Как спасти планету ее же методами

В начале 1940-х в Советском Союзе проводились пионерские исследования в совершенно новой по тем временам области. Академик Борис Полынов и его ученики первыми стали изучать законы движения и накопления веществ в природных и антропогенных ландшафтах. А в 1961 году благодаря работам известного почвоведа Александра Перельмана оформились представления о геохимических барьерах. Так называют участки местности, на которых интенсивность миграции тех или иных веществ резко останавливается, что приводит к их локальному накоплению.

Искусственная плотина ГЭС вместе с водой удерживает массу живых организмов и осадочных веществ, собирая некоторые соединения в водохранилище. Естественными геохимическими барьерами выступают «черные курильщики» — мощные наросты нерастворимых сульфидов, которые образуются в местах выхода геотермальных вод на дно океана. Разница в температуре между поднимающимся из земной коры раскаленным солевым раствором и холодом нижних слоев воды может превышать 350 градусов — и поддерживает этот перепад температурный барьер «курильщика».

Накапливают определенные элементы и живые организмы, поэтому достаточно большие их массы служат естественными барьерами биогеохимической природы. Так, каменный уголь образовался из остатков растений, накопивших углерод в своих тканях, а отложения мела — из мириад раковин одноклеточных морских фораминифер. Недаром поначалу интерес к геохимическим барьерам был связан именно с поисками новых месторождений полезных ископаемых. Однако в настоящее время на первый план выступают другие задачи — прежде всего использование таких барьеров для снижения загрязнения окружающей среды.

«Шахтинское» дело

В 1990-х годах в России закрывалось огромное число нерентабельных угольных шахт. Это создало неожиданные и серьезные экологические проблемы, которые требовали незамедлительного решения. Одним из примеров может служить Кизеловский угольный бассейн в Пермском крае, где каменный уголь добывали еще с конца XVIII века. Когда шахты оказались закрыты, их быстро затопили грунтовые воды. При контакте с обнаженными породами эта вода подкислялась и обогащалась сульфатами железа, алюминия и тяжелых металлов. Отвалы горных пород — а их за время эксплуатации Кизелбасса накопилось около 35 млн м3 — также насыщали солями протекавшие через них осадки. Вся эта токсичная вода стала попадать в местные реки, сильно загрязняя хрупкие северные экосистемы.

Решению проблемы помогло установление искусственного геохимического барьера. Для обработки использовали отходы Березниковского содового завода. Складирование этих едких щелочных соединений само по себе создавало большие трудности, так что когда их решили отправлять на нейтрализацию кислых шахтных вод, это оказалось выгодным для всех. Такой «щелочной барьер» могут создавать и обычные, природные осадочные карбонаты. Сегодня прорабатываются технологии, позволяющие с их помощью удалять избытки фтора из воды, образующейся при сжигании больших масс угля на старых электростанциях.

Для первичной очистки бытовой воды применяются еще более простые механические барьеры — огромные резервуары-отстойники, где в течение некоторого времени происходит оседание взвешенных частиц. Их эффективность не стоит недооценивать: аналогичные механические барьеры промышленные предприятия применяют для сложной задачи очистки газовых выбросов. Для этого газ закачивается в скрубберы — большие вертикальные башни — и орошается тонкой взвесью воды, которая оседает на частицах загрязнения и заставляет их оседать. Так же расчищается и воздух после дождя.

Виноград и карбонат

Сельское хозяйство способно наносить почве вред не менее серьезный, нежели добыча ископаемых или «грязное» промышленное производство. Даже невинное растениеводство связано с внесением удобрений, пестицидов и ядохимикатов, нарушением почвенных горизонтов при вспашке. В СССР, большая часть территории которого была малопригодна для выращивания культурных растений, регионы с благоприятными климатическими условиями испытывали особенно высокие антропогенные нагрузки. Так вышло и с холмистыми равнинами в бассейне Днестра.

Здешний мягкий климат благоприятен для выращивания некоторых сортов винограда и других теплолюбивых культур. Поэтому местные почвы эксплуатируются тысячи лет, и десятилетиями в них вносили «бордоскую жидкость». Эта смесь медного купороса с известковым молоком (гидроксидом кальция) используется для борьбы с грибковыми вредителями растений. Виноградники по большей части располагаются на склонах, и осадки постоянно выносили медьсодержащие соединения в реки. Для решения этой проблемы был разработан проект техногенной локализации загрязнения. Идея заключалась в создании щелочного геохимического барьера из карбоната кальция, который должен был предотвратить миграцию меди. Экспериментальный ров, заполненный отходами камнепильного производства (смесь карбонатных пород с песком), действительно помог сдержать медное загрязнение.

