Добавить новость

Как кислород борется с глобальным потеплением и почему для этого нужны водоросли и бактерии — рассказывают ученые Пермского Политеха

Фото: freepik

Кислород – важнейший элемент на нашей планете. Он широко используется в промышленности, науке и медицине, но самое главное — кислород создает условия для жизни на Земле. Ученые Пермского политеха рассказали, что производит больше кислорода — лес или море, почему избыток кислорода приводит к похолоданию, как дышать на Марсе и для кого опасна передозировка кислорода.

Кислород и зарождение жизни на Земле

— С момента образования нашей планеты и в течение первых 2 миллиардов лет ее существования в атмосфере Земли практически не было кислорода. Поскольку это химически активный газ, он сразу же вступил в реакцию и образовал оксиды – воду и горные породы. Высокое содержание кислорода в современной атмосфере обусловлено фотосинтезом с выделением кислорода (а бывает фотосинтез без выделения кислорода) и снижением вулканической активности. Благодаря этому уменьшилось поступление в атмосферу и на поверхность Земли веществ, на окисление которых расходовался кислород, полученный в результате фотосинтеза, рассказал Вадим Шарифулин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Перми Политехнический университет.

До распространения кислорода в воздухе биосфера была преимущественно анаэробной, т е представлена ​​организмами, не дышащими кислородом, а аэробные (требующие кислород) организмы обитали лишь в изолированных кислородных карманах. Когда в атмосфере начал накапливаться кислород, аэробные организмы стали жить повсюду, а анаэробные организмы переселились жить в бескислородные карманы. В конечном итоге это привело к появлению сложных многоклеточных форм жизни. Появление кислорода в атмосфере сформировало озоновый слой, уменьшив поток ультрафиолетового излучения на поверхность Земли, сделав сушу более пригодной для жизни. Интересно, что фотосинтезирующие бактерии, распространяясь вместе с кислородом, извлекали из атмосферы углекислый газ, что приводило к уменьшению парникового эффекта, глобальному оледенению и массовому вымиранию.

Что производит больше кислорода – леса или океаны?

Об этом рассказала Мария Комбарова, старший инженер, ученый секретарь кафедры охраны окружающей среды Пермского политехнического университета.

Леса не только производят кислород, но и поглощают его. Например, тропический лес имеет огромную плотную зеленую биомассу, которая производит большое количество кислорода. В то же время своеобразный микроклимат, который создают тропические леса, способствует активному разложению органических веществ – опавших листьев, отмерших растений. Актиномицетовые бактерии, грибы и насекомые, питающиеся этим органическим веществом, потребляют кислород примерно в том же объеме, что и вырабатываемый тропическим лесом.

Совсем другой пример – лиственные дубовые и хвойные леса средней полосы России. Они также выделяют кислород, но из-за климата разложение органических отходов (которых сравнительно мало) происходит не так быстро. Следовательно, для разложения мертвых листьев и растений требуется меньше кислорода. Чем больше листовая пластинка, ее фотосинтетическая площадь, тем больше кислорода выделяет дерево. Таким образом, один тополь производит столько же кислорода, сколько 10 берез. В хвойном лесу процесс фотосинтеза продолжается долго, поэтому он происходит практически круглый год. Для сравнения: один гектар хвойного леса может производить 11 тонн кислорода в год, а дубовый лес — 18 тонн.

— Функция леса — улавливать пыль и сажу, плавающие в атмосфере: один гектар лиственного леса за лето «улавливает» 56 тонн загрязнений. Деревья поглощают их и передают в круговорот веществ. Поэтому важно решать проблемы загрязнения воздуха. Выбросы крупных промышленных городов и транспорта, износ дорожных покрытий оказывают повышенную нагрузку на лесные массивы и способствуют ослаблению растений, что приводит к развитию в них заболеваний, отмечает Мария Комбарова.

Помимо кислорода, деревья выделяют фитонциды – биологически активные вещества, защищающие нас от бактериальных и вирусных инфекций. Березовый лес производит в сутки 3 кг фитонцидов, хвойный лес — 5 кг и можжевеловый лес — 30 кг.

Воды мирового океана населены фитопланктоном, подводными «садами» нитчатых, бурых, желто-зеленых и других водорослей. Они не выделяют фитонциды, но не менее важны для кислородного баланса в атмосфере. По научным данным, водоросли производят 50-60% всего кислорода на нашей планете. Фитопланктон обитает в морях, океанах и пресной воде. Помимо производства кислорода, он также отвечает за очистку воды от тяжелых металлов и промышленных выбросов.

