Водные экосистемы и «черные курильщики»

Лимитирующие факторы водных экосистем: температура воды, соленость, глубина проникновения солнечных лучей, количество растворенного кислорода, доступность питательных элементов. Океаны участвуют в основных биогеохимических круговоротах. В океанах обитает около 250 тыс. морских растений и животных (рис. 5.10). Океаны являются гигантскими резервуарами диоксида углерода.

Рис. 5.10. Основные зоны жизни в океанической экосистеме

В океанах выделяют прибрежную зону – континентальный шельф, на который приходится 10% общей площади океана и в которой сосредоточено 90% океанической биомассы. В освещенной солнцем зоне обитают микроскопические продуценты – фитопланктон, который служит пищей для зоопланктона, который поедается мелкими промысловыми рыбами (сельдь, сардины, анчоусы). Эти вторичные консументы, в свою очередь, поедаются крупными хищными рыбами (тунец, макрель, рыба-меч).

Планктон – это разнородные в основном мелкие организмы, населяющие толщу водоемов и неспособные противостоять переносу течениями. Планктон составляют многие бактерии, диатомовые и некоторые другие водоросли, личинки рыб и многих беспозвоночных животных. Наибольшую продукцию в океане обеспечивает пикопланктон (0,2–2 мкм) – бактерии и наиболее мелкие одноклеточные водоросли. По рахным данным фитопланктон вырабатывает от 50 до 80% кислорода в атмосфере.

Зоопланктон является наиболее многочисленной группой гидробионтов. Бактерии и зоопланктон населяют всю толщу вод до максимальных глубин. Планктон никогда не будет обитать в загрязненных водах, где условия не подходят для нормальной жизнедеятельности. Не случайно планктон называют индикатором чистоты природы.

В прибрежных зонах тропических широт, где температура воды превышает 20^оС, встречаются коралловые рифы. Они сложены красными и зелеными водорослями и нерастворимыми соединениями кальция, выделяемыми небольшими животными – кораллами. Здесь обитает треть всех видов морских рыб.

У некоторых побережий пассаты уносят теплые воды в океан. Их замещают холодные придонные воды, обогащенные питательными веществами (явление апвеллинга). Здесь из-за обилия питания отмечаются огромные популяции планктона, рыб и рыбоядных птиц.

Рис. 5.11. Экосистема озера

Озера – естественные водоемы, образующиеся при заполнении впадин земной поверхности водами осадков или поверхностного стока (рис. 5.11). Озера с небольшим содержанием питательных веществ называются олиготрофными, с малым – эвтрофными. Антропогенная эвтрофикация обусловлена поступлением сточных вод, смывом удобрений и отходов животноводства.

Водохранилища – искусственные водоемы, которые сооружаются для регулирования стока рек. Территория, с которой вода и наносы выносятся в главную реку и затем в море, называется водосборным бассейном.

Рис. 5.12. Три участка стока поверхностных вод

Поверхностный сток воды можно разбить на три участка (рис. 5.12). Вначале с крутых склонов стекают водопадами и порогами мелкие ручьи с холодной чистой водой. Этот турбулентный поток поглощает большое количество кислорода. В такой воде водится форель. На втором участке стока водотоки верховий сливаются и образуют водотоки предгорий. В долинах эти водотоки объединяются в широкие реки. В устье река может образовывать множество проток – дельту, представляющую собой скопление аллювиальных наносов. Далее речная вода в эстуарии смешивается с морской водой. Эстуарии и прибрежные заболоченные территории относятся к числу наиболее продуктивных экосистем. Здесь нерестятся лосось, креветки, устрицы. В то же время многие ошибочно считают, что это бесполезные земли.

Речные воды на протяжении миллионов лет преобразуют земную поверхность, образуя глубокие каньоны в одних местах и холмы из наносов в других местах. Смыв органических питательных веществ (нитратов, фосфатов) с поверхности суши в водные системы поддерживает жизнь водных растений и животных в реках, озерах и эстуариях. Смываемая почва отлагается на дне и, в конце концов, водная экосистема превращается в экосистему суши.

