Добыча воды в природных условиях: Способы добычи воды в экстремальных условиях

перечислите способы добычи и обеззараживания воды летом в природных условиях. дополните

Организм человека состоит примерно на 65% из воды, поэтому потеря влаги организмом отрицательно сказывается на человека. Без еды можно прожить несколько недель, а вот без воды всего лишь несколько дней. Поэтому, в условиях с недостаточным количеством воды, необходимо принять меры к запасанию воды впрок. Человеческому организму для полноценного существования необходимо примерно 2 литра воды в день. Из этого расчета и необходимо делать запасы. В местах, где с запасами воды особых проблем нет, стоит позаботиться о ее чистоте и безопасности.

Давайте рассмотрим несколько способов добычи, сохранения и обеззараживания воды в условиях дикой природы.

Самый распространенный способ сбора воды – это сбор водного конденсата. Роса – естественный конденсат, чтобы его собрать, нужно ранним утром, пока не встало солнце и не высушило траву, пройтись по траве с тканью в руках. Ткань намокнет, воду можно выжать.

Днем можно собирать конденсат с веток деревьев. Для этого достаточно обвязать ветку с листьями полиэтиленовым пакетом так, чтобы узел находился сверху, иначе образовавшаяся вода вытечет. Листья деревьев испаряют воду, конденсируясь на пленке, вода будет стекать вниз. Проследи, также, чтобы не было дыр на пакете. Если есть небольшие отверстия, они не помешают сбору конденсата, главное, чтоб через них не утекла вода.

Подобный способ сбора воды можно применять и передвижение. Для этого, ветки с листьями срезают и помещают в пакет, который привязывается к рюкзаку.

Еще одним из распространенных способов добывания воды – это получение конденсата от нагретой солнцем земли. Для этого выкапывается яма по диаметру имеющейся пленки (удобно до метра) и глубиной до полуметра. В центр ямы ставиться емкость для сбора воды (желательно не менее 1 литра). Яма накрывается пленкой,закрепляется, в центр пленки ложится небольшой камень, для придания конуса (чтобы по нему стекала вода в емкость) . Для повышения производительности в яму можно положить свежесрезанные ветки деревьев или кустарников.

В сырых местах, где нет открытого источника воды, воду можно добывать из ямки, вырытой в земле.

Не стоит забывать про естественные источники влаги. Конечно, это дождь и сок деревьев. Всем известен березовый сок. К сожалению, он активно течет только весной, но его можно запасти достаточное количество за короткое время. Если нет возможности надпилить илинадрубить дерево, можно просто сломать нетолстую ветку.

Для сбора дождевой воды можно использовать все, что можно натянуть. Немножко в наклон, чтобы вода имела возможность стекать по поверхности. Можно использовать ткань (одежду), подставив ее под дождь, а после намокания, отжать воду.

Но не всякую воду можно сразу пить! Только вода из родников и высокогорых рек пригодна к употреблению сразу, остальную воду необходимо фильтровать и дезинфицировать. Об этом мы поговорим в следующей статье.

Вывести на чистую воду: как работает система опреснения

Ни для кого не секрет, что на нашей планете больше воды, чем суши – свыше двух третей поверхности Земли покрыто водой. Но, пожалуй, для многих станет неожиданным тот факт, что менее трех процентов этого огромного количества воды является пресной. В некоторых засушливых регионах планеты приходится в буквальном смысле бороться за каждый литр воды. Сегодня в таких странах все чаще применяют промышленное опреснение. Для этого существуют различные современные методы, один из самых распространенных – обратный осмос. Именно так устроена новейшая система опреснения морских и океанических вод холдинга «Швабе». Рассказываем, как вода из соленой превращается в пресную.

Пресная вода: как капля в море

По подсчетам ученых, на Земле примерно 1,5 зетталитров воды. При этом запасы пресной воды составляют лишь 2,5% от этого объема. Более наглядно это можно изобразить так: если вся вода на нашей планете поместится в литровую банку, то только две столовые ложки воды из этой банки будут пресными. Из этого мизерного количества большая часть превратится в грунтовые воды, примерно четверть – в лед, а около двух капель станут пресной водой в реках и озерах. И вот это малое количество пресной воды нужно разделить на 8 млрд человек. Вместе с осознанием данного факта приходит понимание того, насколько важно подойти со всей ответственностью к использованию такого драгоценного ресурса.

Во многих развитых странах уже давно воспитывается культура экономии воды. Тем не менее сегодня в среднем каждый человек расходует около 100 литров ежедневно, а в некоторых странах, как, например, США, этот показатель достигает 500 литров. Конечно, речь идет не только о двух литрах воды в день для питья и воды для личной гигиены, большая часть потребления пресной воды приходится на производство продуктов питания. Кроме того, здесь учитываются и расходы на орошение. Сейчас все чаще растения не просто беспечно поливаются водой из шланга, постепенно внедряется система капельного орошения, когда точное количество воды подается для полива каждого саженца по отдельности.

Пока человечество переосмысливает подходы к использованию водных ресурсов, ситуацию с нехваткой чистой пресной воды осложняют и факторы, не зависящие от нас. В их числе и климатические изменения, повышение общей температуры Земли, а также различные природные катаклизмы. Осознавая все риски для источников пресной воды, человечество продолжает активную работу по поиску новых и более совершенных способов производства пресной воды.

Из соленой в пресную: от Аристотеля до наших дней

Уже сегодня для многих стран опреснение воды стало стратегической государственной программой, например для Израиля или ОАЭ. Ученые постоянно работают над совершенствованием способов, как сделать морскую воду пригодной для потребления.

На первый взгляд, эта задача не кажется сложной – всего лишь удалить 35 граммов соли из литра воды. Именно столько соли содержится в литре морской воды, а для питьевой эта величина не должна превышать одного грамма. Над этим задумывался еще Аристотель, пытаясь изобрести особые фильтры. В своих наблюдениях древнегреческий философ отмечал, что соленая морская вода, проходя через стенки воскового сосуда, опресняется. По сути, это были первые опыты с применением технологии обратного осмоса – этот метод найдет свое применение спустя более 2 тысяч лет, в середине XX века.

Кроме обратного осмоса, было придумано и множество других способов получить из морской воды опресненную, и даже в домашних условиях. Самый распространенный способ, который сегодня применяется не только путешественниками в экстремальных условиях, но и в промышленном опреснении, – дистилляция.

Опыт по дистилляции воды можно провести и в домашних условиях. Для этого достаточно разместить лист прозрачного пластика на чаше с соленой водой. Если поставить такую конструкцию под солнечные лучи, вода будет медленно испаряться. Образовавшийся в итоге конденсат на нижней стороне пластикового листа – это и есть пресная вода. Промышленные дистилляционные установки повторяют данный процесс в крупном масштабе, работая на электричестве, – дистилляция достаточно энергозатратна.

Сегодня применяется и множество других способов опреснения. Например, ионный обмен. Воду пропускают через фильтры из ионообменных смол – таким образом можно заменить ионы. К примеру, ионы натрия – на ионы водорода, а ионы хлора – на гидроксид-ионы. В итоге вместо NaCl (хлорид натрия, то есть та самая соль в морской воде) получается H₂O. Это и есть опреснение. По такому принципу работают некоторые бытовые фильтры водопроводной воды. Недостаток данного метода – в его стоимости. Ионообменные системы – достаточно затратны, поэтому для опреснения морской воды их практически не используют.

На сегодняшний день один из самых современных методов опреснения, который нашел применение и в крупных опреснительных установках, и на обычной кухне, основан на явлении обратного осмоса.

Обратный осмос: как это работает

Перед тем как разобраться, что такое обратный осмос, нужно понять явление обычного осмоса. Прямой осмос – это баромембранный массообменный процесс. Простыми словами его можно описать следующим образом: молекулы растворителя под осмотическим давлением через мембрану переходят на сторону раствора и разбавляют его. Раствор увеличивается, в свою очередь, под ростом гидростатического давления. Процесс прекращается, когда статическое и осмотическое давления приходят в равновесие. Таким образом для этого процесса нужны раствор, растворитель, а также барьер – полупроницаемая мембрана.

