PLANETA ZIEMIA-KLIMAT-ŚRODOWISKO-PRZYSZŁOŚĆ-PRZESĄDY

Energia wykorzystywana w procesach syntezy i destrukcji dóbr konsumpcyjnych

Energia wykorzystywana w procesach syntezy i destrukcji dóbr konsumpcyjnych Energia niezbędna do syntezy dóbr konsumpcyjnych nie jest to ostateczna jej porcja potrzebna do zaspokajania komfortu bytowania. Zawiera ona natomiast największy ładunek energii kosmicznej. Podstawową prawdą jest również to, że istnienie wszystkich żywych organizmów na Ziemi zawdzięczamy promieniowaniu słonecznemu. Żeby go wykorzystać w procesie biosyntezy, niezbędne jest kumulowanie masy substancji organicznych o walorach odżywczych. Źródłem ich jest proces fotosyntezy. Proces ten, przy współdziałaniu z systemem asymilacyjnym organizmów roślinnych, (autotrofów) doprowadza do kumulacji produktów syntezy. W ten sposób dostarcza heterotrofom cukry, tłuszcze i białka. Fotosynteza, jako proces podstawowy-pierwotny, samoistny ma przebieg lawinowy. Doprowadza on, z udziałem chlorofilu¹ , do syntezy glukozy, przy współudziale pond stu reakcji enzymatycznych Aktywność chlorofilu, jako katalizatora, jest pobudzana przez promienie światła widzialnego. Obecnie znanych jest kilka jego odmian. Homo sapiens odbiera jego barwę głównie jako zieloną–odbitą. Chlorofil nie jest jedyną organiczną strukturą barwną w gronie katalizatorów uczestniczących w procesach biosyntezy. W procesach biosyntezy, wykorzystują one tlen a także siarkowodór, siarkę, tlenki azotu i metan. Organizmy te zasiedlają głównie strefy afotyczne mórz i oceanów, i ich udział w biosyntezie globalnej, chociaż jest ogromny, to bezpośrednio niepoliczalny. W wodach powierzchniowych lądowych i w strefach przybrzeżnych płytkich wód mórz i oceanów występują one bardzo licznie. Szczególnie sprzyja temu zjawisku sytuacja, gdy woda jest zanieczyszczona produktami procesów ostatecznej destrukcji substancji organicznych. To również skutkuje dużym stężeniem rozpuszczonych postaci związków dwutlenku węgla szczególnie w środowisku wodnym, jak również i w wilgotnej glebie. Miarą przeliczeniową masy produktów rozkładu substancji organicznych, których źródłem jest działalność gospodarcza człowieka, jako wynik zaspakajania codziennych jego potrzeb bytowych, są uogólnione wskaźniki zanieczyszczenia środowiska. Dotyczą one szczególnie jakościowej oceny czystości wody. Do podstawowych wskaźników z tej grupy należą²:
1. BZT₅-biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (lub biochemiczne zapotrzebowanie tlenu),
2. CZT-chemiczne zapotrzebowanie na tlen (lub chemiczne zapotrzebowanie tlenu),
3. OWO-ogólny węgiel organiczny.
Podczas badań szczegółowych–technologicznych, związanych z metodami technicznymi oczyszczania wód, wykorzystuje się je głównie jako wskaźniki charakteryzujące stopień zanieczyszczenia tego środowiska. Wówczas odnosi się je do mieszkańca lub równowartości wytwarzanego produktu, przeliczonego na równoważną liczbę mieszkańców (RLM) . Jeden równoważny mieszkaniec (RM), to w zależności od jego bytowania w stabilnym kręgu społeczno-kulturowym, najczęściej ma przypisaną określoną wartość 5-cio dobowego biochemicznego zapotrzebowania na tlen (BZT₅). Jest to podawane w gramach na mieszkańca na dobę (g O₂/Md). Wskaźnik ten ustala się w oparciu o wyniki seryjnych badań z rozcieńczonych natlenioną wodą próbek zanieczyszczonej wody (lub ścieków), które poddawane są inkubacji w temperaturze 200C przez 5 dni. W tym przypadku, teoretycznie, uznaje się, że ilość zużytego tlenu w inkubowanych próbach jest wykorzystywana na biochemiczne utlenienie substancji organicznych przez bakterie tlenowe (główne heterotrofy). Wówczas bowiem, zgodnie z przebiegiem reakcji chemicznej monomolekularnej, (co nie zawsze może być słuszne), można uznać, że zużycie tlenu w czasie pięciu dni inkubacji, to prawie 68,5% zapotrzebowania na tlen umożliwiający, po około 20 dniach, całkowite utlenienie wszystkich zanieczyszczeń łatwo rozkładalnych za wyjątkiem związków amonowych. Takie założenie pozwala również stwierdzić, że ekwiwalent energii wyzwalany w tym procesie, związany z zapotrzebowaniem na tlen, jest efektem utleniania przez mikroorganizmy substancji zanieczyszczających i może być zastępczo odniesiony także do reakcji utleniania glukozy. W Unii Europejskiej, przy przeciętnym dobowym zużyciu wody wynoszącym 100 dm^3 na jednego mieszkańca i dobę (M/d), zużywanej głównie na cele sanitarno higieniczne, średnia równowartość zanieczyszczeń od jednego mieszkańca wynosi 60g O₂BZT₅,/Md, co można uznać za równoważne -399,4 kcal wyzwalanej energii w czasie (5 dni). Całkowitą ilość energii cieplnej wyzwalanej w ciągu prowadzenia tego procesu inkubacji przez 20 dni określa zależność: E₂₀=1,47(-399,4)=-587 kcal. Wartość tej umownej energii można, bez popełniania większego błędu, szczególnie w obliczeniach wielokrotnych-masowych, zwiększyć do -600 kcal z uwagi na niską precyzję metodyki oznaczania wskaźnika BZT₅, jak i jego, z reguły, niski stopień powtarzalności. Będzie to wówczas wartość energii zwrotnej równa -2,5122 MJ na jednego równoważnego mieszkańca (MR_E)-Europejczyka. W krajach nie należących do UE przy ustaleniu tego wskaźnika, dla określonych technologii produkcji wodochłonnych wyrobów przemysłowych, jest on obliczany podobnie, z uwzględnieniem normatywnego zużycia wody i oceny uciążliwości ładunków zanieczyszczeń usuwanych w postaci wód zużytych (ścieków). Takie przeliczanie ilości zanieczyszczeń o różnym pochodzeniu i składzie na równoważnych mieszkańców ułatwia planowanie i eksploatację wspólnych systemów usuwania zanieczyszczeń (siecią kanalizacyjną) i oczyszczania wód zużytych (ścieków) w tym często i wód opadowych, (kierowanych) do oczyszczalni. Stosowne wartości równoważnych wskaźników przeliczeniowych na jednostkę produkcji i równoważnego mieszkańca można odszukać w tabelach, w literaturze przedmiotu. Nie wyklucza to faktu, że indywidualne upodobania sposobów odżywiania się mogą rzutować na wielkość ładunku zanieczyszczeń wprowadzanego do środowiska. Zgodnie z klasycznym podejściem do problemu racjonalnego odżywiania się przeciętnego dorosłego człowieka, mieszkańca Ameryki Północnej³,(dane sprzed ponad