Все лаборатарные работы

Конечные продукты гниения частично вновь усваиваются растениями 5, а частично перерабатываются в почве в нитраты, т. е. подвергаются нитрификации (6):

2NH3 + 3 O2	нитрозобактерии		+ 2 H2O + 720 кДж.	(4.5)
	→ 2 HNO2
2 HNO2 + O2	нитробактерии	+ 92 кДж.		(4.6)
	→ 2 HNO3

Азотная кислота, реагируя с находящимися в почве карбонатами, например, кальция, образует нитриты.

На этом основной цикл превращений связанного азота (1-6) замыкается. В нем есть источники потерь, в частности, по реакции (линия 7)

5 С + 4 KNO денитрофици− 2K CO +3CO +2N +1334 кДж . (4.7)

3 → 2 3 2 2

рующие бактерии

Кроме того, при нитрификации 8 и гниении 9 всегда выделяется определенное количество свободного азота.

Наряду с источниками потерь связанного азота, в природе есть также источники его пополнения. За счет электроразрядов 1 в почву ежегодно вносится до 15 кг связанного азота на гектар; за счет азобактерий - до 50 кг

на гектар по реакции
2 N2 + 6 H2O + 3 C + 346 кДж = 4 NH3 + 3 CO2 .	(4.8)

Деятельность человека сказывается и на утечке, и на поступлении связанного азота в биосферу. Утечки 7,9 вызываются сгоранием топлива, например фурана, в жидкостном реактивном двигателе:

C4H4O + 3,6 HNO3 = 4 CO2 + 3,8 H2O + 1,8 N2 ,

(4.9)

широким применением взрывчатых веществ.

4.3.5. Фосфор

Фосфор - очень важный элемент для всего живого, элемент жизни на Земле, поскольку участвует в образовании и превращении азотистых веществ

иуглеводов в живых тканях - биосинтез белков, нуклеиновых кислот, играющих главную роль в хранении и передаче наследственной информации

иобеспечивающих синтез белков в клетках, пептидов и др.; входит в состав скелета, тканей, мозга, хромосом, ферментов, вирусов, протоплазмы живой клетки. По сравнению с азотом, фосфор - относительно редкий элемент, например, отношение P:N в природных водах составляет примерно 1:23.

Обычно рассматривают континентальный круговорот фосфора, в целом относительно медленный, который складывается из малых круговоротов в

210

почве, растительности и поверхностных водах; гидробиогеохимический, относительно быстрый, с учетом речного стока и Мирового океана.

Цикл фосфора в биосфере открытый, неравновесный. Энергетической основой миграции фосфора является фотосинтез. На рис. 4.8 представлены закономерности биохимических превращений фосфора как элемента жизни.

Антропогенное воздействие ведет к нарушению круговорота фосфора за счет вырубки лесов, использования удобрений и т. п.

Природные фосфаты имеют ограниченные запасы, которые могут истощиться при современном темпе вывода их из естественного круговорота фосфора за 75-100 лет. Это, с учетом огромного значения фосфора для жизнедеятельности живого вещества, требует бережного к ним отношения. Как заметил образно Э. Диви-младший: «...фосфор слишком драгоценен, чтобы отдавать его на съедение сине-зеленым водорослям». Важная задача, стоящая перед человеком, - корректировка ресурсного цикла с тем, чтобы поддерживать естественный круговорот фосфора.

Растворенные		Ассимиляция
	−	→ Растения (нуклеиновые
фосфат ионы РО3		Синтез	кислоты, мембраны,
4		протоплазмы	энергоносители)

Органический	Животные
фосфор расти-	(нуклеиновые
тельного про-	кислоты, кости,
исхождения	зубы)

Фосфаты Морские осадки

Рис. 4.8. Схема биогенного круговорота фосфора

4.3.6. Сера

Сера относится к группе циклических химических элементов, образует 369 минералов. Это важный биофильный элемент, который встречается в биосфере в основном в животных тканях и не только участвует в процессах, протекающих в живых клетках или с участием различных органических веществ, но и существенно влияет на ход метаболизма множества групп и

211

большого количества организмов. Биофильность характеризует кларк концентрации элемента в живом веществе (КК) - отношение содержания данного элемента в конкретном природном объекте к кларку литосферы. По биофильности сера стоит на шестом (КК = 1) месте после углерода (КК = = 7800); азота (КК = 160); водорода (КК = 70); кислорода (КК = 15); хлора (КК = 1,1). В живом веществе содержится в среднем 5·10-2 % серы.

Обобщенная схема круговорота серы представлена на рис. 4.9.