Кстати, именно прямой осмос лежит в основе обменных процессов всех живых организмов на клеточном уровне – так «работают» водно-солевой обмен, получение питательных веществ, вывод продуктов жизнедеятельности. В природе роль полупроницаемой перегородки играет стенка клетки. По иронии именно из-за осмоса и нельзя пить морскую воду. Когда соленая вода попадает в пищеварительный тракт, осмос вытягивает воду из клеток, в итоге наступают обезвоживание и смерть.

Однако процесс осмоса – обратимый. Если солевой раствор будет находиться под высоким давлением, молекулы воды станут проходить через мембрану в обратном направлении – в сторону емкости с чистой водой. Таким образом, полупроницаемая мембрана действует как очень тонкий фильтр: чистая вода проходит, а в контейнере остается меньшее количество более концентрированного солевого раствора.

Именно такой принцип лежит в основе работы новой установки МО-140-М от холдинга «Швабе». Разработана она для опреснения воды с высокими концентрациями соли (до 59 г/л) и окисляемыми примесями, например нефтепродуктами и взвесями. В ходе очистки также устраняются бактерии, вирусы, запах, привкус, мутность, минимизируется количество железа и марганца.

Так что система на основе обратного осмоса не только поможет получить питьевую воду из морской воды, но и особо чистую воду для медицины, промышленности и других нужд. Обратный осмос считается более экономически выгодной альтернативой промышленной дистилляции, однако стоимость строительства одного такого крупного водоочистительного сооружения может достигать миллионов долларов. Эти установки все еще могут быть непосильны для некоторых регионов, где присутствует дефицит питьевой воды.

В таких случаях на помощь могут прийти более компактные варианты, такие как новая система от «Швабе». К тому же она существенно дешевле существующих аналогов – если брать минимальную рыночную цену на подобное оборудование, экономия составит почти 25%. Эта техника точно будет востребована в Крыму и в других южных регионах России, которые периодически сталкиваются с проблемами обмеления водохранилищ из-за сильной засухи и, как следствие, ограничением водоснабжения.

Разработке пророчат и хороший экспортный потенциал. Функционал установки позволяет применять ее для опреснения воды практически любого моря. Потенциальными экспортными рынками сбыта могут стать Южная Африка, страны Персидского залива – там потребность в подобном оборудовании действительно высока.

Решение проблем с дефицитом воды в регионе Ближнего Востока и Северной Африки

Что необходимо сделать, чтобы справиться с проблемой дефицита пресной воды, особенно в странах, затронутых конфликтом и миграцией?

В тех случаях, когда конфликты начинают сходить на нет, приоритетом должно стать восстановление основных услуг водоснабжения и санитарии. На этапе восстановления вода для сельского хозяйства крайне важна, поскольку она обеспечивает средства к существованию людей.

Решение проблем дефицита воды и уязвимости требует сочетания действий по удовлетворению срочных основных потребностей людей с долгосрочным подходом, направленным на повышение устойчивости к потрясениям и затяжным кризисам. Этот подход должен полагаться на устойчивое, эффективное и справедливое управление водными ресурсами и предоставление водохозяйственных услуг.

Инвестиции в инновационную политику и практику также являются ключевыми, поскольку исследования, разработка технологий и их передача могут обеспечить дальнейшее улучшение рационального использования воды и производительности сельского хозяйства в регионе. Это также может значительно повысить устойчивость систем сбора дождевой воды для сельскохозяйственного орошения, например, путем содействия методам сохранения земельных ресурсов.

Что еще более важно, так это совместная работа внутри стран и между ними. Совместные действия и партнерские отношения имеют важное значение с учетом масштабов и общности проблем, относительно небольших размеров многих стран региона и трансграничного характера таких важных вопросов, как изменение климата и совместно управляемые водные ресурсы.

Какие меры предпринимает ФАО для того, чтобы решить проблемы дефицита воды в регионе? Могли бы Вы привести конкретные примеры?

Региональная инициатива ФАО по сокращению дефицита водных ресурсов оказывает поддержку странам региона в области стратегического планирования, управления и распределения водных ресурсов, анализа их политики в сфере водоснабжения, продовольственной безопасности и энергетики, помогает составить эффективные инвестиционные планы, модернизировать управление и институты, вести учет наземных и грунтовых вод и внедрять передовые сельскохозяйственные методы.

Один из проектов ФАО в Йемене помогает фермерам забирать воду из плотины для повышения устойчивости и предоставляет женщинам больше возможностей для участия в процессах принятия решений. ФАО оказала поддержку в создании и реорганизации более 35 ассоциаций водопользователей в столице Сана, чтобы лучшим образом контролировать потребление воды, помогать им с финансированием и оборудованием. При этом ассоциации создают пространство для нового мышления, помогая решать споры о принадлежности водных источников.

Проект бассейна реки Сана является примером того, как ФАО поддерживает различные виды деятельности, направленные не только на удовлетворение срочных потребностей в продовольствии и питании миллионов йеменцев, но и на содействие проектам, которые могут оказать положительное влияние на восстановление общей сельскохозяйственной инфраструктуры страны.

Еще один проект ФАО на Западном берегу и в секторе Газа направлен на поддержку эффективных ирригационных систем, а также на решение проблем неэффективного управления и нерационального использования водных ресурсов путем ремонта поврежденных ирригационных систем. Это позволило улучшить доступ к чистой воде для орошения и положить конец социальным конфликтам, связанным с использованием воды.

Благодаря проекту ФАО было восстановлено более 30 систем водоснабжения на Западном берегу и улучшена эффективность почти 150 километров водопроводов для домашнего и сельскохозяйственного использования. В результате фермеры снова смогли получить доступ к достаточному количеству воды, обеспечив ее справедливое распределение. Потеря воды из-за утечек была устранена, а использование неочищенных сточных вод для целей орошения было прекращено.

Проект позволил 200 фермерским семьям в Ан-Нассарии увеличить свое производство, сократить расходы и избежать использования небезопасной загрязненной воды. В дополнение к смягчению социальных, экономических и экологических последствий для общин, работа по восстановлению труб привела к созданию сезонных рабочих мест для 2000 сельскохозяйственных рабочих на Западном берегу.

Узнайте больше:

14.3 Добыча подземных вод — физическая геология

За исключением районов, где грунтовые воды естественным образом выходят на поверхность у источника (место, где уровень грунтовых вод пересекает поверхность земли), мы должны построить колодцы, чтобы извлечь их. Если уровень грунтовых вод находится относительно близко к поверхности, колодец можно вырыть вручную или с помощью экскаватора, но в большинстве случаев нам нужно использовать дрель, чтобы погрузиться достаточно глубоко. Есть много типов сверл, которые можно использовать; пример показан на рисунке 14.10. Скважина должна быть пробурена не ниже уровня грунтовых вод, но на самом деле она должна идти намного глубже; Во-первых, потому что уровень грунтовых вод может меняться от сезона к сезону и из года в год, а во-вторых, потому что, когда вода перекачивается, уровень воды будет падать, по крайней мере, временно.

Рис. 14.10 Буровая установка для бурения скважин на воду в действии в районе Кэссиди, недалеко от Нанаймо, Британская Колумбия. На фото справа скважина проходит испытательную откачку давлением воздуха. Кожух (желтая стрелка) имеет диаметр около 40 см.[SE]

Если скважина пробурена в рыхлых отложениях или относительно слабых породах, она должна быть облицована обсадной колонной (в большинстве случаев стальной трубой), чтобы гарантировать, что она не проваливается. Устанавливается специально разработанный экран для скважины внизу кожуха. Размер отверстий в сетке тщательно выбирается, чтобы убедиться, что он позволяет воде свободно перемещаться в колодец, но предотвращает попадание частиц водоносного горизонта в колодец. Погружной насос обычно используется для подъема воды из скважины туда, где она необходима.Колодец, показанный на рис. 14.10, имеет обсадную трубу диаметром около 40 см, что может быть типичным для колодца городского водоснабжения или очень большого колодца для орошения. Большинство бытовых скважин имеют обсадную трубу диаметром 15 см.

