Текст книги "Экскретология мусора"

1.2. Элементарные и глобальные экскреты

Наряду с элементарными экскретами – продуктами выделения и отторжения человеческим обществом и природой веществ, тел или предметов можно говорить об экскретах глобальных, представляющих собой массовые скопления или конгломераты элементарных экскретов. Такие массовые объёмы элементарных экскретов могут возникать на завершающих стадиях процессов диссимиляции живого вещества или деструкции, выпадения и скопления вещества неорганического (минерального или металлического).

Если обозначить характерный признак (размер, массу, объём и др.) элементарного экскрета l, а глобального L, то критерий глобальности экскрета можно записать в следующем виде:

l / L «λ,

где λ – малый параметр, определяемый экспериментально или задаваемый из физических соображений.

Другим условием глобальности экскрета должна быть однородность состава в пределах некоторых областей его существования или в целом объёме.

Глобальные экскреты в пределах Земли и её ближайшего окружения – околоземного космического пространства (ОКП) существуют в виде естественных природных образований и в виде техногенных – привнесённых человеком. Рассмотрим вкратце как возникли эти экскреты и что представляют собой в настоящее время. Сами природные среды планеты условно также могут рассматриваться как скопления выделенных отторгнутых тел, веществ, предметов – то есть глобальными экскретами.

Строго говоря, состав подобных образований далёк от однородного, однако в качестве модельного предельного случая такие планетарные «гиперэкскреты» имеют право на рассмотрение.

Рассмотрим, как возникают и какие изменения претерпевают глобальные экскреты. Глобальные экскреты некогда живых организмов возникают под действием детритофагов – бактерий, простейших организмов, грибов и червей. Примером подобного глобального экскрета может служить почва как результат процессов совместного разложения растительных и животных остатков биосферы Земли, а также минеральных пород. Рассмотрим процесс возникновения почвенного покрова Земли как глобального экскрета [73].

На завершающем этапе земного существования экскретов как индивидуальных объектов детритофаги разрушают трупы животных, остатки корней, стеблей и листьев растений и превращают мёртвое органическое вещество в гумус или плодородный перегной. Некоторые органические вещества они преобразуют в более простые минеральные вещества, растворимые в воде и поэтому доступные для растений. Так обеспечивается на Земле непрерывность процессов образования новой живой материи.

Роль животных в круговороте веществ в природе известна натуралистам давно. К. Линней писал, что «в тропиках три мухи с их потомством съедают труп лошади быстрее, чем лев».

Наблюдения петербургского профессора П. А. Костычева, современника В. В. Докучаева, показали, что именно деятельность животных (в его опытах личинок грибных комариков) способствует превращению гниющих листьев в аморфный перегной. Если разложение происходит без животных, только при участии грибов и бактерий, то листья много лет сохраняют свою структуру. В трудах В. В. Докучаева можно прочитать: "Попробуйте пройтись по такой целинной древней степи и вырезать из неё кубик почвы, увидите вы, что в нём больше корней, трав, ходов жучков, личинок, чем земли. Все это бурлит, сверлит, точит, роет почву, и получается несравнимая ни с чем губка". Эта «губка», представляющая собой скопище органических и минеральных остатков бывшей жизни, используемой для построения новой жизни, и есть почва как глобальный экскрет.

Деятельность животных в почвах многообразна. Они не только непосредственно перерабатывают растительный опад, но и стимулируют активность микроорганизмов. При отсутствии животных микробы разлагают опад в несколько раз медленнее и он накапливается на поверхности. При этом в лесах резко возрастает опасность пожаров.

Рассеивая экскременты по поверхности и в толще почвы, животные разносят и микробов, создают благоприятные очаги для их размножения и деятельности. Пропуская через кишечник массу растительных тканей, примитивные животные размельчают их и тем самым многократно увеличивают суммарную поверхность растительного материала, доступную микроорганизмам, а также воздействию воздуха и воды.

С помощью собственных ферментов и ферментов симбиотических микроорганизмов беспозвоночные расщепляют целлюлозные компоненты клеток и высвобождают лигнин, который находится в сложном соединении с клетчаткой, что имеет большое значение для развития процессов гумификации органических остатков в почве. В ходе пищеварения в кишечнике почвенных беспозвоночных происходит частичная минерализация растительных остатков, а у некоторых групп – и частичная гумификация. Таким образом, экскременты животных превращаются в одну из составляющих почвенного гумуса.