- Водоросли также являются основным кормом мальков практически всех видов рыб. Когда гибнет фитопланктон, погибает и огромное количество рыб. При загрязнении воды меняется и видовой состав водорослей. Нарушается процесс их жизнедеятельности, например, наиболее уязвимыми являются диатомовые и желто-зеленые водоросли, при их гибели меняется минеральный состав воды. Бактерии начинают обильно размножаться на мертвых водорослях, используя для жизни кислород. Это также нарушает кислородный баланс. После этого гибнут чувствительные к кислороду микроорганизмы, очищающие воду (фильтры, седиментаторы). После их гибели процесс самоочищения водоема нарушается или прекращается вовсе. В таких случаях водоёмы могут даже перестать существовать – настолько значительным может быть заиление. Тогда вода становится непригодной для питья, рыбоводства и сельскохозяйственных нужд. Купание в таких водоемах может привести к проблемам со здоровьем: инфекционным дерматозам, аллергическим высыпаниям, - поясняет ведущий инженер Пермского политехнического университета Мария Комбарова.

Глобальное потепление также приводит к сокращению популяции водорослей. Изменяется температура воды, в результате чего меняется видовой состав водорослей, а также их численность: объём то уменьшается, то увеличивается. При таком дисбалансе страдают и рыбы: то ли от недостатка пищи, то ли от цветения продуктов жизнедеятельности воды. Еще одним немаловажным фактором являются огромные острова мусора, плавающие в море. Морская вода – агрессивная среда, разъедающая отходы. Из них в воду попадают органика и другие вещества, которые обычно отрицательно изменяют численность и разнообразие водорослей и бактерий.

Фото: Unsplash

Иногда случается, что из-за неразвитой или устаревшей дренажной системы сточные воды жилых домов и предприятий попадают в водные объекты. Выбросы содержат, например, азот, который выделяется из органических отходов, и фосфор, который является одним из компонентов моющих средств.

Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.

Это прекрасная питательная среда для бактерий и водорослей, которые под воздействием этих загрязнителей массово развиваются в нетипичном видовом составе. Все это также приводит к деградации и гибели водоемов. Для тестирования сточных вод на производствах используется метод биоиндикации. На очистных сооружениях изучают состояние активного ила – сообщества бактерий и микроорганизмов, участвующих в очистке воды. Анализ показывает, например, в каком состоянии находятся фильтрующие микроорганизмы: активны ли они, нормально ли живут и размножаются. Для восстановления необходимых микробных ассоциаций осадок насыщают кислородом и питательными веществами. Биоиндикация используется на предприятиях, где образуются и очищаются сточные воды. Еще один метод оценки качества воды – биотестирование. Например, в исследуемую воду помещают микроскопических ракообразных или водоросли. Выявляются нежелательные изменения и определяется возможность получения здорового потомства от этих микроорганизмов.

— Я считаю, что эти методы должны использоваться параллельно. В процессе очистки идет биоиндикация, а на очищенных сточных водах — биотестирование, — заключает Мария Комбарова.

Если на Земле исчезнут леса, кислород продолжит поступать в атмосферу в больших объёмах. Однако деревья очищают воздух от пыли и сажи, а также выделяют фитонциды, подавляющие развитие болезнетворных бактерий. Это делает леса незаменимыми для людей.

Кислород на службе человека

Доля кислорода в земной коре достигает 47%. Он встречается практически во всех горных породах в виде оксидного компонента. Например, песок и гранит – это оксид кремния, железная руда – это оксид железа. Минерал апатит используется для производства фосфорных удобрений, керамики и стекла, а доломит — для изготовления, например, декоративной плитки, как для облицовки зданий, так и для отделки помещений.

Вадим Шарифулин, доцент кафедры прикладной физики ПНИПУ, отмечает, что среди газов самыми сильными магнитными свойствами обладает кислород — он намагничивается примерно в 50 раз лучше, чем гелий и водород. Чем ниже температура кислорода, тем сильнее его магнитные свойства. Например, без специальных приборов можно увидеть, как жидкий кислород притягивается к сильному магниту (температура ниже –183°С). Уникальные магнитные свойства позволяют определять концентрацию кислорода в газовых смесях с помощью газоанализаторов, которые используются в научных исследованиях, медицине, различных отраслях промышленности, на предприятиях нефтегазовой и камнедобывающей промышленности.