При откачке воды из колодца сначала удаляется вода изнутри колодца. Это понижает уровень воды в колодце. Это означает, что вода будет течь из окружающего водоносного горизонта (более высокий напор грунтовых вод) к насосной скважине, где напор грунтовых вод теперь ниже. Так в колодец поступает вода из земли.Уровень грунтовых вод, или потенциометрическая поверхность, будет наклоняться к колодцу, по которому забирается вода. Это указывает на градиент энергии, который позволяет воде течь к колодцу. Это создает форму, известную как конус углубления , окружающий скважину, как показано на Рисунке 14.11. Если откачка из колодца продолжается от нескольких часов до нескольких дней, конус депрессии может привести к потере воды в соседних колодцах. Как показано на Рисунке 14.12, закачка скважины C способствовала тому, что скважина B стала сухой.Если перекачка будет продолжена в скважине C, она тоже может высохнуть.

Рисунок 14.11 Три скважины в безнапорном водоносном горизонте. Скважина А не прокачивается. Скважина B закачивается с медленной скоростью, а скважина C, которая имеет больший конус депрессии, закачивается с большей скоростью. [SE]

Рисунок 14.12 Сценарий, аналогичный показанному на Рисунке 14.11, но в этом случае скважины B и C в течение длительного времени подвергались неустойчивой закачке. Конус депрессии от скважины C достиг скважины B и способствовал ее высыханию.[SE]

Упражнение 14.2 Конус депрессии

Две диаграммы здесь показывают одно и то же задолго до (слева) и после (справа) длительной откачки. Образовался конус депрессии. Это обеспечивает градиент энергии, по которой вода течет к колодцу, чтобы ее можно было откачать.

Как это, вероятно, повлияет на дебит скважины?

Как и в других провинциях Канады, Британская Колумбия имеет сеть наблюдательных колодцев, находящихся в ведении Министерства окружающей среды.Это колодцы, которые устанавливают для измерения уровня воды; они не прокачиваются. В Британской Колумбии насчитывается 145 действующих наблюдательных скважин. (в 2015 г.), большинство из которых оснащены автоматическими регистраторами, которые непрерывно контролируют уровень воды. Основная цель наблюдательных скважин — контролировать уровень грунтовых вод, чтобы мы могли видеть, есть ли долгосрочные естественные колебания количества подземных вод и краткосрочные колебания, связанные с чрезмерным использованием ресурса. У них также регулярно берутся пробы для мониторинга химического состава и качества подземных вод.

Пример наблюдательной скважины показан на Рисунке 14.13. Он расположен в Кэссиди на острове Ванкувер и используется для мониторинга рыхлого водоносного горизонта, который широко используется жителями с частными колодцами.

Рисунок 14.13 до н. Э. наблюдательный колодец 232 возле аэропорта Кэссиди, остров Ванкувер. В установке также есть солнечная панель, которая не видна на этом виде. [SE]

Данные об уровне воды из наблюдательных скважин Британской Колумбии доступны общественности, а примерный набор данных показан на Рисунке 14.14. Уровень воды в наблюдательной скважине 232 Министерства окружающей среды (OW-232), расположенной в Ланцвилле на острове Ванкувер, значительно упал с 1979 г. (средняя глубина ~ 1,5 м) по 2010 г. (средняя глубина ~ 5,5 м), но восстановился. немного с тех пор.

Рис. 14.14. Данные об уровне воды в Британской Колумбии. наблюдательная скважина 232 на Харби-роуд, Ланцвилл, остров Ванкувер. С 1979 по 2003 годы глубины регистрировались ежемесячно. Автоматизированное оборудование было установлено в 2003 году, и с тех пор глубины регистрировались ежечасно.[SE по данным на: http://www.env.gov.bc.ca/wsd/data_searches/obswell/map/]

Кратковременные колебания уровня в скважине 232 происходят с периодом в один год и связаны с годовыми циклами подпитки и сброса, обусловленными влажным зимним климатом и более засушливым летом. Данные за часть периода более подробно показаны на Рисунке 14.15. На острове Ванкувер большинство колодцев опускаются до самого низкого уровня в сентябре или октябре после долгого засушливого летнего периода. Уровни быстро увеличиваются с октября по февраль, поскольку обильные зимние осадки подпитывают водоносный горизонт, а вода сохраняется.Уровень грунтовых вод достигает пика в марте или апреле. Летом большинство колодцев опускаются, так как грунтовые воды продолжают течь, но никакой новой подпитки не происходит. Вода из хранилища сливается в ручьи или озера и, в конечном итоге, в океан, и в результате уровень грунтовых вод понижается, снова достигнув самого низкого уровня в сентябре или октябре. Подобные колебания наблюдаются в большинстве наблюдательных скважин по всей провинции, хотя их время немного отличается от региона к региону.

Рис 14.15 Данные об уровне воды для Б. наблюдательная скважина 232 за период с 1996 по 2000 год, показывающая сезонные колебания [SE по данным на: http://www.env.gov.bc.ca/wsd/data_searches/obswell/map/]

Долговременные колебания уровней в наблюдательных колодцах по всей провинции также весьма непостоянны. Долгосрочные изменения климата могут привести к постепенным естественным изменениям уровня воды. Эти долгосрочные циклы, длящиеся годы или десятилетия, смешиваются с эффектами перекачки скважин. Некоторые наблюдательные скважины показывают постоянное снижение уровня воды, что может указывать на длительную чрезмерную добычу.Многие другие показывают в целом стабильные уровни в течение нескольких десятилетий, а некоторые показывают повышение уровня воды. Одной из важных задач, выполняемых гидрогеологами, работающими в различных государственных министерствах, является изучение этих долгосрочных данных об уровнях воды для определения того, насколько устойчивым может быть использование подземных вод.

Упражнение 14.3 Что делает ваш уровень грунтовых вод?

Посетите город до н. Э. Веб-сайт наблюдательной скважины Министерства окружающей среды: http: //www.env.gov.bc.ca/wsd/data_searches/obswell/map/ и используйте карту, чтобы найти ближайший к вам наблюдательный колодец. Когда вы нажимаете на точку, всплывает окно со ссылкой: «Щелкните, чтобы узнать подробности об этом колодце». Щелкните ссылку и выберите один из доступных вариантов. Вкладка «Графики» покажет вам график уровней воды, и вы сможете определить, повышается или понижается уровень в целом. Если данных для просмотра не так много, выберите другую лунку.

(Аналогичные данные имеются по Альберте и Саскачевану.Выполните поиск по таким словам, как «Наблюдательные колодцы провинции Альберта».)

В 2014 г. Правительство представило Закон об устойчивости водных ресурсов, который впервые потребует лицензирования добычи подземных вод. Это вступает в силу в январе 2016 года. Новый закон также включает положения об определении «потребностей в экологических стоках» — количества воды, которое должно быть в поверхностных водных потоках в разное время года для удовлетворения потребностей экосистемы, зависящей от ручей. Например, многие потоки в B.C. поддерживать популяции лосося, которые живут в ручье в течение части своего жизненного цикла или возвращаются в свой родной ручей для нереста. Подземные воды составляют часть базового стока в водоразделе и, следовательно, являются важной частью потребностей экологического стока. В ближайшие годы потребуется тщательная работа для обеспечения того, чтобы количество воды, разрешенной для добычи из поверхностных и подземных вод для использования человеком, не влияло на количество воды, необходимое для функционирования естественных водных экосистем.

Ситуация в Калифорнии, где добыча подземных вод на больших территориях приводит к снижению уровня воды, сильно отличается от ситуации в Британской Колумбии. По данным Государственного департамента водных ресурсов, 80% скважин с грунтовыми водами показали падение уровня воды от 0 до 7,5 м в период с 2011 по 2013 год, еще 6% упали на 7,5 м до 15 м, а 3% упали более чем на 15 м. (Рисунок 14.16). За тот же период только 10% уровней скважин увеличились на 0 м до 7,5 м, а 1% увеличились более чем на 7.5 мес. Засуха, охватившая Калифорнию в 2013 году, значительно усилилась к 2015 году, и фермеры Калифорнии — и люди по всей Северной Америке, которые едят продукты, которые они производят, — по-прежнему испытывают огромный аппетит к поливной воде. Калифорния, как и Британская Колумбия, вводит новые правила по подземным водам, чтобы попытаться контролировать использование воды и остановить снижение уровня грунтовых вод.

