Николаев А.С. Экология учебное пособие

–достаточное увлажнение; более чем 1,5 – избыточное увлажнение. На основе анализов фактора проводится комплексное агроклиматическое районирование местности. Более подробная информация об изложенном выше содержится в [32].

Всреднем многолетнем выражении и запасы тепла, и объемы выпадающей атмосферной воды довольно постоянны, хотя от года к году могут наблюдаться существенные колебания в обеспечении конкретной территории теплом и влагой. Так как эти ресурсы формируются в определенных звеньях теплового и водного круговоротов, постоянно действующих на планете, запасы тепла и влаги рассматривают как неисчерпаемые в определенных количественных пределах и точно установленных для каждого района.

Вцелом, водные ресурсы нашей планеты обладают колоссальным объемом – около 1,5 млрд. км3 воды: 98% этого объема составляют соленые воды мирового океана, и только 28 млн. км3

–пресные воды. Ежегодно возобновляемые запасы пресных вод по разным оценкам колеблются от 41 до 45 тыс. км3 (ресурсы полного речного стока) [32]. Мировое хозяйство в 90 годах ХХ столетия расходовало для своих нужд около 4-4,5 тыс. км3 [32], что составляло примерно 10% от возобновимого водозапаса, и, следовательно, при условии принципов рационального водопользования эти ресурсы можно рассматривать как неисчерпаемые. Тем более если учесть перспективы опреснения соленых вод. Однако при нарушении принципов рационального природополь-

91

зования ситуация резко обострена в отдельных регионах, например, на границе Мексики и США [26].

Согласно современным представлениям неисчерпаемые ресурсы являются прекрасным источником производства энергии: солнечная энергия, ветровая, приливная, геотермальная, энергия температурного градиента вод океана. В настоящее время в данном направлении они используются мало из-за технологических трудностей освоения и высокой стоимости производимой энергии. Но если учесть фактор исчерпаемости и эффекты загрязнения, то необходимость исследований и практических разработок в области нетрадиционных источников энергии не вызывает сомнений.

Сегодня основным топливно-энергетическим сырьем являются полезные ископаемые: нефть, каменные и бурые угли, горючий газ, битумные сланцы, уран (точнее U3O8). За исключением последнего, данный вид сырья является по сути аккумулятором солнечной энергии (см. рис.2.2) поскольку оно образовалось из фрагментов некогда живых организмов. Высвобождаясь в процессах окисления (горения) эта энергия позволяет людям жить в тепле и производить работу.

Каждый вид топливного сырья обладает определенной теплотворностью. Например, при сгорании 1 т каменного угля выделяется 27,91·103 МДж энергии, бурого угля – 13,96·103 МДж; 1 т нефти – 41,87·103МДж; 1 тыс. м3 газа – 38,84·103 МДж энергии. Для сопоставления различных видов топлива, а также для сопос-

92

тавимости самих топливно-энергетических ресурсов введены следующие единицы: 1) тонна условного топлива в угольном эквиваленте (тут в уг. экв.), теплота ее сгорания соответствует теплоте сгорания 1 тонны антрацита – 27,91·103 МДж; 2) тонна условного топлива в нефтяном эквиваленте (тут в неф. экв.), имеющая теплоту сгорания 1 тонны нефти – 41,87·103 МДж.

Отрицательным, с экологических позиций, является то, что при использовании горючего тепла неизбежно образуются такие вещества, как оксиды серы и бенз(а)пирен. Оксиды серы, как отмечено ранее, обусловливают кислые дожди, при которых на поверхность льется не чистая вода, а разбавленная серная кислота (H2SO4). Бенз(а)пирен, попадая в ткани живых организмов, способствует формированию раковых новообразований. Поэтому актуально использование нетрадиционных энергоресурсов.

Солнечная энергия – самый крупный энергетический источник на Земле: общее количество солнечной энергии примерно в 17 000 раз превышает современное потребление энергии мировым хозяйством (см. таб.3.1). Но излишнее отторжение ее в антропогенный канал привело бы к деградации существующих природных экологических систем и к гибели самого человечества. К тому же плотность солнечного излучения на земной поверхности столь мала (даже в тропических пустынях днем она

93

2020 году за счет преобразования солнечной энергии мировые потребности в электроэнергии будут удовлетворены на 15-20%.

