю, то обов’язкове утворення побічних твердих, рідких та газоподібних продуктів, які є не що інше, як технологічні відходи, які утворюють шкоду природі. Вуглеводні у складі нафти або кам’яного вугілля, в надрах Землі ніякої шкоди природі не заподівають, а коли вони надходять з продуктами згорянняв в атмосферне повітря і воду, негативно впливають на здоров’я людини.

Отже, виходить, що забруднення середовища утворюють природні ресурси. На їх видобування, транспортування витрачени величезні кошти, енергія, час, та вони ж кінець кінцем погіршують стан середовища. Не випадково існує афоризм: забруднення середовища – це природні ресурси, що оказалися не на своєму місці. Людина не вміє поки що використовувати ресурси повінстю або багаторазово і тому повинна видобувати і перероблювати все нові й нові ресурси.

Зараз зусилля вчених спрямовані на те, щоб зробити ресурсний цикл замкненим, тобто, з одного боку, розроблюються і вдосконалюються процеси, зв’язані з видобуванням і переробкою необхідних ресурсів, а з другого – обумовлюється їх вертання в зміненому стані у виробництво для вторинного використання.

Ще більш складні закономірності супроводжують антропогенний кругообіг речовини при використанні ресурсів екологічних систем . Якщо, наприклад, вирубається ліс, то вся екосистема може припинити своє існування, тому що витрачається основна маса запасної енергії і речовини. І проходять сторіччя, поки на місці знищеної відновиться екосистема рівної продуктивності. Отже, у даному випадкові розсіювання речовини та енергії випереджає їх відновлення і природних біологічний кругообіг уривається. Тут все ж існує можливість замкнути кругообіг – раціональне лісовикористання. Треба використовувати систему відповідних заходів, що зменшують втрати деревини, відвищують коефіціент корисної дії при її використанні, і при цьому знижують об’єми та площі вирубування лісів, що сприяє їх інтенсивному відновленню.

Особливий випадок складають так звані культурні екосистеми(056), тобто сільськогосподарські лани. що оброблюються. Вони практично не здатні до відновлення. Людина збирає врожаї і виносить їх з ланів, тим самим витрачає значну частину створеної органічної речовини, на побудову якої витрачені мінеральні ресурси грунту. В цих ситуаціях екосистема припиняє своє існування. Щоб не допустити цього, людина повинна брати на себе відновлення екосистеми, тобто, забезпечувати кругообіг речовин. На практиці це означає висів насіння, використання добрив, тощо.

Отже, людина своєю діяльністю фактично і замикає на собі процеси природного кругообігу речовин. І для вертання речовин в кругообіг вона повинна витрачати енергію.

Інтенсивний шлях розвитку народного господарства неможливий без різкого підвищення ефективності використання природних ресурсів. Не менш ніж 75-80% приросту потреб населення повинно задовольнятися за рахунок раціонального використання природних ресурсів, основним шляхом якого є безвідходне виробництво.

Безвідходність – це не стільки перешкода появленню відходів, скільки максимальне їх використання як джерел сировини і енергії. Галузь, яка створює відходи, повинна розглядатися не як забруднювач біосфери, а як постачальник в народногосподарчий обіг відходів, що використовуються на міжгалузевій основі.

Природні ресурси перебувають в русі за ресурсним циклом, при цьому на кожному етапові циклу можливі втрати. Ресурсний цикл незамкнений, але перед людиною постає завдання замкнути його. В цьому випадкові безвідходність як відсутність відходів буде досягнута внаслідок кругообігу матеріальних та енергетичних рерсурсів в циклі “природні ресурси – виробництво – вторинні ресурси – виробництво – навколишнє середовище”.

Інженер-будівельник повинен знати, що зараз забруднення середовища викликають природні ресурси, що видобуваються. Людина втягує в кругообіг речовини, об’єм яких співставимий з об’ємом речовин, що діють у природних кругообігах. Це протиріччяможна подолати, якщо зробити ресурсний цикл замкненим. Водночас треба розвивати й альтернативний напрямок – перехід виробництва до безвідходних методів. В будівництві це перехід до синтетичних матеріалів, до легких сплавів титану, алюмінію, магнію, легійованій сталі, внаслідок чого одержують в 2-3 рази більш легкі конструкції, які не іржавіють, дуже економічні.

