Кислород — самый важный элемент нашей планеты. Его широко применяют в промышленности, науке и медицине, но самое главное — кислород формирует условия для жизни на Земле. Ученые Пермского Политеха рассказали, что производит больше кислорода — леса или океан и почему его избыток приводит к похолоданию.
«С момента формирования Земли и в течение первых двух миллиардов лет ее существования в атмосфере Земли практически отсутствовал кислород. Так как это химически активный газ, он сразу вступал в реакцию, образуя оксиды, — воду и горные породы. Высокое содержание кислорода в современной атмосфере обусловлено фотосинтезом с выделением кислорода (а бывает фотосинтез и без выделение кислорода) и снижением вулканической активности. Благодаря этому уменьшилось поступление в атмосферу и на поверхность Земли веществ, на окисление которых расходовался кислород, полученный фотосинтезом», — рассказывает Вадим Шарифулин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского Политеха.
До распространения кислорода в воздухе биосфера была преимущественно анаэробной, то есть представлена организмами без кислородного дыхания, при этом аэробные (нуждающиеся в кислороде) организмы обитали лишь в изолированных кислородных карманах. Когда кислород стал накапливаться в атмосфере, аэробные организмы стали обитать повсеместно, в то время как анаэробные перебрались жить в бескислородные карманы. В итоге это привело к появлению сложных многоклеточных форм жизни. Появление кислорода в атмосфере сформировало озоновый слой, уменьшив поступление ультрафиолетового излучения на поверхность Земли, сделав сушу более обитаемой. Интересно, что фотосинтезирующие бактерии, распространившиеся вместе с кислородом, извлекали из атмосферы углекислый газ, что привело к снижению парникового эффекта, глобальному оледенению и массовому вымиранию.
Что производит больше кислорода — лес или океан?
Об этом рассказала Мария Комбарова, ведущий инженер, ученый секретарь кафедры охраны окружающей среды Пермского Политеха.
Леса не только вырабатывают кислород, но и поглощают его. Например, тропический дождевой лес обладает огромной и плотной зеленой биомассой, вырабатывающей большое количество кислорода. При этом своеобразный микроклимат, который создают дождевые леса, способствует активному разложению органики — опавших листьев, отмерших растений. Бактерии актиномицеты, грибы и насекомые, которые питаются этой органикой, потребляют кислород примерно в том же объеме, что и вырабатывается тропическим лесом.
Совсем другой пример — лиственные дубравы и хвойные леса средней полосы России. Они также выделяют кислород, однако в силу климата разложение органической подстилки (которой относительно немного) происходит не столь быстро. Соответственно, кислорода на разложение отмерших листьев и растений требуется меньше. Чем больше пластина листа, его фотосинтезирующая площадь, тем больше кислорода дерево выделяет. Так, тополь вырабатывает столько же кислорода, сколько 10 берез. В хвойном лесу процесс фотосинтеза продолжается больший период времени, поэтому он почти круглогодичен. Для сравнения: с гектара хвойного леса за год можно получить 11 тонн кислорода, а дубрава даст 18 тонн.
«Функция лесов состоит еще в том, что они улавливают парящую в атмосфере пыль и сажу: один гектар лиственного леса за лето «захватывает» 56 тонн загрязнений. Деревья их поглощают и отправляют дальше в круговорот веществ. Поэтому важно решать проблемы загрязнения воздушного бассейна. Выбросы крупных промышленных городов и автотранспорта, стирание дорожного полотна оказывают увеличенную нагрузку на лесопарковые зоны, способствуют ослабеванию растений, что приводит к развитию у них заболеваний», — отмечает Мария Комбарова.
Кроме кислорода, деревья выделяют фитонциды — биологически активные вещества, которые защищают нас от бактериальных и вирусных инфекций. Березовый лес за сутки вырабатывает 3 кг фитонцидов, хвойный бор — пять килограммов, а можжевеловый лес — 30 килограммов.
Воды мирового океана населяет фитопланктон, подводные «сады» нитчатых, бурых, желто-зеленых и прочих водорослей. Фитонциды они не выделяют, однако не менее важны для кислородного баланса в атмосфере. По научным данным, водорослями вырабатывается 50-60% всего кислорода нашей планеты. Фитопланктон населяет океаны, моря, пресноводные водоёмы. Кроме выработки кислорода, он также отвечает за очищение воды от тяжелых металлов, соединений промышленных сбросов.
«Водоросли являются также основной кормовой базой для мальков почти всех видов рыб. Погибает фитопланктон — умирает и огромная масса рыбы. При загрязнении воды меняется и видовой состав водорослей. Нарушается процесс их жизнедеятельности, например, самыми уязвимыми являются диатомовые водоросли и желто-зеленые водоросли, в случае гибели которых меняется минеральный состав воды. На отмерших водорослях начинают обильно размножаться бактерии, которые потребляют для жизни кислород. Таким образом нарушается и кислородный баланс.
Следом за этим чуткие к кислороду микроорганизмы, очищающие воду (фильтраторы, седиментаторы) погибают. После их гибели процесс самоочищения водоема нарушается или вовсе прекращается. Водоемы в подобных случаях могут даже прекратить свое существование — столь значительным бывает заиливание. Тогда вода становится непригодной для питья, рыбоводства и сельскохозяйственных нужд. Купание в таких водоемах может привести к проблемам для здоровья: инфекционным дерматозам, аллергическим высыпаниям», — объясняет ведущий инженер Пермского Политеха Мария Комбарова.
К сокращению популяции водорослей приводит и глобальное потепление. Меняется температура воды, вследствие чего происходит изменение видового состава водорослей, а также их численности: объем то сокращается, то увеличивается. При этом дисбалансе страдает и рыба: то от бескормицы, то от продуктов цветения воды. Другой важный фактор — плавающие в океане огромные острова мусора. Морская вода является агрессивной средой, которая разъедает отходы. Из них в воду поступают органика и другие вещества, обычно негативно изменяющие численность и разнообразие водорослей и бактерий.
Порой бывает, что в условиях неразвитой или устаревшей водоотводящей системы, сточные воды с жилых домов и предприятий попадают в водоемы. Выбросы содержат, например, азот, который выделяется из органических отходов, и фосфор как один из компонентов моющих средств. Это является прекрасной питательной средой для бактерий и водорослей, которые под воздействием этих загрязнений массово развиваются в нетипичном видовом составе. Все это также приводит к деградации и гибели водоемов. Для проверки сточных вод на производствах используют метод биоиндикации. На очистных сооружениях изучают состояние активного ила — сообщества бактерий и микроорганизмов, участвующих в очистке воды.
