Żyjemy w „antropocenie”antropocen„antropocenie” – wywołane przez człowieka głębokie zmiany powierzchni planety oraz ziemskiego życia zadecydowały o wyodrębnieniu tej nowej jednostki geologicznej. Szkodliwa działalność ludzi jest widoczna m.in. w ich wpływie na przebieg krążenia materii na Ziemi, w tym na obieg węgla, tlenu, azotu, fosforu i siarki.

Cykl węglowo‑tlenowy obejmuje serię reakcji, w których dwutlenek węgla z atmosfery – w wyniku fotosyntezy – staje się częścią organizmów, a one wydalają go w procesie oddychania tlenowego (dokładniejszy opis tego cyklu tutajP10kWaaRHtutaj). Azot uwalniany jest ze szczątków organicznych przez bakteryjnych reducentów. Inne bakterie umożliwiają powrót tego pierwiastka do postaci organicznej, dzięki czemu producenci wbudowują go w swoje białka, które następnie są źródłem azotu dla konsumentów (opis przebiegu tych procesów tutajPNnBEwkIatutaj). Fosfor krąży między glebą, wodą i organizmami. W tych ostatnich jest składnikiem kwasów nukleinowych i fosfolipidów budujących błony komórkowe (przebieg jego obiegu w przyrodzie tutajPQqukuI7mtutaj). Z kolei obieg siarki odbywa się między organizmami a środowiskiem. Pierwiastek ten występuje w złożach naturalnych, a rośliny pobierają go z gleby i wbudowują w związki organiczne. Człowiek zakłóca naturalny przebieg tych cykli, rozwijając górnictwo, rolnictwo i przemysł oraz stosując związki chemiczne we wszystkich dziedzinach życia.

RRZ7OGnXSaxmN1

Ilustracja przedstawiająca ścięty pień drzewa w lesie

Człowiek wpływa na obieg wody w przyrodzie, pobierając wodę z jezior, rzek i zbiorników podziemnych. Na gęsto zaludnionych obszarach zasoby czystej wody szybko się zmniejszają, a przybywa ścieków. Zaburzenie naturalnego obiegu wody w przyrodzie spowodowane jest też wycinką lasów pod uprawy czy pozyskiwaniem terenów do budowy miast.

Rośliny pobierają wodę z gleby, a oddają ją do atmosfery w postaci pary wodnej podczas transpiracjitranspiracjatranspiracji. Proces ten ulega znacznemu zaburzeniu na skutek wycinki drzew. Brak roślin sprawia również, że podczas deszczu z gleb wypłukiwane są substancje mineralne, a woda nie wsiąka w ich głębsze warstwy. Podziemne zbiorniki wodne nie są więc wystarczająco zasilane lub trafia do nich woda zasolona, przez co kurczą się zasoby słodkiej wody pitnej. Dodatkowo tzw. regulacja cieków (prostowanie i obudowa ich brzegów betonem) przyspiesza spływ wody i zwiększa prawdopodobieństwo powodzi.

R1DLwWulAtqNw1

Ilustracja przedstawia fragment zbiornika wodnego porośniętymi sinicami i glonami. Z prawej strony widoczny kamienisty brzeg oraz rosnące drzewa.

Kolejnym niekorzystnym dla życia zaburzeniem cyklu pierwiastków spowodowanym działaniem człowieka jest zanieczyszczanie wody – bezpośrednio ściekami lub pośrednio nawozami zawierającymi związki siarki, stosowanymi do użyźniania pól. Toksyny zawarte w ściekach mogą wracać do organizmów ludzkich, które są ostatnim ogniwem wielu łańcuchów pokarmowych. Powszechne użytkowanie proszków do prania i innej „chemii domowej” zawierającej związki fosforu przyczynia się do eutrofizacjieutrofizacjaeutrofizacji, czyli nadmiernego użyźnienia wody. W tak „przekarmionym” środowisku gwałtownie rozwijają się sinicesinicesinice, które powodują tzw. kwitnięcie wody. Zjawisko to odcina głębiej rosnącym roślinom dostęp do światła. Szczątki sinic i roślin opadają na dno i są rozkładane przez bakterie tlenowe. Wykorzystanie przez nie tlenu i brak możliwości uzupełnienia jego zapasu w wodzie przyczyniają się do wymierania wodnych organizmów (w tym roślin).

Trudno wyobrazić sobie świat bez paliw kopalnych: węgla brunatnego i kamiennego, ropy naftowej oraz gazu ziemnego. Paliwa kopalne są jednym z większych zbiorników węgla, z których trafia on do obiegu. Wiele dziedzin gospodarki zależy od przetwórstwa i bezpośredniego wykorzystania tych paliw, m.in. transport, budownictwo, energetyka, produkcja tworzyw sztucznych i leków.