Відзначимо, що озброєння виробництв очисними спорудами загалом неефективно, потрібен біль комплексний підход – безвідходне виробництво, ресурсозбереження. Існує кілька напрямків створення і впровадження ефективних безвідходних виробництв:

-впровадження більш досконалих конструкцій очисних споруд, за допомогою яких вловлюються відходи одного виробництва і використовуються в якості сировини для другого;

-створення замкнених технологічних систем з використанням надійних методів очищення на різних стадіях процесу і з багаторазовим використанням води або технологічних газів;

-зменшення утворення відходів на основі комплексного використання сировини;

-розробка й впровадження системи утилізації відходів;

-формування комплексів взаємозв’язаних галузей, що мають замкнену структуру матеріально-енергетичних потоків сировини і відходів.

Масштаби й склад відходів виробництва і споживання такі, що вони є цінними сировинними ресурсами. На Україні щорічно утворюється біля 1,5 млрд т відходів, а всього нагромаджено на звалищах більш ніж 17 млрд т відходів. Під них зайнято біля 1 млн га сільськогосподарських ланів. Отже, вловлювання й переробка відходів дозволить не тільки внести в господарство вторинну сировину і вивільнити первинну, але й рекультувати грунти.

Зараз в господарчий обіг втягнуто багато видів вторинної сировини:

-зола і золошклакові відходи частково використовуються в промисловості будівельних матеріалів (34%), в будівництві(43%), сільському господарстві (23%). В будівництві їх використовують для теплоізоляції, стабілізації грунтів при їх насипанні; у виробництві будівельних конструкцій зола і золошклакові відходи використовуються як інертні заповнювачи для цементу, бетону й залізобетону. Найбільш ефективно використання відходів у виробництві нового типу цементу, що розроблений в Київському інженерно-будівельному інституті. Шлаколужний цемент є високоміцним в’яжучим, що повністю замінює звичайний цемент і складається з молотого шлаку, який змішується з будь-яким лугом (рідким склом, содою). Процес твердіння цього цементу при його затворенні аналогічний твердінню звичайного цементу. тобто, допускається твердіння при позитивних температурах, у пропарювальних камерах. На основі цього цементу можуть бути одержані бетони класу до В120, що мають підвищену стійкість в агресивних середовищах;

-доменні, сталеплавільні шлаки використовують для виробництва цементного клінкеру, гранульованого шлаку, літої щебінки, шлакової пемзи, керамзиту, шлаковати, мінеральної вати, літих плит та брусчатки. З доменних шлаків одержують також шлакосіталли;

-з вскришних порід зараз виготовляють щебінку, пісок, пісчано-гравійну суміш;

-фосфогіпс – відход у виробництві фосфорних добрив, використовується для виробництва гіпсового в’яжучого, цементу. Можна використовувати фосфогіпс для виробництва різних штукатурних розчинів, шпакльовок;

-дерев’яні відходи лісозаготівельної та лісопереробної промисловості йдуть на виготовлення дерев’яно-волокнинних та дерев’яно- стружкових плит;

-з вторинних полімерних матеріалів можна виготовляти будівельні вироби – труби, плінтуси, плівку, тощо.

Внаслідок використання вторинних матеріалів досягається суттєвий економічний ефект поряд із зменшеннямзабруднення навколишнього середовища.

Питання для самоконтролю.

Питання 6.11. Чи можна сказати, що забруднення середовища викликають природні ресурси?

Так.

Ні.

Питання 6.12. Чи можна передбачити задовільнення більшої частини потреб населення за рахунок безвідходного виробництва?

Так.

Ні.

Питання 6.13. Чи можливе використання в промисловості будівельних матеріалів відходів тпело-енергетичного комплексу?

Так.

Ні.

Загальний тест-контроль за темою

Запитання 6.1.

Хто вперше ввів в екологічну науку термін “біосфера”?

“А”. Е. Зюсс.

“Б”. В.І. Вернадський.

“В”. Ж.Б. Ламарк.

Запитання 6.2.

Чим відрізняється біосфера от від ряду геосфер землі?

“А”. Дуже великою масою.

“Б”. Наявністю живої речовини.

“В”. Включенням в свій склад всіх геосфер Землі.

Запитання 6.3.

З чого утворився озоновий екран на Землі?

“А”. З водяної пари, що вивільнилася в процесі формування планети з хмари космічного пилу.

