Общая масса земной коры (атмосферы, гидросферы и литосферы) оценивается в 2,5 -1019 т. Толщина земной коры на суше составляет 40—70 км, а под Мировым океаном 8—12 км. Непосредственно под земной корой находится так называемая мантия Земли, толщиной 2900 км, ее масса оценивается в 4,1021 т.
Прежде чем говорить о запасах отдельных химических элементов на нашей планете, сопоставим их содержание в массе земной коры и в человеческом организме, (табл. 1). Из элементов указаны только те, которые содержатся в организме человека в более или менее заметных количествах.
Как видно из отношения А:Б, наиболее «дефицитными» элементами являются углерод и азот. Но даже при увеличении населения Земли в тысячу раз (до трех триллионов человек) фиксируемая человеческим организмом масса этих элементов была бы соответственно в 2,7 и 2,1 миллиона раз меньше общих запасов углерода и азота в земной коре. К тому же можно добавить, что в мантии Земли содержание углерода в 20 раз, а азота в 8 раз больше, чем в земной коре. Отсюда видно, что масса химических элементов, поглощаемых всем населением земного шара, составляет бесконечно малую часть общей массы элементов, содержащихся только в земной коре.
Практически более актуален вопрос о круговороте химических элементов, участвующих в фотосинтезе.
|
Элемент |
Земная кора |
Человеческий организм |
Отношение А:Б |
||
|
% |
кг (A) |
% |
кг (Б) |
||
|
О |
49,13 |
1,23-1022 |
65,04 |
39,02 |
2,9-1028 |
|
C |
0,35 |
0,87-1020 |
18,25 |
10,95 |
7,9-1018 |
| H |
1,00 |
2.5-1020 |
10,05 |
6,03 |
4-1019 |
|
N |
0,04 |
1,0-1010 |
2,65 |
1,59 |
6,3-1018 |
|
Са |
3,25 |
8,1020 |
1,4 |
0,84 |
9,6-1020 |
|
Р |
0,82 |
0,3-1020 |
0,8 |
0,48 |
6,2-1019 |
|
К |
2,35 |
5,6-1020 |
0,27 |
0,162 |
3,3-1020 |
|
Na |
2,40 |
6,0-1020 |
0,26 |
0,156 |
3,2-1021 |
|
Cl |
0,20 |
0,5-1020 |
0,25 |
0,15 |
3,3-1020 |
|
S |
0,10 |
0,25-1020 |
0,21 |
0,126 |
1,9-1020 |
|
Mg |
2,35 |
5,6-1020 |
<0,1 |
<0,06 |
>9,3-1021 |
|
Fe |
4,20 |
1,05-1021 |
<0,1 |
<0,06 |
>1,7-1023 |
|
Si |
26,00 |
6,5-1021 |
<0,01 |
<0,006 |
>1,08-1024 |
|
A1 |
7,45 |
1,86-1011 |
<0,001 |
<0,0006 |
>3,2-1024 |
|
Ti |
0,61 |
1,5- 1020 |
<0,001 |
<0,0006 |
>2,5-1024 |
С этой точки зрения все элементы, входящие в состав растительных и животных организмов, целесообразно разделить на две группы. К первой группе следует отнести углерод, кислород, водород и азот, ко второй — все остальные элементы (так называемые зольные).
Элементы первой группы, участвуя в круговороте, связанном с фотосинтезом (в элементарном виде или в виде своих соединений), поступают в биосферу из своих «природных залежей» — атмосферы или гидросферы— и туда же возвращаются.
Исходя из суммарной реакции фотосинтеза СO2 + Н2O = 1/6 С3Н12О3 — 112 ккал,
можно определить, что при усвоении 5,5 млн ккал солнечной энергии растения должны ассимилировать приблизительно 600 кг углерода и 900 кг воды. Имеются данные, что на 1 т ассимилированного углерода усваивается около 40 кг азота а это значит, что на 5,5 млн поглощаемой растениями энергии усваивается 24 кг азота.
|
Вещество |
Запасы, т |
Расход на фотосинтез, т/год |
Расход (т/год) на создание пищи |
|||
|
для одного человека |
для 5 млрд человек |
для 100 млрд человек |
для 1000 млрд человек |
|||
|
Углерод |
1,7-1011 |
0,600 |
3,0-109 |
6,0-1010 |
6,0-101 |
|
|
Азот |
4,0-1015** |
6,8-109*** |
0,024 |
1,2-108 |
2,4-109 |
2,4-101* |
|
Вода |
1,4-1018** |
2,5*1011 |
0,900 |
4,5-109 |
9,0-1010 |
9,0-101 |
* В атмосфере.
