атмосфере, грунтах, в подземных и поверхностных водах, их влияние на жизнедеятельность микроорганизмов, растительности, животных и человека в различных зонах воздействия предприятий на окружающую среду;
-изучение ландшафтно-геохимических, гидролого-гидрогеологических и инженерно-геологических условий и параметров миграции компонентов загрязнителей с использованием дистанционных, геофизических, геохимических, микробиологических и других методов;
-типизацию территории по устойчивости и защищенности ее по отношению
кзагрязнению и засолению, а также по степени хозяйственной ценности /114, 120, 124, 133, 166/;
-изучение и моделирование процессов химической термодинамики при загрязнении и самоочищении на геохимических барьерах с прогнозной оценкой параметров качества среды, в связи с планируемой техногенной нагрузкой в зонах влияния объектов, предприятий и хозяйств на окружающую среду /153, 154/;
-разработку и внедрение природоохранных мероприятий одновременно с составлением планов социально-экономического развития и территориальных комплексных схем охраны природы, рационального использования и воспроизводства природных ресурсов (ТЕРКСОП).
1.2Круговорот веществ на Земле
В пределах планеты осуществляется разномасштабный круговорот веществ, охватывающий как внешние, так и внутренние геосферы, включая мантию и ядро Земли. Выделяются геологический и биологический круговорот веществ. Биологический круговорот веществ определяет биосферные циклы миграции химических элементов, условия формирования и развития биосферы. Геологический круговорот имеет несколько циклов миграции химических элементов.
Необходимо выделить естественноисторические и техногенные циклы круговорота, формирующиеся под влиянием человеческой деятельности. Одной из ветвей планетарного геологического цикла круговорота веществ являются вулканические извержения и землетрясения, регистрируемые сейсмографами на глубинах до 700-900 км, т. е. на глубине тектонически активной части планеты - тектоносферы, чаще называемой литосферой. По современным геологическим воззрениям, литосфера состоит из отдельных плит, медленно перемещающихся относительно друг друга во времени. Значительно лучше изучен круговорот веществ во внешних оболочках Земли. Продукты разрушения почв и горных пород с возвышенных участков суши переносятся вниз по рельефу местности и осаждаются в морских и континентальных бассейнах, формируя илы, осадки и затем осадочные горные породы. Наиболее значительную геологическую силу, по В.И.Вернадскому, представляет техногенный круговорот веществ во внешних оболочках Земли. Техногенный круговорот веществ на Земле сегодня изучается исключительно в практических целях.
Большую роль в развитии и функционировании живых организмов биосферы и литосферы играет круговорот воды на Земле. Он является основной частью
18
планетарного геологического круговорота веществ. Испарение воды с поверхности водоемов - постоянно протекающий процесс воспроизводства ресурсов пресных вод. Дождевая и снеговая вода систематически питает ручьи, реки, пресноводные озера и верхние горизонты подземных вод. Пресные воды всех этих объектов служат источником жизнедеятельности всего континентального населения биосферы. В.А. Всеволожский отмечает, что «с геологических позиций движение воды в земных недрах, включающее простые (механическая, физическая, химическая) и сложные формы движения (биологическая, техногенная), переходы воды из одного физико-агрегатного состояния в другое и процессы взаимодействия воды с горными породами, рассматривается в настоящее время в качестве важнейшей составляющей геологической формы движения материи (А.Н. Павлов, Е.В. Пиннекер и др.)» /106, c.36/. Более справедливо выделять не геологическую форму, а геологическую систему движения материи, включающую в себя не только формы, но и ряды движения /115/. В качестве основных составляющих единой геологической системы движения материи применительно к подземным водам «рассматриваются два основных вида круговорота воды в земной коре: гидрогеологический и геологический» /106, c. 36/.
А.Н. Павлов, Е.В. Пиннекер и другие учёные гидрогеологический круговорот воды рассматривают в качестве составной части гидрологического, климатического круговорота на Земле /160, 166/. По мнению других исследователей есть все основания выделить гидрогеологический круговорот в качестве самостоятельного в связи с особенностями формирования подземной гидросферы /106, 114/. Необходимо учитывать при этом нахождение воды в различных физико-агрегатных состояниях, в том числе и таких, как физически связанная, химически связанная, капиллярная и пр., а также в связи с ее исключительной ролью в геологических процессах в земной коре и верхней мантии.
Б.И. Куделин, изучая подземные воды, ввел понятие «подземный сток», обозначающее движение свободных (гравитационных) подземных вод в пределах зоны полного насыщения. Здесь система потоков подземных вод тесно связана с геологическими структурами разного типа, с толщами горных пород и с зонами трещиноватости.