Ветровую энергию используют с прошлых веков в Англии, Голландии, Франции и других странах, но в небольших масштабах. Тем не менее испанская провинция Альбасете полностью обеспечена электроэнергией от ветровых установок. Современные ветросиловые установки создают в Японии. Общие ресурсы ветровой энергии Земли огромны (составляют около 6,3·1022 Дж/год – см. таблицу 3.1), хотя и строго локализованы. Для получения единицы электрической мощности за счет ветровой энергии необходимо в среднем в 4-5 раз больше площади, чем для гелиоустановок [32].

Использование приливной энергии морских волн основано на преобразовании энергии удара в гравитационную, тепловую и электрическую формы энергии. В мире имеется свыше 25 участков морских побережий с высокими приливами (не менее 7 м высотой) и соответствующей топографией, пригодных для строительства приливных электрических станций (ПЭС) [32].

Сейчас в мире действуют 2 ПЭС – в России (Кислогубская) и во Франции, в устье Гаронны.

Таблица 3.1

Потоки энергии у земной поверхности и годовой ресурс (расход) отдельных видов энергии [13]

94

Примечание: 1 ТВт = 1012 Вт.

Геотермальная энергия – внутренняя энергия Земли. Нормальный температурный градиент Земли: 3о на 100 м глубины. В отдельных местах этот показатель имеет значение до 5о на 100 м и даже до 1о на 5 м глубины. Геотермальная энергия с мощностью порядка 30 ТВт образуется в результате перераспределения плотностей вещества и радиоактивного распада в земных недрах [13]. Гравитационное перераспределение масс совместно с частью геотермической энергии генерирует упорядоченные про-

95

цессы рудообразования в литосфере. Глобальная мощность этих упорядоченных процессов не превосходит 10 ГВт, что на 4 порядка меньше мощности фотосинтеза глобальной биоты [13]. Геотермальные электростанции действуют в Италии, США, Японии, Исландии и др. Всего в мире их насчитывается 188 общей мощностью 4760 МВт. Предполагают, что в будущем основное назначение геотермальной энергии – производство тепла, но при этом необходимо учитывать высокую токсичность термальных вод и химическую агрессивность сопутствующих жидкостей и газов.

Биоконверсионная энергия – энергия, аккумулированная в биомассе. Количество энергии, заключенное в фитомассе лесов мира оценивают величиной 1,8·1017 Дж [32]. Древесина служила топливом еще с первобытных времен, и до сих пор она (вместе с навозом и прочими отходами сельскохозяйственного производства) дает около 3,6·1015 Дж энергии, потребляемой главным образом населением развивающихся стран. В процессе разложения отходов (навоза, соломы и т.п.) или органических бытовых отходов целлюлозными анаэробными (обходящимися без кислорода) организмами при участии бактерий метанового брожения образуется биогаз, используемый как топливо. Биогаз – смесь газов примерного состава: метан - 55÷65 %, диоксид углерода - 35÷45 %; примеси азота, водорода, кислорода и сероводорода. В мире эксплуатируется более 8 млн. установок для получения биогаза, в том числе промышленных. В основном это примитивные уста-

96

новки в Китае и Индии, но в последние годы созданы соответствующие установки и в промышленно развитых странах.

Говоря о неисчерпаемости отдельных видов ресурсов, отметим, что из космоса к поверхности Земли направлен непрерывный поток атомов гелия, последний при определенных условиях является источником водорода. Водород является перспективным сырьем для транспортного топлива и теплоэнергетики.

Для современного общества все большее значение имеет такой комбинированный ресурс, объединяющий элементы и свойства исчерпаемых и неисчерпаемых природных ресурсов, как биоразнообразие (см. рис.3.1). По оценкам биологов, в настоящее время на Земле насчитывается до 30 млн. различных биологических видов [28]. Биоразнообразие является важнейшим ис-

точником генетической информации, используемой в различ-

ных областях; в том числе в медицине, при производстве натуральных пестицидов, селекции растений и животных в сельском хозяйстве и т.д. Сокращение видового разнооборазия – одна из наиболее острых глобальных экологических проблем. Задачей современного экономического развития является сохранение и поддержание биоразнообразия в качестве комплексного природного ресурса. Последнее нашло отражение в материалах КОСР-2, в «Конвенции по биологическому разнообразию» [21].