** В атмосфере и гидросфере.
*** Усваивается растениями Земли.
В табл. 2 приведены данные о запасах в гидросфере и атмосфере углерода, азота и воды и о том, сколько этих веществ расходуется в процессе фотосинтеза и при создании посредством фотосинтеза средств питания для населения различной численности.
Если ресурсы пищи будут возрастать без увеличения общего масштаба фотосинтеза (вытеснение дикой растительности сельскохозяйственными культурами), в круговоротах углерода, азота и воды изменений не произойдет. Каждое из этих веществ имеет свой цикл, т. е. время, в течение которого происходит полное обновление вещества в атмосфере или гидросфере. Продолжительность циклов для углерода, азота и воды приведена в табл. 3.
Считается, что в круговороте углекислота↔живое вещество принимает участие главным образом углерод атмосферного углекислого газа. Если это так, то при современном масштабе фотосинтеза полное обновление углекислого газа в атмосфере должно происходить за 3,75 года.
Таблица 3
|
Вещество |
Современный масштаб синтеза |
Население |
||
|
5 млрд |
100 млрд |
1000 млрд |
||
|
Углерод |
3,75 |
2,10 |
10,5 |
1,0 |
|
Азот |
5,9-10б |
3,3-107 |
1,6.100 |
1,3-105 |
|
Вода |
5,5.100 |
3,3.100 |
1,6-107 |
1,6-100 |
Но круговорот углерода в природе имеет более широкие масштабы. Запасы углекислого газа в атмосфере уменьшаются за счет накопления органического вещества в недрах Земли и карбонизации известковых пород, образующихся при выветривании горных пород, содержащих кальций и магний. Процессы, ведущие к увеличению запасов углекислоты в атмосфере,— это деятельность вулканов, выделение фумарольных газов, сжигание продуктов фотосинтеза прошлых эпох (угля, нефти, природного газа).
Углекислый газ атмосферы находится в подвижном равновесии с газом, растворенным в водах Мирового океана, и это в определенной мере стабилизирует его содержание в атмосфере. Количество углерода в его соединениях, растворенных в океане, оценивается в 3,8* 1012 т. Если бы в круговорот был вовлечен весь этот углерод, то цикл его обновления увеличился бы до 220 лет.
Установлено, что содержание углекислого газа в атмосфере в последние десятилетия повысилось на 12%. Это объясняют все возрастающим объемом масс сжигаемого горючего. В 1960 г., например, в мире было добыто 2,75 млрд т угля; при его сжигании образовалось около 10 млрд т углекислого газа. Этого количества газа достаточно для создания посредством фотосинтеза 4,5 млрд годовых пищевых норм. Ожидают, что в ближайшие 100 лет количество углекислого газа в атмосфере возрастет на 70—80%, т. е. примерно на 1700 млрд т. Это количество соответствует расходу углерода при создании 770 млрд годовых норм пищи.
Из этих цифр видно, что в ближайшие столетия не может возникнуть недостатка углекислого газа в атмосфере. Правда, можно допустить, что в очень далекой перспективе, когда изменятся масштабы фотосинтеза, атмосферного углекислого газа будет не хватать для достаточно быстрого поступления к посевам. Но, во-первых, запасы углерода в продуктах фотосинтеза прошлых эпох оцениваются в 6,4 -1015 т, и дальнейшее сжигание этих продуктов вовлечет в круговорот еще большие массы углекислого газа. Во-вторых, если это потребуется, человечество может извлекать углекислоту из других источников, например из карбонатов, хранящих огромные запасы углерода (1,3-1015 т). В-третьих, при достаточном количестве энергии концентрированный углекислый газ, извлекаемый из топочных газов, карбонатов и других источников, можно будет подавать непосредственно к посевам. Может быть, в далеком будущем при вовлечении углерода в круговорот, связанный с фотосинтезом, придется регулировать содержание углекислого газа в атмосфере. Но и это при достаточных ресурсах энергии не будет невозможным.
