Материал из Википедии - свободной энциклопедии
Биома́сса (биоматерия) - совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе , определённого размера или уровня.
Биомасса Земли составляет 2423 миллиардов тонн . Люди дают около 350 миллионов тонн биомассы в живом весе или около 100 миллионов тонн в пересчете на сухую биомассу - пренебрежимо малое количество в сравнении со всей биомассой планеты
Организмы континентальной части
Организмы океанов
Таким образом, большая часть биомассы Земли сосредоточена в лесах Земли. На суше преобладает масса растений, в океанах масса животных и микроорганизмов. Однако скорость прироста биомассы (оборот) намного больше в океанах.
Если рассмотреть прирост биомассы к уже имеющей массе, то получаются такие показатели:
Интенсивное деление микроскопических клеток фитопланктона, быстрый их рост и кратковременность существования способствуют быстрому обороту фитомассы океана, который в среднем происходит за 1-3 суток, тогда как полное обновление растительности суши осуществляется за 50 лет и более. Поэтому несмотря на небольшую величину фитомассы океана, образуемая ею годовая суммарная продукция сопоставима с продукцией растений суши. Небольшой вес растений океанов связан с тем, что они за несколько суток поедаются животными и микроорганизмами, но также за несколько суток восстанавливаются.
Ежегодно в биосфере в процессе фотосинтеза образуется около 150 млрд тонн сухого органического вещества. В континентальной части биосферы самыми продуктивными являются тропические и субтропические леса, в океанической - эстуарии (расширяющиеся в сторону моря устья рек) и рифы, а также зоны подъема глубинных вод - апвеллинга. Низкая продуктивность растений характерна для открытого океана, пустынь и тундры.
Биомасса - шестой по запасам из доступных на настоящий момент источников энергии после горючих сланцев , урана , угля , нефти и природного газа . Приближённо полная биологическая масса земли оценивается в 2,4·10 12 тонн.
Биомасса - пятый по производительности возобновимый источник энергии после прямой солнечной , ветровой , гидро- и геотермальной энергии. Ежегодно на земле образуется около 170 млрд тонн первичной биологической массы и приблизительно тот же объём разрушается.
Биомасса - крупнейший по использованию в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс (более 500 млн тонн у. т. в год)
Биомасса применяется для производства тепла , электроэнергии , биотоплива , биогаза (метана , водорода).
Основная часть топливной биомассы (до 80 %), это прежде всего древесина, употребляется для обогрева жилищ и приготовления пищи в развивающихся странах.
В 2002 году в электроэнергетике США было установлено 9733 МВт генерирующих мощностей, работающих на биомассе. Из них 5886 МВт работали на отходах лесного и сельского хозяйства, 3308 МВт работали на твёрдых муниципальных отходах, 539 МВт на других источниках.
Из 1 килограмма биомассы можно получить около 2,5 м 3 генераторного газа, основными горючими компонентами которого являются монооксид углерода (CO) и водород (H 2). В зависимости от способа проведения процесса газификации и исходного сырья можно получить низкокалорийный (сильно забалластированный) или среднекалорийный генераторный газ.
Из навоза животных методом метанового брожения получают биогаз . Биогаз на 55-75 % состоит из метана и на 25-45 % из СО 2 . Из тонны навоза крупного рогатого скота (в сухой массе) получается 250-350 кубических метров биогаза. Мировой лидер по количеству действующих установок по производству биогаза - Китай .
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ничего не было страшного и резкого в этом, относительно медленном, пробуждении.
Последние дни и часы его прошли обыкновенно и просто. И княжна Марья и Наташа, не отходившие от него, чувствовали это. Они не плакали, не содрогались и последнее время, сами чувствуя это, ходили уже не за ним (его уже не было, он ушел от них), а за самым близким воспоминанием о нем – за его телом. Чувства обеих были так сильны, что на них не действовала внешняя, страшная сторона смерти, и они не находили нужным растравлять свое горе. Они не плакали ни при нем, ни без него, но и никогда не говорили про него между собой. Они чувствовали, что не могли выразить словами того, что они понимали.
Они обе видели, как он глубже и глубже, медленно и спокойно, опускался от них куда то туда, и обе знали, что это так должно быть и что это хорошо.
Его исповедовали, причастили; все приходили к нему прощаться. Когда ему привели сына, он приложил к нему свои губы и отвернулся, не потому, чтобы ему было тяжело или жалко (княжна Марья и Наташа понимали это), но только потому, что он полагал, что это все, что от него требовали; но когда ему сказали, чтобы он благословил его, он исполнил требуемое и оглянулся, как будто спрашивая, не нужно ли еще что нибудь сделать.
Когда происходили последние содрогания тела, оставляемого духом, княжна Марья и Наташа были тут.
– Кончилось?! – сказала княжна Марья, после того как тело его уже несколько минут неподвижно, холодея, лежало перед ними. Наташа подошла, взглянула в мертвые глаза и поспешила закрыть их. Она закрыла их и не поцеловала их, а приложилась к тому, что было ближайшим воспоминанием о нем.
«Куда он ушел? Где он теперь?..»
Когда одетое, обмытое тело лежало в гробу на столе, все подходили к нему прощаться, и все плакали.
Николушка плакал от страдальческого недоумения, разрывавшего его сердце. Графиня и Соня плакали от жалости к Наташе и о том, что его нет больше. Старый граф плакал о том, что скоро, он чувствовал, и ему предстояло сделать тот же страшный шаг.
Наташа и княжна Марья плакали тоже теперь, но они плакали не от своего личного горя; они плакали от благоговейного умиления, охватившего их души перед сознанием простого и торжественного таинства смерти, совершившегося перед ними.
