НОВЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ ПОДХОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ БИОЦЕНОЗОВ, УСИЛИВАЮЩИХ СТОК СО2

NOVEL ENVIRONMENTALLY SAFE APPROACHES TO INCREASE PRODUCTIVITY OF NATURAL AND ARTIFICIAL BIOCENOSES ENHANСING CО2 ASSIMILATION


В.Ю.Душков, А.В.Лобанов, Л.М.Апашева, Г.Г.Комиссаров

V.Yu.Dushkov, A.V.Lobanov, L.M.Apasheva, G.G.Komissarov

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук
(Российская Федерация, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4)
Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences
(Russian Federation, 119991, Moscow, Kosygin St. 4)
e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.


Предложены новые экологически безопасные подходы для повышения продуктивности естественных и искусственных биоценозов. Подходы основаны на биогеотехнологических принципах моделирования аналоговых биогеоценозов и комплексов с методологией всеобщего контроля биогеоценотического покрова Земли с учетом современных представлений о механизмах фотосинтеза зеленых растений и роли пероксида водорода в нем.

Novel environmentally safe approaches to increase productivity of natural and artificial biocenoses are suggested. The approaches are based on the principles of simulation biogeotechnological analog ecosystems and complexes, and the general methodology for monitoring land cover biogeocenotic considering the modern concepts on the mechanisms of photosynthesis green plants and the role of hydrogen peroxide in it.


Деятельность человечества в последнем столетии стала сопоставимой с естественными факторами среды. В итоге Биосфера по ряду показателей стала утрачивать состояние гомеостаза[1]. Согласно оценкам ведущих ученых мира, в конце ХХ в. человечество вступило в состояние глобального экологического кризиса, угрожающего его дальнейшему существованию. Практически, в жизни реализуется сценарий, предсказанный группой Д.Л.Медоуза в книге «Пределы роста», опубликованной еще 1972 г., и затем уточненный во второй работе - «За пределами роста» [10, 11].

Важнейшим звеном в глобальном экологическом кризисе, является разрушение естественных самоорганизующихся экосистем, по В.НСукачеву, – биогеоценозов, которые являются «минимальными ячейками биосферы», обеспечивающими поддержание малого круговорота биогенных веществ и соответственно гомеостаза Биосферы. Биомасса первичной (фотосинтетической) продукции составляет 95% всего живого вещества планеты в связи с чем, по В.И.Вернадскому и В.Н.Сукачеву, она определяет формирование и поддержание живой пленки земли - Биосферы. Поэтому, через биогеоценоз и, в первую очередь, через фитоценоз (фитоценотический покров) человечество может воздействовать и на устойчивость биосферы.

Общее видение перспектив биогеоценологии В.Н.Сукачев изложил в конце фундаментального труда [14] следующим образом. «Биогеоценология – новая наученная дисциплина Она находится еще в первоначальной стадии своего развития. В дальнейшем она, несомненно, должна и будет применять новые исследовательские методы, создаваемые на базе, как своих достижений, так и достижений ряда других наук, и будет вскрывать новые ещё не используемые биологические ресурсы, в том числе и лесные. Вместе с тем она будет намечать новые и более эффективные пути использования природных биологических ресурсов, а также содействовать общей перестройке биосферы в интересах человечества, точнее, перестройке ее наиболее деятельной части фитогеосферы…» [14].

Значимость работ В.Н.Сукачева очень рано, глубоко осознал его соотечественник, крупнейший российский ученый проф. Н.В.Тимофеев-Ресовский. Развивая идею В.Н.Сукачева. В 1960-1970-х гг. он опубликовал несколько важных работ, которые поставили его в ряд основоположников биогеоценологии (Сов. энц. слов. 1982). В последнее десятилетие своей жизни (1971-1981 гг.), предвосхищая постановку программы «Устойчивого развития» и доклад Комиссии ООН «Наше общее будущее» (1987 г.), Н.В.Тимофеев-Ресовский, провел глубокий анализ проблемы «Биосфера и человечество» и, выделил ее в области современного естествознания в «проблему №1». Анализируя проблему «Биосфера и человечество», Н.В.Тимофеев-Ресовский определил два основных пути наращивания биологической продуктивности. Первый - посредством «увеличения средней плотности зеленого покрова Земли». Второй - посредством «перестройки биогеоценозов» с «заменой видов с низким КПД фотосинтеза, видами с высоким КПД». По его прикидкам, первый путь должен повысить биологическую производительность Земли в 2 раза, а второй в 2-3 раза, в итоге суммарное наращивание биологической продуктивности может быть пятикратным [15, 16].