Как известно, растения усваивают не элементарный, а связанный азот в виде нитратных, аммиачных и карбамидных соединений. Круговорот связанного азота сводится в основном к его обмену между почвой и живыми организмами. Извлекаемый из почвы азот используется растениями для образования белков и других азотсодержащих органических соединений. При возвращении остатков погибших организмов и растений, а также отбросов их жизнедеятельности в почву органические азотные соединения разлагаются особыми бактериями с образованием аммиака и его солей, которые далее под воздействием других бактерий образуют соли азотной кислоты. Часть образующихся в почве неорганических азотных соединений уносится водой в моря и океаны, где их используют морские растения. Этот так называемый малый круговорот азота не является замкнутым. Он связан с большим круговоротом азота: азот связанный↔азот элементарный.
В почве имеются бактерии, которые, окисляя углеродистые вещества, восстанавливают нитратный азот до элементарного. При сгорании любой органической массы, содержащей азотные соединения, азот освобождается тоже в виде элементарного. Ресурсы связанного азота пополняются в большом круговороте во время грозовых разрядов, а также благодаря фотохимическим реакциям в атмосфере, при которых азот воздуха окисляется до азотной кислоты. Попадая потом в почву, азот ная кислота образует там нитраты. Этим путем на 1 га почвы накапливается 4—15 кг в год связанного азота. Кроме того, в самой почве имеются бактерии, связывающие в процессе своей жизнедеятельности проникающий в почву атмосферный азот. Количество накапливаемого такими бактериями азота достигает 20—25 кг/га в год. Наконец, клубеньковые бактерии, живущие в корневых клубеньках бобовых растений, могут при благоприятных условиях связывать в год до 100—400 кг/га азота.
Выносимый растениями из почвы связанный азот возвращается в почву не полностью (сжигание органических масс, промышленная переработка технических культур, потери отходов растениеводства и животноводства на необрабатываемых площадях и т. д.). В связи с этим запасы азота в почве уменьшаются. В прошлом веке потери связанного азота пополнялись за счет внесения в почву природной азотсодержащей соли (натриевая селитра), образовавшейся в результате разложения органического вещества в условиях жаркого сухого климата, но довольно скоро залежи этих азотных руд оказались почти исчерпанными.
В связи с недостатком природных азотсодержащих солей английский ученый Крукс в 1898 г. высказал опасение, что с истощением почвы станет невозможным выращивание зерна и других сельскохозяйственных культур, и человечество погибнет от голода. Но в начале нашего века проблема недостатка азота была разрешена благодаря разработке способов связывания атмосферного азота, и человечество получило возможность регулировать участие азота в большом и малом круговороте.
При современном масштабе фотосинтеза растительностью всей Земли ежегодно ассимилируется 6,8-109 т азота.
Запасы азота в атмосфере составляют 4,0 • 1015 т. Таким образом, цикл полного обновления азота в атмосфере может завершиться лишь за 5,9-105 лет. Даже при расходе азота, равном 2,4 • 1010 т, что соответствует обеспечению пищей 1000 млрд человек, период однократного использования атмосферного азота стал бы завершаться за 1,3-105 лет (см. табл. 2 и 3). Такого промежутка времени более чем достаточно для того, чтобы успели разложиться все органические соединения азота, попадающие в почву, с образованием элементарного азота или неорганических усваиваемых растениями азотных соединений. Кроме того, человечество научилось связывать атмосферный азот в любых количествах, а также освоило способы воздействия на биологические процессы его фиксации: расширение посевов бобовых растений, создание в почве условий, интенсифицирующих деятельность азотфиксирующих бактерий, и т. д. Из всего этого следует, что производство пищевых средств никогда не будет тормозиться недостатком азота.