Для человеческого ума недоступна совокупность причин явлений. Но потребность отыскивать причины вложена в душу человека. И человеческий ум, не вникнувши в бесчисленность и сложность условий явлений, из которых каждое отдельно может представляться причиною, хватается за первое, самое понятное сближение и говорит: вот причина. В исторических событиях (где предметом наблюдения суть действия людей) самым первобытным сближением представляется воля богов, потом воля тех людей, которые стоят на самом видном историческом месте, – исторических героев. Но стоит только вникнуть в сущность каждого исторического события, то есть в деятельность всей массы людей, участвовавших в событии, чтобы убедиться, что воля исторического героя не только не руководит действиями масс, но сама постоянно руководима. Казалось бы, все равно понимать значение исторического события так или иначе. Но между человеком, который говорит, что народы Запада пошли на Восток, потому что Наполеон захотел этого, и человеком, который говорит, что это совершилось, потому что должно было совершиться, существует то же различие, которое существовало между людьми, утверждавшими, что земля стоит твердо и планеты движутся вокруг нее, и теми, которые говорили, что они не знают, на чем держится земля, но знают, что есть законы, управляющие движением и ее, и других планет. Причин исторического события – нет и не может быть, кроме единственной причины всех причин. Но есть законы, управляющие событиями, отчасти неизвестные, отчасти нащупываемые нами. Открытие этих законов возможно только тогда, когда мы вполне отрешимся от отыскиванья причин в воле одного человека, точно так же, как открытие законов движения планет стало возможно только тогда, когда люди отрешились от представления утвержденности земли.
ЧТО ТАКОЕ БИОГАЗ И БИОМАССА?
В последнее время во всем мире все большее внимание уделяют нетрадиционным с технической точки зрения, возобновляемым источникам энергии (ВИЭ). Для Республики Узбекистан из ВИЭ имеет значение энергия: солнечного излучения, ветра, малых речных потоков, термальных источников, биомассы . Некоторые из них, например, ветер, находили широкое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение во многих странах мира, в особенности в странах Европы. Одним из «забытых» видов сырья является и биогаз, использовавшийся еще в Древнем Китае и вновь «открытый» в наше время.
Что же такое биогаз? Этим термином обозначают газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого разного происхождения. В любом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество навоза, ботвы растений, различных отходов. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение. Однако мало кто знает, какое количество биогаза и тепла выделяется при ферментации. А ведь эта энергия тоже может сослужить хорошую службу сельским жителям.
Биогаз – смесь газов. Его основные компоненты: метан (СН4% и углекислый газ (СО2) – 28-43%, а также в очень малых количествах другие газы, например – сероводород (Н2S).
В среднем 1 кг органического вещества, при 70% биологическом разложении, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка.
Свежий навоз животноводческих ферм и жидкие составляющие навоза вместе со сточными водами являются загрязнителями окружающей среды. Повышенная восприимчивость сельскохозяйственных культур к свежему навозу приводит к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна, создает благоприятную среду для заражения почвы вредными микроорганизмами. В навозе животных жизнедеятельность болезнетворных бактерий и яиц гельминтов не прекращается, содержащиеся в нем семена сорных трав сохраняют свои свойства.
Для устранения этих негативных явлений необходима специальная технология обработки навоза, позволяющая повысить концентрацию питательных веществ и одновременно устранить неприятные запахи, подавить патогенные микроорганизмы, снизить содержание канцерогенных веществ. Перспективным, экологически безопасным и экономически выгодным направлением решения этой проблемы является анаэробная переработка навоза и отходов в биогазовых установках с получением биогаза. Благодаря высокому содержанию метана (до 70%) биогаз может гореть. Оставшаяся после такой естественной переработки органическая масса представляет собой качественное обеззараженное удобрение.
Для переработки используются дешевые отходы сельского хозяйства - навоз животных, помет птицы, солома, отходы древесины, сорная растительность, бытовые отходы и органический мусор, отходы жизнедеятельности человека и т. п.
Полученный биогаз, может идти на отопление животноводческих помещений, жилых домов, теплиц, на получение энергии для приготовления пищи, сушку сельскохозяйственных продуктов горячим воздухом, подогрев воды, выработку электроэнергии с помощью газовых генераторов.
После утилизации содержание питательных веществ в полученном удобрении увеличивается на 15% по сравнению с обычным навозом. При этом в новом удобрении уничтожены гельминты и болезнетворные бактерии, семена сорных трав. Такой навоз применяется без традиционных выдержек и хранения. При утилизации получается также жидкий экстракт, который предназначается для полива кормовых трав, овощей и т. п. Сухое удобрение используется по прямому назначению, при этом урожайность люцерны повышается на 50%, кукурузы на 12, овощей на 20-30%.
Из навоза одной коровы можно получить в сутки до 4,2 м3 биогаза. Энергия, заключенная в одном м3 биогаза, эквивалентна энергии 0,6 м3 природного горючего газа, 0,74 л нефти, 0,65 л дизельного топлива, 0,48 л бензина и т. п. При применении биогаза экономятся также мазут, уголь, электроэнергия и другие энергоносители. Внедрение биогазовых установок улучшает экологическую обстановку на животноводческих фермах, птицефабриках и на прилегающих территориях, предотвращаются вредные воздействия на окружающую среду.
По некоторым данным вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%, хотя значительная доля биомассы, используемой для энергетических нужд, не является коммерческим продуктом и, как результат, не учитывается официальной статистикой. В странах Европейского Союза, в среднем, вклад биомассы в энергетический баланс составляет около 3%, но с широкими вариациями : в Австрии - 12%, в Швеции - 18%, в Финляндии - 23%.
Первичной биомассой являются растения, произрастающие на суше и в воде. Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счет которого солнечная энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический кпд собственно фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от рода растений и климатической зоны произрастания это приводит к различной продуктивности в расчете на единицу площади, занятой растениями.
Для энергетических целей первичная биомасса используется в основном как топливо, замещающее традиционное ископаемое топливо. Причем речь, как правило, идет об отходах лесной и деревоперерабатывающей промышленности, а также об отходах полеводства (солома, сено). Теплотворность сухой древесины достаточно высока, составляя в среднем 20 ГДж/т. Несколько ниже теплотворность соломы, например, для пшеничной соломы она составляет около 17,4 ГДж/т.