	S
2	1
	3
H2SO4	H2S
и сульфаты	и сульфиды
4	Белок 5

Рис. 4.9. Цикл серы в биосфере (пояснение обозначений 1-5 в тексте)

Направление 1 отвечает переходу от сульфидов и сероводорода к элементарной сере. При недостатке кислорода происходит накопление серы в виде залежей; при избытке - постепенный переход в серную кислоту (направление 2). Затем серная кислота, реагируя с различными солями, содержащимися в воде и почве, переходит в сульфаты.

Согласно линии 3 в биосфере идет, кроме окислительных процессов 1,2, и восстановительный. Сульфаты, уносимые водами рек в моря, образуют пласты, которые в результате геологических смещений земной коры попадают в более глубокие слои Земли. Под влиянием повышенных температур сульфаты реагируют с увлеченными при осаждении органическими веществами.

Сероводород выходит на поверхность земли либо прямо в газообразном состоянии, либо растворившись предварительно в подземных водах.

Аналогично переход осуществляется под влиянием бактерий, когда восстановительные процессы протекают при разложении органических веществ под слоем воды, содержащей растворимые сульфаты.

Направление 4 показывает, что сульфаты, содержащиеся в почве, извлекаются растениями и претерпевают превращения до серусодержащих белков, которые частично усваиваются животными, а после отмирания как их, так и растительных организмов разлагаются (линия 5). Сера выделяется в виде H2S и вновь вводится в круговорот.

В круговороте серы велика роль микроорганизмов. Специализированные микроорганизмы выполняют следующие реакции:

а) H2S → S → SO 24− - бесцветные, зеленые и пурпурные серобактерии;

212

б) SO 42− → H2S	(анаэробное восстановление сульфата) -	Desulfovibrio;
в) H2S → SO 42− -	(анаэробное окисление сульфида) -	тиобациллы;

г) органическая сера → SO 24− , H2S - аэробные и анаэробные гетеротрофные

микроорганизмы, соответственно.

Несмотря на то, что в круговороте серы протекают как окислительные, так и восстановительные процессы, часть серы выводится из кругооборота, восстановление не компенсирует окисление. Это усугубляется и сознательной деятельностью человека, который переводит природные сульфиды в сульфаты, например, при производстве серной кислоты, выплавке металлов из сернистых руд.

Соединения серы, поступившие техногенным путем в атмосферу с суши, почти целиком возвращаются на земную поверхность и пагубно воздействуют на природные комплексы.

4.3.7.О круговороте металлов

Вкруговороте большинства металлов значительна роль антропогенного фактора. В производство металлы поступают из двух основных источников: первичного - из руд и вторичного - в результате рециркуляции. Нерециркулирующие отходы должны возмещаться за счет первичного материала, что ведет к истощению природных ресурсов. Степень рециркуляции ряда металлов приведена в табл. 4.1. Характерный пример рециркуляции металла - техногенный цикл алюминия (рис. 4.10).

Таблица 4.1 Степень рециркуляции некоторых металлов

Металл

Al

Cu

Au

Fe

Pb

Hg

Ni

Ag

Sn

W

Zn

Степень

11,7

40,9

15,9

27,9

40,0

20,6

19,1

47,2

20,4

4,1

27,0

рецирку-

ляции,%

Продукция

Длительное

Продукция

использование

Потребление

Отходы

Земная кора

Переработка

Мантия Рис. 4.10. Схема техногенного цикла алюминия

213

4.4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И КРУГОВОРОТ

ВЕЩЕСТВ

4.4.1. Развитие понятия о мониторинге

Понятие о мониторинге впервые было официально выдвинуто 5 июня 1972 года в Стокгольме на конференции ООН по проблемам окружающей среды. Первоначально мониторинг рассматривался лишь как средство контроля за природными объектами, мероприятия, предусматривающие наблюдение за нарушениями экологического равновесия.

Различают следующие основные типы мониторинга: глобальный,

национальный, региональный, локальный. Для наземного мониторинга И. П. Герасимов (1981) предложил различать следующие его виды:

биологический (санитарный); геосистемный (хозяйственный); биосферный

(глобальный). Помимо химического анализа применяют метод «тест-

объектов» (лихеноиндикации).

С развитием возможностей математического моделирования и управления природными процессами в понятие «мониторинг» стали вкладывать представления как о многофункциональном процессе.

Функции мониторинга следующие:

-контроль за состоянием объектов экосферы;

-контроль за источниками нарушений экологического равновесия;

-моделирование и прогноз экологического состояния объектов экосферы;

-управление экологическими процессами.

Экологический мониторинг - это естественно-технический объект с функциями контроля, прогноза и управления экологическими процессами.