Общие запасы воды во всех сферах земной коры оцениваются в 2 • 1018 т. Некоторые авторы обращают внимание на то, что запасы воды на Земле уменьшаются в связи с продолжающимся уходом водорода в космос. Действительно, Земля теряет с каждого квадратного сантиметра своей поверхности 107 атомов водорода в секунду. Это соответствует потере воды в размере 22 тыс. т год. Но даже при таких темпах потери воды Земля могла бы за триллион лет лишиться 2,2-1016 т воды, что составляет всего 0,01 часть запасов ее в земной коре. Кроме того имеется 2,1019 т воды в мантии Земли. Отсюда видно, что улетучивание водорода в космос ничем не угрожает человечеству.
Запас воды в гидросфере и атмосфере составляет 1,4-1018 т. При современном масштабе фотосинтеза ежегодно поглощается 2,5 • 1011 т воды, т. е. менее 2 • 1017 части ее запаса. Однако растения потребляют воду не только на создание органического вещества при фотосинтезе. В растительной массе при снятии урожая содержится около 80% воды. Отсюда можно подсчитать, что с урожаем из почвы выносится (в расчете на годовую пищевую норму) 5600 кг воды, а вместе с водой, идущей на создание органической массы, — 6500 кг. При современном масштабе фотосинтеза общий вынос воды с сырой растительной массой составляет 1,85 • 1012 т/год, т. е. меньше 1,3 • 1016 части запаса воды в атмосфере и гидросфере. Ежегодный расход воды на создание посредством фотосинтеза органической массы, достаточной для 1000 млрд годовых пищевых норм и на вынос с урожаем, не превысил бы 6,5 • 1012 т, или 4,6 • 1016 части запаса воды. Иначе говоря, и в этом случае период однократного использования воды составил бы 215 тыс. лет. Но ведь время возврата воды, использованной на образование органического вещества путем его окисления, неизмеримо меньше, а вода, выносимая с урожаем, возвращается в цикл за время в среднем не более года.
Здесь следует сказать и о расходе воды на транспирацию. Как мы уже говорили, растения ассимилируют незначительную часть поглощаемой солнечной энергии. Энергия, поглощенная, но не ассимилированная растением, затрачивается на испарение воды, иначе растение будет перегреваться, и это нарушит нормальное течение процесса фотосинтеза. Испарение поглощенной растением, но не ассимилированной воды носит название процесса транспирации. Расход воды на транспирацию в расчете на годовую пищевую норму будет тем меньше, чем полнее ассимилируется поглощаемая солнечная энергия. Если, например, растение использует 1 % поглощаемой им энергии, то на транспирацию при создании одной пищевой нормы требуется 973 т воды. В расчете на 1 т пшеницы это составит 1750 т. Таким образом, расход воды на транспирацию в сотни раз превышает расход и на создание органической массы и на вынос с урожаем. Но даже этот расход составляет всего несколько десятитысячных долей запаса воды в атмосфере и гидросфере. К тому же процесс транспирации практически и не связан с выводом воды из атмосферы и гидросферы, так как вода, извлекаемая при этом растениями из почвы, сразу же в виде паров переходит в атмосферу.
Большой и все возрастающий объем воды расходуется в промышленности и на бытовые нужды. Например, на получение 1 т алюминия затрачивается 1400 м3 воды, на 1 т искусственного каучука — 2100 м3, на 1 т капрона — 2500 м3 и т. п. В древнем Риме на бытовые нужды в сутки расходовалось на человека несколько литров воды. Теперь в больших городах средний суточный расход воды на бытовые нужды одного человека составляет около 350 литров, а в Москве — 400 литров в сутки. Однако и бытовое и промышленное потребление воды не ведет к окончательному выводу ее из круговорота, хотя и сопровождается загрязнением сточных вод; промышленные и бытовые стоки могут быть очищены и возвращены в круговорот.
Из всего сказанного вытекает, что в общемировом масштабе человечество никогда не будет испытывать абсолютного недостатка воды. Однако запасы воды, сосредоточенные главным образом в гидросфере, распределены по поверхности земного шара далеко не равномерно. Поэтому и сейчас и в дальнейшем придется заниматься перераспределением водных ресурсов по лику Земли. И масштаб этих работ будет все время возрастать.