В то же время большое значение имеет удельный объем топлива, который определяет размеры соответствующего оборудования и технологию сжигания. В этом отношении древесина значительно уступает, например, углю. Для угля удельный объем составляет около 30 дм3 /ГДж, тогда как для щепы, в зависимости от породы дерева, этот показатель лежит в пределах 250 – 350 дм3 /ГДж; для соломы удельный объем еще больше, достигая 1м3 /ГДж. Поэтому сжигание биомассы требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств.
В частности, в ряде стран распространение получил способ уплотнения древесных отходов с превращением их в брикеты или, так называемые, плетки. Оба способа позволяют получить топливо с удельным объемом около 50 дм3/ГДж, что вполне приемлемо для обычного слоевого сжигания. Например, в США годовое производство плеток составляет около 0,7 млн. т, а их рыночная цена - около 6 долл./ГДж при теплотворности около 17 ГДж/т.
В виде топлива может использоваться широкий спектр биомассы. Древесина и сухой навоз являются традиционными сельскими видами топлива и продолжают в большом объеме использоваться во многих регионах мира. Основные виды перечислены в таблице вместе с техникой их использования.
Сжигание биомассы является нейтральным процессом с точки зрения выделения углекислого газа. Растения потребляют углекислый газ в цикле фотосинтеза. Затем он выделяется при горении вещества. Следовательно, выращенный лес и энергетические культуры являются энергетическим ресурсом, который не приводит к концентрации углекислого газа в атмосфере.
В Узбекистане большие площади занимают посевы хлопчатника, кенафа, табака, подсолнечника. И если стебли хлопчатника до сих пор частично использовались как сырье для производства спирта, бумаги, то стебли остальных растений, как правило, просто сжигались. А ведь по природному происхождению и химическому составу они близки к древесине! И это при том, что лесных насаждений в стране очень мало. Ученые Узбекистана разработали технологию получения из этих отходов растениеводства экологически чистых строительных материалов , обладающих хорошими теплоизоляционными свойствами и достаточно высоким сопротивлением к разрыву, что немаловажно для этого сейсмически активного региона.
|
Биомасса |
Описание |
Использование энергии |
|
Отходы лесоматериалов |
В основном как топливо для котельных |
|
|
Сельскохозяйственные отходы |
Солома, помет, сахарная багасса и т. п. |
a) Как топливо для котельных или для выработки энергии |
|
Энергетические сельскохозяйственные культуры |
Быстрорастущая биомасса, выращиваемая специально на топливо, например, ива или мискантус |
Получение электроэнергии (всего несколько коммерческих примеров) |
|
Твердые городские отходы |
Домашние и коммерческие отходы |
a) Широкомасштабное сжигание с получением энергии, используемое для выработки электроэнергии б) Улавливание метана со свалок, используется для выработки электроэнергии и промышленного нагрева. |
|
Сточные воды |
Осадки от переработки городских сточных вод |
Анаэробное сбраживание осадков сточных вод вырабатывает метан. Используется для выработки электроэнергии. |
Биомасса - термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т. д.) и вторичную - отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В свою очередь отходы также делятся на первичные - отходы при переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т. д.) и вторичные - продукты физиологического обмена животных и человека.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА
В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных (без доступа воздуха) условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий. Эти процессы сопровождаются минерализацией азотсодержащих , фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Процесс образования биогаза и удобрений осуществляется специальных биореакторах-метантенках.
Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно - это компостирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются. При этом куча разогревается примерно до 60°С и происходит естественная пастеризация - погибает большинство патогенных микробов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть.
Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энергия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, - а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.
Но возможен и другой путь переработки органического вещества - сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная ферментация. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу. Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соединения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соединения служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы - углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть - 100-200 млн. тонн в год! - имеет такое "животное" происхождение.
Метанообразующие бактерии - во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая - их считают продуктом особой ветви эволюции.
Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи - переработки отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности - биогаз, в котором 60-70 % метана,- есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.
Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное - что таким способом прекрасно перерабатывается навоз с ферм. В процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения. Эти удобрения содержат минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усвояемая форма азота), минерализованные фосфор, калий и другие, необходимые для растения биогенные макро - и микроэлементы, биологически активные вещества, витамины , аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву.
Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/ м3 (0,93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): метан - 65, углекислый газ - 34, сопутствующие газы - до 1 (в том числе сероводород - до 0,1). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55-75 %. Содержание воды в биогазе при 40°С - 50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.).
Энергоемкость получаемого газа - 23 мДж/ м3 , или 5500 ккал/ м3 .
Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями.
Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т. д.).
Термохимическая конверсия биомассы (твердой, до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.
Биотехнологическая конверсия биомассы (при влажности от 75 % и выше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.
Биологическая конверсия биомассы в топливо и энергию развивается по двум основным направлениям:
Ферментация с получением этанола, низших жирных кислот, углеводородов, липидов - это направление давно и успешно используется на практике;
Получение биогаза.
В настоящее время получение биогаза связано, прежде всего с переработкой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и осадков.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗА
Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до –20о С.
Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94 %). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков .
Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на 3 фракции. Верхняя – корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок.
Бактерии наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать – хотя бы один раз в сутки, а желательно – до шести раз. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания.
БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ
Технологические схемы и конструктивно-технологические параметры биогазовых установок зависят от объемов переработки и свойств сбраживаемого материала, тепловлажностного режима, способов загрузки и перебраживания субстрата и ряда других факторов.
Основное оборудование биогазовой установки - герметически закрытая емкость с теплообменником (теплоноситель - вода, нагретая до 50-60 °С), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода газа.
Так как на каждой ферме свои особенности удаления навоза, использования подстилочного материала, теплоснабжения , создать один типовой биореактор невозможно. Конструкция установки во многом определяется местными условиями, наличием материалов. Ниже приведены некоторые возможные конструкции биогазовых учтановок.