Многие почвенные животные – в основном черви – заглатывают вместе с органическими пищевыми веществами минеральные частицы почвы, способствующие перетиранию в кишечнике пищи. Проходя через кишечник, минеральные частицы (глинистые, песчаные) перемешиваются, спрессовываются и склеиваются выделениями кишечника, образуя зернистые комочки разной величины. Чем их больше, тем плодороднее почва. Совершая вертикальные миграции в почве, животные заносят растительные остатки в глубокие горизонты и перемешивают органические и минеральные частицы. Передвижения животных способствуют и улучшению аэрации почвы, что также стимулирует аэробные процессы разложения органических остатков.

Следует отметить, что почвы как глобальные экскреты изменяются со временем. Во всех этих явлениях действующей силой выступают живые организмы: сначала микробы, затем лишайники, мхи и высшие растения. Им всюду сопутствуют и почвенные животные: простейшие, нематоды, клещи, ногохвостки, личинки насекомых и дождевые черви. При этом горная порода, на которой формируется почва, превращается в структуру, более мощную и более богатую гумусом.

Важную роль в этом процессе, называемом эволюцией почвы, играют воздействия атмосферного воздуха, воды и растворённых в ней химических веществ. Наконец, в современную эпоху, названную в начале века известным нашим геологом академиком А. П. Павловым антропогенной, то есть определяемой деятельностью человека, на почвенный покров всё большее влияние оказывает человек.

Растения также активно участвуют в процессах почвообразования. Они обеспечивают значительную часть биогенного круговорота на суше, избирательно накапливают отдельные химические элементы и соединения.

Большинство современных растений создаёт круговорот веществ, в котором на первом месте стоят азот, фосфор, калий, кальций, магний и натрий, на втором – кремнезем, а на третьем – различные окислы, изредка хлор и сера.

А вот древнейшие растения – хвощи и плауны резко отличаются по своему зольному питанию. Хвощи накапливают в первую очередь кремнезём (окись кремния), а плауны – глинозём (окись алюминия). Нетрудно сделать вывод, что характер почвообразования под палеозойскими хвощовыми и плауновыми лесами был иным, нежели сейчас, и возникающие на ней глобальные экскреты могли сформироваться в залежи нефти или алюминия.

Именно эволюция живого покрова планеты – биоты является постоянно действующим фактором активного изменения биогеоценоза, а с ним и почвы и других глобальных экскретов.

На этот счёт имеется гипотеза, что жизнь возникла именно в грунте первичных материалов Земли и что древнейшие существа планеты – почвенные микробы появились первыми в земном реголите – грунте, похожем на грунт Луны. Кстати, низшие растения действительно могут расти на грунте такого состава, что доказано экспериментально.

Важной составляющей почвообразования является процесс разложения минералов той горной породы, на которой образовалась почва. Разложение микробами горных пород имеет огромное значение для биосферы. Не будь его, живые организмы очень быстро исчерпали бы ресурсы большинства биогенных элементов. Особенно важно это в условиях влажного климата, где дожди постоянно промывают почву и выносят все растворимые элементы минерального питания, которые не успели перехватить другие микроорганизмы или же корни растений.

Существует множество микроорганизмов (в их числе бактерии, водоросли, грибы, актиномицеты, дрожжи), способных разрушать минералы и извлекать нужные им элементы или химические соединения – такие как кислород, азот, железо, cepу, калий и др. Бактерии способны эффективно разрушать горные породы. Для этого у них есть целый арсенал «химического оружия»: ферменты, слизи, кислоты. Ферменты – средство строго избирательного воздействия. Например, с помощью ферментов серобактерии окисляют содержащие серу минералы. Многие микробы, попав в анаэробные условия, то есть в условия, где нет кислорода, способны с помощью особых ферментов "отнимать" кислород у окислов железа. А содержащие железо минералы при этом разрушаются.

Не столь избирательное, но ещё большее по масштабам действие оказывают на минералы различные слизи, выделяемые микробами. Многие бактерии в почвах буквально погружены в слизь. Именно она составляет основную массу органических полимеров, особенно полисахаридов. Содержащиеся в слизи кислоты могут разрушать кристаллические решётки минералов, тем самым переводя в раствор, в усвояемое состояние нужные микробам вещества.

Микробы выделяют кислоты и в чистом виде, даже такие сильные, как азотная и серная. Иногда эти кислоты для микробов являются не оружием нападения на минералы, а просто экскретами, отбросами. Отмечается [77], что автотрофные микроорганизмы, в частности нитрификаторы и серобактерии, могут порой "захлебнуться" в выделяемых ими же самими кислотах. Эти факты хорошо подтверждают одно их положений экскретологии (см. раздел 1.6.книги) о том, что ни одно живое существо не способно жить и развиваться в среде собственных экскретов.