sześćdziesięciu laty), to jego dieta powinna zawierać sumę składników odżywczych o łącznym cieple spalania równym 3000 kcal na dobę (12561 kJ/dobę). Na tę sumę energii powinno się składać co najmniej 400 kcal substancji białkowych - z lekkim zapasem, i ponad 2600 kcal węglowodanów i węglowodorów (cukry i tłuszcze). Współcześni dietetycy (wikipedialni), są już bardziej konkretni i zalecają ogólnie dla pojedynczego osobnika Homo sapiens 3 kg na dobę pożywienia zakładając przeciętną długość jego życia na 65 lat. W tym czasie przewiduje się, że skonsumuje on: 1,6 tony białka, 1,9 ton tłuszczu, 9,5 tony węglowodanów. Jeżeli przeliczyć to na porcję dobową, odniesioną do 9 miliardów osobników populacji ziemskiej, wyniesie to: 606955 ton białka na dobę, 3603793,5 tony/d węglowodanów, 7207587 ton/d tłuszczów. Natomiast w przeliczeniu na energię to będą to porcje, odpowiednio:1,118181x10¹⁰ MJ na dobę dla białka, 6,1865241x 10¹⁰ MJ na dobę dla węglowodanów, 2,716035x10¹¹ MJ na dobę dla tłuszczów (węglowodorów). Sumaryczne zapotrzebowanie na energię zawartą w podstawowych produktach środków spożywczych na dobę, dla 9 miliardów mieszkańców Ziemi, wyniesie: 3,4465055x10¹¹ MJ/d. W skali roku będzie to równe: 1,2579745x 10¹⁴ MJ na rok. Odnosząc zapotrzebowanie globalne na energię mieszkańców Ziemi jedynie do standardów europejskich, z przeliczeniem na równoważnego mieszkańca (ME₂₀), tj. zakładając zaangażowanie energii zwrotnej na poziomie całkowitego zapotrzebowania na tlen (BZT₂₀), to z takiego wyliczenia wynika, że 9 miliardów mieszkańców wygeneruje jej, zwrotnie, rzędu - 2,26098x10¹⁰ MJ/ dobę, a w okresie rocznym, to około - 8,252577x10¹² MJ. Energia ta, jako zwrotna, ale użyteczna, będzie pozostawała zawsze w stanie równowagi, jako zużywana przez mikroorganizmy na pracę, z energią pozyskiwaną w procesie fotosyntezy. Tylko teoretycznie związana będzie z zanieczyszczeniem środowiska wodnego przez mieszkańców, będzie to jednak, w przyszłości ponad 15 razy mniejsza od jej ładunku rocznego przetrawianego jako pokarm wynikający z bilansu podsumowania zapotrzebowania na: białko, węglowodany i tłuszcze czyli:1,2579745x10¹⁴MJ na rok. Stosunek zapotrzebowania na te produkty energetyczne przyszłej 9 miliardowej populacji ziemskiej będą jednak nadal mniejsze od rocznej jej porcji pochłanianej z promieniowania słonecznego, na co wcześniej już zwracano uwagę. Należy jednak w tym miejscu również przypomnieć, że potrzeby Homo sapiens nie ograniczają się jedynie do konsumpcji środków spożywczych i zanieczyszczania wód, ale zanieczyszczana jest także powierzchnia lądów. Potężnym tego źródłem jest rolnictwo i masowa hodowla zwierząt oraz przemysł chemiczny obsługujący tę tak ważną gałąź gospodarki, a także energetyka i inne branże przemysłowe. Z tego względu już obecnie należy podjąć działania umożliwiające zapewnienie równowagi ekologicznej na Ziemi. Wymaga to takich działań, w przyszłości, aby utrzymać na poziomie bliskim zera zapotrzebowanie energii związanej z komfortem bytowania na planecie, wraz z potrzebami związanymi z szeroko pojmowaną ochroną środowiska. Rozsadza ją, (już nawet w obecnym odbiorze), nadmierne niekontrolowane zagęszczenie ludności szczególnie w dużych aglomeracjach i brak konsekwentnych przemyślanych działań w celu racjonalnego wykorzystania nadmiaru produkowanej energii. Energia ta, to również sterty śmieci, które tak lekko podpalamy, nie tępiąc dostatecznie boleśnie, winowajców tego procederu.

1. Kączkowski J. „Podstawy biochemii”, WNT, Warszawa 1996
2. Imhoff K., Imhoff K.R. „Kanalizacja miast i oczyszczanie ścieków”, Projprzem EKO, Bydgoszcz 1996
3. 3 Pauling L., „Chemia Ogólna”, PWN, Warszawa 1963

    Prof.dr hab.inż. Marek Lebiedowski, dyscyplina naukowa - inżynieria środowiska  -  październik, 2020r