Każdy proces chemicznego spalania materii organicznej kończy się uwolnieniem dwutlenku węgla. Trafia on do powietrza, gdzie razem z innymi gazami (np. metanem – gazem fermentacyjnym i parą wodną) zbiera się w niższych warstwach atmosfery. Gazy te ograniczają odpływ ciepła z powierzchni Ziemi, wskutek czego wzrasta temperatura powietrza.

Ziemia zarówno otrzymuje energię (ze Słońca), jak i ją oddaje. W bilansie cieplnym należy uwzględnić odbite od Ziemi promieniowanie słoneczne, ale także konwekcjękonwekcjakonwekcję (unoszenie się) ogrzanych warstw powietrza.

Efekt cieplarnianyefekt cieplarnianyEfekt cieplarniany umożliwia życie na Ziemi, utrzymując na niej wyższą temperaturę. Do czasów rewolucji przemysłowej ilość dwutlenku węgla emitowanego ze źródeł naturalnych (wulkany, pożary) była równoważona z jego pobieraniem przez rośliny i rozpuszczaniem w wodzie. Rozwój przemysłu naruszył tę równowagę. Obecnie w wyniku coraz większej zawartości dwutlenku węgla w atmosferze obserwuje się wzrost średniej temperatury, zwany globalnym ociepleniem. Jest ono skutkiem nasilenia efektu cieplarnianego, który w takiej formie jest procesem negatywnym.

Paliwa kopalne, powstałe ze szczątków organicznych, zawierają zwykle dużą domieszkę siarki. Ich spalanie sprawia, że uwalniają się tlenki siarki, które trafiają do powietrza. Nienaturalnie duża ilość związków siarki w atmosferze wpływa negatywnie na ekosystemy. Tlenki siarki reagują z parą wodną, tworząc kwas siarkowy – główny składnik kwaśnych deszczy. Zakwaszają one glebę, a także wody słodkie i słone, zmieniając ich odczyn (pH). Konsekwencją tego procesu jest zmiana składu biocenoz. Nadmiar siarki zaburza także obieg innych pierwiastków w ekosystemach – zmieniają się zależności pokarmowe. Może być też toksyczny dla roślin.

Siarka odgrywa ważną rolę w formowaniu się chmur, które z kolei wpływają na zmiany klimatu. Aerozole siarczanowe mogą stanowić jądra kondensacji pary wodnej, które sprzyjają tworzeniu się chmur. Chmury pośrednio wpływają na klimat: odbijają promieniowanie słoneczne, podobnie jak śnieg. Aerozole siarczanowe mogą także bezpośrednio pochłaniać lub rozpraszać światło słoneczne, co prowadzi do ochładzania planety i w pewnym stopniu przeciwdziała ocieplaniu atmosfery. Każda zmiana ilości tego pierwiastka odbija się na funkcjonowaniu ekosfery.

RL0GTGel6OjqN

Ilustracja przedstawiająca kominy z czynnej elektrowni węglowej. Część z nich ma bardzo dużą średnicę, mają kształt przewężonych walców. Inne są wysokie i wąskie.

Azot stanowi 78% powietrza. Jego gazowa forma jest jednak niedostępna dla producentów, co od zawsze było czynnikiem ograniczającym rozwój ekosfery. W korzeniach roślin bobowatychrośliny bobowateroślin bobowatych, np. fasoli czy soi, żyją bakterie azotowe asymilujące wolny azot z powietrza i przetwarzające go w związki dostępne dla roślin. Nadmierna uprawa soi i innych roślin bobowatych, a także produkcja bogatych w azot nawozów sztucznych znacząco zwiększyły ilość tego pierwiastka w glebie.

Związki azotu są wypłukiwane z gleby do cieków, a ostatecznie trafiają do oceanów. Nadmiar azotu, podobnie jak fosforu, skutkuje eutrofizacjąeutrofizacjaeutrofizacją wód (więcej na ten temat tutajP44oU5rfltutaj), rozwojem sinic oraz wymieraniem roślin i zwierząt wodnych. Dodatkowym źródłem azotu w glebie (a dalej w wodach) jest przemysłowy chów zwierząt. Olbrzymie ilości skoncentrowanego obornika powodują poważne zatrucie ekosystemów. Bakterie amonifikacyjnebakterie amonifikacyjneBakterie amonifikacyjne nie nadążają z przeróbką szczątków organicznych i przekształcaniem zawartego tam azotu w amoniak. Z kolei bakterie nitryfikacyjnebakterie nitryfikacyjnebakterie nitryfikacyjne nie mogą odpowiednio szybko utleniać azotu i udostępniać jego związków. Nadmiar związków amonowych znów trafia do wód, co dodatkowo zwiększa ich żyzność.