Для небольшой установки наиболее простое решение - использовать высвободившиеся топливные цистерны. Схема биореактора на базе стандартной топливной цистерны объемом 50 м3 показана на рисунке. Внутренние перегородки могут быть из металла или кирпича; их основная функция - направлять поток навоза и удлинить путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов. На схеме перегородки показаны условно; их число и размещение зависят От свойств навоза - от текучести, количества подстилки.
Биореактор экспериментальной газовой станции (утеплитель из древесных опилок условно не показан):
1 - бетонная подставка (2 шт.); 2 - теплоизоляционная «подушка» (2 шт.); 3- обогреватель с термофикационной водой («тепловая рубашка» базовой железнодорожной нефтецистерны); 4 - патрубок приема сырья; 5 - корпус биореактора (цистерна); 6-сырье (жидкий навоз); 7 - вал мешалки с лопастями; 8 - шлюзовая перегородка (4 шт.); 9 - биогаз; 10 - газопроводный патрубок; 11 - переработанная биомасса; 12 - сифонный затвор; 13 - патрубок трубопровода переработанной биомассы; 14- цепная передача; 15 - мотор-редуктор (220 В, 3 кВт)
Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более трудоемок в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от численности и массы животных, так и от способа его удаления: при смыве бесподстилочного навоза общее количество стоков увеличивается во много раз, что нежелательно, так как требует увеличения затрат энергии на подогрев. Если суточное количество стоков известно, нужный объем реактора можно определить, умножив это количество на 12 (поскольку 12 суток - минимальный срок выдержки навоза) и увеличив полученную величину на 10 % (так как реактор следует заполнять субстратом на 90 %).
Ориентировочная суточная производительность биореактора при загрузке навоза с содержанием сухого вещества 4-8 % - два объема газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м3 будет давать в сутки 100 м3 биогаза.
Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голов крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м3 биогаза, от 10 свиней - 1-3 м3 , от 10 овец,2 м3 , от 10 кроликов - 0,4-0,6 м3. Тонна соломы дает 300 м3 биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов - 130 м3. (Потребность в газе односемейного дома, включая отопление и горячее водоснабжение , составляет в среднем 10 м3 в сутки, но может сильно колебаться в зависимости от качества теплоизоляции дома.)
Подогревать субстрат до 40°С можно различными способами. Удобнее всего использовать для этого газовые водонагревательные аппараты АГВ-80 или АГВ-120, снабженные автоматикой для поддержания температуры теплоносителя. При питании аппарата биогазом (вместо природного газа) следует его отрегулировать, уменьшив подачу воздуха. Можно также использовать для подогрева субстрата ночную электроэнергию. Аккумулятором тепла в этом случае служит сам биореактор.
Для уменьшения потерь тепла биореактор необходимо тщательно теплоизолировать. Здесь возможны разные варианты: в частности, можно устроить вокруг него легкий каркас, заполненный стекловатой, нанести на реактор слой пено-полиуретана и пр.
Давление газа, получаемого в биореакторе (100-300 мм вод. ст.), достаточно для его подачи на расстояние до нескольких сотен метров без газодувок или компрессоров.
При запуске биореактора необходимо заполнить его на 90 % объема субстратом и продержать суток, после чего можно подавать в реактор новые порции субстрата, извлекая соответствующие количества ферментированного продукта.
СОЦИАЛЬНЫЕ, ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Ведущее место по производству биогаза занимает Китай. Начиная с середины 70-х гг., в этой стране ежегодно строилось около миллиона метантенков. В настоящее время их количество превышает 20 млн. штук. КНР обеспечивает 30% национальных потребностей в энергии за счет биогаза.
Второе место в мире по производству биогаза занимает Индия, в которой еще в 30- годы была принята первая в мире программа по развитию биогазовой технологии. На конец 2000 г. в сельских районах Индии было построено свыше 1 млн. метантенков, что позволило улучшить энергообеспеченность ряда деревень, их санитарно-гигиеническое состояние, замедлить вырубку окрестных лесов и улучшить почвы. Сегодня ежедневное производство биогаза в Индии составляет 2,5-3 млн. куб. м.
В Непале создана и активно функционирует национальная биогазовая компания.
Биогазовые установки успешно работают в восьми животноводческих хозяйствах Японии.
Предварительные расчеты показывают, что из 1 тонны растительной биомассы, смешанной с отходами, можно получить 350 куб. м газов (метан, водород) с энергоемкостью 2.1х106 ккал, 430 л жидкого топлива с энергоемкостью 3.08х106 ккал и твердое топливо, эквивалентное 0.2х106 ккал энергии. Таким образом, из 1 тонн такого сырья можно получить 0,1-0,4 тут, а также 0,8-0,9 тонны обеззараженных удобрений.
Сегодня в сельской местности, где особенно ощутим нынешний топливно-энергетический дисбаланс, одинаково необходимы все виды топлива: газообразное - для отопления, жидкое - для функционирования транспорта, твердое - для получения теплоносителей.
Главное, что биогазовая технология переработки и обеззараживания отходов животноводства, себя окупает не только газом и производимым экологически чистым удобрением. Эта технология обеспечивает экологическое благополучие: иначе пришлось бы строить и навозохранилища, очистные сооружения, тратить большие деньги и очень много энергии.
Биореактор объемом 50 м3 дает в сутки 100 м3 биогаза, из которых на долю "товарного" газа, приходится в среднем около 70 м* (остальное идет на подогрев реактора), что составляет 25 тыс. м3 в год - количество, эквивалентное 16,75 т жидкого топлива.
Если капитальные вложения в строительство установки распределить на 15-летний срок ее эксплуатации и учесть эксплуатационные расходы и расходы на ремонт (1 % от стоимости оборудования), то экономия от замены биогазом жидкого топлива очень высокая.