Кислород в процессе фотосинтеза не потребляется, а выделяется, поэтому расширение масштаба фотосинтеза не может привести к недостатку кислорода. Однако проблема свободного кислорода, вообще говоря, может встать по другой причине.
В атмосфере имеется 1,5 • 1015 т свободного кислорода. На сжигание всех запасов продуктов фотосинтеза прошлых эпох, оцениваемых, считая на углерод, в 6,4 • 1015 т, потребовалось бы больше 1,7 • 1016 т кислорода. Значит, этого элемента может когда-то не хватить, и человечеству, по-видимому, на каком-то этапе своего развития придется прекратить сжигание продуктов фотосинтеза прошлых эпох. При достаточных ресурсах других источников энергии это окажется вполне возможным, и тогда использование угля, нефти, газа может пойти по линии органического синтеза без окисления свободным кислород дом.
В сравнении с элементами первой группы элементы второй группы и их соединения менее подвижны. Концентрированные залежи этих элементов сосредоточены в литосфере Земли. Залежи представляют собой изверженные горные или осадочные породы. К первым относятся, например, фосфорсодержащие апатитонефелиновые ,руды, образовавшиеся в процессе возникновения самой земной коры, ко вторым — залежи растворимых солей калия, возникшие в результате выделения из морской воды калиевых соединений, ранее получившихся при разрушении изверженных горных пород и унесенных водой в моря и океаны.
Растения выносят из почвы многие элементы второй группы. В особо больших количествах выносятся фосфор, калий, сера, кальций, магний. Так, при выращивании органической массы, соответствующей одной годовой пищевой норме, из почвы выносится: 7 кг фосфора (считая на Р2О5), 13 кг калия (считая на К2О) и 3 кг серы. Содержание Р2О5 и К20 в некоторых наиболее распространенных почвах довольно значительно. Так, в 1 га дерново-подзолистого почвенного слоя содержится 3000 кг Р205 и 65 000 кг К2О, черноземного — 6000 и 77 000 кг, сероземного — 3500 и 60 000 кг. При полном использовании растениями Р2О5 и К2О указанных количеств питательных веществ хватило бы на получение хороших урожаев в течение сотни лет. К сожалению, основная часть потенциальных запасов фосфора и калия находится в почве в неусвояемом для растений виде (органические соединения фосфора, фосфаты типа апатитов, фосфаты железа и алюминия, силикаты калия и др.). Под влиянием деятельности некоторых почвенных бактерий и выделений корней растений неусвояемые соединения постепенно переходят в усвояемые, но этот процесс протекает очень медленно.
Подсчитано, что с мировым урожаем сельскохозяйственных растений (не считая технических культур) в 1961 г. было вынесено из почвы 15 млн т Р2O5 и 27,9 млн т К2О; с минеральными удобрениями в тот же год было внесено 10,1 млн т Р2О5 и 8,7 млн т К2O. Отсюда видно, что растения выносят из почвы соединения фосфора и калия в больших количествах, чем вносится с удобрениями. Кроме того, много соединений этих элементов, так же как соединений других элементов, теряется вследствие эрозии почв и растворения в стекающих водах, которые уносят их в моря и океаны. По подсчетам американских специалистов, из-за эрозии почвы потери питательных веществ примерно в 60 раз превышают количество веществ, вносимых с удобрениями ( X.X. Беннет. Основы охраны почв. М., ИЛ, 1958.). При современных методах земледелия соединений фосфора и калия, содержащихся в навозе, отходах обработки растений, бытовых отбросах, явно недостаточно. Следовательно, чтобы компенсировать эти потери, необходимо систематически вносить в почву минеральные удобрения. И естественно, что по мере вовлечения в сельское хозяйство новых земельных площадей и интенсификации сельскохозяйственного производства потребность в искусственных минеральных удобрениях все возрастает.
Специалисты сельского хозяйства считают, что количество вносимых минеральных удобрений должно превышать их вынос с урожаем, так как часть питательных веществ удобрений переходит в почв в неусвояемые растениями соединения и частично вымывается водой. Вносимые в почву фосфорные удобрения используются растениями в среднем на 40%, калийные — на 60%, азотные— на 70%. С учетом этого получается, что для создания годовой пищевой нормы надо вносить 17 кг Р2О5, 22 кг К2О и 35 кг азота.