Рис. 14.16. Изменения уровня воды в колодцах в Калифорнии с 2011 по 2013 гг. [SE из данных Департамента водных ресурсов штата Калифорния]

Даже если запасы грунтовых вод не истощаются из-за чрезмерного использования или изменения климата, мы продолжаем оказывать давление на водоносные горизонты, покрывая обширные территории непроницаемыми поверхностями, которые не позволяют дождю и таянию снега проникать и превращаться в грунтовые воды.Вместо этого вода, которая попадает на эти поверхности, направляется в дренажные системы, затем в ливневую канализацию, а затем прямо в реки и океан. В городах и их пригородах главными виновниками являются парковки, дороги и шоссе. Хотя было бы здорово, если бы мы не выделяли такие огромные площади для автомобилей, это не скоро изменится, поэтому нам нужно подумать о том, как мы можем улучшить проникновение поверхностных вод в города. Один из способов — использовать дороги и поверхности для парковки, через которые будет просачиваться вода, хотя во многих случаях это непрактично.Другой способ — обеспечить, чтобы сток с тротуара направлялся в существующие или построенные водно-болотные угодья, которые служат для обеззараживания воды, а затем позволяют ей просачиваться в землю.

Мы перекачиваем слишком много грунтовых вод, и реки в опасности.

Под поверхностью Земли в подземных водоносных горизонтах скрыто больше пресной воды, чем из любого другого источника, кроме ледяных щитов. Эти грунтовые воды играют решающую роль в реках всего мира, от Сан-Педро до Ганга, поддерживая их течение даже тогда, когда из-за засухи уровень воды в них истощается.

Но за последние десятилетия люди выкачали из этих подземных резервуаров триллионы галлонов. Результатом, как говорится в исследовании, опубликованном в среду в журнале Nature , является «медленное высыхание» тысяч речных экосистем по всему миру. Авторы утверждают, что уже где-то от 15 до 21 процента водосборных бассейнов, в которых происходит добыча подземных вод, преодолели критический экологический порог, а к 2050 году это число может резко возрасти где-то между 40 и 79 процентами.

Это означает, что сотни рек и ручьев по всему миру станут настолько подвержены водному стрессу, что их флора и фауна столкнутся с опасностью, говорит Инге де Грааф, ведущий автор исследования и гидролог из Университета Фрайбурга.

«Мы действительно можем рассматривать этот экологический эффект как бомбу замедленного действия», — говорит она. «Если мы перекачиваем грунтовые воды сейчас, мы не увидим последствий раньше, чем через 10 лет или даже дольше. Так что то, что мы делаем сейчас, будет влиять на нашу окружающую среду на долгие годы ».

Подземные воды поддерживают современную жизнь

Последняя неповрежденная река на юго-западе США, Сан-Педро на юго-западе Аризоны, когда-то текла и бурлила. Птицы щебетали и плескались на его берегах, когда останавливались во время перелетов.В его бассейнах плавала редкая рыба.

Но в 1940-х годах в окрестностях начали появляться колодцы, высасывающие чистую прохладную воду из подземных водоносных горизонтов региона.

Оказалось, что значительная часть воды, протекавшей через реку, была получена не из-за дождя и таяния снега вверх по течению, а из тех подземных источников. Чем больше воды было откачано из водоносных горизонтов, тем меньше воды попало в реку — и пострадали заболоченные земли, заросли тополя, фауна и бурные воды Сан-Педро.

(Прочтите об исчезающем водоносном горизонте Огаллала, одном из самых важных источников воды на западе США)

Подземные воды — это скрытые леса, поддерживающие большую часть современной жизни. Во всем мире около 40 процентов выращиваемой нами пищи поливается жидкостью, добытой из-под поверхности Земли.

Но для заполнения многих водоносных горизонтов, из которых добывается эта вода, потребовались сотни или даже десятки тысяч лет: вода внутри могла просочиться через трещины в земле, когда гигантские ледяные щиты последний раз покрывали Нью-Йорк 20 тысяч лет назад. .

Большая часть этой воды удаляется намного быстрее, чем ее можно пополнить. Это имеет огромные потенциальные последствия для людей, которые хотят пить воду, выращивают и выращивают урожай в районах, где мало дождя. Но задолго до того, как эти воздействия проявятся, последствия будут — и фактически уже наступили — затронут реки, ручьи и среды обитания вокруг них.

«Думайте о водоносном горизонте как о ванной, полной воды и песка», — объясняет Элоиза Кенди, специалист по пресноводным водам из Природного заповедника. Затем представьте, что вы легко проводите пальцем по поверхности песка, оставляя небольшой след.Этот небольшой след наполняется водой, которая просачивается сквозь песок в «ручей».

«Если вы откачите из ванны лишь немного воды, этот поток пересохнет, даже если в ванне еще много воды», — говорит она. «Но что касается здоровых рек, вы их уничтожили. Но поскольку реки не кричат ​​и не кричат, мы не обязательно знаем, что у них проблемы».

(Прочтите о том, что две трети самых длинных рек мира больше не текут свободно).

Вода — это жизнь, пока она не исчезла

В новом исследовании команда взглянула на то, где подземные воды уже извлекаются с такой скоростью, что это привело к такому падению уровня воды в реках и ручьях, что они пересекают критический экологический порог: когда уровень воды падает до менее 90 процентов от среднего расхода в течение засушливого сезона, время, когда грунтовые воды имеют наибольшее значение для речного стока. Превышение этого порога более трех месяцев в году, по крайней мере, два года подряд, ставит под угрозу флору и фауну пресноводных систем, говорит Брайан Рихтер, эксперт по воде и ученый из Sustainable Waters.

«В это чувствительное время может быть очень небольшое истощение воды, но с экологической точки зрения это имеет значение», — говорит он.

Пресноводные виды, как и те, которые зависят от здоровых рек и ручьев, являются одними из наиболее находящихся под угрозой исчезновения в мире.

В новом анализе де Грааф и ее коллеги обнаружили, что от 15 до 21 процента водосборов, перекачивающих грунтовые воды, уже прошли этот порог (около половины всех водосборов во всем мире перекачиваются). По их словам, поскольку изменение климата усугубляет засухи во многих частях мира, нагрузка на грунтовые воды — и, в более широком смысле, на реки и ручьи — может значительно усугубиться.

Их прогнозы могут быть консервативными. В качестве основы они использовали глобальный спрос на воду в 2010 году и развернули свою климатическую модель, чтобы увидеть, как могут возникнуть нагрузки на системы подземных вод. Но по мере увеличения численности населения и роста спроса на продукты питания эти стрессы могут усиливаться по причинам, не связанным с изменением климата, ускоряя добычу из подземных источников воды.

Но последствия чрезмерного перекачивания грунтовых вод становятся заметными через годы, если не десятилетия. Как объясняет Гретхен Миллер, гидролог и инженер из Техасского университета A&M, изменения в количестве дождя оказывают немедленное и очевидное влияние на речной сток. Когда идет дождь, реки часто бушуют.Но грунтовые воды скрыты: изменения обнаруживаются гораздо дольше и не всегда проявляются в том месте, где происходит откачка. Это делает вопросы управления водоносным горизонтом особенно сложными, и лишь небольшая часть водоразделов имеет планы решения надвигающихся проблем.

А пока реки и ручьи — «канарейка в угольной шахте», — говорит Рихтер. «Это сигнал, говорящий о том, что мы используем воду нерационально, и нам нужно внимательно посмотреть на то, что мы делаем.”