При таком подсчете не учитывается предотвращение загрязнения окружающей среды , а также увеличение урожайности в результате применения получаемого высококачественного удобрения.
Биогазовые технологии решают ряд социально-экономических и природоохранных задач: экономию и комплексность использования топливно-энергетических и других природных ресурсов (земельных и водных); создание новых интенсивных технологий производства сельскохозяйственной продукции вне зависимости от погодно-климатических условий; снижение негативного воздействия теплового загрязнения на окружающую среду.
Особенность биогазовых технологий в том, что они не являются чисто энергетическими, а представляют комплекс, охватывающий решение как энергетических, так и экологических, агрохимических, лесотехнических и других вопросов, и в этом состоит их высокая рентабельность и конкурентоспособность.
Биогаз – это здоровье в вашем доме. В результате утилизации навоза в биогазовых установках, а не складирования его на приусадебных участках, падает уровень заражения среды болезнетворными бактериями. Исчезают неприятные запахи от разложения биоотходов и мухи, личинки которых выводятся в навозе.
Биогаз – это чистота вашей кухни. Пламя от горения газа не коптит и не содержит вредных смол и химических соединений, поэтому кухня и посуда не пачкаются копотью. Снижается риск респираторных и глазных заболеваний, связанных с дымом.
Биогаз – это источник плодородия вашего огорода. Из нитритов и нитратов, содержащихся в навозе и отравляющих ваш урожай, получается чистый азот, который так необходим растениям. При переработке навоза в установке погибают семена сорняков, и при удобрении огорода метановым флюентом (переработанным в установке навозом и органическими отходами) у вас будет уходить гораздо меньше времени на прополку.
Биогаз – доходы из отходов. Пищевые отходы и навоз, которые скапливаются в хозяйстве, являются бесплатным сырьем для биогазовой установки. После переработки мусора вы получаете горючий газ, а также высококачественные удобрения (гуминовые кислоты), являющиеся основными составляющими чернозема.
Биогаз – это независимость. Вы не будете зависеть от поставщиков угля и газа. А еще экономите деньги на этих видах топлива.
Биогаз – это возобновляемый источник энергии. Метан можно использовать для нужд крестьянских и фермерских хозяйств:
Для приготовления пищи;
Для подогрева воды;
Для отопления жилищ (при достаточных количествах исходного сырья – биоотходов).
Сколько же можно получить газа из одного килограмма навоза? Исходя из того, что на кипячение одного литра воды расходуется 26 литров газа:
С помощью одного килограмма навоза крупного рогатого скота можно вскипятить 7,5-15 литров воды;
С помощью одного килограмма навоза свиней – 19 литров воды;
С помощью одного килограмма птичьего помета – 11,5-23 литра воды;
С помощью одного килограмма соломы зернобобовых можно вскипятить 11,5 литров воды;
С помощью одного килограмма картофельной ботвы – 17 литров воды;
С помощью одного килограмма ботвы томатов – 27 литров воды.
Неоспоримое преимущество биогаза – в децентрализованном производстве электроэнергии и тепла.
Процесс биоконверсии кроме энергетической позволяет решить еще две задачи. Во-первых, сброженный навоз по сравнению с обычным применением, повышает на 10-20% урожайность сельскохозяйственных культур. Объясняется это тем, что при анаэробной переработке происходит минерализация и связывание азота. При традиционных же способах приготовления органических удобрений (компостированием) потери азота составляют до 30-40%. Анаэробная переработка навоза в четыре раза - по сравнению с несброженным навозом - увеличивает содержание аммонийного азота (20-40% азота переходит в аммонийную форму). Содержание усвояемого фосфора удваивается и составляет 50% общего фосфора.
Кроме того, во время сбраживания полностью гибнут семена сорняков, которые всегда содержатся в навозе, уничтожаются микробные ассоциации, яйца гельминтов, нейтрализуется неприятный запах, т. е. достигается актуальный на сегодня экологический эффект.
Научно-технический прогресс, развитие сельского хозяйства, увеличение народонаселения на Земле в настоящее время оказывают огромное влияние на природу. Это сложная, глобальная проблема, волнующая все человечество. Освоение космоса создает возможности для исследования природных богатств Земли и влияния на нее деятельности человека. Вредные отходы промышленности, транспорта отрицательно сказываются на живых организмах и загрязняют воздух, воду и почву. Все это, в свою очередь, действует на круговорот веществ и энергии в природе. Для того чтобы всесторонне, с научной точки зрения, изучить все вредные изменения в природе, необходимо знать закономерности жизни на всей планете. При изучении биологии в предшествующих классах вы познакомились с живыми организмами на всех уровнях их развития. Теперь вы познакомитесь с высшим уровнем организации жизни на Земле - биосферным.
Биосфера и ее границы. В настоящее время ученые в составе планеты различают следующие геологические оболочки: литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу. Биосфера охватывает оболочку, населенную живыми организмами. Живые организмы и окружающая их среда в биосфере тесно взаимосвязаны и зависимы друг от друга. В целом биосфера-это непрерывно меняющаяся, развивающаяся единая открытая система.
В последнее время согласно научным данным существует мнение, что биосфера возникла со времен появления планеты Земля. Ученые пришли к выводу, что жизнь на Земле появилась 3,8 млрд. лет назад. Это мнение впервые поддержал известный ученый, основатель учения о биосфере В. И. Вернадский (1863-1945).
Главную роль в возникновении биосферы на планете играют живые организмы, и все закономерности в природе осуществляются благодаря их деятельности. Совокупность всех живых организмов на Земле составляет биомассу планеты.
Жизнедеятельность живых организмов изменила и изменяет земную кору (литосферу), гидросферу, атмосферу. Нынешнее состояние биосферы напрямую связано с деятельностью живых организмов. Например, процентное соотношение газового состава атмосферы формировалось постепенно в результате жизнедеятельности организмов. Зеленые растения за миллиарды лет очистили атмосферу от углекислого газа, обогатили ее кислородом и способствовали отложению торфа, каменного угля. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка, или сфера жизни - биосфера (греч. bios - "жизнь", spharia - "шар"). Впервые этот термин был введен в науку французским ученым Ж. Б. Ламарком в 1802 г.