Минеральные удобрения, содержащие элементы второй группы (фосфор, калий и др.), вырабатываются из природных ископаемых руд этих элементов.
Действительные и потенциальные запасы Р2O5 оцениваются соответственно в 1,0 • 1010 и 11,91•1010 т, а калия 1,8 • 1010 и 6,0 • 1010 т. Если бы и далее порядок использования удобрений и нормы их применения остались без изменения, то при увеличении населения на 1,75% в год (начиная с 3 млрд человек) только разведанных руд фосфора хватило бы на 90 лет, а руд калия — на 100 лет; учитывая потенциальные запасы, этот срок увеличится примерно до 200 лет.
Запасы руд, по всей вероятности, окажутся большими, так как многие месторождения еще не разведаны. Но даже это не меняет положения — все равно современные способы использования концентрированных залежей фосфора и калия, как, впрочем, и залежей любых элементов, неизбежно ведут к их постепенному рассеянию. Образование же новых залежей соединений калия, фосфора и других полезных ископаемых на данном этапе развития Земли если и возможно, то требует сроков геологического порядка. Но представляет ли это угрозу человечеству в том отношении, что ресурсы химических элементов литосферы, входящих в состав пищи, будут исчерпаны и дальнейшее создание пищевых средств станет невозможным?
На этот вопрос следует ответить отрицательно. С развитием техники, а также с постепенным истощением богатых руд человечество овладевает все более эффективными способами переработки бедных руд. Так, в начале прошлого века пригодной для извлечения меди считалась руда, содержащая не менее 10% этого элемента, сейчас успешно перерабатываются руды, содержащие 1 % меди. Кроме того, сложность переработки различных руд одного и того же элемента далеко не одинакова. Для получения глинозема — промежуточного продукта в производстве алюминия — долгое время использовали только бокситовые руды. Получать глинозем из других руд считали невыгодным и даже вообще невозможным. Но не так давно в СССР освоен и широко применяется способ получения глинозема из нефелина; разработан также способ использования для этих целей алунита. При этом в том и другом случае в качестве побочного продукта получаются ценные щелочи. Кроме того, при переработке нефелина вырабатываются еще портландцемент, а при переработке алунита — сернистый газ, пригодный для производства серной кислоты. С дальнейшим развитием техники и при наличии достаточных ресурсов энергии
будут перерабатываться любые руды со все более низким содержанием любого элемента.
Калийные соединения получают сейчас только из залежей осадочного происхождения, содержащих сульфаты и хлориды калия. Но для удобрений можно применять и калий, содержащийся в осадочных силикатах, например в глауконите, запасы которого очень велики и месторождения очень распространены. Содержание К2О в глауконите составляет 4,0—9,5%. Но несравнимо большие запасы калия хранятся в изверженных породах—граните, полевом шпате и др. Гранит, например,— одна из самых распространенных горных пород земной коры — содержит 4,1% К2О, и в принципе получение калийных соединений из гранита вполне возможно. Кроме калия в граните имеются и другие ценные элементы. В 100 т гранита в среднем содержится: 8 т алюминия, 5 т железа, 540 кг титана, 80 кг марганца, 30 кг хрома, 18 кг никеля, 14 кг ванадия, 9 кг меди, 4,5 кг вольфрама, 1,8 кг свинца. Количество атомной энергии, которую можно получить из урана и тория, имеющихся в 100 т гранита, эквивалентно энергии 50 т угля. Энергией распада этих двух элементов можно, если не полностью, то в значительной мере, покрыть энергетические затраты на извлечение из гранита всех указанных элементов.
Содержание калия в граните немногим отличается от его среднего содержания в земной коре (2,83%). А если калий, да и любой другой элемент, будет извлекаться, из породы, в которой содержание его близко к содержанию в земной коре, то дальнейшего рассеяния элемент та происходить не будет. Возникает замкнутый круговорот: элемент в земной коре↔элемент в продукции.