На глубинах континентального подножья (до 3500 м) и в ложе океана (до 6000 м) живут сообщества бактерий, связанные с выходом горячих гидротермальных и холодных сульфидно-метановых источников. Эти сообщества живут за счет энергии, полученной при окислении неорганических соединений: закисного железа, соединений серы и др. Подобный процесс образования бактериями органических веществ из диоксида углерода называют хемосинтезом.Хемосинтезирующие бактерии наряду с фотосинтезирующими растениями составляют группу автотрофных организмов.

Например, существуют серобактерии, которые окисляют сероводород до серы или серной кислоты: H₂S + 2O₂→H₂SO₄. Существуют нитрифицирующие бактерии, которые окисляют аммиак до азотной кислоты: NH₃→HNO₃. Существуют тионовые бактерии, которые способны окислять сульфиты, сульфиды и молекулярную серу до серной кислоты. Тионовые бактерии способны окислять двухвалентное железо и выщелачивать тяжелые металлы из руд. Именно такие бактерии живут в гидротермальных постройках в ложе океана (рис. 5.13).

Рис. 5.13. «Черные курильщики»

Гидротермальные постройки – это конусообразные башни высотой в десятки метров, на вершинах которых располагаются кратеры, из которых выходят струи горячей воды черного или белого цвета. Поверхности башен сложены шлакоподобным материалом, на котором располагаются термофильные скопления различных бактерий, а также группы организмов ярко-красного цвета – гигантских трубчатых червей длиной более 1,5 м.

Гидротермальный флюид имеет высокую температуру. Это вода, профильтровавшаяся через базальты и ставшая горячим насыщенным рудоносным раствором. Весь объем океана проходит через гидротермальные системы примерно за 1 млн лет.

Черный дым – это взвесь сульфидов железа, меди и цинка, которая возникает при охлаждении горячего раствора. Верхний этаж постройки сложен белым ангидритом, образующимся при контакте горячего раствора с морской водой. В дальнейшем ангидрит замещается сульфидами металлов.

Так в рифтовых зонах океанов из горячих рудоносных растворов образуются месторождения меди и других металлов. Металлоносные осадки развиты вблизи активных зон спрединга и характеризуются повышенным содержанием железа, марганца и др. В настоящее время известно более 100 гидротермальных полей, которые окружены металлоносными осадками.

Урбанизированные экосистемы

Человечество проживает в двух больших экосистемах: первая – это города; вторая – это агроэкосистемы. Любой город – это место сосредоточения всех современных технологий и социально-экологических проблем, обусловленных концентрацией больших масс людей. Город – это неустойчивая экосистема, получающая все необходимое для жизнедеятельности с больших территорий, находящихся за его пределами. Город перерабатывает получаемые продукты, сырьё и другие природные компоненты, преобразуя и загрязняя окружающую среду. Зеленые агроэкосистемы, в которых проживают сельские жители, более устойчивы, но тоже отличаются от естественных лесов и лугов введением дополнительной энергии, через которую человек на них воздействует.

Развитие науки, техники и промышленности в ХIХ–ХХ веках сопровождалось концентрацией производства в городах. Доминирующим демографическим фактором нашего времени становится урбанизация, то есть переселение людей из сельской местности в города. С формальных позиций при выделении городов среди прочих населенных пунктов является численность населения. ООН предлагает считать городами поселения с числом жителей более 20 тысяч. Более 320 городов мира имеют число жителей, превышающих миллион, население 20 мегаполисов превышает 10 млн человек. Число жителей Токио составляет 26 млн – столько же, сколько во всей Канаде. В России и США удельный вес городского населения составляет 74%, в Англии и Японии – 76%, в Испании – 91%, в ФРГ – 94%. Крупные промышленные агломерации возникают даже в регионах с неблагоприятными для жизни условиями (Норильск, Апатиты, Билибино).