Рассматривая другую важную для человечества проблему, а именно, энергетику будущего, организатор Института химической физики РАН, академик, лауреат Нобелевской премии Н.Н.Семенов примерно в тот же период обосновал необходимость перехода человечества на новые виды энергии, не связанные с горением топлива. Анализируя первые данные (1972 г.) в то время еще незначительного роста СО2 в атмосфере, он спрогнозировал влияние «парникового» эффекта на климат Земли и дал заключение. «Таким образом, быстрое исчерпание в будущем ресурсов обычного топлива и опасность увеличения углекислого газа в атмосфере настоятельно ставит перед человечеством проблему создания принципиально новой базы мировой энергетики. Времени на создание этой базы у нас мало, по-видимому, около 100 лет» [13]. Выделив среди всех типов энергий перспективность термоядерных реакторов, он предсказал возможный перегрев ими, с определенного уровня, атмосферы Земли и обосновал исключительную перспективность использования бесплатной экологически чистой световой энергии Солнца посредством фиксации ее в растительной биомассе (особенно растениями с высоким КПД фотосинтеза), улавливания ее коллекторами и фотоэлементами. В дополнение к этому он предлагал «организовать мировое сотрудничество ученых по разработке научных основ использования солнечной энергии путем искусственного фотосинтеза вне организма» [13].

В соответствии со сказанным в Институте химической физики им. Н.Н.Семенова РАН была организована лаборатория фотобионики, коллектив которой ведет работу по следующим основным направлениям:

1. Фундаментальное изучение процессов фотосинтеза;

2. Разработка основ биогеотехнологии, - принципов натурного моделирования аналоговых биогеоценозов и комплексов с методологией всеобщего контроля биогеоценотического покрова Земли;

3. Теоретическое обоснование и разработка принципов искусственного фотосинтеза;

4. Разработка фотоэлементов, обеспечивающих улавливание солнечной энергии.

Кратко остановимся на первых двух направлениях.

Фундаментальное изучение процессов фотосинтеза, проводимое около 50 лет Г.Г. Комисаровым, позволило предложить новый механизм фотосинтеза [8], базируемый на участии пероксида водорода (ПВ), всегда присутствующего в воде. Согласно новой концепции, фотосинтез в растении происходит по уравнению:

СО2 (воздух) + Н2О2 (вода) "Углеводы + О2

В этой связи весьма перспективным и экологически безупречным способом повышения устойчивости растений к стрессам явилось включение в их физиологический цикл пероксида водорода. ПВ участвует в процессах метаболизма растений как субстрат и сигнальная молекула. Установлено антистрессовое действие ПВ при жестких условиях пониженных температур, дефицита влаги и засоления на фоне засухи на примере более 10 видов растений. Предпосевную обработку семян и проростков вели водными растворами ПВ в концентрациях 10–2–10–5 моль/л [1]. Действие ПВ в качестве криопротектора показано при отрицательных температурах в интервале от –3 до –10 0С. Увеличение количества жизнеспособных растений в опыте превышало контроль на 40–90% в зависимости от зимостойкости исходного вида. Условия засухи моделировали путем изначального однократного полива корнеобитаемой среды. На 30-е сутки эксперимента количество выживших опытных растений, обработанных ПВ, превышало контроль на 30–70%. Предложен способ предпосевной обработки семян и растений, композицией из водного раствора ПВ и полимера, которая легко наносится на объект и обеспечивает пролонгированное поступление ПВ к растениям. Таким образом, ПВ – экологически чистый антистрессовый препарат, способствующий выживаемости растений в неблагоприятных условиях. В присутствии ПВ в значительной (15-20%) степени усиливается накопление крахмала в листьях растений, что напрямую свидетельствует о повышенном усвоении углекислого газа [9]. Обнаруженные свойства ПВ защищены пятью патентами РФ.

Другое новое научное направление, формируемое В.Ю.Душковым, получило название – биогеотехнология [4, 6]. Длительное изучение особенностей функционирования различных биогеоценозов, поставленное в 1950 г. А.А.Роде на Джаныбекском полупустынном стационаре [12], вскрыло возможность не только ремонта и восстановления нарушенных биогеоценозов, но и ускоренного натурного моделирования сложных биогеоценотических сообществ [2, 3]. Данный биогеотехнологический подход при грамотном введении в нарушенные экосистемы значимых видов (трав, кустарников, деревьев, дождевых червей, птиц и т.д.) позволяет ускоренно моделировать в натуре усложненные аналоговые по функционированию биогеоценозы и комплексы. Эти биогеоценозы и комплексы способны существенно наращивать биопродуктивность и сток СО2 (в 2-4 раза), биоразнообразие (в 1.5-2 раза) и выход полезной (употребляемой человеком) продукции в 5-10 и более раз [4-7].