В биогеоценозе живут и другие существа, которые охотно поглощают минеральные соединения растворенных горных пород, но наиболее ярко выражена способность к кислотообразованию у микроскопических грибов. С помощью кислот микробы извлекают из минералов фосфор, многие металлы. В разложении горных пород достаточно велика и роль гумусовых кислот, фенольных соединений.

В процессе жизнедеятельности микробы выделяют и щёлочи, особенно при разложении органики, аммонификации. Накоплению в почве щёлочей способствует внесение навоза и других органических удобрений, если они содержат много азота. И вот уже щёлочи растворяют кварц, трудно растворимые фосфаты, алюмосиликаты, нефелины. Микробы выделяют и такие сильные химические реагенты, как водород, сероводород, метан, которые также разрушают минералы.

Все эти явления очень важны для почвообразования, для снабжения растений элементами минерального питания, для всей жизни биогеоценозов. Но совершенно очевидно, что эти же процессы ещё важнее для эволюции почвы, для формирования почвенного слоя, накопления запаса биогенных элементов в живом веществе экосистемы при развитии почв на чистой скальной поверхности, песке или глине. Здесь свободно поселяются автотрофные микроорганизмы, лишайники (они тоже выделяют кислоты и могут растворять минералы), а всё остальное – дело времени.

Однако микробы не только разрушают минералы, но и способствуют созданию многих новых, особенно содержащих кальций, фосфор, кремний, железо и алюминий. На их основе могут возникнуть залежи полезных ископаемых – глобальных экскретов. Например, плесневые грибы в опытах за неделю извлекали из размельченного базальта 54 % железа, 59 % – магния, 11 % – алюминия, немало кремния.

Как видим, важнейшие химические процессы в почвах регулируются деятельностью живого вещества, особенно микробов и высших растений. Поэтому почвы столь же изменчивы, непостоянны по своим свойствам, как и жизнь организмов, которые их создали.

Подобные процессы возникновения глобальных экскретов наблюдаются и в других природных средах. Рассмотрим механизм возникновения и трансформацию глобального экскрета на примере возникновения залежей подводного метана. Метан является самым «опасным» парниковым газом, так как выбросы этого газа провоцируют очередной этап глобального потепления. На определённом этапе повышения температуры на планете учёные предсказывали начало выбросов метана из океанов и зон вечной мерзлоты в полярных зонах Земли. В частности, в последние годы исследователи обнаружили выбросы значительных запасов метана со дна Северного ледовитого океана [92]. По мере потепления мирового океана вода прогревает его дно, и это провоцирует выбросы метана.

Предположительно этот глобальный экскрет возникает так. В океане организмы умирают, опускаются на дно и частично разлагаются в метан. Под высоким давлением и под воздействием низких температур молекулы метана «попадают в капкан» – превращаются в супрамолекулярное соединение метана с водой, известное как газовый гидрат [93], который стабилизируется в плотный тонкий слой под дном океана.

Энциклопедия [94] определяет этот продукт так. «Гидрат метана – супрамолекулярное соединение метана с водой, устойчив при низких температурах и повышенных давлениях, наиболее широко распространённый в природе газовый гидрат».

Отмечается, что гидрат метана может стать ценным источником экологически чистой энергии, так как горящий метан вырабатывает значительно меньше углекислого газа, чем любые горючие ископаемые минералы. Гидрат метана – это похожая на лёд субстанция, состоящая из воды и метана, которая стабильна только в холодной воде и под большим давлением. Газовые гидраты внешне напоминают спрессованный снег, могут гореть, легко распадаются на воду и газ при повышении температуры. Благодаря своей структуре газовый гидрат объёмом 1 см³ может содержать до 160–180 см³ чистого газа.

Распадающийся гидрат метана служит своеобразным индикатором изменения планетарного климата. «Так как придонная температура растёт, гидрат распадается, следовательно, мы имеем ещё одно подтверждение роста температур в океане под влиянием меняющегося климата", – считают исследователи [92]. Заметим, что по предварительным данным, за последние 30 лет температура воды в Северном Ледовитом океане увеличилась в среднем на 1 градус по Цельсию.