На протяжении многих тысяч лет люди жили небольшими группами охотников-собирателей в естественном природном окружении. Поэтому с исторической точки зрения урбанизация – это новое явление. Городские жители налагают большое бремя на экосистемы Земли: для удовлетворения их повседневных нужд необходимо сосредоточить в городах значительное количество разных ресурсов. Города требуют такой концентрации продовольствия, воды, энергии и материалов в одном месте, которые природа не может обеспечить. Вся эта масса материалов и продуктов затем превращается в мусор и отходы, которые должны быть переработаны и уничтожены. Города занимают 2% суши, в них проживает около половины жителей планеты, на них приходится около 80% выбросов соединений углерода и 60% потребления воды для бытовых нужд.

Если прежде миграция в города была обусловлена удобствами жизни в них, то сейчас причиной миграции является отсутствие надлежащих условий жизни в деревнях. В большинстве развивающихся стран наплыв мигрантов превышает способность городов обеспечить их работой, жильем, электричеством, водой, канализацией. В результате в городах возникают самовольные поселения.

Общественность выражает озабоченность ростом городов и поднимает вопрос: можно ли остановить или даже повернуть вспять этот процесс. Например, сейчас американцев больше беспокоят дорожные пробки и расползание городов, чем борьба с преступностью, безработица и проблема образования, которые традиционно занимали верхние строчки в списке их интересов. Ущерб от дорожных заторов составляет 300 долл. в год на каждого американца. Эта цифра не включает убытки от загрязнения воздуха работающими на холостом ходу миллионами двигателей.

Города характеризуются многообразными источниками загрязнения и потоками токсичных веществ в стоках, выбросах и твердых отходах, загрязняющих поверхностные и подземные воды, воздушные бассейны и почвы. В городских отходах концентрируются преимущественно свинец, ртуть и кадмий (первый класс опасности), цинк, серебро, хром, никель, вольфрам. Например, обнаружены высокие уровни содержания (выше ПДК) свинца в почвах вокруг города Чебоксары, ртути – Новокузнецка, меди – вокруг Норильска, Первоуральска, Нижнего Новгорода, никеля – Норильска, Ижевска, цинка – вокруг Новокузнецка, Кемерово, Томска. В почвах Московского ареала на площади 600 км² отмечено накопление ртути, свинца и цинка (1-й класс опасности), меди и никеля (2-й класс опасности), вольфрама и ванадия (3-й класс опасности). В радиусе 5 км вокруг г. Рудная Пристань (Приморский край) содержание свинца в почве достигает 300 ПДК, марганца 2 ПДК.Большую группу антропогенных почв составляют городские почвы. Например, более 22% территории Москвы относится к категории среднего загрязнения, 20% сильного загрязнения и 6% – максимального уровня загрязнения.

Рис. 5.14. Загрязнение атмосферного воздуха в Москве в 2010 г. торфяными пожарами

Ключевым фактором, оказывающим негативное воздействие на состояние природной среды города, является загрязнение воздушного бассейна (Рис. 5.14). В воздушный бассейн Москвы ежегодно выбрасывается до 2-х млн т загрязняющих веществ: уровень загрязнений атмосферы оксидами азота достигает 3 ПДК, формальдегидом 2 ПДК. Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ больше 1 ПДК отмечаются в 204 городах России, в том числе по пыли – в 90 городах, по диоксиду азота – в 86, формальдегиду – в 97, по бензапирену – в 92 городах. Максимальные концентрации, превышающие 10 ПДК по пыли и саже, диоксиду азота, сероводорода фенола, аммиак, фторид водорода, бензапирена, имели место в 79 городах России.

Основной вклад в загрязнение воздуха городов вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а также автомобильный транспорт. К числу наиболее загрязненных городов относятся Березники, Братск, Екатеринбург, Красноярск, Липецк, Магнитогорск, Москва, Новокузнецк, Норильск, Череповец и др. В городах Кызыл, Чита и Шелехов средняя за год концентрация бензапирена превышает стандарт в 10 раз.