По мере накопления научных данных о биосфере они стали широко использоваться в различных науках естествознания. Австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г. широко применил термин "биосфера" в геологии. Первые научные представления о биосфере встречаются и в трудах известного русского ученого В. В. Докучаева.
Основу учения о биосфере создал известный русский ученый В. И. Вернадский - основоположник новой науки биохимии, связывающей химию Земли с химией жизни, установил роль живых организмов (или живого вещества) в преобразовании земной поверхности. В настоящее время ученые всего мира полностью признают учение В. И. Вернадского о биосфере.
Выдающийся русский ученый. Основоположник биохимии, кристаллографии, минералогии и других наук. Заложил основу учения о биосфере. Основал теорию о главной роли живых организмов в биохимических процессах. Основатель учения о ноосфере.
Геосферы планеты Земля. Литосфера (греч. lithos - "камень") - внешняя твердая оболочка суши земного шара. Она состоит из верхнего слоя - осадочных пород с гранитом и нижнего - базальта. Слои расположены неравномерно. В некоторых областях верхний слой литосферы превратился в почвенный, образовавшийся в результате деятельности живых организмов и их остатков. Этот слой в научной литературе называется педосфера (греч. pedon - "почва"). В слое литосферы живые организмы встречаются на глубине 3500-7000 м в нефтяных водных слоях.
Океаны и моря составляют 70,1% земного шара. В совокупности их называют Мировым океаном, они и составляют гидросферу. Глубина океана в среднем - 3,8 км, а самые глубокие места достигают 10 960 м (Марианская впадина). Живые организмы во всех слоях гидросферы распределены неравномерно. Самой благоприятной средой для живых организмов считается водная поверхность глубиной до 200 м.
Атмосфера - воздушная оболочка Земли. Вверх до 100 км над Землей простирается атмосфера. Нижний слой атмосферы, ближе к Земле, называется тропосферой (греч. tropos - "перемена"), высота - 15 км. Над тропосферой слой до 100 км называетсястратосферой (лат. stratum - "слой"). На высоте 20-50 км атмосферы находится озоновый слой, защищающий живые организмы от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей (схема 10).
Схема 10
Озоновый слой имеет важнейшее значение для жизни на Земле. В последнее время много говорят о том, что под действием различных остатков химических веществ образовались дыры в озоновом слое. Озоновый слой защищает все живые организмы от космических излучений и ультрафиолетовых лучей Солнца. Биосфера состоит из нескольких слоев живых организмов, распространенных на планете Земля. Микроорганизмы, грибы, растения, животные (человек) в биосфере называются живыми организмами.
Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов (рис. 83).
Рис. 83. Пределы жизни в биосфере
Верхний предел жизни биосферы ограничивается интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, а нижний - высокой температурой недр (свыше 100°С). В верхней границе биосферы распространены только низшие организмы - бактерии и грибы.
Масса живых организмов (популяций, видов, природных сообществ), выражающаяся соотношением единицы веса на единицу площади или объема, называется биомассой.
Наибольшая концентрация биомассы живых организмов наблюдается у поверхности суши и океана, у границ соприкосновения литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, литосферы и гидросферы. В этих местах наиболее благоприятные условия для жизни - температура, влажность, содержание кислорода и химические элементы. Самое широкое распространение живых организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал "пленками жизни". К верхним слоям атмосферы, в глубь океана и недр литосферы концентрация жизни уменьшается. Накопление биомассы непосредственно связано с жизнедеятельностью зеленых растений.
Химический состав всех живых организмов значительно отличается от химического состава атмосферы и литосферы. Химический состав живых организмов соответствует химическому составу гидросферы. В составе гидросферы чаще встречаются атомы водорода и кислорода. В составе живых организмов объем водорода, кислорода, углерода, кальция и азота значительно выше. В составе живых организмов встречается около 70 элементов таблицы Менделеева. По словам В. И. Вернадского, живые организмы составляют самую активную часть мировой материи. Живые организмы осуществляют сложные геохимические процессы в биосфере, подвергают различным изменениям слой земного шара.
Основным свойством живых организмов является способность к воспроизводству - размножение и рост, распространение и образование своей биомассы. Главная планетарная функция организмов - накопление солнечной энергии и использование ее в геохимических процессах биосферы.
В. И. Вернадский высоко оценил роль живых организмов в природе. "Живое вещество - совокупность организмов - распространяется по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде. Это движение осуществляется путем размножения организмов..." Уже К. Линней ясно видел, что это свойство должно считаться основным для живого, той непроходимой гранью, которая отделяет его от неживой материи.
Основную биомассу животных на суше составляют насекомые в результате их интенсивного размножения.
В водной среде микроорганизмы размножаются и распространяются очень быстро. Численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 мин. В результате жизнедеятельности микроорганизмов биосферы проходят процессы окисления и восстановления химических элементов. Например, можно назвать бактерии, накапливающие азот, серу, железо, марганец и др.
В результате деятельности микроорганизмов, грибов и других животных разлагаются органические остатки. Большую роль в достижении современного уровня кислорода в составе атмосферы играли зеленые растения. Озоновый слой в верхней части тропосферы также возник в результате деятельности живых организмов.
