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 ЭмоцийБольше 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.