Предлагаемый подход не требует больших затрат, так как он базируются на запуске сукцессионного эволюционного процесса за счет рационального перераспределения, использования имеющихся природных ресурсов и накопленных человечеством знаний. Это определяют возможность подключения к процессу моделирования биогеоценозов природных сил, – «работы» живого вещества. Такие системы быстро окупаются, оптимизируют ландшафт, наращивают его устойчивость и емкость, существенно улучшая условия жизни людей. Важно при этом отметить, что биогеотехнологический подход (биогеотехнология), включает в себя методологию быстрой оценки биосферной значимости того или иного фитоценоза и на основании этого позволяет наметить мероприятия, способствующие поддержанию и подъему их биосферных функций.

Используя рассмотренные теоретические наработки, мы целенаправленно разработали 16 защищенных авторскими свидетельствами и патентами технологий. Шесть, из которых внедрили в Волгоградской, Саратовской, Самарской областях и Башкирии на площади 35 тыс. га (есть акты внедрения). Практика показала, что внедренные технологии обеспечивают противостояние глобальному потеплению и способствуют организации даже в остро засушливых условиях устойчивого сельскохозяйственного природопользования. На современном этапе мы приступили к объединению теоретических разработок разных направлений и созданию специализированных пакетов технологий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Апашева Л.М., Комиссаров Г.Г. Влияние пероксида водорода на развитие растений // Изв. РАН. Сер. Биол. 1996. № 5. С. 621-623.

2. Душков В.Ю., Оловянникова И.Н., Сенкевич Н.Г. Биогеоценотические основы лесомелиоративного освоения засоленных земель полупустыни Северного Прикаспия // Природа и ресурсы. М. ЮНЕСКО, 1988. T. XXIV, № 2-4.С. 45-63.

3. Душков В.Ю. Типы лесомелиоративных экосистем Джаныбекского стационара, особенности их функционирования и планирования // Сб. Почвенные ресурсы Прикаспийского региона и их рациональное использование в современных социально-экономических условиях. РАСХН. Астрахань. 1994 С. 90-92.

4. Душков В.Ю. Биогеотехнология - раздел прикладной биогеоценологии (на примере биогеоценотического комплекса Джаныбекского стационара) // Сб. Степи северной Евразии: стратегия сохранения природного разнообразия и степного природопользования в ХХI веке. УрO РАН. Оренбург. 2000. С. 155-157.

5. Душков В.Ю. Биогеотехнологический подход и пути реорганизации пастбищного животноводства в аридных регионах Европейской части России // Агроэкологический вестник. 2003. № 5. С 6-11.

6. Душков В.Ю. Краткое представление о биогеотехнологии как о новом научном направлении // Проблемы преподавания молекулярной биологии, биотехнологии и вирусологии: Сб. Материалов Всероссийской научно-практической конференции. Орехово-Зуево, 2006, С. 85-95.

7. Душков В. Ю. Рациональное использование солнечной энергии и противостояние глобальному потеплению селекцией растений // VII Съезд Общества физиологов России. Материалы докладов. Часть I. Нижний Новгород. 2011. С. 228-229.

8. Комиссаров. Г.Г. Фотосинтез: физико-химический подход. М.: Эдиторил УРСС, 2003. 224 с.

9. Лобанов А.В., Комиссаров Г.Г. «Средство для стимулирования образования крахмала в процессе фотосинтеза высших растений». Патент на изобретение №2253235 от 10 июня 2005г.

10. Медоуз Д.Х, Медоуз Д.Л., Рэндерс Й., Бернес В. Пределы роста / Пер. с англ. М.: Изд-во МГУ, 1991.208 с.

11. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рэндерс Й. За пределами роста. М.: Прогресс, 1994, 304 с.

12. Роде А.А., Большаков А.Ф., Базыкина Г.С., Максимюк Г.П., Эрперт С.Д. Биогеоценотические основы освоения полупустыни Северного Прикаспия. М.: Наука, 1974. 360 с.

13. Семенов Н.Н. Избранные труды: в 4 т. / Н.Н. Семенов ; [отв. ред. А.Е. Шилов, Г.Б. Сергеев] ; Ин-т хим. физ. им. Н.Н. Семенова РАН. М.: Наука. 2006. Т. 4 2006. 611 с.

14. Сукачев В.Н. Основные понятия биогеоценологии // Основы лесной биогеоценологии. М.: Наука, 1964. С 5-49.

15. Тимофеев-Ресовский Н.В. О некоторых принципах классификации биохорологических единиц //Тр. Ин-та биол. Вып. 27. Вопросы классификации растительности. Свердловск. 1961. C. 23-28.

16. Тимофеев-Ресовский Н.В. Биосфера и человек.// Охота и охотничье хозяйство. № 7. 1988. С. 6-8.

[1] Гомеостаз (от греч. homoios – подобный, одинаковый и stasis – неподвижность, состояние), относительное динамическое постоянство состава и свойств, в данном случае - Биосферы (биогеоценоза, организма) обусловленная способностью биологических систем противостоять изменениям среды, благодаря функциональной саморегуляции (Сов. энц. сл-рь, 1982 )


Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!