Живые организмы сыграли значительную роль в перемещении атомов с одного места на другое благодаря большому и малому круговоротам в биосфере. Благодаря круговороту веществ и энергии живых организмов биосфера способна к саморегуляции. По данным В. И. Вернадского, общая биомасса живых организмов определяется в 2,4232 1012 т (в виде сухого вещества). Из них 2,42 1012 т встречается на суше, а 0,0032 1012 - в Мировом океане. Основную часть биомассы на суше составляют растения, т. е. 99,2%, а 0,8% - животные (табл. 10).
|
Таблица 10 Биомасса организмов Земли (по Н. И. Базилевичу и др.)
|
В Мировом океане на долю животных приходится 93,7% биомассы, а остальные 6,3% биомассы - на долю растений. Общая биомасса всех живых организмов суши в 800 раз больше, чем биомасса организмов океана, около 90% биомассы суши составляют лесные массивы. По этим данным можно представить, насколько важны тропические леса планеты для человечества. В настоящее время интенсивность вырубки леса составляет 11 млн. га в год. Главная задача, стоящая перед человечеством, - это защита и сохранение тропических лесов для обеспечения устойчивого равновесия количества кислорода на нашей планете.
Биосфера. Литосфера. Педосфера. Гидросфера. Атмосфера. Биомасса. Тропосфера. Стратосфера. Озоновый слой.
1. Область распространения жизни на Земле - биосфера. В ее состав входят оболочки: литосфера, гидросфера, атмосфера.
2.Основоположником учения о биосфере является русский ученый В. И. Вернадский.
3.Жизнь в биосфере связана непосредственно с круговоротом веществ и энергии в живых организмах.
4.В атмосфере на высоте 20-50 км есть озоновый слой, защищающий живых организмов от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей Солнца.
1.Что означает понятие биосфера1
2.Из каких сфер состоит земной шар?
3.В каких местах биосферы больше всего сосредоточены живые организмы?
1.Дайте характеристику литосферы как геологического слоя.
2.Какие слои различают в атмосфере?
3.На какой высоте расположен озоновый слой и каково его значение для жизни?
1.Что означает понятие биомасса?
2.Дайте характеристику гидросферы как геологического слоя.
3.Дайте характеристику биомассы суши и Мирового океана.
Составьте характеристику оболочек биосферы и их особенностей в виде таблицы.
Биомасса - это термин, который используется для характеристики любого органического вещества, созданного при фотосинтезе. Данное определение подразумевает наземную и водную растительность и кустарники, а также водные растения и микроорганизмы.
Биомасса - это остатки жизнедеятельности животных (навоз), промышленные и сельскохозяйственные отходы. Данный продукт имеет промышленное значение, он востребован в энергетике. Биомасса - это естественный продукт, в котором содержание углерода настолько высоко, что его можно использовать в качестве альтернативного вида топлива.
Биомасса - это смесь зеленых растений, микроорганизмов, животных. Для того чтобы восстановить ее, необходим незначительный временной промежуток. Биомасса живых организмов является единственным источником энергии, способным выделять в процессе переработки углекислый газ. Основаная ее часть сосредоточена в лесах. На суше в нее входят зеленые кустарники, деревья, а объем их оценивается примерно в 2 400 миллиардов тонн. В океанах биомасса организмов образуется гораздо быстрее, здесь она представлена микроорганизмами и животными.
В настоящее время рассматривают такое понятие, как прирост количества зеленых растений. На долю древесной растительности приходится примерно два процента. Большую часть (около семидесяти процентов) от общего состава вносят пашни, зеленые луга, мелкая растительность.
Около пятнадцати процентов всей биомассы приходится на морской фитопланктон. Благодаря тому, что процесс его деления происходит за короткий временной промежуток, можно вести речь о существенном обороте растительности мирового океана. Ученые приводят интересные факты, согласно которым достаточно трех суток для того, чтобы полностью обновить зеленую часть океана.
На суше данный процесс протекает примерно за пятьдесят лет. Ежегодно происходит процесс фотосинтеза, благодаря которому получают около 150 миллиардов тонн сухого органического продукта. Суммарная биомасса, образуемая в мировом океане, несмотря на незначительные показатели, сравнима с продукцией, образующейся на суше.
Незначительность веса растений в мировом океане можно объснить тем, что они за короткий промежуток времени поедаются животными и микроорганизмами, но достаточно быстро здесь растительность полностью восстанавливается.
Самыми продуктивными в континентальной части земной биосферы считают субтропические и тропические леса. Океаническая биомасса представлена в основном рифами и эстуариями.
Из биоэнергетических технологий, применяемых в настоящее время, выделим: пиролиз, газификацию, ферментацию, анаэробное брожение, различные виды сжигания топлива.
В последнее время во многих европейских странах осуществляются разнообразные эксперименты, связанные с выращиванием энергетических лесов, из которых получается биомасса. Значение слова особенно актуально в наши дни, когда уделяется пристальное внимание вопросам экологии. Процесс получения биомассы, а также переработки в промышленности бытовых твердых отходов, древесной целлюлозы, сельскохозяйственных котлов, сопровождается выделением пара, приводящего в движение турбину. С экологической точки зрения он абсолютно безопасен для окружающей среды.
Благодаря этому наблюдается вращение ротора генератора, способного вырабатывать электрическую энергию. Постепенно происходит накапливание золы, снижающей эффективность выработки электроэнергии, поэтому периодически происходит ее выведение из реакционной смеси.
На огромных экспериментальных плантациях выращивают быстрорастущие деревья: акации, тополя, эвкалипты. Проведены испытания около двадцати видов растений.
Интересным вариантом были признаны комбинированные плантации, на которых помимо деревьев, выращивают иные сельскохозяйственные культуры. Например, между рядами тополей высаживают ячмень. Продолжительность ротации создаваемого энергетического леса составляет шесть-семь лет.
Продолжим разговор о том, что такое биомасса. Определение данному термину дано разными учеными, но все они убеждены в том, что именно зеленые растения являются перспективным вариантом получения альтернативного топлива.
В первую очередь необходимо отметить, что основным продуктом газификации является углеводород - метан. Его можно использовать в качестве исходного сырья в химической промышленности, а также в виде эффективного вида топлива.