Сложность осуществления мониторинга обусловлена, в частности, законом коммутативности, по которому человек воздействует на окружающую среду в короткий промежуток времени в той же степени, которую природа создает в течение столетий и даже тысячелетий. Задача экологического мониторинга - обеспечение «... более гармоничного взаимодействия между социальными системами и окружающей средой».

4.4.2. Средства экологического контроля

При экологическом контроле все контролируемые показатели различают по группам:

-функциональные (продуктивность, скорость изменения, круговорот веществ и т.п.);

-структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических, биологических параметров и т. п.).

Средства экологического контроля в свою очередь различают

контактные и неконтактные.

214

Контактные методы представлены следующими: газовая хроматография, полярография, кондуктометрия, кулонометрия, потенциометрия, ионометрия, колориметрия, рефрактометрия, люминесцентные измерения, термография, титрование, акустические и механические измерения.

Неконтактные методы основаны на использовании зондирующих полей - электромагнитных, акустических, гравитационных. Разработаны методы неконтактного контроля атмосферы, почвы и растительности, природных вод, человека.

4.4.3. Моделирование в экологии

Моделирование и прогнозирование (математическая экология) возникли раньше появления экологии как науки.

Различают следующие виды моделирования:

-использование фундаментальных законов (сохранения энергии, массы

ит. п.);

-установление закономерностей функционирования экосистемы;

-имитационное моделирование, когда составляется модель, и в дальнейшем с ней экспериментируют.

Подходы к моделированию в целом сводятся либо к формализации известных процессов, либо к гипотетическим суждениям. Пример формализации известного процесса - описание численности популяции во времени.

При моделировании исходят, в частности, из теоремы Гаузе о том, что два вида могут занимать одну экологическую нишу. Подходы к моделированию, исходя из обмена энтропией между биологической системой

иокружающей средой, разработаны И. Пригожиным.

Для моделирования по Ю. А. Израэлю рассматриваются верхний и нижний пределы допустимых изменений функции состояния системы. При антропогенном воздействии различают «зону экологического резерва», где изменения происходят в виде колебаний в середине расстояния между этими пределами, и «нежелательную ситуацию», когда функция выходит за них.

По круговороту веществ в биосфере в литературе описаны модели «Global» для мониторинга биогеохимических полей, в частности, для глобальных циклов углерода, азота, фосфора, серы, кислорода.

4.4.4. Управление в структуре экологического мониторинга

На рис. 4.11 приведена укрупненная схема экологического мониторинга. Она включает блоки, предназначенные для получения данных об объекте, например, о соответствии круговорота элемента естественному равновесию или отклонении от него (датчики, информационное обеспечение), блоки управления контролем и объектом, выходящие на человеко-машинную систему экоконтроля - управления.

Реализация экологического мониторинга может быть проведена

215

применительно как к данному объекту, так и к региону, и, что наиболее перспективно, в глобальном масштабе.

Человеко-машинная система экоконтроля – управления

Информационное Управление обеспечениеправ объектом

Датчикиление

контролем

Показатели экосостояния объекта

Рис. 4.11. Укрупненная схема экологического мониторинга

Круговорот веществ и энергии в биосфере принадлежит к основным параметрам, по которым осуществляется мониторинг. Это обусловлено взаимосвязью такого круговорота со всей совокупностью объектов экологической системы. Примерами таких регулируемых и контролируемых параметров являются выбросы различных веществ в экосферу, тепловое загрязнение окружающей среды. Инженерная защита экосистемы заключается в полном или частичном устранении источников ее загрязнений, а в перспективе - в создании замкнутых технологических циклов.

4.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.5.1. Постановка задачи по имитационному моделированию круговорота веществ

При выполнении работы решаются следующие вопросы:

-изучение химических реакций, протекающих на отдельных стадиях круговорота веществ;

-исследование круговорота веществ: а) естественного; б) при наложении антропогенного воздействия;

-исследование особенностей антропогенного воздействия в условиях его положительного или отрицательного эффектов;

-обобщение результатов исследования применительно к защите окружающей среды от техногенных выбросов в авиа- и приборостроении, двигателестроении, горении авиационных и ракетных топлив, к разработке

216

робототехнических комплексов с учетом экологических проблем, к моделированию технологических процессов, решению задач мониторинга и инженерно-экономических разработок.

4.5.2.Комплект для имитационного моделирования

Сцелью создания оптимальной модели круговорота веществ составляется условная схема, аналогичная рис. 4.12 для серы. Цифрами I-IV обозначены отдельные сектора круговорота, отмеченные еще и различной штриховкой; 1-9 - направления протекания химических реакций.