Подземный сток проявляется неодинаково в различных вертикальных гидродинамических зонах. В верхней зоне активного водообмена гравитационное движение вод тесно связано с особенностями рельефа местности и экзогенной трещиноватостью горных пород. Ниже находится зона регионального стока, где подземные воды движутся по крупным элементам рельефа и геологических структур - континентальных и морских. Наконец, на нижней границе зоны насыщения предполагается, что воды находятся якобы в надкритическом или близком к нему состоянии и движение их осуществляется по линейно-локальным, субвертикальным зонам повышенной трещиноватости.
Существует мнение, что нижняя граница распространения подземных вод соответствует зоне надкритических температур (374-450 0С). Ниже этой зоны вода уже якобы не существует в свободном состоянии. Эти выводы противоречат
19
открытиям астрофизиков, обнаруживших молекулы воды на Солнце, в районах солнечных пятен, то есть при температурах (+ 4000 0С) значительно более высоких, чем надкритические. Это позволяет предполагать, что вода существует и в более глубоких зонах планеты. Видимо, на более значительных глубинах круговорот воды тесно связан с геологическим круговоротом веществ.
Геологический круговорот воды происходит не только на больших глубинах. Огромные массы воды вовлекаются в процессы осадконакопления, литогенеза и метаморфизма горных пород вблизи поверхности Земли. Воды, которые поступают в глубинные части планеты через рифтовые зоны и зоны тектонической трещиноватости /115, 160/, участвуют в серпентинизации и десерпентинизации пород мантии и в других малоизученных и неизвестных пока геологических процессах метаморфизации горных пород. Связь глубинных вод с поверхностными и влияние их на водный баланс эпиконтинентальных водоемов (Каспий, Арал и др.) пока недооцениваются.
1.3 Представления о биосфере
Понятие о биосфере в биологию ввел Ламарк (1744-1829) в начале XIX века, а в науки о Земле – австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г. Учение о биосфере заложено в трудах выдающегося российского ученого, академика В.И. Вернадского (1863-1945). Он впервые рассмотрел деятельность живых организмов на Земле с геологических и геохимических позиций, установил исторически закономерные изменения в составе атмосферы, гидросферы и литосферы под влиянием жизнедеятельности организмов и выявил тесную взаимосвязь эволюции этих геосфер и биосферы. Биосферу он определил как область, или оболочку планеты, в которой эволюционно, во взаимосвязи с другими компонентами среды, развивается жизнь и накапливается живое вещество. Биосфера охватывает внешние оболочки Земли, нижнюю часть атмосферы (тропосферу) до высоты 20 км, гидросферу и верхнюю часть литосферы до глубины 2-3 км /104/.
В.И. Вернадский определил живое вещество как совокупность живых организмов, существовавших в определенный отрезок времени и являющихся важным геологическим фактором. Живое вещество имеет элементарный химический состав, массу и энергию. Трансформируя солнечную энергию, оно вовлекает неорганическую (косную) материю в непрерывный круговорот. В истории биосферы Земли исключительную роль сыграли водоросли и другие растения. Используя энергию солнца, потребляя углекислоту из воздуха и усваивая жидкие и твердые фазы вещества, они создавали органическое вещество, которое служило основой для развития всего живого на Земле. При этом они продуцировали кислород атмосферы и гидросферы, изменяя во времени состав этих геосфер. Наконец, они активно участвовали в формировании верхней части литосферы, железных руд, толщ и рифов известняков, залежей каменного и бурого угля, нефти, торфа и других полезных ископаемых и пород.
Планете Земля около 5 млрд лет. Считается, что на начальном этапе ее истории - 1,5-2 млрд лет - жизнь на Земле отсутствовала, но создавались условия для
20
образования первых живых организмов. Из аминокислот, синтезированных в абиотических процессах с участием солнечных ультрафиолетовых лучей, возникли первые мельчайшие автотрофные и гетеротрофные живые организмы. Атмосфера Земли не содержала свободного кислорода и состояла из азота, аммиака, окиси углерода, водяных паров, ядовитых хлора и сероводорода. Жизнедеятельность организмов обусловила образование в атмосфере свободного кислорода, который под влиянием ультрафиолетовых лучей обеспечил формирование озонового экрана. Он стал защищать эволюционно развивающиеся живые организмы. Жизнь на Земле в связи с этим экраном получила дальнейшее развитие. Из-за недостатка пищи эволюционировали дрожжеподобные анаэробные организмы, появились виды, способные к фотосинтезу. 600 млн лет назад содержание кислорода в атмосфере составляло 3 % от современного уровня. Возникли многоклеточные организмы, а потом произошел эволюционный взрыв, в море образовались губки, черви, кораллы, моллюски, морские макрофиты и пр. 350-400 млн лет назад живые организмы вышли из морей на сушу. Эволюция привела к развитию современных растений и крупных животных. К концу палеозойской эры (220 млн лет назад) в атмосфере повысилось количество углекислого газа, изменился климат, произошла смена растительного и животного мира, сформировались залежи горючих полезных ископаемых. Биомасса Земли достигла современного уровня - 1012 -1013 т, или 10- 15 части земной массы (6·1027). Производство живого вещества на Земле составило
38·1010 т/год /104/.