RI9hMwCJ2bDft

Ilustracja przedstawiająca spływającą brudną wodę z pola uprawnego.

W paliwach samochodowych zawarte są związki węgla, siarki i azotu, które wraz ze spalinami trafiają do atmosfery. Zaburza to obieg tych pierwiastków w przyrodzie.

W powietrzu obok dwuatomowych cząsteczek tlenu (OIndeks dolny 2₂) znajdują się cząsteczki trójatomowe, czyli ozon (OIndeks dolny 3₃). Gaz ten powstaje naturalnie, np. podczas wyładowań burzowych (i odpowiada za charakterystyczny, „świeży” zapach powietrza zaraz po burzy). Obecność ozonu w stratosferze (na wysokości powyżej 15 km) jest niezwykle istotna – jego cienka warstwa chroni organizmy przed szkodliwymi skutkami promieniowania słonecznego UVA i (w mniejszym stopniu) UVB. To krótkofalowe promieniowanie słoneczne może uszkadzać materiał genetyczny w jądrach komórkowych, powodując mutacje (np. mutacje rozrodczych warstw naskórka mogą skutkować nowotworami skóry).

Głównym związkiem rozkładającym cząsteczki ozonu jest chlor, zawarty np. we freonach, których stosowania zakazano już 30 lat temu. Nie mniej groźne są tlenki azotu, które pochodzą głównie ze spalin i emisjiemisjaemisji przemysłowej. Obecnie koncentracja tlenków azotu w stratosferze jest ponad 20 razy większa niż przed erą przemysłową. Związki te pod wpływem energii słonecznej dysocjują w szeregu reakcji, których ostatecznym wynikiem jest przyłączenie atomu azotu do cząsteczki ozonu i jej rozbicie. Ponadto w stratosferze tlenki azotu mogą reagować z wodą (obecną tam w postaci kryształków lodu) i tworzyć kwas azotowy, który również niszczy warstwę ozonową (szczegółowy opis zjawiska dziury ozonowej tutajPmslOzN2Stutaj).

W upalne dni w wyniku wielu reakcji, katalizowanych przez energię słoneczną, tworzą się: ozon przypowierzchniowy i organiczne nadtlenki – zjawisko to nazywane jest powstawaniem smogu fotochemicznegosmog fotochemicznysmogu fotochemicznego. Produkty tych reakcji, ze względu na dużą reaktywność, są szkodliwe m.in. dla roślin i układu oddechowego zwierząt. Przy większych miastach istnieją stacje badawcze, które monitorują ilości uwalnianych gazów odpowiedzialnych za to zjawisko.

Ciekawostka

Zabarwienie dymu może wskazywać na obecność w nim tlenków azotu. Im bardziej brunatno‑czerwona barwa, tym większa w nim zawartość tlenków azotu(IV). Razem z COIndeks dolny 2₂ i węglowodorami są one odpowiedzialne za zjawisko nazywane smogiem fotochemicznym.

R1E5dFjcN0M7a

Ilustracja przedstawiająca wydobywający się dym z cienkiego wysokiego komina.

Wiele pierwiastków wykorzystywanych jest do produkcji tworzyw sztucznych, których człowiek używa na co dzień. Często nie jest on nawet świadomy, że dany przedmiot powstał w efekcie przeróbki (głównie polimeryzacji) węgla i jego związków, np. etylenu. Część tworzyw sztucznych ulega recyklingowi, część zostaje spalona (w wysokich temperaturach), ale ok. 80% wszystkich tworzyw od początku ich masowej produkcji w latach 50. pozostaje w przyrodzie: na składowiskach czy w wodach. Ilość plastikowych odpadów w zbiornikach wodnych jest już tak ogromna, że stanowi poważne zagrożenie dla ekosystemów i ludzi. Drobne cząsteczki tworzyw sztucznych znajdują się praktycznie w każdym pożywieniu, zwłaszcza w tym, który składa się z organizmów z poziomu konsumentów (zwierzęta, grzyby).

Ciekawostka

Po Oceanie Spokojnym dryfuje „wyspa” utworzona z odpadów tworzyw sztucznych, której powierzchnia pięciokrotnie przekracza powierzchnię Polski! Wyspa ta powstała w wyniku działania prądów morskich i nosi nazwę Great Pacific Garbage Patch (Wielka Pacyficzna Plama Śmieci). Jest częścią ogólnoświatowego oceanicznego śmietnika i składa się głównie z niewielkich cząstek plastiku pozostałych po rozbiciu odpadów przez fale i wiatry.

RhgKsgGRzw0oI

Ilustracja przedstawiająca szczątki ptaka albatrosa, wśród których znajdują się plastikowe przedmioty.

Słownik