Нарушение круговорота вещевтв человеком

Согласно палеонтологическим исследованиям, исчезнувшие виды никогда  не появляются вновь, и генетические потери невосполнимы Последствия этих потерь для биосферы, биоты и человека нам пока не известны, так как прогноз их весьма затруднен.

В настоящее время даются самые разные оценки темпов исчезновения видов. Довольно широко распространена точка зрения, согласно которой в  естественных условиях один вид исчезает раз в 2000 лет. В последние 300 лет  один вид исчезал за 10 лет, а в  настоящее время — ежедневно .

Характеризовать процесс  исчезновения видов довольно сложно, так как до настоящего времени  нет точной оценки количества видов, существующих на нашей планете. Научно описано около 1,5 млн видов, но по существующим оценкам число видов значительно больше — от 5 до 30 млн.

Согласно теории биологической  регуляции среды каждый вид в  естественных условиях выполняет определенные функции по регулированию и стабилизации окружающей среды. Исчезновение любого из видов снижает корреляцию сообществ  организмов и, как следствие, порог  перехода системы к неустойчивому  состоянию. Поэтому сохранение биологического разнообразия связано с охраной  естественных скоррелированных сообществ организмов в таких объемах, которые обеспечивают регулирование и устойчивость окружающей среды.

Изменение потоков  энергии в биосфере

Все живые организмы на Земле, кроме хемосинтезирующих, для ero существования используют энергию Солнца. За счет солнечной энергии продуценты синтезируют органическое вещество, которые потом перерабатывается консументами. Человек относится к консументам, так как для своего существования получает энергию Солнца в виде продуктов фотосинтеза или использует другие организмы, потребляющие энергию из первичной продукции

В биосфере сложилось четкое и устойчивое распределение органического  вещества, создаваемого продуцентами, между организмами различных  размеров. Основное количество первичной  продукции потребляют организмы  размером менее 0,1 см. Это главным  образом микроорганизмы. Значительно  меньшую часть первичной продукции  потребляют организмы размером от 0,1 до 1 см. В основном это мелкие животные и насекомые. Около 1 % фотосинтетической  продукции потребляют крупные животные, к которым относится и человек (В.Г. Горшков, 1990)

Такое распределение продукции  установилось примерно за 4 млрд. лет. При  этом более 3 млрд. лет всю фотосинтетическую  продукцию перерабатывали микроорганизмы. И только в последние 700-800 млн. лет  с появлением многоклеточных организмов произошло постепенное перераспределение  потребления первичной продукции  и энергии (в количестве около 10 %) в пользу мелких и крупных организмов

Человек до конца XIX в. потреблял  первичную продукцию в количествах, установленных для крупных животных. Постепенно он начал перераспределять первичную продукцию в свою пользу за счет охоты, увеличения площадей сельскохозяйственных земель и сведения лесов.

После того как человек  научился использовать энергию ископаемого  топлива, изъятие первичной продукции  шло возрастающими темпами. Так, за последние 100 лет человеку потребовалось фотосинтетической продукции в несколько раз больше, чем естественным путем использовали крупные животные за сотни миллионов лет.

С учетом потребления древесины  прямое использование первичной  фотосинтетической продукции, производимой в течение года, составляет около 4 %. Кроме прямого потребления, человек  уменьшает производство фотосинтетической  продукции косвенным путем за счет расширения сельскохозяйственных угодий, на которых производство фотомассы значительно ниже, чем в естественных экосистемах, увеличения территорий, занятых жилыми и промышленными объектами, инфраструктурой, в результате опустынивания территорий, а также за счет продукции, потребляемой животными и насекомыми, сопровождающими человека Косвенным путем человек потребляет примерно 27 % чистой фотосинтетической продукции

По оценкам американских экологов, около 4 % чистой первичной  продукции человек потребляет непосредственно  и 39 % — косвенно. Следовательно, человек  изымает из естественного биохимического круговорота около 40 % первичной  продукции В целом в результате разрушения естественных экосистем он сократил производство первичной продукции примерно на 12 %