Эволюция биосферы неоднократно сопровождалась скачкообразным (революционным) развитием живого вещества. Вкайнозойскую эру голосеменные растения сменились современными покрытосеменными, цветковыми, а холоднокровные пресмыкающиеся были вытеснены теплокровными животными, млекопитающими. Эволюционный процесс привел к появлению человеканаиболее высокоорганизованногобиологическоговида. Началсятретийэтапразвитияпланеты.
Чарльз Дарвин (1859) в основном своём труде «Происхождение видов путём естественного отбора» вскрыл основные факторы эволюции органического мира. Важнейший постулат, вытекающий из его трудов, гласит, что виды организмов эволюционируют под влиянием изменений физико-географических условий природной среды. В.И. Вернадский – создатель учения о биосфере (1926) – сформулировал второй важнейший постулат о том, что совокупность живых организмов (живое вещество) взаимодействует со средой своего обитания, образуя целостную динамическую систему. Эта система образует активную оболочку планеты, в которой живое вещество в процессе своей эволюции вызывает эволюционные преобразования природной среды планетарного масштаба. Эволюция видов органического мира вызывает эволюцию атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы т.е. экотопа биосферы, называемого нами экотопосферой.
Каждое растение, животное, микроорганизм в составе биосферы рассматривается как особь. Особи одного вида составляют популяцию (стая волков, осинник). Организованная группа популяций растений, животных и микроорганизмов, живущих в одних и тех же условиях среды и характеризующихся определенными отношениями между собой, образует
21
биоценоз (био – жизнь, ценоз – общий). Термин предложен немецким зоологом Мебиусом в 1877 г. Как уже отмечено выше, В.Н. Сукачев в 1940 г. ввёл понятие «биогеоценоз», обозначающее элемент биосферы – совокупность биоценоза и его местообитания. Пространство, или место обитания биоценоза называют биотопом. А. Тенсли ещё в 1935 г. для обозначения соответствующего элемента биосферы предложил использовать термин «экосистема». Биогеоценоз можно рассматривать в качестве экосистемы определенного ранга, в пределах которой существуют: особь, популяция, биоценоз (животный мир) и микро биоценоз (микроорганизмы) /28/.
Виды растений, деревьев, преобладающие в данном биоценозе, называют доминирующими, или доминантными; по ним называют и биоценозы - ковыльно-типчаковая степь, хвойный лес и т.д. Виды животных, организмов, создающие необходимые условия для жизни доминантов, а через них и для жизни других видов биоценоза, называют эдификаторами. Биоценоз пограничных зон (леса и степи, например) обычно более продуктивен, чем биоценоз каждой зоны в отдельности. Все живые организмы в пределах биогеоценоза взаимодействуют благодаря биологическому круговороту, или «биологическому производству» веществ, не имеющему отходов. «Производство» биосферы - это тот идеал, к которому должен стремиться человек со своим производством. Зеленые растения в процессе своей жизнедеятельности развиваются, поглощая солнечную энергию, минеральные элементы и влагу почв, а также углекислый газ из атмосферы. При фотосинтезе в зеленом листе создаются сложные органические соединения. При отмирании растений органическое вещество используется в пищу другими живыми организмами: микробами, насекомыми и животными. Сложные органические соединения (углеводы, крахмал, целлюлоза и др.) подвергаются минерализации и вновь превращаются в минеральные соли, кислоты и окислы. Минеральные вещества поступают в почву и усваиваются растениями. Поэтому, несмотря на количественную ограниченность, биологически важных веществ в литосфере
(углерода - 0,1 % водорода - 0,15 %, азота - 0,01 %, фосфора - 0,08 %, серы - 0,09 %, по А.П.Виноградову, 1950), жизнедеятельность организмов в биосфере обеспечена /163/.
В зависимости от способа питания все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Первые способны создавать органические вещества из неорганических. Вторые используют в пищу органическое вещество живых растений и остатки отмерших растений и животных.
По участию в круговороте веществ выделяется три разновидности организмов: продуценты (производители), консументы (потребители) и редуценты (восстановители). Продуценты - это автотрофные организмы. Консументы - гетеротрофные организмы, питающиеся автотрофными; подразделяются на консументы первого, второго и более высокого порядка. Пищей консументов второго порядка служат консументы первого, пищей консументов третьего порядка - консументы второго порядка и т.д., обычно до пяти звеньев (трофических уровней). Редуценты (восстановители) - бактерии, грибы, микроорганизмы (сапрофиты), питающиеся мертвым органическим
22