Можно рассчитать, что расход калия на создание путем фотосинтеза средств питания для 1000 млрд человек равен 2,2-1010 т/год. Для получения такого количества калия потребовалось бы переработать 8,7-1011 т породы, содержащей 2,83% К2О, при коэффициенте извлечения 0,9. На первый взгляд эта цифра кажется очень большой, но она не превышает 3-10-8 доли земной коры, и извлечение такой массы в год, конечно, не нарушит жизнедеятельности населения Земли. Если учесть, что сейчас из недр Земли ежегодна извлекается 7 млрд т руды (более 2 т на человека), то величина 8,7-1011 при населении 1000 млрд человек (0,87 т на человека) не покажется устрашающей. К тому же масса земной коры составляет примерно лишь 4,10-3 части массы всей Земли и, пожалуй, нельзя сомневаться в том, что человечество не в таком уж далеком будущем доберется до богатств мантии Земли.
Правда, против наших рассуждений можно выдвинуть возражение: масса подлежащей извлечению руды определена только по расходу калия, да и то и исключительно для сельскохозяйственных нужд. Но ведь породу можно будет перерабатывать комплексно и извлекать из нее многие другие элементы. Например, если в ней содержится Р2O5 почти столько же, сколько в земной коре, то из породы можно добыть 1,4 • 1010 т Р2О5. Этим количеством Р2О5 можно обеспечить создание средств питания для тех же 1000 млрд человек. Очевидно, со временем определится какая-то оптимальная масса породы, которую необходимо будет извлекать для удовлетворения нужд человечества в соединениях целого ряда элементов. При этом комплексность процесса безусловно повысит его экономические показатели.
Добиться неисчерпаемости запасов любого элемента можно не только вовлечением в искусственный круговорот залежей данного элемента в земной коре. Для этого имеются и другие, менее сложные пути. Прежде всего, это использование запасов элементов, хранящихся в водах Мирового океана. В морской воде концентрация калия, например, равна 0,38 г/л; общее содержание К2О в Мировом океане составляет 6,3 • 1014 т. А это в 800 раз превышает его запасы в концентрированных рудах.
Соли калия извлекаются из морокой воды и сейчас, Англия, например, еще до второй мировой войны добывала соли калия из вод Мертвого моря. В послевоенные годы эта добыча значительно увеличилась. Специальные заводы по извлечению калия из морской воды имеются в Эритрее (Африка) и Неаполе. В наиболее широких масштабах этот метод применяется в Японии и КНР. Дальнейшее развитие морской добычи калийных солей, естественно, будет определяться экономикой этого производства.
В морской воде имеется не только калий. Там есть натрий (1,44 • 1015 т), магний (1,74 • 1015 т), сера (1,21 • 1015 т), бром (8,9 • 1013 т), фосфор (8 • 1010 т), йод (6,8 • 1010 т), уран (2,05-109 т), молибден и торий (то 6,85 • 108 т), серебро, ванадий, иттрий, лантан и цезий (по 4,11 • 108 т), золото (6,85 • 103 т) и т. д.— всего 44 элемента. Уже сейчас ежегодно из морской воды добывается 7— 8 млн т хлористого натрия (около 1/3 его общемировой добычи), 100 тыс т брома (99% всей мировой добычи), 100 тыс. т магния. Очевидно, наиболее выгодным путем использования всех богатств морской воды будет комплексное извлечение элементов одновременно с опреснением морской воды, а затем и с выделением дейтерия — тяжелого изотопа водорода, используемого для получения термоядерной энергии.
Полное выделение калия, да и любого другого элемента, из морской воды, конечно, невозможно. Но если извлечь хотя бы одну десятую долю калия, имеющегося в Мировом океане, то этого количества хватило бы на получение путем фотосинтеза 2,87 • 1015 годовых пищевых норм. Иначе говоря, в течение 560 лет человечество было бы обеспечено калием, даже в том случае, если бы прирост населения всегда находился на уровне 1950— 1960 гг., что, конечно, нереально. Здесь надо учесть и то, что, согласно естественному круговороту веществ на Земле, калий будет не только извлекаться из вод Мирового океана, но и возвращаться в него. Существует и другой путь практически неограниченного увеличения ресурсов агрономических элементов. Это интенсификация круговорота элемент в почве↔элемент в продукции.