Глобальные экскреты в форме гидратов метана обнаружены недавно и на дне озера Байкал [26]. Это озеро очень глубокое и в нём могут реализоваться условия, необходимые для твёрдого соединения газа с водой при низкой температуре и большом давлении. Именно такие условия существуют на дне океанов и морей. Озеро Байкал является единственным местом на Земле, где газовые гидраты обнаружены в пресной воде.

В ходе исследования иркутских учёных были обнаружены группы микроорганизмов, которые кроме Байкала нигде больше не встречаются. Были найдены и новые представители известных групп микроорганизмов. Например, в больших количествах обнаружены «метаногенные археи», о которых известно, что они участвуют в процессах метаногенеза – образовании метана в бескислородных условиях. Собственно, обнаружение этих микробов подтверждает, что гидраты метана в озере Байкал имеют биологическое происхождение.

В 40-е годы прошлого века советские учёные высказали гипотезу о наличии залежей газовых гидратов в зоне вечной мерзлоты. В 60-е годы они же обнаружили первые месторождения газовых гидратов на севере СССР. С этого момента газовые гидраты начинают рассматриваться как потенциальный источник топлива. Постепенно выясняется их широкое распространение в океанах и нестабильность при повышении температуры. Поэтому сейчас природные газовые гидраты приковывают особое внимание как возможный источник ископаемого топлива, а также участник изменений климата.

Как следует из фазовой диаграммы гидрата метана, для его образования требуются низкие температуры и относительно высокое давление и чем больше давление, тем выше температура, при которой гидрат метана устойчив. Так, при 0 °C он стабилен при давлении порядка 25 бар и выше. Такое давление достигается, например, в океане на глубине около 250 м. При атмосферном давлении для устойчивости гидрата метана нужна температура около −80 °C. Однако, метангидраты всё же могут довольно долго существовать в условиях низких давлений и при более высокой температуре, но обязательно отрицательной – в этом случае они находятся в метастабильном состоянии, их существование обеспечивает эффект самоконсервации, – при разложении метангидраты покрываются ледяной коркой, что мешает их дальнейшему разложению. При увеличении мощности осадков в море и погружении или уменьшении мощности мерзлоты, гидрат метана распадётся и на небольшой глубине образуется газовый резервуар, из которого газ может прорваться на поверхность. Такие взрывы метановых месторождений, существующих в виде глобальных экскретов, действительно наблюдаются в тундре и иногда в морях.

Процессом прорыва метана из морских залежей газовых гидратов можно объяснить таинственные исчезновения кораблей в Бермудском треугольнике и некоторых других местах Мирового океана. Дело в том, что при подъёме метана к поверхности вода насыщается пузырьками газа и плотность газоводяной смеси резко падает. Её несущая способность уменьшается, корабль «проваливается», теряет плавучесть и тонет.

Ещё одним примером глобального экскрета могут служить залежи полезных ископаемых морского дна, имеющие космическое происхождение.

Мировой океан занимает около 71 % земной поверхности. На его дне находятся разнообразные полезные ископаемые, и протекает интенсивный рудогенез (возникновение залежей). Вклад космического материала в океанические осадочные породы (например, накопление таких компонентов, как железо, никель, кобальт) морские геологи и геохимики связывают со значительными поставками на дно океана космической пыли [110], оседающей на дне в виде ила.

Многочисленные измерения, выполненные в различных лабораториях мира, показали, что глубоководные илы растут со скоростью примерно 1 миллиметр за тысячу лет. В масштабах существования нашей планеты такое казалось бы мизерное выпадение космического вещества даёт вполне ощутимые величины: ~1 метр осадков за 1 миллион лет и 1 км – за 1 миллиард лет.

Такие илистые образования находят практически во всех морях и океанах, а также нередко и в озёрах. Однако только глубоководные океанические конкреции залегают с большой плотностью (до 200 кг/м²), образуя рудные поля, перспективные с точки зрения разработки полезных ископаемых. Конкреции имеют неправильную сферическую форму с диаметром 4÷8 см. Они представляют собой полиметаллические руды: кроме марганца и железа (основных своих компонентов) содержат много Ni, Cu, Co, а также Pt (до 4 г на тонну) и другие металлы. Считается, что железомарганцевые конкреции занимают около 10 % площади океанического ложа. Их запасы составляют примерно 340 млрд. т. Таким образом, космические экскреты заметно пополняют Землю полезными сырьевыми ресурсами.

