169925 (Стадии жизненного цикла и оценка их влияния на уровень загрязнения окружающей природной среды), страница 3

При изучении геохимического значения человека как однородного живого вещества мы не можем возводить ее полностью к весу, сложу или энергии новый фактор - человеческое сознание. Вернадский называл это ноосферой.

Функции живого вещества (ЖВ). Для раскрытия сущности процессов, которые проходят в биосфере А.В. Лапо (1987) предложил основные функции ЖВ: энергетическую, деструктивную, концентрационную и средообразующую. Энергетическая функция. Она выполняется растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Такую реакция можно записать в виде (Д. Кребс):

12Н2О + 6СО2+солнечная энергия + хлорофилл + энзимы → С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О

Зеленые растения являются живым механизмом биосферы. Они улавливают солнечный луч и создают фотосинтезом химические тела - своеобразные солнечные сплетения, энергия которых в дальнейшем является действенной химической энергией биосферы.

По расчетам Вернадского В.И. на Земле ежегодно аккумулируется растениями около 10¹⁹ ккал энергии. Внутри экосистемы эта энергия в виде еды распределяется между животными. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в копательное состояние. Так образуются торф, каменный уголь, нефть.

Деструктивная функция. Эта функция заключается в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, втяжении образованных минералов в биотический круговорот. Мертвое органическое вещество раскладывается к простым неорганическим соединениям (углекислого газа, сероводороду. Метану, аммиаку и тому подобное), которые опять используются в начальном звене круговорота. Этом занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).

Особо следует сказать о химическом расписании горных пород. Благодаря ЖВ биотический круговорот пополняется минералами, которые высвобождаются из литосферы. Например, по свидетельству А.В. Лапо, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождал из базальта 3% входящего к нему кремния, 11% алюминия, 59% магния, 64% железа. Пионеры жизни на скалах - бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и лишайники - оказывают на горные породы более сильное химическое влияние растворами целого комплекса кислот - угольной, азотной, сернистой и разнообразных органических. Раскладывая с их помощью те или другие минералы, организмы избирательно изымают и включают в биотический круговорот более важные питательные элементы - кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы.

Общая масса зольных элементов, которая включается ежегодно в биотический круговорот только на сущих, складывает около 8 млрд. т. Это в несколько раз превышает массу продуктов извержения всех вулканов мира на протяжении года. Благодаря жизнедеятельности организмов-деструкторов образуется уникальное свойство почв - их плодородие.

Концентрационная функция заключается в выборочном накопленные при жизнедеятельности организмов атомов веществ, которые рассеяны в природе. Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность ЖВ. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них сравнительно с естественной средой содержимое марганца увеличено в 1200000 раз, железа - в 65000, ванадию - в 420000, серебра - в 240000 раз и тому подобное.

Морские организмы активно концентрируют рассеянные минералы для построения своих скелетов или сени. Существуют, например, кальциевые организмы (моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, известняковые водоросли и тому подобное) и кремниевые (диатомовые водоросли, кремниевые губки). Особо следует обратить внимание на способность морских организмов накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (трут, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. Их концентрация в теле беспозвоночных и рыб может в сотне тысяч раз превышать содержимое в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в еду может угрожать отравлением тяжелыми металлами или быть опасным в связи с повышенной радиоактивностью.

Средообразующая функция заключается в трансформации физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, благоприятные для существования организмов. Можно сказать, что она является совместимым результатом всех рассмотренных выше функций ЖВ: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют исключению с естественной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов.

Средообразующие функции ЖВ создали и поддерживают в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе и человека. Вместе с тем ЖВ способна возобновлять условия существования, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного влияния. Эту способность ЖВ к регенерации экологических условий выражает принцип Лэ Шателье, заимствованный из области термодинамических равновесие. Он заключается в том, что изменение любых переменных в экосистеме в ответ на внешние вмешательства осуществляется в направлении компенсации этих вмешательств. В теории управления аналогичное явление носит название негативных обратных связей. Благодаря этим связкам система возвращается в начальное состояние, если вмешательства не превышают предельных значений. Таким образом гомеостаз, стойкость экосистемы, оказывается явлением не статичным, а динамическим.

В результате средообразующие функции в географической оболочке случились последующие важные события: был преобразован газовый состав первичной атмосферы; изменился химический состав вод первичного океана; образовалась толща пород осадок в литосфере; на поверхности сущие образовалась плодородная грунтовая сень (также плодородные воды океана, год и озер).

Вернадский объясняет парадокс: почему, несмотря на то, что общая масса ЖВ - пленка жизни, которая покрывает Землю, - очень имела, результаты жизнедеятельности организмов отображаются на составе и литосферы, и гидросферы, и атмосферы?

Если ЖВ распределить на поверхности Земли ровным слоем, ее толщина сложит всего 2 см. При такой незначительной массе организмы осуществляют свою планетарную роль за счет очень быстрого размножения, то есть очень энергичного круговорота веществ, связанного с этим размножением.