Факты о глобальном использовании подземных вод

Подземные воды | Факты об использовании подземных вод в мире

• Подземные воды — это самое добываемое сырье в мире с интенсивностью отбора. в настоящее время в расчетной дальности 982 км ³ /год. [1]
• Около 70% забираемых подземных вод во всем мире используется для сельского хозяйства.[2]
• Подземные воды обеспечивают почти половину всей питьевой воды во всем мире. [3]
• В мире около 38% орошаемых земель оборудованы для орошения грунтовые воды. [4]
• Общий объем подземных вод в верхних 2 км континентальной части Земли. земной коры (не включая высокоширотную Северную Америку или Азию) приблизительно составляет 22,6 млн км ³ , из них 0,1 млн км ³ до 5,0 млн км ³ меньше 50 лет (оценивается как «современный» или недавно заряженный).[5]
• Объем современных подземных вод эквивалентен водному пространству с глубина около 3 м распространяется по континентам. [6]

15 стран с наибольшим расчетным ежегодным изъятием подземных вод (2010 г.) [7]:

15 стран, где подземные воды имеют наибольшую долю от общего годового объема пресной воды. водозабор, ранжированный по всем секторам водопользования [8]

1. Margat, J., and J. van der Gun. 2013. Подземные воды во всем мире .CRC Press / Balkema.
2. Там же.
3. Смит, М., К. Кросс, М. Паден и П. Лабан. 2016. Весна — Управление устойчивостью подземных вод . МСОП, Гланд, Швейцария.
4. Siebert, S., et al. 2010. Использование подземных вод для орошения — глобальная инвентаризация. Гидрология и наука о земных системах 14, вып. 10: 1863–1880. www.hydrol-earth-syst-sci.net/14/ 1863/2010 / doi: 10.5194 / hess-14-1863-2010.
5. Глисон, Т., К.М. Бефус, С. Ясечко, Э. Луиджендийк, М.Б. Кардендас. 2016. Мировой объем и распределение современных подземных вод. Nature Geoscience 9, no. 2: 161-167.
6. Там же.
7. Margat, J., and J. van der Gun. 2013. Подземные воды во всем мире . CRC Press / Balkema
8. Там же.

Вас также могут заинтересовать ….

Добыча воды: претензии к компаниям, занимающимся бутилированной водой, незаконно добывающим подземные воды | Environment

Юристы совета северного Нового Южного Уэльса расследуют заявления о том, что предприятия по производству бутилированной воды нарушили закон, недавно добыв подземные воды.

Директор по планированию и регулированию муниципального образования Твид Шир Винс Коннелл говорит, что совет «тщательно рассматривает свои правовые варианты» после получения от общественности большого количества заявлений о «несоблюдении» требований в отношении предприятий по добыче воды.

«Юристы Совета… рассматривают дела и регулярно дают советы о том, как обеспечить соблюдение нормативных требований в отношении существующих операторов», — говорит Коннелл.

Он говорит, что совет завален жалобами от представителей общественности, которые сфотографировали и задокументировали грузовики с водой, превышающие количество поездок, разрешенных их лицензиями.

Представитель группы кампании Tweed Water Alliance Дениз Уайт говорит, что у нее есть кадры, на которых грузовики с водой работают ночью, несмотря на то, что на них действует комендантский час с 7:00 до 19:00.

Уайт опасается, что, если грузовики совершают дополнительные поездки, они могут добывать подземные воды сверх установленных лимитов.

В этом районе есть четыре коммерческие компании по добыче подземных вод: Mount Warning Spring Water (Uki), Pristine Water Supplies (Kynnumboon), Quest Natural Spring Water производства Rosehill Estate (Nobbys Creek) и Karlos Family Trust (Urliup).

Совет не раскрыл, какие из этих компаний находятся под следствием.

Но компании по добыче бутилированной воды в этом районе утверждают, что они соблюдают свои лицензии и что гидрогеологические исследования гарантируют устойчивое управление водоносными горизонтами.

Quest Natural Spring Water имеет лицензию на прием 12 мегалитров воды в год. Директор Гэри Эпплби говорит, что его зануды теперь находятся под наблюдением, и что любые претензии Tweed Water Alliance к ним неверны.

«Все наши грузовики зарегистрированы, поэтому у нас есть доказательства, подтверждающие тот факт, что мы не берем больше, чем нам разрешено», — говорит Эпплби.

С местной компанией по добыче и розливу Mount Warning Spring Water связались для комментариев, но не ответили на звонки или электронные письма. Не удалось связаться с Pristine Water Supplies и Karlos Family Trust для получения комментариев.

Исполнительный директор Совета по напиткам Австралии Джефф Паркер говорит, что водная безопасность — очень важный вопрос, к которому отрасль серьезно относится.

«Отрасль бутилированной воды сосуществует с другими гораздо более крупными потребителями воды, будь то орошение, сельское хозяйство или промышленность в более широком смысле, и гарантирует, что мы все используем ее ответственно.»

Водовозы в Твид Шир. Предоставлено Tweed Water Alliance Facebook. Фотография: Tweed Water Alliance

В марте прошлого года Альянс Tweed Water Alliance представил совету 30-страничный отчет, озаглавленный «Лоулесс», в котором тщательно задокументированы передвижения грузовиков и отсутствие мониторинга стволов по всему графству.

«Эти нарушения включают превышение разрешенного количества поездок на грузовиках, работу в нерабочие часы, выемку и транспортировку наливом без разрешения или за пределами полномочий, а также очевидные доказательства того, что держатели лицензии превышают лимиты добычи», — ноябрьское обновление в отчете говорится.

Фермеры опасаются, что добыча буровой воды из местных водоносных горизонтов представляет неизвестный уровень угрозы для грунтовых вод, ручьев и плотин.

Уайт говорит, что группа предвыборной кампании объединилась с Управлением защитников окружающей среды Нового Южного Уэльса после того, как они почувствовали, что их жалобы не рассматриваются достаточно быстро чиновниками Совета Твида.

Но Коннелл говорит, что совет рассматривает свои правовые варианты, одновременно обрабатывая заявки на разработку, апелляции и большое количество жалоб на операции по добыче воды.

«Для расследования и принятия мер в судебном порядке может потребоваться время, и широкой публике может показаться, что ничего не происходит», — говорит Коннелл.

В декабре совет представил в Департамент планирования и окружающей среды Нового Южного Уэльса предложение о запрете на добычу воды для коммерческого розлива.

Этот шаг последовал за годами протестов и кампаний по этому поводу со стороны местного сообщества.

Если запрет будет одобрен отделом планирования, существующие лицензии на добычу воды не будут затронуты.

Владелец курьера по водоснабжению Tweed Black Mount Spring Water, Тим Кэри, говорит, что устойчивость является ключевым фактором для коммерческих операторов. «Наши скважины лицензированы и контролируются государственными органами подземных вод, и вся добыча измеряется и регулируется.

«Если мы негативно повлияем на водоносный горизонт или окружающих водопользователей, это не только повлияет на нашу лицензию, но и наш бизнес не выживет».

Молекулы | Бесплатный полнотекстовый | Субкритическая водная экстракция натуральных продуктов

[30] [ 47], условное обозначение FRAP) 902 210 ° C, 0–40 мин
15–35 г / мл, 4 МПа 9101 Механизм извлечения воды из гипсовой породы микроорганизмами, колонизирующими пустыню

Значение

Это исследование представляет собой углубленный анализ того, как микроорганизмы могут выжить в самом засушливом неполярном месте в мире, пустыне Атакама, Чили.Мы показываем, что эти организмы извлекают воду из гипсовых пород в этой пустыне, позволяя этим колонизирующим микроорганизмам поддерживать жизнь в этой экстремальной среде. Мы полагаем, что результаты этой работы могут не только пролить свет на то, как микроорганизмы могут получать воду в суровых ксерических условиях, но также дать представление о потенциальной жизни в еще более экстремальных условиях, таких как Марс, а также предложить стратегии для передовых методов хранения воды. .

