Фото: freepik
Кислород — основа жизни на нашей планете. Помимо ключевой роли в дыхании живых организмов, он активно используется в промышленности, науке и медицине. Учёные Пермского политеха объясняют, как кислород связан с климатическими изменениями, что производит больше кислорода — леса или океаны, почему его избыток может привести к похолоданию, как решается проблема дыхания в космосе и для кого опасна передозировка этим газом.
Эволюция атмосферы и роль кислорода
— Первые 2 миллиарда лет после формирования Земли в её атмосфере практически не было свободного кислорода. Будучи химически активным, он сразу вступал в реакции, образуя воду и оксиды в горных породах. Современное высокое содержание кислорода в воздухе стало возможным благодаря двум факторам: фотосинтезу (процессу, в котором некоторые организмы выделяют кислород) и снижению вулканической активности. Это уменьшило поступление веществ, которые поглощали кислород, позволив ему накапливаться, — рассказывает Вадим Шарифулин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского политехнического университета.
До накопления кислорода биосфера состояла в основном из анаэробных организмов, не нуждающихся в нём. Аэробные формы жизни существовали лишь в изолированных «кислородных карманах». Когда кислород распространился, аэробные организмы заняли доминирующее положение, а анаэробы ушли в бескислородные зоны. Это стало толчком к развитию сложных многоклеточных форм. Кислород также сформировал озоновый слой, защитивший поверхность Земли от ультрафиолета и сделавший сушу пригодной для жизни. Любопытно, что фотосинтезирующие бактерии, поглощая углекислый газ, снижали парниковый эффект, что иногда приводило к глобальным оледенениям и массовым вымираниям.
Что важнее для кислорода: леса или океаны?
Об этом рассказывает Мария Комбарова, старший инженер, учёный секретарь кафедры охраны окружающей среды Пермского политехнического университета.
Леса не только производят кислород, но и потребляют его. Например, тропические леса, обладая огромной биомассой, генерируют много кислорода, но создаваемый ими влажный микроклимат ускоряет разложение органики (опавших листьев, отмерших растений). Бактерии, грибы и насекомые, участвующие в этом процессе, потребляют почти столько же кислорода, сколько производит лес.
Иная ситуация в лиственных и хвойных лесах средней полосы России. Здесь разложение идёт медленнее из-за климата, поэтому чистый выход кислорода выше. Чем больше фотосинтетическая площадь листьев, тем больше кислорода выделяет дерево. Например, один тополь производит столько же кислорода, сколько 10 берёз. Хвойные леса фотосинтезируют почти круглый год. Для сравнения: гектар хвойного леса даёт около 11 тонн кислорода в год, а дубового — до 18 тонн.
— Важная функция лесов — очистка воздуха от пыли и сажи: гектар лиственного леса за лето улавливает до 56 тонн загрязнений. Деревья поглощают их, включая в круговорот веществ. Поэтому загрязнение воздуха промышленными выбросами и транспортом ослабляет растения, способствуя их болезням, — подчёркивает Мария Комбарова.
Кроме кислорода, деревья выделяют фитонциды — биологически активные вещества, подавляющие бактерии и вирусы. Берёзовый лес производит около 3 кг фитонцидов в сутки, хвойный — 5 кг, а можжевеловый — до 30 кг.
Океаны и моря населены фитопланктоном и водорослями, которые не выделяют фитонциды, но критически важны для кислородного баланса. По данным исследований, они производят 50–60% всего кислорода на планете. Фитопланктон также очищает воду от тяжёлых металлов и промышленных загрязнений.
— Водоросли служат основным кормом для мальков рыб. Гибель фитопланктона ведёт к массовой гибели рыбы. Загрязнение воды меняет видовой состав водорослей, нарушая их жизнедеятельность. Особенно уязвимы диатомовые и жёлто-зелёные водоросли. Бактерии, размножаясь на отмерших водорослях, потребляют кислород, что нарушает баланс. Гибнут микроорганизмы-очистители воды, и водоём может полностью деградировать, став непригодным для питья, рыболовства и сельского хозяйства. Купание в таких водах может вызвать кожные инфекции и аллергии, — поясняет Мария Комбарова.