“Б”. З молекул кисню, який утворився, коли з’явилися перші хлорофілоносні рослини.

“В”. З суміші газів, які вивільнилися з глибин Землі при здійсненні активної вулканічної діяльності.

Запитання 6.4.

Які живі організми можуть безпосередньо використовувати сонячну енергію?

“А”. Азотфіксуючи бактерії.

“Б”. Рослини.

“В”. Тварини.

Запитання 6.5.

Що є регулятором незмінності рівня безстічного водоймища? ПАКЕТ 2.

“А”. Інтенсивність притоку води у водоймище.

“Б”. Характер породи, що утворює дно водоймища.

“В”. Площа поверхні водоймища.

Запитання 6.6.

Яка галузь є основним споживником води?

“А”. Промисловість.

“Б”. Комунальне господарство.

“В”. Сільське господарство.

Запитання 6.7.

Світовим лідером з якого ресурсу є Україна?

“А”. Каоліну.

“Б”. Марганцевої руди.

“В”. Кам’яного вугілля.

Запитання 6.8.

Яку роль виконує озоновий шар на планеті?

“А”. Екранує від кідливої для всього живого жорсткої радиації.

“Б”. Є додатковим джерелом кисню на планеті.

“В”. Поглинає забруднення атмосферного повітря.

Запитання 6.9.

Яка основна особливість живої компоненти біосфери?

“А”. Висока активність при відносно малій масі.

“Б”. Обмеженість його існування в біосфері.

“В”. Неможливість існування тільки у повітряному середовищі.

Запитання 6.10.

Чим обумовлені межі біосфери?

“А”. Полем можливого існування життя.

“Б”. Наявність достатньої кількості кисню.

“В”. Наявністю достатньої кількості води.

ТЕМА 7

Система “Біосфера – людина”

Параграф 7.1

Еволюція біосфери. Проблема походження життя на Землі. Теорія абіогенного синтезу. Критичні епохи в історії еволюції біосфери.

Недоліки теорії абіогенного синтезу.

Біосфера як глобальна екосистема Землі – це продукт декількох міліардів років еволюційних змін в будові земної кори. Вік Землі приблизно оцінюється в 4-5 млрд років. Вона утворилася з хмари космічного пилу, яка породила сонячну систему. Спочатку, як передбачають вчені, Земля була мертвою скелястою масою, що омивалася атмосферою, насиченою водяною парою, воднем та метаном, так званою первинною атмосферою. Така атмосфера майже не затримувала сонячне проміння, особливо ультрафіолетове, згубне для живих організмів Але екологію цікавить не планета Земля як космічне тіло, а біосфера, тобто, сфера життя. Серед питань, що цікавлять науку, філософію, релігію, кожну людину, найбільш важливим є – що таке життя, звідки воно з’явилося. Традиційно багато років головною теорією походження життя була теорія академіка О.І.Опаріна. Згідно з його уявою внаслідок геохімічних процесів з простих компонентів в первісній атмосфері(019) або в океані виникли перші дуже прості органічні речовини, тобто, здійснився абіогенний синтез.

Існує не менш трьох гіпотез зовнішнього вигляду Землі і умов, при яких змогло виникнути життя. Згідно з “горячою” гіпотезою, перші органічні речовини виникли з неорганічних (метану та оксиду вуглецю) в горячих джерелах біля діючих вулканів. Знахідка в горячих джерелах Йєлоустонского національного парку (США) найдревніших з нині відомих організмів – археобактерій – ніби підтверджує цю гіпотезу (рис. 7.1)

Деякі фахівці вважають, що життя виникло під льодом, що вкриває деякі ділянки Землі. Взаємодія молекул газів древньої атмосфери (формальдегіда і аміака) і цианістих солей навіть при низькій температурі могло призвести до утворення амінокисліт і білків, а шар льоду захищав ці створіння від згубного ультрафіолетового випромінювання (рис. 7.1).