Abstract

Микроорганизмы, обитающие в самых засушливых пустынях мира, обитают внутри скал в качестве стратегии выживания.Вода необходима для жизни, а способность каменного субстрата удерживать воду важна для его обитаемости. Здесь мы сообщаем о механизме, с помощью которого гипсовые породы из пустыни Атакама, Чили, обеспечивают водой свои колонизирующие микроорганизмы. Мы показываем, что микроорганизмы могут извлекать кристаллизационную воду (т.е. структурно упорядоченную) из породы, вызывая фазовое превращение гипса (CaSO ₄ · 2H ₂ O) в ангидрит (CaSO ₄ ). Чтобы исследовать и подтвердить механизмы извлечения воды и фазового превращения, обнаруженные в естественной геологической среде, мы культивировали изолят цианобактерий на образцах гипсовой породы в контролируемых условиях.Мы обнаружили, что цианобактерии, прикрепленные к плоскостям кристаллов с высокой поверхностной энергией ({011}) образцов гипса, образуют тонкую биопленку, которая вызывает растворение минералов, сопровождающееся экстракцией воды. Этот процесс привел к фазовому превращению в безводный сульфат кальция, ангидрит, который образовался в результате переосаждения и последующего присоединения и выравнивания нанокристаллов. Результаты этой работы не только проливают свет на то, как микроорганизмы могут получать воду в суровых ксерических условиях, но также дают представление о потенциальной жизни в еще более экстремальных условиях, таких как Марс, а также предлагают стратегии для передовых методов хранения воды.

Вода играет множество ролей в функциях организма: она не только важна для метаболических процессов, но также действует как структурный компонент в материалах и тканях (1, 2). Вопреки всему, даже в самых засушливых местах на Земле, где ничего не растет, было обнаружено, что микроорганизмы колонизируют каменные (горные) субстраты в качестве последнего убежища для жизни (3, 4). Отфильтровывая УФ-излучение и улучшая доступ к воде, порода обеспечивает защиту и стабильность для неожиданного разнообразия микробных таксонов, включая цианобактерии, актинобактерии, Chloroflexus и протеобактерии (4, 5).Такие скопления эндолитических (внутри горных пород) микроорганизмов были обнаружены в пустыне Атакама в Чили, одной из самых засушливых и древнейших пустынь на Земле (6⇓ – 8) и аналогичной среде Марса (9). Индекс засушливости (AI) пустыни Атакама, соотношение среднего водоснабжения и потенциальной эвапотранспирации, может составлять всего 0,0075 (10), тогда как пороговое значение AI 0,05 используется для определенных гипераридных пустынь (11). В гипераридной центральной части пустыни записи об относительной влажности воздуха (RH) показывают длительные периоды ниже 60% ( SI Приложение , рис.S1), что свидетельствует о нехватке воды. Важно отметить, что 0,585 активности воды ( _w ; 58,5% относительной влажности) является нижним пределом, при котором была обнаружена метаболическая активность (12). Таким образом, понимание того, как микроорганизмы приобретают воду в условиях экстремального ксерического стресса, может дать представление о потенциальной жизни на Марсе в прошлом или настоящем, а также помочь в разработке новых технологий для хранения и сбора воды (13, 14). Ксерический стресс определяется здесь как нехватка воды (высыхание), которая вызывает биохимический, метаболический, физический и физиологический стресс (1).Диапазон активности воды для возникновения ксерического стресса колеблется от 0,91a _w до 0,585a _w в зависимости от микроорганизмов (1, 12).

Одним из видов минералов, обычно встречающихся в пустыне Атакама, является гипс (7), гидратированный сульфат кальция (CaSO ₄ · 2H ₂ O). В то время как этот субстрат содержит другие минералы, такие как сепиолит, которые потенциально могут уменьшить ксерические напряжения из-за своей пористой структуры и способности абсорбировать и удерживать воду (8, 15), вода, находящаяся в гипсе, является кристаллической, с содержанием до 20.8% от общей массы хранится в его решетке. Таким образом, можно предположить, что гипс может служить источником воды для организмов, живущих в условиях экстремального ксерического стресса (16). Фактически, было определено, что растение с мелкими корнями, Helianthemum squamatum , живет на гипсе и извлекает воду из скал в засушливое лето на северо-востоке Испании (17). Однако механизм, с помощью которого эта вода извлекается из гипса, а также ее результирующее воздействие на горную породу, остаются неустановленными.

Изучены переходы между различными фазами геологических минералов сульфата кальция — гипсом, бассанитом и ангидритом (15, 18–20).Известно, что гипс может частично или полностью потерять свою структурную или «кристаллическую» воду и впоследствии превратиться либо в фазу полугидрита, бассанит (CaSO ₄ · 1 / 2H ₂ O), либо в безводную фазу, ангидрит ( CaSO ₄ ), в различных средах (18, 22). Кроме того, гипс, который был обнаружен в эвапоритовых минералах в верхней коре Земли, может претерпевать обратимое превращение в ангидрит после цикла дегидратации-гидратации при определенных геохимических условиях (18).Фазовые диаграммы CaSO ₄ и воды были разработаны, чтобы показать влияние температуры и давления на растворимость и стабильность различных фаз (15, 19). Гипс является термодинамически стабильной фазой ниже 40 ° C, но при повышении температуры он нестабилен, переходя в фазу ангидрита (19). Кинетика этих фазовых превращений гипс-ангидрит контролируется дополнительными условиями окружающей среды, такими как кислотность и ионная сила, которые потенциально могут влиять на водородные связи между молекулами воды и сульфат-ионами внутри кристаллов гипса.Например, присутствие H ⁺ может способствовать извлечению кристаллизационной воды (т.е. структурно упорядоченной) внутри кристаллов гипса за счет образования H ₃ O ⁺ , что увеличивает растворимость минерала (20).

Здесь мы используем комбинацию микроскопии и спектроскопии, чтобы охарактеризовать образцы гипса как в геологической, так и в лабораторной среде, выявляя процессы, с помощью которых колонизирующие микроорганизмы получают воду из своего субстрата, и результирующее воздействие на породу.Мы сообщаем, что гипсовые породы превращаются в ангидриты из-за потери кристаллизационной воды в процессе, вызванном микроорганизмами. Результаты этого исследования дадут представление о механизмах выживания организмов, живущих в экстремальных условиях, и, таким образом, имеют потенциал для использования при выявлении источников хранения воды для внеземных исследований или обитания.

Микроорганизмы, обитающие в гипсовых скалах

Наблюдение за гипсовыми породами, собранными в пустыне Атакама, показало зеленую зону колонизации под поверхностью (белая стрелка на рис.1 A ), что свидетельствует о наличии фотосинтетических микроорганизмов (7). Изображения микрокомпьютерной томографии (µ-CT) (рис. 1 B ) обнаружили микробные колонии внутри породы. Кроме того, компьютерная томография выявила поры, присутствующие в матрице породы, и микроорганизмы, колонизирующие их, как сообщалось ранее (6-8). Дальнейшие наблюдения, проведенные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) (фиг. 1 C и D ), показали, что микроорганизмы имели предпочтительное прикрепление к определенным кристаллическим граням гипса.Рамановская спектроскопия и картирование ( SI Приложение , Рис. S2) и микрофотографии SEM ( SI Приложение , Рис. S3) подтвердили, что микробные клетки собирались в основном на плоскостях {011} гипса. Вероятно, что эти конкретные плоскости имеют более шероховатую поверхность (23), что обеспечивает более сильную адгезию, но также может способствовать ускоренному доступу воды (т.е. за счет улучшенной кинетики растворения) (24, 25). Клетки, подобные цианобактериям, идентифицировали по морфологическим признакам в микробных колониях (рис.1 D ). В качестве обобщения наших наблюдений за гипсовыми породами представлена ​​схема (рис. 1 E ) микроорганизмов, заселяющих породы при ксерических напряжениях (1).

Рис. 1.

Микроорганизмы обитают в гипсовых породах пустыни Атакама. ( A ) Фотография образцов гипсовых пород. Зеленый цвет, обозначенный белой стрелкой, показывает область, колонизированную микроорганизмами. ( B ) Микро-КТ изображения гипсовых горных пород, выделяющие микроорганизмы, живущие внутри.Желтый и красный цвета представляют собой колонии микроорганизмов внутри породы. ( C и D ) СЭМ изображения гипса. Внеклеточный матрикс, окружающий клетки цианобактерий в образцах гипса, обозначен зеленым цветом в D . ( E ) Схема колонизации микробов и их расположения в гипсовой породе. УФ, ультрафиолет.