При быстром пиролизе (термическом разложении веществ) получают бионефть, что является горючим топливом. Тепловая энергия, выделяемая в данном случае, применяется для химического превращения в синтетическую нефть зеленой биомассы. Ее гораздо легче транспортировать и хранить, нежели твердые материалы. Далее, бионефть сжигают, получая при этом электрическую энергию. Путем пиролиза можно осуществить преобразование биомассы в феноловое масло, применяемое для производства древесного клея, изоляционной пены, литьевых пластических масс.
Данный процесс осуществляется благодаря анаэробным бактериям. Микроорганизмы проживают в тех местах, где нет доступа кислорода. Они употребляют органическое вещество, образуя в ходе реакции водород и метан. При подаче навоза, сточных вод в специальные варочные чаны, внося в них анаэробные микроорганизмы, можно использовать образующийся газ в качестве источника топлива.
Бактерии способны разлагать органические вещества, содержащиеся в мусорных свалках, пищевых отходах, образуя метан. Для извлечения газа, его использования в виде топлива, можно применять специальные установки.
Биотопливо не только является отличным источником получения энергии, но и способом извлечения ценных химических веществ. Так, при химической переработке метана можно получить разнообразные органические соединения: метанол, этанол, ацетальдегид, уксусную кислоту, полимерные материалы. К примеру, этанол является ценным веществом, применяемым в разных отраслях промышленности.
Биологи провели количественный анализ глобального распределения биомассы на Земле, которая суммарно составила 550 миллиардов тонн углерода. Оказалось, что более 80 процентов от этого числа приходится на растения, суммарная биомасса наземных организмов примерно на два порядка больше, чем морских, а доля человека составляет около 0,01 процента, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences .
Количественные данные об общей биомассе всех живых организмов на Земле и ее распределении между отдельными видами - важная информация для современной биологии и экологии: по ним можно исследовать общую динамику и развитие всей биосферы, ее реакцию на происходящие на планете климатические процессы. Как пространственное распределение биомассы (географическое, по глубине и средам обитания видов), так и ее распределение между различными видами живых организмов может служить важным показателем при оценке путей переноса углерода и других элементов, а также экологических взаимодействий или пищевых цепей. Тем не менее, на сегодняшний день количественные оценки распределения биомассы были сделаны либо для отдельных таксонов, либо внутри некоторых экосистем, а достоверных оценок всей биосферы на данный момент сделано не было.
Чтобы получить такие данные, группа ученых из Израиля и США под руководством Рона Мило (Ron Milo) из Института имени Вейцмана провела своеобразную перепись всех видов животных с оценкой их биомассы и географического распределения. Все данные ученые собирали по нескольким сотням актуальных научных статей, после чего обрабатывали эту информацию с помощью разработанной схемы интегрирования с учетом географического распределения видов. В качестве количественного показателя биомассы, приходящейся на различные виды, ученые использовали информацию о массе углерода, которая приходится на различные таксоны (то есть при рассмотрении не учитывалась, например, масса воды). Сейчас все полученные результаты, а также использованные для анализа программы, находятся в открытом доступе, и их можно найти на github .
Принципиальная схема получения данных о глобальном распределении биомассы на основе имеющихся неполных данных с учетом географического распределение параметров окружающей среды
Y. M. Bar-On et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018
Анализ полученных данных показал, что суммарная биомасса всех живых организмов на Земле составляет примерно 550 миллиардов тонн углерода. При этом ее подавляющую часть содержат представители царства растений: 450 гигатонн углерода - это более 80 процентов от общего числа. На втором месте идут бактерии: примерно 70 миллиардов тонн углерода, - а животные (2 миллиарда тонн) уступают также грибам (12 миллиардов тонн), археям (7 миллиардов тонн) и простейшим (4 миллиарда тонн). Среди животных самая большая биомасса у членистоногих (1 миллиард тонн), а, например, общая биомасса вида Homo sapiens
составляет 0,06 миллиардов тонн углерода - это примерно 0,01 процент от всей биомассы на Земле.
Распределение биомассы между представителями разных царств (слева) и внутри царства животных (справа)
Y. M. Bar-On et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018
Распределение биомассы между различными средами обитания: суммарное для всех живых организмов (слева) и отдельно для представителей различных царств (справа)
Y. M. Bar-On et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018
Что интересно, максимальная по биомассе доля представителей основных царств обитает в различных средах обитания. Так, большая часть растений - это наземные виды. Максимальная биомасса животных обитает в морях и океанах, а, например, большая часть бактерий и архей находится глубоко под землей. При этом общая биомасса наземных организмов примерно на два порядка больше, чем морских, на которых, по оценкам авторов исследования, приходится всего 6 миллиардов тонн углерода.
Ученые отмечают, что из-за недостатка точной информации полученные данные вычислены с очень большой неопределенностью. Так, достаточно уверенно можно оценить лишь биомассу растений на Земле, а для бактерий и архей полученные данные могут отличаться от действительных и в 10 раз. Тем не менее, неопределенность данных об общей биомассе всех живых организмов на Земле не превышает 70 процентов.
По словам авторов работы, полученные ими результаты основаны на данных из актуальных научных исследований, поэтому могут быть использованы для современных экологических и биологических оценок, даже несмотря на довольно большую погрешность. Ученые также отмечают, что при анализе данных им удалось определить те географические области, для которых на сегодняшний день данных очень мало и необходимы дополнительные исследования. Исследователи надеются, что в будущем уточнение данных позволит не только проводить подобный анализ с достаточным географическим разрешением, но и следить за динамикой изменения подобных распределений с течением времени.
Совсем недавно ученые распределение биомассы в более мелких системах, рассмотрев крупные леса по всей Земле. Оказалось, что более половины всей биомассы леса приходится на всего один процент самых крупных деревьев, большая часть из которых превышает в диаметре 60 сантиметров. При этом для некоторых видов животных в отдельных географических областях уже сейчас удается провести и динамический анализ. Например, в прошлом году европейские экологи изучили биомассу летающих насекомых в национальных парках Германии и , что за 27 лет она снизилась сразу на 76 процентов.
Александр Дубов