Прихильники самої популярної гіпотези вважають, що і органічні сполуки і перші живі організми виникли в умовах більш помірного клімату в неглибоких ставках і на мілководді теплих морей. В цих умовах прості неорганічні сполуки змогли утворити фосфати цукрів – предвісники нуклеїнових кисліт (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 – Три види можливого зовнішнього вигляду первісної

планети і умов, при яикх виникло життя

В 1953 році американський дослідник Стенлі Ллойд Міллер експерименритально відтворив умови первісної Землі в своїй лабораторії. В сосуд він налив підігріту воду, а залишок простору в ньому заповнив тими газами, що складали первинну атмосферу планети. Електричні розряди потужністю 1000вольт, що він пропускав крізь газову суміш, відігравали роль блискавок. Через деякий час в сосуді утворилися складні органічні речовини, в тому числі, амінокислоти і цукри. Послідовникам Міллера вдалося більше – вони синтезували подібним чином прості білки. Отже, є тверда основа полагати, що в умовах первісної планети з простих компонентів первинної атмосфери поступово утворилися різноманітні органічні сполуки, або, за висловом академіка О.І. Опаріна, на землі виник свого роду “органічний бульон” В цьому “органічному бульоні” 2-3 млрд років тому і з’явилися перші живі організми. Тепер ясно, що перші форми життя харчувалися за рахунок “органічного бульону”. Усе живе потребує для свого харчування органічних речовин, які є джерелом життєвої енергії і будівельним матеріалом для живої матерії. В ранній атмосфері Землі кисень був відсутній, тому перші живі організми повинні були одержувати енергію безпосередньо від їжі, без окислювальних процесів. Такой тип метаболізму – ферментація – найбільш примитивний спосібвиробництва енергії живими організмами, його продуктов завжди є вуглекислий газ.

Як продукти повільного геохімічного процесу, перші форми життя стали, в сівою чергу, потужним чинником геохімічних змін. Спочатку вони вичерпали земні запаси органічних речовин – продуктів геохімічної еволюції, які були їх їжею. В тій формі, в якій вона вперше з’явилася, жива система Землі мала природжену і фатальну ваду. Необхідна енергія бралася з джерела, яке не відновлювалося – геохімічного запасу органічної матерії. Життя , що швидко розвивалося, здійснювало в той же час непоправну помилку – воно обов’язкого повинно було поглинути «органічний бульон» Землі. Життя повинно було зруйнувати умови свого власного виживання. Виживання – властивість, що нині так глибоко асоціюється з життям - стало можливим внаслідок трьох революційних змін в історії еволюції. В древній атммосфері не було кисню. Тому перші одноклітинні організми, подібно до сучасних бактерій, використовували в якості окислювача для процесів дихання і джерела енергії іони заліза та інших хімічних елементів. Більш того, кисень був би згубний для цих древніх істот – він в той же час зруйнував би їх клітини. Проте біля 3,5 млрд років тому здійснилася перша революція. Клітини деяких первинних істот набули можливості використовувати енергію сонячного світла, тобто, фотосинтезувати, створювати органічні речовини з неорганічних. Мабуть, вони були подібні до сучасних синьо-зелених водоростей. В той же час ці незвичайні організми стали вивільнювати в атмосферу кисень. Ця рішаюча подія перетворила відход перших форм життя – вуглекислий газ – в їжу, перетворюючи його в органічні речовини. Здійснилося замикання, фатальний процес трансформувався в циркуляційний цикл, що самовідновлюється. З тих самих пір продовження життя на Землі залежить від практично невичерпного джерела енергії – Сонця.

Перші живі істоти намагалися врятуватися для отруйного для них кисню, вони зникли з поверхні планети і з верхніх шарів води в озерах і морях і збереглися лише в глибині геологічних порід, де були захищені шаром мінеральних речовин. Древні синьо-зелені водорості повністю змінили Землю:насичена киснем атмосфера вигнала з поверхні примитивних бактерій, проте створила можливість наступного вдосконалення інших форм, які й породили сучасні живі організми. Проте до цього ще було далеко, тому що вдосконалення живих істот йшло дуже повільно. Друга (після виникнення фотосинтезу) революція здійснилася біля 2,5 років тому, коли поряд з без’ядровими (прокаріотичними) клітинами бактерій і синьо-зелених водоростей з’явилися еукаріотичні одноклітинні організми. Їх клітини були побудовані значно складніше, мали не тільки ядро, а й різноманітні клітинні утворення – органелли. Такі вдосконалення дозволили ефективніше використовувати енергію, підвисили стійкість клітин. Третя революція здійснилася біля 1,2 млрд років тому, коли з’явилося статеве розмноження. Внаслідок цього різко виріс обмін наслідним матеріалом між організмами і як наслідок, зросла їх різноманітність. Це створило основу для наступного вдосконалення життя.