Для дальнейшего исследования границы раздела микроб-субстрат мы применили комбинацию элементного и структурного анализов к колонизированным гипсовым породам.В частности, информация об элементах породы была получена с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) и картирования. Помимо основных элементов в гипсе (S, Ca, O и C) также были обнаружены Si, Al, Mg, Na и Fe (рис. 2 A — C ), скорее всего, из сепиолита, глинистый минерал, ранее обнаруженный в гипсе из пустыни Атакама ( SI Приложение , рис. S4) (6, 8). Структурная информация, в частности фазы, существующие в гипсовых породах, была идентифицирована с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) в областях с микроорганизмами и без них (рис.2 D ). Интересно, что ангидрит наблюдался в областях, заселенных микроорганизмами, тогда как области субстрата без микроорганизмов состояли только из гипса. Карты инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) были получены в областях с микроорганизмами для дополнительной проверки существования ангидритной фазы (21, 26). Результирующий спектр показывает снижение интенсивности пиков, представляющих кристаллизационную воду (фиг. 2 E , выделено оранжевым), что указывает на преобразование в ангидрит в этой области.Картирование FTIR (рис. 2 F и G ) дополнительно подтвердило существование ангидритной фазы вокруг гипсовой фазы. Эти результаты показывают, что микроорганизмы, вероятно, ответственны за преобразование гипса в ангидритную фазу. В предыдущих исследованиях было показано, что гипс может превращаться в ангидрит, теряя кристаллизационную воду при отжиге при 440 К (27). Таким образом, вполне вероятно, что микроорганизмы также могут управлять этой трансформацией, извлекая воду, необходимую для выживания.Чтобы проверить эту гипотезу, в лаборатории в контролируемых условиях были проведены эксперименты с культурой.

Рис. 2.

Структура и химический состав образца гипсовых пород пустыни Атакама. ( A ) Оптическая микроскопия тонкого поперечного сечения образца гипса с черными примесями в скальной матрице. ( B ) Энергодисперсионное рентгеновское картирование (EDX) образцов гипсовых пород. Область отображения обозначена красным прямоугольником в A . Белая область — это гипс, а черная область — Si, Al, Mg, O и Fe.( C ) Средний спектр (количество импульсов в секунду [cps] в зависимости от энергии) отображения EDX в B . ( D ) XRD образцов гипса на участках с микробами и без них. Ангидритная фаза наблюдается на участках с микробами. ( E ) FTIR-картирование и спектры микробов в гипсовых породах. Выделенная область, также показанная на вставке , от 3000 см ^-1 до 3 800 см ^-1 указывает на присутствие пиков кристаллизационной воды в кристаллах гипса.( F ) Изображение, полученное при оптической микроскопии, показывает область картирования. (Масштабная шкала, 100 мкм.) ( G ) FTIR-карта пиковой интенсивности при 3400 см ^-1 , указывающая на кристаллизационную воду в кристаллах гипса. Синяя область представляет собой фазу ангидрита, а зеленый и желтый цвета указывают на наличие гипса.

Гипс как источник воды для микроорганизмов

Образцы гипсовых пород, собранные в пустыне Атакама, были использованы в качестве субстрата в экспериментах по культивированию штамма цианобактерий, ранее выделенного из аналогичных образцов (рис.3 А ). Гипсовые купоны (кусочки гипса со средним размером 0,5 × 0,8 × 0,5 мм) подвергали двум различным условиям культивирования: 1) цианобактерии в «сухих условиях» (определяемых как добавление инокулята к субстрату и его высыхание во время инкубации. период) и 2) цианобактерии во «влажных условиях» (определяемых как добавление культуральной среды к субстрату во время периода инкубации в дополнение к посевному материалу). Через 30 дней инкубации клетки на и внутри гипсовых купонов имели ярко-зеленый цвет, что указывало на присутствие фотосинтетических пигментов (рис.3 В ). Присутствие и распределение цианобактерий в субстрате дополнительно подтверждалось сосуществованием углерода и азота, картированием EDS (фиг. 3 C ) и визуализацией SEM (фиг. 3 D ). Все гипсовые купоны содержали клетки цианобактерий; однако из-за разницы в условиях культивирования окончательный состав гипсовой основы был другим. XRD показывает, что ангидрит присутствовал в гипсовых купонах, культивируемых в «сухих условиях», но не был обнаружен в гипсе без микроорганизмов (отрицательный контроль) или в тех, которые культивировались в гидратированных условиях (т.е.е., в жидкой среде; Рис.3 E ). Это говорит о том, что «сухие условия» способствовали извлечению воды цианобактериями из гипсовой породы, что привело к ее превращению в ангидрит. Эти результаты подтверждают наши наблюдения за гипсовыми породами, собранными в пустыне Атакама. Что еще более важно, мы обнаружили, что интенсивность пика XRD фазы ангидрита была больше в купонах, культивируемых с большим количеством клеток цианобактерий, что дополнительно подтвердило нашу гипотезу о роли микроорганизмов в фазовых превращениях, наблюдаемых в гипсе.

Рис. 3.

Культура цианобактерий на образцах гипса. ( A ) Схема цианобактерий, культивируемых в сухой и жидкой средах. ( B ) Изображение, полученное при оптической микроскопии образцов гипса, показывающее колонии цианобактерий (зеленый цвет) на гипсе после культуральных экспериментов. ( C ) EDS-картирование цианобактерий, культивируемых на гипсе. ( D ) СЭМ-изображения образца гипса после культивирования, показывающие пористую структуру и прикрепление цианобактерий (зеленый цвет) к поверхности.Биопленка окружает цианобактерии. ( E ) XRD контрольного гипсового камня (черная кривая; т.е. не подвергнутого воздействию микробов), образцов, культивированных с низкой концентрацией (LC) и высокой концентрацией (HC) цианобактерий как в сухой, так и в жидкой среде. Пики дифракции, помеченные черными квадратами, представляют фазу ангидрита, а отмеченные звездочками — от гипса. ( F ) FTIR образцов контрольной группы и культур цианобактерий при низких и высоких концентрациях.Специфические полосы поглощения, представляющие собой органические кислоты, обнаруживаются на поверхности образцов гипса с культурами цианобактерий. ( G ) Рамановская спектроскопия образцов гипса, культивированных с высокой концентрацией цианобактерий. На поверхности образца обнаруживаются как гипс, так и ангидрит. Красный и синий спектры представляют две разные области, указанные в I . Абсорбция воды в гипсе отмечена желтой полосой. ( H и I ) Картирование фаз гипса и ангидрита с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния.( H ) Оптическая микрофотография показывает область отображения (черный ящик), используемую в I . ( I ) Фазовая карта гипса (красный) и ангидрита (синий).

SEM-анализ культивированного гипса также показал присутствие внеклеточного материала, образующего биопленочный матрикс, покрывающий цианобактерии (рис. 3 D и SI Приложение , рис. S5) (28). FTIR-анализ гипсовых купонов, культивированных с высокими концентрациями цианобактерий, показал значительно более интенсивные полосы поглощения для C = O и O-H, что указывает на существование более высоких концентраций органического материала.Здесь вполне вероятно, что эта органика богата фрагментами карбоновых кислот (рис. 3 F ) (26, 29, 30). Присутствие органических кислот в биопленке, окружающей клетки цианобактерий, было также подтверждено рамановской спектроскопией (рис. 3 G ) (31–33). Кроме того, последующие карты комбинационного рассеяния подчеркивают фазовое превращение гипса в ангидрит (рис. 3 H , чистый гипс и рис. 3 I , смесь гипса и ангидрита). Основываясь на этих результатах, вполне вероятно, что органические кислоты в биопленке вступили в реакцию и протравили гипсовую породу, высвобождая воду в ее решетке для цианобактерий.По мере роста бактерии производят больше органической кислоты и, таким образом, извлекают дополнительную воду, которая вызывает дальнейшее преобразование гипса. Аналогичным образом было подтверждено, что бактериальные биопленки на поверхности зубов содержат кислоты (например, молочную кислоту), которые могут привести к растворению фосфата кальция и разрушению зубной эмали (34, 35).