Из-за повышенной задымленности атмосферы, тепловыделения промышленных объектов, а также утечек нагретых вод в геологической среде урбанизированных территорий создаются зоны тепловых аномалий с превышением температуры до 10^оС и более.

Средняя обеспеченность российских городов насаждениями общего пользования составляет 10 м² на одного человека, что вдвое ниже нормативного значения. Значительный вред зеленым насаждениям наносит соль, которой посыпают дороги зимой. Так в Москве в 1996 г. погибло 250 тыс. деревьев вдоль магистралей, так как ПДК по калию в придорожном снеге была превышена в 40 раз, натрия – в 60 раз.

Для городских стоков промышленных и коммунально-бытовых предприятий характерно высокое содержание токсичных тяжелых металлов, нефтепродуктов, фенолов и органических взвесей. Городские очистные сооружения не полностью очищают стоки от тяжелых металлов. Вода крупных рек, протекающих по крупным городам, на 10–20% состоит из городских сточных вод, а мелких рек – иногда на 90%. В США стоками загрязнено 72% всех водных объектов, в Швейцарии – 75%, в Испании – 37%. В городах России по разным причинам повышается уровень грунтовых вод – подтапливается 34% застроенной территории. Подтапливаются городские земли практически всех крупных городов.

В городах люди лишены необходимых физических нагрузок, что создает у человека дисбаланс между потребляемой и расходуемой энергией. Как следствие, происходит рост числа людей с избыточным весом. Общая численность располневшего населения планеты превысила 1,2 млрд человек. В Европе от излишней полноты страдают более половины людей, в России 54%, в США 61%. Такие люди в большей степени подвержены сердечным болезням, гипертонии, диабету.

Автомобильная скученность в городах, возникающие пробки, шум и выхлопы вызывают у людей стрессы. Увеличение времени поездки до пункта назначения раздражает людей. Например, в Москве и Лондоне средняя скорость движения машин мало отличается от той, с которой сто лет назад передвигались лошадиные упряжки.

Экологам и психологам известно, что человек испытывает врожденную потребность контактировать с природой. У общественности растет интерес к перепланировке городов для блага людей, а не автомобилей. По иронии судьбы, те самые автомобили, с помощью которых стала возможной урбанизация, ныне являются фактором, ухудшающих положение в городах. Мэры городов начинают пересматривать роль автомобилей в транспортных системах. Например, в Амстердаме только 40% жителей используют для поездок автомобили, 35% предпочитают ездить на велосипеде или ходить пешком, а 25% пользуются общественным транспортом.

Задача состоит в том, чтобы придать новый облик городской среде, поставив в центр транспортной системы общественный транспорт и дополнив это сооружением различных дорожек для бега, пеших и велосипедных прогулок. Это означает замену автостоянок парками и игровыми площадками. До тех пор, пока мы не сумеем выработать такой стиль поведения, который восстановит физические нагрузки в нашей повседневной жизни, ухудшение здоровья горожан будет идти рука об руку с урбанизацией.

Если сельский житель прочно соединен с природой, то жители больших городов оторваны от природы. Воспроизвести настоящую природу в мегаполисах невозможно. Каждый сельский житель, ставший горожанином, получает жизненную среду хуже той, которая окружала его до миграции. Возможно, что новоявленный горожанин обогащается материально, но нематериально он себя обедняет. Оторванный от природы и жизненных источников здоровья – зеленых пространств, свежего воздуха, тишины, чистой воды – запертый в бетонной клетке человек задыхается. По сути, разрастание городов – это новая форма нищеты урбанизированного общества. Деградация благоприятной жизненной среды в городах опасно подрывает здоровье горожан, убивает радость жизни, приносит усталость, болезни, неврозы и раннюю смерть. Поэтому ошибочно считать, что чем больше растут города, тем более они несут прогресс.

Всё в мире растёт, цветёт и возвращается к своему корню. Согласие с природой означает вечное, поэтому разрушение не заключает в себе никакой опасности.

Лао-Цзы