Почва, сера S

Почва и гидросфера

H2SO4,CaSO4, Na2S2O3

Растения и животные

Белок

Рис. 4.12. Схема круговорота серы в биосфере для имитационного моделирования (объяснение обозначений в тексте)

На рис. 4.13 представлена маркировка карты для имитационного моделирования. Цифры 1,2 отвечают штриховке, соответственно, того сектора, где начинается соответствующее направление круговорота, и того, где оно завершается (если переход осуществляется в одном и том же секторе, то штриховка 1,2 одинакова); 3 - путь круговорота от одного сектора к другому или внутри одного сектора; 4 - номер направления; 5 - номер химической реакции в данном направлении; 6 – вид процесса; 7 - рассматриваемый элемент; 8 - количество баллов; 9 - уравнение химической реакции.

Вид процесса (позиция 7) представлен тремя вариантами: NP - природный; +HS - антропогенный положительный; -HS - антропогенный отрицательный. Карты, завершающие данное направление, под уравнениями химических реакций имеют маркировку «End».

Перед заполнением карт составляют таблицы с набором реакций, отвечающих превращениям данного элемента и имеющих соответствующую маркировку.

217

5				6
4				7
1				8
3				2
5	1	+HS	S	10	9
CH3-CH2-CH2-CH3 + 4S			700	оС
			→
бутан			+ 3H2S
	→
		S
		тиофен
Рис. 4.13. Пример маркировки карты для имитационного
моделирования (объяснение обозначений в тексте)

4.5.3. Правила имитационного моделирования

Участниками имитационного моделирования могут быть 4-6 человек, каждый из которых получает случайный набор карт с уравнениями различных химических реакций. В ходе игры ее участники по очереди выкладывают карты, стремясь выложить все, имеющиеся у них на руках. Задача играющих - составить замкнутый цикл круговорота данного элемента в биосфере. Для этого используют схему круговорота (рис. 4.12). Карты по каждому из направлений выкладывают в отдельный ряд.

В начале игры раздаются карты на всех игроков поровну. Игра начинается с направления 1. Право первого хода имеет игрок с картой 1.1 и его номер в табл. 4.2 будет также 1. После хода он записывает себе количество баллов, указанное на карте. Следующий игрок должен пойти картой 1.2; если ее у него нет, то он выкладывает любую карту +HS данного направления, записывая себе баллы с соответствующим знаком; если же у него нет и этих карт, то он пропускает ход и записывает себе штрафные баллы - 10. Затем делает ход очередной игрок и т. д.

Тот игрок, который выкладывает карту с маркировкой «End», завершающую направление, записывает себе дополнительно 50 баллов (кроме карты -HS). Затем начинается игра по направлению 2, потом 3 и т.п.

218

Если по какому-либо направлению имеется только одна карта, то игрок, выложивший ее, все равно получает дополнительно 50 баллов. После заполнения всех направлений игроки подсчитывают набранные баллы, определяют победителя. Форма записи результатов игры представлена в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Запись данных имитационного моделирования круговорота элемента

№ хода		Порядковый номер игрока/баллы
	1	2	3		4

В заключение игры рекомендуется проанализировать разложенные в отдельные ряды карты, что отвечает совокупности основных процессов круговорота данного элемента. Каждый студент в зависимости от места, занятого им в игре, анализирует сектор с таким же номером, в конце занятия результаты работы защищает у доски.

4.5.4. Решение экспериментальных задач по исследованию круговорота веществ в биосфере

Для освоения закономерностей круговорота данного элемента на модели желательно провести 2-3 тура игры. После этого преподаватель может предложить студентам экспериментальные задачи по исследованию круговорота веществ в биосфере в различных случаях, когда в колоде отсутствуют отдельные карты. Для естественного круговорота это отвечает отсутствию карт:

-одного из секторов;

-отдельных направлений.

Аналогично исследуется антропогенный фактор: оставить только карты +HS или -HS, или +HS; убрать карты +HS, но оставить карты NP.

В отчете по результатам выполненного исследования обобщите для круговорота данного элемента сведения по следующим факторам: абиотическим, биотическим, положительному и отрицательному воздействию человека. Поясните, какие из процессов энергетически выгодны, какие невыгодны? В каком случае процесс протекает только при использовании негаэнтропии?

Где возможна самоорганизация? Какой фактор надо поддерживать, контролировать? Поясните подробнее влияние абиотических факторов. Какой цикл самый короткий? Приведите примеры антропогенного вмешательства применительно к Вашей специализации. Укажите, какие

219