Масса ЖВ, которая отвечает данному моменту времени, с трудом сравнивающая с тем грандиозным ее количеством, которое производило свою работу в течение сотен миллионов лет существования организмов. Если посчитать всю массу ЖР, образованной за это время биосферой, она окажется ровной 2,4*10²⁰т. Это в 12 раз превышает массу земной коры.

На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могучей за своими конечными последствиями, чем живые организмы, взятые в целом. Глины, известняки, доломиты, бурый железняк, бокситы - это все породы органического происхождения. В конечном итоге, свойства естественных вод, соленость Мирового океана и газовый состав атмосферы определяются жизнедеятельностью существ, планета которых населяющей.

Рассмотрим влияние средообразующие функции организмов на содержимое кислорода и углекислого газа в атмосфере. Напомним, что повышение концентрации СО2 в атмосфере вызывает "парниковый эффект" и способствует потеплению климата. Свободный кислород выделяется при фотосинтезе. Впервые на Земле массовое развитие фотосинтезирующих организмов - сине-зеленых водорослей - имело место 2,5 млрд. лет назад. Благодаря этому в атмосфере появился кислород, что дало импульс быстрому развитию животных. Однако интенсивный фотосинтез сопровождался усиленным употреблением СО₂ и уменьшением его содержимому в атмосфере. Это привело к ослаблению "парникового эффекта", резкому похолодание и первому в истории планеты обледенел.

В наши дни накопление в атмосфере углекислого газа от сжигания углеводородного топлива рассматривается как тревожная тенденция, которая ведет к потеплению климата, таяния ледников и угрожает повышением уровня Мирового океана больше чем на 100 м. В связи с этим следует заметил функцию увлечения и захоронения избыточной углекислоты морскими организмами путем переводу ее в соединения углекислого кальция, а также путем образования биомассы ЖВ на сущих и в океане. Значит, чем больше зеленые, тем более поглощение СО2.

Чистота морских вод - во многом результат фильтрации, которая осуществляется разнообразными организмами, но особенно зоопланктоном. Большинство из этих организмов добивает еду, отцеживая из воды мелкие частицы. Работа их настолько интенсивна, что весь океан очищается от примесей за 4 года. Байкал исключительной чистоте своих вод во многом обязан веслоногому рачку, который за год трижды процеживает его воду.

Действие средообразующие функции живого вещества на примере озера Вашингтон.

С 1963 года, с момента перепускания стоков мимо озера в океан резко уменьшается концентрация фосфора и количество биомассы фитопланктона (водоросли, хлорофилл). Концентрация азота в воде изменилась незначительно. Поэтому причиной уменьшения массы фитопланктону является уменьшение поступления Р в водоем. Вода стала более чистой.

Очистка стоков привела к резкому повышению качества воды в озере сравнительно с предыдущими состояниями. Это совпало с появлением в воде дафнии - фильтрующих организмов, которые поглощают небольшую зелень и таким образом очищают воду. С 1976 года резко выросли количество дафнии (на 12%) на протяжении года и держалась на этом уровне. Одновременно дафнии являются кормом для рыб, потому в озере появилась рыба. Это яркий пример возобновления функционирования экосистемы в результате действия средообразующие функции живого вещества.

2. Задача

Рассчитать и сделать анализ материального и энергетического балансов производства нитробензола по технологии представленной на рисунке. Оценить масштаб антропогенной нагрузки на окружающую среду (рис. 4).

Рис. 4 - Схема процесса получения нитробензола

Реакция получения нитробензола (С₆H₅NO₂) протекает в присутствии серной кислоты (H₂SO₄) и избытке бензола (С₆Н₆) из расчета 1 кмоль бензола на 0,95 кмоль азотной кислоты (HNO₃):

.

Азотная и серная кислоты поступают в виде растворов с массовыми концентрациями ₂ и ₃. Концентрация серной кислоты в течение процесса получения нитробензола уменьшается до величины ₆. Вода, образующаяся в ходе реакции и поступающая с раствором азотной кислоты, уменьшает концентрацию серной кислоты в растворе.

Введение исходных продуктов в систему и выведение из нее продуктов реакции осуществляется при температуре окружающей среды t₁. Реакция получения нитробензола протекает при температуре t₂ > t₁ с эффективностью, которая определяется выходом реакции.

В процессе смешения реагентов происходит выделение тепловой энергии при взаимодействии бензола с азотной кислотой и в результате разбавления серной кислоты реакционной водой и водой, поступающей с исходными реагентами. Количество выделяемой тепловой энергии определяется соответственно удельным тепловым эффектом нитрования бензола и (q₁) и удельной теплотой разбавления серной кислоты (q₂). Потери тепловой энергии нормируются коэффициентом тепловых потерь, который определяет долю тепла, теряемую от общего входного потока тепловой энергии.

При расчете принимаются следующие исходные данные:

Решение