Способствовать такой интенсификации будут следующие меры: всемерное снижение эрозии почв, ускорение почвенных процессов превращения неусвояемых растениями соединений в усвояемые (микробиологическими, физическими и другими методами), максимальное использование отходов переработки растений в качестве удобрений, разработка новых форм удобрений с повышенным коэффициентом использования их растениями. Конечно, все эти меры еще не создадут полностью замкнутого круговорота питательных веществ, но, несомненно, они в несколько раз уменьшат бесполезные потери вносимых в почву питательных веществ, что намного отдалит время истощения запасов агрономических элементов.
Важной задачей в связи с обсуждаемой проблемой является повышение степени использования многочисленных отходов производства, содержащих питательные элементы. К таким отходам относятся, например, мартеновские шлаки (1,4—3,5% Р2О5, до 0,5% окиси меди), томасовские шлаки (14—20% Р2О5), фосфатшлаки (10—15% Р2О5), цементная пыль (20—35% К2О), отходы промышленности цветной металлургии, содержащие те или иные микроэлементы, и т. д.
Осуществление замкнутого круговорота питательных веществ упрощается при переходе к выращиванию растений без почвы в питательных растворах, т. е. к методу гидропоники (стр. 43). Этот метод полностью исключает потери питательных веществ в почве и повышает коэффициент использования растениями удобрений для азота в 1,4, для фосфора в 2,5 и для калия в 1,66 раза. При одновременном максимальном использовании питательных веществ, содержащихся в отходах переработки растений и жизнедеятельности животных, можно свести до минимума рассеяние агрономических элементов и довольно близко подойти к их замкнутому круговороту.
Почти полностью замкнутый круговорот элементов, входящих в состав компонентов пищи, станет практически возможным после освоения химического синтеза средств питания (стр. 43). При этом в круговорот потребуется вовлекать гораздо меньшие массы любого элемента по сравнению с получением пищи посредством фотосинтеза. Это понятно из следующих цифр. Для создания одной годовой пищевой нормы растения путем фотосинтеза должны усвоить: 600 кг углерода, 24 кг азота, 17 кг Р2O5 и 22 кг К2О. Годовая же потребность человека в этих элементах гораздо меньше: 140 кг углерода, 6 кг азота, 1,2 кг Р2О5, 1,6 кг К2О. Именно такие количества элементов потребуются для создания годовой пищевой нормы, когда все компоненты пищи будут производиться путем химического синтеза, и, следовательно, расход элементов резко сократится.
Мы рассмотрели ресурсы далеко не всех элементов, входящих в состав пищи. Но и рассмотрение запасов остальных элементов не привело бы к выводам иного характера, так как обеспечение рациона человека такими элементами, как кальций, магний, сера, железо,— задача более легкая по сравнению с обеспечением фосфором и калием. Что же касается молибдена, цинка, кобальта, меди и йода, то потребность в них как в компонентах пищи очень незначительна. Интересно, что некоторые живые организмы способны концентрировать эти элементы.
Известны организмы, концентрирующие кальций, магний, алюминий, марганец, железо, фосфор, серу, медь, цинк, литий, бор, фтор, бром. Например, в морской воде содержится 0,05 мг/л (5-106%) йода, а концентрация его в морских водорослях достигает 0,1—0,5% (на сырой вес) и 50% (в золе); зола таких водорослей используется для промышленного получения йода. Некоторые беспозвоночные типа кольчатых червей (полихеты) накапливают в своем организме до 0,002% кобальта и до 0,01 — 0,08% никеля. Такая концентрация в сотни тысяч и миллионы раз превышает концентрацию этих элементов в морокой воде. Сейчас мы только в отдельных случаях пользуемся результатами деятельности таких организмов. Но ведь не исключено, что в будущем мы сможем управлять деятельностью организмов-накопителей и даже выводить новые, более эффективные виды.
Итак, мы пришли к выводу, что химические элементы, входящие в состав пищи, не будут лимитировать пищевые ресурсы практически любого мыслимого населения Земли, если, конечно, человечество целеустремленно будет реализовать все имеющиеся для этого возможности.