Вячеслав Пункаев, ассистент кафедры химических технологий Пермского политехнического университета, рассказывает, что в промышленности кислород получают путем сжижения воздуха в холодильных машинах. Азот испаряется, а полученный чистый кислород используется во многих отраслях промышленности: для модернизации и повышения эффективности металлургических процессов, при сварке и резке металлов, в производстве серной и азотной кислот, для реактивных двигателей. В чистом кислороде горение происходит более интенсивно, чем в воздухе. Многие вещества, которые вообще не горят на воздухе из-за азота, могут воспламеняться и плавиться в кислороде, например железо и сталь. Это упрощает технологию обработки материала.

- Интересно, что обычная хлопчатобумажная одежда не воспламеняется при случайном разряде статического электричества, а происходит это в атмосфере с чистым кислородом и достаточно высоким давлением. Все дело в молекулярной природе газа. Газы представляют собой отдельные молекулы; чем выше концентрация молекул, тем больше вероятность того, что они столкнутся и вступят в химическую реакцию. Например, есть способ предотвратить пожар: концентрацию азота в помещении повысить до 85%, тем самым снизив концентрацию кислорода до 15%. В таких условиях здоровый человек еще может дышать без вреда для здоровья, но та же бумага практически не горит. То есть молекулы горючей бумаги чаще сталкиваются с химически нейтральным азотом, чем с кислородом, добавляет Вадим Шарифулин.

В этом случае избыток кислорода может привести к передозировке. Например, при дыхании чистым кислородом через 10-15 минут появляется онемение и дрожание губ, которые при более длительном воздействии переходят в судороги и потерю сознания. Длительное воздействие кислородного отравления может привести к смерти. Однако само это отравление представляет собой специфическое явление и не может произойти в бытовых условиях. Ему подвержены, например, водолазы и подводники, — отмечает Вячеслав Пункаев.

Фото: Unsplash

Евгений Бурмистров, математик первой категории Института математического моделирования систем и процессов, преподаватель Политехнической школы ПНИПУ, рассказал, что за пределами земной атмосферы, на таких космических станциях, как МКС, космонавты обеспечиваются кислородом благодаря системы жизнеобеспечения, а именно генераторы кислорода. Они разлагают воду на водород и кислород путем электролиза. Затем кислород используется для дыхания экипажа. Откуда берется вода на МКС? Сначала его доставляют с Земли грузовым кораблем вместе с оборудованием и продовольствием. Во-вторых, вода на МКС перерабатывается и используется повторно. Использованная вода проходит через системы очистки и фильтрации, чтобы снова быть доступной для потребления. В-третьих, оборудование для сбора влаги собирает конденсат из атмосферы МКС и направляет его в системы очистки и хранения.
— На Марсе проблема получения кислорода более сложна из-за отсутствия готовой атмосферы, богатой кислородом. Планируемые миссии на Марс должны решить эту проблему. Один из способов — использовать собственные системы жизнеобеспечения, аналогичные тем, что используются на космических станциях, но с более эффективной технологией получения кислорода из имеющихся ресурсов. Например, миссии на Марс могут включать использование электролиза для извлечения кислорода из воды, которую можно найти на Марсе в виде льда или подземных ресурсов, говорит Евгений Бурмистров.

Рассматриваются и другие методы, такие как выращивание растений или использование химических процессов для извлечения кислорода из газообразных компонентов марсианской атмосферы.

Кислород необходим для производства и переработки многих материалов, которые окружают нас каждый день. Кислород обеспечивает условия для жизни на Земле, а производство нарушается из-за вредных выбросов в атмосферу и водоемы. Для поддержания биологического баланса необходимо уделять особое внимание очистным сооружениям, а также поддерживать здоровье лесов и фотосинтезирующих микроорганизмов, обитающих в Мировом океане.

[мин]ИсследователиНаука Химия Научпоп КислородMCSOSМорская экология Длинный пост 0 Эмоций

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Как кислород борется с глобальным потеплением и почему для этого нужны водоросли и бактерии — рассказывают ученые Пермского Политеха.

Moscow.media
Музыкальные новости

Новости Пермского края





Все новости Пермского края на сегодня
Губернатор Пермского края Дмитрий Махонин



Rss.plus

Другие новости Пермского края




Все новости часа на smi24.net

Moscow.media
Пермь на Ria.city
Новости Крыма на Sevpoisk.ru

Другие регионы России