Глобальное потепление также угрожает водорослям, меняя температуру воды и видовой состав. Это приводит к дисбалансу в экосистеме, влияя на рыб — то от недостатка пищи, то от цветения воды. Пластиковый мусор в океанах, разлагаясь, выделяет органику, которая также негативно влияет на водоросли и бактерии.
Фото: Unsplash
Часто из-за несовершенных дренажных систем сточные воды с азотом (из органических отходов) и фосфором (из моющих средств) попадают в водоёмы. Это создаёт идеальную среду для бурного роста бактерий и водорослей, что ведёт к деградации водоёмов. Для контроля качества сточных вод на производствах используют метод биоиндикации: изучают состояние активного ила — сообщества бактерий, очищающих воду. Для восстановления полезных микроорганизмов осадок насыщают кислородом и питательными веществами. Другой метод — биотестирование, когда в воду помещают микроскопических ракообразных или водоросли и наблюдают за их состоянием и способностью к размножению.
— Эти методы должны применяться совместно: биоиндикация — в процессе очистки, биотестирование — на очищенных водах, — заключает Мария Комбарова.
Если леса исчезнут, кислород будет продолжать вырабатываться водорослями, но деревья незаменимы для очистки воздуха от пыли и выделения фитонцидов, защищающих людей от болезней.
Промышленное и научное применение кислорода
Кислород составляет около 47% земной коры, входя в состав большинства горных пород как оксидный компонент (например, песок — оксид кремния, железная руда — оксид железа). Минералы вроде апатита и доломита используются в производстве удобрений, керамики, стекла и отделочных материалов.
Вадим Шарифулин отмечает, что кислород обладает сильными магнитными свойствами — он намагничивается в 50 раз лучше гелия и водорода. При низких температурах (ниже –183°C) жидкий кислород даже притягивается к магниту. Эти свойства позволяют точно измерять концентрацию кислорода в газовых смесях с помощью газоанализаторов, применяемых в медицине, промышленности и научных исследованиях.
Вячеслав Пункаев, ассистент кафедры химических технологий, поясняет, что в промышленности кислород получают сжижением воздуха с последующим испарением азота. Чистый кислород используется в металлургии, сварке, производстве кислот, ракетных двигателях. В кислородной среде горение идёт интенсивнее, что позволяет обрабатывать материалы, которые не горят на воздухе, например железо и сталь.
— Интересно, что хлопковая одежда, не воспламеняющаяся от статического электричества в воздухе, может загореться в атмосфере чистого кислорода под давлением. Всё дело в концентрации молекул: чем их больше, тем выше вероятность реакции. Существует даже противопожарный метод: повышение концентрации азота в помещении до 85%, что снижает долю кислорода до 15%. В таких условиях человек может дышать, но бумага почти не горит, так как молекулы горючего материала чаще сталкиваются с инертным азотом, — добавляет Вадим Шарифулин.
Избыток кислорода может быть опасен. Дыхание чистым кислородом уже через 10–15 минут вызывает онемение губ, дрожь, а затем судороги и потерю сознания. Длительное воздействие может привести к смерти. Однако в быту такое отравление маловероятно; ему подвержены в основном водолазы и подводники, — отмечает Вячеслав Пункаев.
Фото: Unsplash
Кислород за пределами Земли
Евгений Бурмистров, математик первой категории Института математического моделирования систем и процессов, рассказывает, что на МКС кислород получают электролизом воды, разлагая её на водород и кислород. Вода доставляется с Земли, рециркулируется из использованной и собирается из конденсата атмосферы станции.
— На Марсе задача сложнее из-за отсутствия пригодной для дыхания атмосферы. Планируемые миссии предполагают использование систем жизнеобеспечения, аналогичных МКС, но с адаптацией к местным ресурсам. Например, кислород можно получать электролизом из водяного льда или подземных запасов воды. Также рассматриваются методы выращивания растений или химического извлечения кислорода из компонентов марсианской атмосферы, — говорит Евгений Бурмистров.
Кислород необходим для производства многих материалов и поддержания жизни на Земле. Его выработка нарушается из-за загрязнения атмосферы и водоёмов. Для сохранения биологического баланса важно совершенствовать очистные сооружения, защищать леса и поддерживать здоровье фотосинтезирующих микроорганизмов в океанах.
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
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.