Так, в спростованому вигляді, перед нами постає схема, яка забезпечує чудову стабільність життя: взаємодія одного життєвого процесу з іншими; взаємопов’язаний розвиток живої природи Землі і неорганічних речовин; трансформація живої речовини у величезних циклах, що приводяться у дію сонячною енергією.

Проте, виникнення життя на Землі – це питания дискусійне . В.І. Вернадський вважав життя явищем вічним, подібно до матерії або енергії. Хоч в цого вченні про біосферу і лежать уявлення про глибокий взаємозв’язок живого та неживого, він вважав, що межа між косною та живою матерію нездоланна. За його думкою у відомій геологічній історії утворення живої речовини з неживої на Землі здійснитися не могло. Відправною точкою його уявлень в цій галузі був принцип, сформульований флорентийським лікарем Франческо Реді в 1668 році :”Все живе – віж живого”. Докази цього В.І. Вернадський бачив в працях Л. Пастера та П. Кюрі про особливості молекулярної будови органічної речовини. Жива речовина має властивість оптичної асіметрії, тобто, є фільтром, який здатний відокремлювати правообертаючи молекули від лівообертаючих. Завдяки концентрації молекул однакової симетрії жива речовина здатна полярізовати світлові промені. В неживій речовині молекули, що поляризують світло, вміщені в однакових пропорціях. На базі емпірічних узагальнень В.І. Вернадський робив висновки, що на Землі немає умов, які б могли забезпечити виникнення життя абіогенним шляхом з косної речовини.

Дійсно, у теорії абіогенного синтезу є ряд суттєвих недоліків:

-Немає жодного факту, який би підтвердив можливість абіогенного синтезу на Землі хоча б найпростішого живого організму з неживих сполук. У численних лабораторіях свтіту здійснено тисячи спроб такого синтезу. Так, вдається одержати молекули амінокислот, короткі ланцюжки пептидів(простих білків). І тільки. Жодного, хоча б найпростішого живого організму нікому не пощистило синтезувати. Нині знов стал популярним принцип Ф. Реді “Живе – лише від живого”.

-Останнім часом нищівного удару гіпотезі абіогенного синтезу завдали математичні дослідження. Математики підрахували, що ймовірність зародження живого організму з неживих блоків практично дорівнює нулю. Так, ймовірність випадкового утворення за весь час існування Землі хоча б однієї молекули ДНК (дезоксірібонуклеінової кислоти – однієї з найважливіших складових частин генетичного коду) становить 10^-800. Якщо образно висловити таку величину, можна сказати, що скоріше ураган, що пронесеться над кладовищем старих літаків, збере новенький суперлайнер , ніж внаслідок випадкового процесу виникне з неживих молекул життя.

-Суперечать теорії абіогенного синтезу й геологічні відомості. Як би далеко ми не проникали вглиб геологічної історії, не знаходимо слідів, коли на Землі не існувало життя. Нині палеонтологи в породах, вік яких досягає 3,8 млрд років, тобто, близький до часу утворення Землі , знайшли викопні рештки досить складно організованих істот – бактерій, синьо-зелених водоростей, простих грибів. Ось чому В.І. Вернадський був упевнений, що життя геологічно вічне, тобто, в геологічній історії не було епохи, коли наша планета була неживою. Життя – така ж вічна основа Космосу. як матерія і енергія. В.І. Вернадський висловлював думку:” …початку життя в тому Космосі, який ми спостерігаємо, не було, оскільки не було початку цього Космосу, життя вічне, оскільки вічний Космос”.

Питання для самоконтролю.

Питання 7.1.

Чи можна сказати, що утворення досить складних органічних речовин з простих неорганічних сполук – це доказаний факт?

Так.

Ні.

Питання 7.2. Чи можна вважати абіогенний синтез доказаним фактом?

Так.

Ні.

Питання 7.3.

Чи можна назвати В.І. Вернадського упертим опонентом теорії абіогенного синтезу?

Так.

Ні.

Питання 7.4.

Чи внесла вища математика свій внесок в проблему походження життя?

Так.

Ні.

Питання 7.5.

Чи є на планеті матеріальні свідоцтва гіпотези В.І. Вернадського про те, що життя вічне?

Так.

Ні.