Захоронения углерода на дне океана в виде панцирей микроорганизмов и моллюсков, а также геологические образования, такие как месторождения нефти и угля, возникшие из растительных остатков, очевидно, также являются глобальными экскретами. С процессами их формирования можно ознакомиться в многочисленных литературных источниках, поэтому они здесь не приводятся.

Ещё одним примером глобального экскрета, появление которого предсказано задолго до его возникновения, являются «рудные тела» мусорных полигонов и свалок.

Некоторые мусорные объекты – такие как крупные свалки и мусорные полигоны представляют собой многотонные скопления разнородных и разнофазных элементов, спрессованных силой тяжести и приобретающих со временем свойства некоторой осреднённой среды – сродни геологической среде. Современные представления о геологической среде [111, 112], широко используется в настоящее время в науках о Земле.

Понятие "геологическая среда" по-разному трактуется у различных авторов в зависимости от направлений их исследований. Формулировки этого термина базируется на том, что геологическая среда это сложный объект природы, существующий независимо от человека и его деятельности. Геологическая среда состоит из отдельных элементов – рельефа, горных пород, подземных вод, многолетней мерзлоты, а также природных процессов и т. д.

Основное свойство создаваемой на наших глазах геологической среды – мусорной или гарбологической – это её многокомпонентность и первичная неоднородность. Можно считать, что она состоит из бесчисленного множества элементов (горные породы, почвы, отходы человеческой деятельности, микроорганизмы, растворы, газы, элементы структуры, физические поля и т. д.). Все их в принципе невозможно учесть, да и в этом нет необходимости, так как многие из них не играют существенной роли применительно к рассматриваемой в данной работе проблеме. Поэтому с методологической точки зрения, необходимо ограничиться теми элементами, которые непосредственно оказывают влияние на объекты цивилизации. В общем, элементы эксретологической геологической среды можно условно разделить на четыре категории [113]:

– твёрдая фаза;

– жидкая фаза;

– газообразная фаза;

– структурные элементы.

Со временем под воздействием диффузионных и гравитационно-полевых процессов формируется относительно однородное по составу свалочное «тело». Его «созревание» занимает десятки лет, после чего можно говорить о возникновении глобального мусорного экскрета. Более подробно о мусорных экскретах как сырьевой базе цивилизации можно прочитать в разделе 3.4. нашей книги.

Важным глобальным экскретом может стать околоземное космическое пространство (ОКП), наполненное орбитальными мусорными экскретами естественного и техногенного происхождения. Несмотря на то, что плотность вещества в объёме ОКП относительно низкая и распределено оно не вполне равномерно в занимаемом объёме, в нём в настоящее время можно выделить отдельные области, которые условно можно причислить к глобальным экскретам. В первую очередь – это зона максимума техногенных отходов (высоты от 850 км до 1500 км) и зона так называемой свалки орбитального мусора, захватывающая внешнюю часть ОКП от геостационарной орбиты до траектории Луны.

Ещё одной зоной с наивысшей концентрацией орбитального мусора является слой ОКП на высотах от 100 км до 200 км, в котором происходит интенсивное торможение и частичное сгорание мусорных объектов.

В настоящее время эти три зоны отличаются повышенной концентрацией твёрдых объектов, однако при теперешних темпах загрязнения ОКП плотность их вещества в обозримой перспективе может выровняться и корректно будет говорить об одном глобальном мусорном экскрете – орбитальном с высотами от 100 км до 384 тыс. км.

Конечно, такой разреженный и эфемерный глобальный экскрет вряд ли станет источником полезных металлов – слишком трудоёмкий это процесс в масштабах ОКП. Однако, использование наиболее ценных узлов и агрегатов из вышедшей из строя орбитальной техники вполне вероятно. Более подробно эта проблема обсуждается в разделе 3.2. нашей книги.

В глобальном околоземном экскрете очевидно будут происходить процессы взаимодействия между различными электромагнитными и физическими компонентами ОКП и межпланетной среды, естественных космических и техногенных излучений с веществом и полями. Эти процессы будут сопровождать загрязнение ОКП продуктами дезинтеграции астрономических тел (экскретов космического мусора) и отходами и отбросами техногенной деятельности.

При этом физические характеристики ОКП и глобальный орбитальный экскрет, представляемый в виде суперпозиции элементарных мусорных экскретов, выйдя из состояния динамического равновесия, очевидно уже в него не вернётся. ОКП, наполненное орбитальными мусорными экскретами с временами существования в сотни и тысячи лет, обладающее новыми физическими параметрами, может иметь совершенно иные свойства, что непредсказуемо скажется на земной природе.