Нарушения в циклах круговорота углерода, азота и  серы

На урбанизированных территориях  строителями формируются природнотехногенные системы (ПТС). Устойчивость этих систем зависит от антропогенного фактора, нарушения баланса экологических компонентов, круговорота, прежде всего, веществ, необходимых для существования биогенов, минерализации вод и т.д. Процесс формирования ПТС, если он не откорректирован с учетом экологических компонентов (другими словами, с учетом законов развития экосистемы), как правило, приводит к нарушению естественных взаимодействий в природной системе. Известно, что бактерии и другие микроорганизмы принимают активное участие в круговороте веществ, обеспечивая саморегуляцию, самовоспроизводство экосистем и переработку загрязнителей. При загрязнении окружающей среды их деятельность активизируется. Круговороты веществ в природе являются необходимым условием сохранения стабильности экосистем. В природно-техногенных системах нарушение норм природопользования приводит к нарушению в циклах основных элементов — кислорода, углерода, азота, фосфора и др. Такая ситуация особо остро сказывается на повреждениях памятников за счет заселения строительных материалов различными микроорганизмами, активно участвующими в круговоротах и обеспечивающими процессы минерализации, метаморфизации, получение биогенов и др. веществ в материалах памятника. Однако рассмотрение активизации биокоррозионных процессов в памятниках' в рамках корреляционных зависимостей, условий эксплуатации памятника, состава и структуры строительных материалов учеными нашей страны редко связывается с круговоротами веществ в природе, и непосредственная взаимосвязь проблемы загрязнения окружающей среды и биологической коррозии строительных материалов ими практически не учитывается.

Для анализа причинно-следственных связей в системе «ПТС—памятник  архитектуры (материал памятника)»  рассмотрим в качестве моделей аналитические  схемы круговоротов: углерода (С), азота (N) и серы (S) — элементов, которые  могут повлиять на ход физико-химических повреждений материала в условиях агрессивной (загрязненной) городской  среды.

Аналитические схемы круговоротов этих элементов в экосистемах  с ненарушенным балансом экологических  компонентов для каждого из перечисленных  элементов — С, N, S — представлены на рис. 1.10, 1.11 и 1.12.

Из рис. 1.10. видно, что в основе биогенного круговорота углерода лежит карбонатное равновесие системы «камень (минеральное вещество)—газ—вода—микроорганизмы (живое вещество)».

В процессе фотосинтеза происходит переход диоксида углерода в органические соединения. В сложных биологических  системах возможно последовательное преобразование углерода в высокомолекулярные органические соединения. Далее в результате окисления, в частности при дыхании, вновь  образуется диоксид углерода. К образованию  СО₂ приводит и биологическое разложение отмерших организмов. При образовании гумуса роль бактерий и грибов заключается в минерализации веществ. Консервация углерода происходит в результате его связывания в кальцит. Следует отметить, что в восстановительной среде (анаэробной зоне) при повышенной кислотности почв углерод постепенно накапливается в виде торфа, угля и нефти.

В городской системе с  нарушенным экологическим равновесием  происходит нарушение карбонатного равновесия и наблюдается биохимическое  выветривание карбонатсодержащих материалов памятника, приводящее к значительному их повреждению, несоизмеримому по интенсивности и степени повреждения, которые наблюдаются при заселении этих материалов лишайниками. Карбонатное равновесие в углеродном цикле нарушается в присутствии кислотных веществ загрязнителей и, в первую очередь, оксидов серы за счет кислотных дождей, закисления почв и работы сульфобактерий, продуктом метаболизма которых является серная кислота. 

В свою очередь, параллельно  происходит нарушение равновесий и  в циклах серы и азота, что ускоряет процесс деструкции камня, кладочного и шовного растворов, реставрационных  составов и т.д.

Из схемы на рис. 1.11. видно, что развитию нитрифицирующих бактерий способствует повышенная концентрация такого загрязняющего вещества как аммиак. Восстановленные соединения азота могут образовываться различными способами: в результате химических реакций в атмосфере или при сапрофитном разложении гетеротрофными бактериями органического материала, содержащего азот. При этом образуются соли аммония. Нитрифицирующие микроорганизмы используют азотсодержащие загрязнители в качестве источника энергии. При этом в первой фазе нитрификации бактерии окисляют аммоний до нитрита а во второй — нитрита до нитрата. Кроме того, образование таких соединений происходит при увеличении числа азотфиксирующих бактерий. Характерным признаком нарушенности экологического равновесия цикла круговорота азота в городской системе является повсеместное «позеленение» стволов деревьев, появление серого налета на фасадах зданий — особенно на белом камне. Нарушение азотфиксации, исчезновение лишайников — характерные признаки патогенного механизма работы микроорганизмов в цикле. Наиболее опасным для памятников является агрессивное воздействие нитрифицирующих бактерий, продуктом метаболизма которых является азотная кислота. Опасным может быть (при нарушении азотфиксации) и эффект, приводящий к активизации деятельности аммонификаторов, перерабатывающих органические соединения, использованных при реставрации. При их работе происходит выделение органических кислот, которые разрушают минеральные компоненты материала.

Прямую химическую опасность  для минеральных материалов представляют оксиды серы и их соединения, так  как в их присутствии карбонатсодержащие материалы вовлекаются в её круговорот и за счет сульфатизации происходит изменение механизма коррозионного повреждения памятника. Схема круговорота серы представлена на рис. 1.12.