Другой вариант барьеров — сорбционные: состоящие из осадочных пород (глины, суглинки и торф), они способны задерживать определенные соединения и элементы благодаря своим фильтрационным способностям. Они позволяют локализовать существующие загрязнения и удержать новые в пределах разумных границ — ни в коем случае не допустить контакта загрязняющих веществ с грунтовыми водами. Такое решение особенно перспективно при проектировании полигонов для хранения твердых промышленных и коммунальных отходов.

Биология на разлив

Впрочем, даже неправильно спроектированные полигоны ТКО наносят вред сравнительно небольшим территориям, а вот аварийные разливы могут покрывать по‑настоящему огромные площади. Так, при катастрофе нефтяной платформы Deepwater Horizon в 2010 году в Мексиканский залив излилось несколько миллионов баррелей нефти, покрывшей площадь 75 000 км2. К ликвидации последствий привлекли массу технологий, включая распыление авиацией веществ-диспергентов, дробящих нефтяную пленку на мелкие капли, которые могут разноситься волнами. В результате эти методы были признаны скорее опасными, чем полезными для морской экосистемы.

Гораздо лучше проявило себя использование биогеохимических барьеров, таких как бактерии-нефтедеструкторы Arthrobacter и Acinetobacter. Эти микробы используются и в специальном устройстве для очистки воды, запатентованном учеными Тюменского университета. Плавучие боны из сорбирующего материала дополняются полимерными нитями, к которым прикреплены бактерии, разрушающие нефть. Биогеохимические барьеры помогают восстанавливать после загрязнений и почву — например, актиномицеты демонстрируют отличные способности очистки грунта от пестицидов.

Люди вообще часто копируют устройство природных барьеров. Например, многометровые пласты каменной соли образовались в результате интенсивного испарения древних озер и морей — и люди додумались до возведения таких «испарительных» барьеров еще тысячи лет назад. Они продолжают строиться и сегодня — для получения морской соли. Такие соляные пруды представляют собой чрезвычайно красивое зрелище, с высоты напоминающее тюльпанные поля в Нидерландах. Их яркие цвета постоянно меняются в зависимости от текущей солености, которая приводит к временному расцвету в них того или иного вида микроскопических водорослей и микробов.

Стены зелени

Но не менее широко применяются и живые, биологические барьеры. Искусственно высаженные лесополосы в засушливых регионах защищают поля от губительного влияния суховеев, приводящих к излишним потерям влаги; предотвращают образование наносов снега и песка вдоль железных и автомобильных дорог. Наконец, лесонасаждения создают новые места обитания для птиц и зверей.

Организация полигона бытовых отходов

Еще в 1930-х в США для защиты территорий Великих равнин было высажено порядка 220 млн деревьев. В СССР подобные проекты начали реализовываться с конца 1940-х. В результате несколько крупнейших лесополос страны достигли общей протяженности более 5300 км. Многие лесонасаждения до сих пор поддерживаются и охраняются государством, а некоторые даже стали ботаническими памятниками природы. Впрочем, и советские масштабы меркнут на фоне некоторых проектов, которые реализуются сегодня в разных частях планеты. «Великая зеленая стена», по замыслу стран — участниц Африканского союза, должна прекратить расширение на юг великой пустыни Сахара. Для этого лесополоса должна пересечь весь континент и при ширине 15 км достигнет длины более 7700 км.

И уж традиционно не знают конкурентов строители стен Китая. «Зеленая китайская стена» — крупнейший озеленительный проект в истории человечества. Для препятствия продолжающемуся опустыниванию северных областей страны барьеры из растений здесь стали высаживать еще с 1970-х, а закончить планируют лишь в 2050 году, покрыв зеленью пространство шириной 100 и длиной более 4500 км. Но уже сейчас КНР может похвастаться крупнейшей в мире площадью восстановленных лесных массивов — барьера на пути Гоби и других пустынь Центральной Азии.

Стены зелени и бассейны водных отстойников, сложные инженерные сооружения ГЭС и микробиологические системы комплексной очистки нефтяных разливов… Все эти разные подходы объединяет общий принцип — все они выступают барьерами на пути загрязнения окружающей среды. В наше время для этого требуется все, что создала сама природа, и все, что способны придумать люди.