Другим примером комплексного ресурса, также приобретшего ключевое значение для современного индустриального об-

щества, служит ассимиляционный (потенциал) ресурс отдель-

97

ных экосистем и биосферы в целом. Ассимиляционный потен-

циал – это свойство отдельных природных систем и биосферы в целом «принимать» различные виды загрязнений и отходов, поглощать их и превращать в безопасные, подчас полезные, формы. В этом смысле ассимиляционный потенциал биосферы можно рассматривать в качестве важнейшего естественного ресурса, имеющего свойства, сходные с запасами древесного сырья или месторождениями полезных ископаемых.

Ассимиляционный ресурс представлен, прежде всего, бактериями и может быть использован для получения металлов. Например, существуют бактерии, способные выщелачивать металлы из руд, называемые хемолитотрофными, т.е. буквально «поедающие скалы». Хемолитотрофные бактерии при умеренных температурах (+5 ÷ +80оС) используют неорганические вещества в качестве окисляемых субстратов – доноров электронов. Окисляемый неорганический субстрат является для этих бактерий и источником энергии, и восстановителем. Такими субстратами могут быть молекулярный водород («водородные» бактерии), оксид углерода (карбоксидобактерии), восстановленные соединения серы (тионовые бактерии), соединения азота (нитрифицирующие бактерии). Окислителем во всех перечисленных случаях является молекулярный кислород. Для получения цветных и благородных металлов используют сульфидные руды. В основе биогеотехнологии извлечения металла из этих руд лежит процесс бактериального окисления сульфидных минералов и элементов с

98

переменной валентностью S(0), S(II), Fe(II), U(IV), Cu(I) в кислой среде, обеспечивающей вскрытие и перевод из нерастворимой сульфидной формы в растворимую сульфатную, что обеспечивает в дальнейшем получение металлов в чистом виде [23]. В настоящее время решены теоретические вопросы биогеотехнологии таких металлов, как медь (Cu), никель (Ni), цинк (Zn), кобальт (Co), кадмий (Cd), мышьяк (As) и некоторых других элементов. В процессе бактериального выщелачивания широко используют для получения меди, урана (U) и золота (Au). В США, например, получают таким образом более 10% меди от общего объема добычи этого металла. В России и ряде других стран успешно развиваются также методы бактериально-химического выщелачивания сложных медных, цинковых, никелевых, медно-цинковых, олово- и золотосодержащих мышьяковистых концентратов. Известны методы микробиологического извлечения металлов из растворов, основанные на использовании особенностей многих микроорганизмов осаждать их. Микробиологические процессы извлечения металлов из растворов подразделяют на следующие три группы: абсорбция металлов на поверхности микробных клеток, поглощение металлов клетками и их химическое превращение. Широко используют способность многих бактерий, водорослей и грибов накапливать неорганические вещества, поглощая их из растворов и сточных вод. С помощью микроорганизмов и водорослей можно извлечь из разбавленных растворов до 100% свинца, ртути, цинка, меди, никеля, кобальта, марганца, хрома,

99

урана и некоторых других элементов, до 96-98% золота и серебра, до 84% платины, 93% селена [23]. Бактериальные полисахариды эффективны для извлечения из растворов радиоактивных элементов, а также меди и кадмия.

Микроорганизмы позволяют вовлечь в переработку огромные запасы бедных и сложных по составу руд и отходов, а также расположенные на глубинах месторождения, обеспечивают комплексное и более полное использование минерального сырья.

Бактерии способствуют растворению соединений серы, в том числе и органических, содержащихся в каменном угле, что делает возможным освобождать богатый серой уголь от этой вредной примеси до сжигания или термической переработки.

Установлено, что с помощью бактерий возможно уменьшение содержания метана в воздухе угольных шахт. Для этой цели используют бактерии, интенсивно окисляющие метан до диоксида углерода и способные развиваться на простых минеральных питательных средах. В условиях угольной шахты такие микроорганизмы за 2-4 недели окисляют до 70% метана.

Перспективно использование микроорганизмов для повышения нефтеотдачи нефтяных месторождений. Решается также задача по организации производства биомассы микроорганизмов для биодеградации токсичных соединений фенолов и производных, гербицидов, пестицидов, ксенобиотиков, а также биомассы микроорганизмов для очистки сточных вод производств химиколесного, металлургического, топливно-энергетического, агро-

100