Из приведенной схемы  видно, что образующийся в результате деятельности промышленных предприятий  сероводород вместе с элементарной серой с помощью серобактерий окисляется до серной кислоты. Происходит сернокислое выветривание карбонатной  фазы в грунтах, в строительных материалах за счет замещения карбонатных пород  на сульфаты кальция или, в присутствии ионов Na⁺, на сульфат натрия. Это приводит к ускорению процесса выветривания каменных материалов из-за их лучшей растворимости. Серная кислота является сильным окислителем и вызывает разложение органических веществ. С другой стороны, развитию восстанавливающих серу микроорганизмов (тионовых бактерий) способствуют поступающие со сточными водами органические соединения. К числу сульфатредуцирующих бактерий относятся анаэробные бактерии Desulfovibrio desulfuricans . Возможна диффузия восстановленных соединений серы в стенах строительных объектов за счет капиллярного процесса в пористых материалах вместе с влагой, содержащейся в почве. Кроме того, необходимо учитывать происходящие в строительных материалах объекта процессы бактериального разложения органических серосодержащих соединений, которые на современном этапе развития городской системы практически всегда присутствуют в пыли, саже, органических загрязнителях. В результате этих процессов образуются восстановленные соединения серы, которые, в свою очередь, могут использоваться в качестве источника энергии сероокисляющими бактериями. В этом случае можно констатировать локальный круговорот серы даже в материале отдельного объекта.

Анализ схем круговоротов веществ позволяет сделать вывод  о заселении хемотрофными микроорганизмами прежде всего материалов, содержащих карбонаты, каковыми в памятниках являются белый и искусственный камень, раствор кирпичной кладки, штукатурные растворы и т.п. Это приводит к их деструкции. Основную роль в разрушении играет структурное химическое преобразование под воздействием продуктов метаболизма.

Из приведенной схемы  видно, что при воздействии на минералы материала продуктов метаболизма  серобактерий, нитрофицирующих бактерий и грибов имеет место биохимическая коррозия. Поселяясь на поверхностях различных материалов, в том числе и строительных, они зачастую образуют устойчивые микробиотические сообщества. Устойчивость этих сообществ определяется, в соответствий с законами экологии, как многообразием присутствующих в них видов микроорганизмов, так и загрязнением окружающей среды вредными веществами — прежде всего соединениями С, N, S и др.

Следует отметить, что хотя перечисленные при анализе круговоротов элементов бактерии участвуют и  часто ускоряют коррозионные процессы, специалисты не связывают их напрямую с биологическими факторами. При  обычных обследованиях бактерии невозможно фиксировать. При натурных исследованиях поврежденных поверхностей различных материалов только с помощью  сканирующих электронных микроскопов  можно обнаружить все микробиотическое сообщество, принимающее участие в разрушении материала. Причины начала и ускорения коррозии могут быть при этом различны: аккумуляция солей, локальные изменения величины рН, а также продукты жизнедеятельности микроорганизмов (в т.ч. комплексные соединения, внеклеточные энзимы и т.д.). Методические основы для учета этих факторов при анализе коррозионных процессов в материалах только начинают разрабатываться.

Для прогнозирования и  комплексного учета влияния микробиотических сообществ на кинетику разрушения строительных конструкций следует учитывать ряд потенциальных причин, связанных со спецификой жизнедеятельности микроорганизмов в различных средах. Динамика же разрушения, в зависимости от изменения абиотических условий окружающей среды, будет зависеть еще и от вида бактерий, грибов и продуктов их метаболизма.

Все виды микроорганизмов, наиболее часто участвующих в процессах  коррозии строительных материалов, специалисты  разделяют на три основные группы.

• К первой группе относят  зеленые водоросли, цианобактерии. Энергию и углерод для построения собственного организма, подобно растению, они получают при фотосинтезе с участием солнечной энергии и оксида углерода воздуха.

• Ко второй группе относят  многие виды бактерий и грибы, которые  являются минерализаторами органического  материала.

• Третья группа включает специальные  анаэробные группы бактерий, то есть те, которые действуют при отсутствии кислорода воздуха. К ним относятся  бактерии, восстанавливающие нитраты  и сульфаты.

При обследовании биоповреждений материалов необходима идентификация  этих групп микроорганизмов и  изучение механизма их воздействия  на памятники.

Микробиотическое заселение может происходить при определенных специфических условиях: наличие в строительном материале неорганических и органических веществ, питательной среды, уровень рН, окислительно-восстановительный потенциал среды, влажность и температура. Причинами заселения строительных материалов микроорганизмами является возможность удовлетворения их пищевых и энергетических потребностей. Характер заселения определяется, в значительной степени, как условиями окружающей среды (абиотическими факторами — влажностью, температурой и т.д.), так и химическим составом материала (субстрата).