Механизмы фазового превращения гипса в ангидрит

Чтобы лучше понять превращение гипса в ангидрит этими микроорганизмами, были получены микрофотографии кристаллов гипса и ангидрита на разных стадиях трансформации, полученные с помощью СЭМ и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).На основании наших наблюдений мы описываем фазовое превращение гипс – ангидрит в четыре последовательных этапа (рис. 4). Первоначально микроорганизмы прикрепляются и образуют биопленку на {011} плоскостях частиц гипса (Рис. 4 A и SI Приложение , Рис. S1). До любого взаимодействия с микробами частицы гипса являются монокристаллическими (как видно с помощью ПЭМ на фиг. 4 B ). Биопленка, покрывающая гипс (Рис.4 A и C и SI Приложение , Рис.S4) содержит органические кислоты (19), которые вызывают растворение минералов, позволяя извлекать воду, которая может быть поглощена микроорганизмами. Наблюдение за поверхностью образцов гипса показывает пористую структуру, украшенную перемычками из биопленки, что указывает на движущую силу растворения минералов (рис. 4 C ). Электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМВР) и электронная дифракция в выбранной области (SAED) (рис. 4 D и H , вставка , соответственно) показывают нанокристаллы ангидрита, случайно осаждающиеся вблизи поверхности растворяющегося гипса, что позволяет предположить, что происходит фазовое превращение гипс-ангидрит.Фазовое превращение гипса в ангидрит имеет два процесса: растворение гипса и осаждение ангидрита, который можно описать как CaSO4⋅nh3O↔Ca (aq) 2 ++ SO4 (aq) 2− + nh3O, где n — гидратация номер (19, 36, 37). Таким образом, фазовое превращение определяется растворимостью различных фаз в этой конкретной среде, и было доказано, что ангидрит является более стабильной фазой и имеет более низкую растворимость (19, 20). Кислая среда, создаваемая микроорганизмами, а также извлечение воды могут усилить и облегчить фазовое превращение.По мере образования дополнительного ангидрита эти «первичные» нанокристаллы присоединяются посредством ближнего выравнивания с образованием иерархически собранных мезокристаллов (рис. 4 E и F ). Наблюдается смещение кристаллических плоскостей двух соседних нанокристаллов, образованных в процессе ориентированного прикрепления ( SI Приложение , рис. S6). Дополнительная сборка (рис. 4 G и H ) этих первичных частиц дает более крупные частицы ангидрита. Наблюдается дальняя ориентация этих нанокристаллов вдоль направления [002] (рис.4 H ), причем границы раздела этих выровненных первичных частиц четко представлены (см. Микрофотографию HRTEM на рис. 4 H , вставка ).

Рис. 4.

Механизмы фазового превращения гипс-ангидрит. Процесс описывается в четыре этапа. I этап: микроорганизмы прикрепляются к кристаллам гипса и образуют биопленку. ( A и B ) Изображения SEM и TEM выделяют кристаллы гипса. Подтверждение наличия монокристаллического гипса, полученного посредством TEM и SAED (, вставка ), показано в B .Этап II: ( C и D ) растворение гипса и водная экстракция с последующим осаждением нанокристаллов ангидрита. ( C ) На периферии частиц гипса наблюдается пористая структура, указывающая на их растворение. ( D ) Зарождение ангидрита на поверхности кристаллов гипса. Анализ SAED (, вставка ) свидетельствует о случайном распределении нанокристаллов ангидрита. Этап III: ( E и F ) Рост кристаллов ангидрита.( E ) СЭМ-изображение показывает большие ограненные частицы ангидрита на поверхности гипса. ( F ) ПЭМ в светлом поле демонстрирует ближнее выравнивание нанокристаллов ангидрита, предполагая прикрепление частиц. Рисунок SAED (, вставка ) указывает на выравнивание нанокристаллов во время процесса прикрепления. Этап IV: ( G и H ) Завершение фазового превращения гипс-ангидрит. ( G ) СЭМ-изображение частиц ангидрита, выделяющее огранку поверхности.( H ) Светлопольное TEM-изображение и SAED указывают на предпочтительное выравнивание в направлении [002]. Синий прямоугольник (, вставка ) показывает границы раздела между нанокристаллами, наблюдаемые с помощью ПЭМВР, отмеченные желтыми кружками. (Масштаб, 5 нм.) ( I ) Резюме и схематическое изображение индуцированного микроорганизмами фазового превращения гипс-ангидрит. Микроорганизмы прикрепляются и образуют биопленки на плоскостях {011} кристаллов гипса; гипс растворяется, и происходит водное извлечение. Исходя из кристаллической структуры гипса, кристаллизационная вода подвергается воздействию плоскостей {011}, но не плоскостей {010}.Когда монокристаллический гипс растворяется и теряет кристаллизационную воду, он трансформируется путем осаждения нанокристаллического ангидрита. Эти нанокристаллы ангидрита осаждаются на поверхности кристаллов гипса. Наблюдается ближняя ориентация нанокристаллов ангидрита. Крупные кристаллы ангидрита микрометрового размера образуются в результате присоединения и выравнивания частиц.

Схема механизма фазового превращения гипс-ангидрит, индуцированного цианобактериями, проиллюстрирована на рис. 4 I .Микроорганизмы прикреплялись преимущественно к плоскостям {011} в исходных образцах гипса, обнаруженных в пустыне Атакама (рис. 1 C и SI, приложение , рис. S5). Это также наблюдается в контролируемых экспериментах по культивированию цианобактерий (рис. 4 A ). Исследование кристаллической структуры гипса ( SI Приложение , рис. S7) показывает, что вода внутри минерала была обнажена в плоскостях {011}, но экранирована плоскостями {010} (38), что может объяснить предпочтительную колонизация этих организмов.При потере кристаллизационной воды моноклинные кристаллы гипса становятся нестабильными и превращаются в кристаллы орторомбического ангидрита. Относительно нерастворимый ангидрит (т.е. в кислых условиях) впоследствии осаждается в виде нанокристаллов ангидрита вблизи поверхностей гипса (20). По мере того, как происходит это фазовое превращение, нанокристаллы ангидрита, по-видимому, выстраиваются и прикрепляются друг к другу упорядоченным образом, образуя мезокристаллы, что позволяет предположить, что дополнительный рост происходит неклассическим путем (39, 40).Этот механизм роста отличается от классических путей роста кристаллов, которые обычно происходят путем добавления мономера к мономеру (40). Это ориентированное прикрепление первичных частиц обеспечивает средства для уменьшения свободной энергии системы без созревания Оствальда, что дает более крупные кристаллы. Этот процесс также наблюдался в механизмах роста кристаллов гипса в синтетических средах (41). Поверхность конечных кристаллов ангидрита шероховатая, отмечена многочисленными границами раздела от нанокристаллов (42, 43).

Выводы

Эндолитные микроорганизмы в пустыне Атакама адаптировались к своей чрезвычайно засушливой среде, используя свой каменистый субстрат, такой как гипс, не только для защиты от сильного солнечного излучения, но и в качестве источника воды. Микроорганизмы, такие как цианобактерии, которые населяют эти породы, извлекают воду, включенную в решетку гипса (кристаллизационную воду), что приводит к одновременному фазовому превращению в ангидрит. Органические кислоты были обнаружены в биопленках, окружающих эти микроорганизмы.Последующее травление происходило на высокоэнергетических кристаллических плоскостях гипса, высвобождая воду для микроорганизмов. Эксперименты в контролируемых условиях с культурами цианобактерий, выращенными на образцах естественных гипсовых пород, также собранных в пустыне Атакама, подтвердили вышеупомянутые наблюдения геологической среды. В частности, культивирование цианобактерий на гипсовых породах в сухой среде привело к фазовому превращению гипса в ангидрит, причем степень фазового превращения напрямую коррелировала с количеством клеток в культуре.В условиях гидратированной культуры фазового превращения не наблюдалось, что указывает на то, что извлечение воды из породы происходит только в средах, где воды мало. Анализ этого фазового превращения выявил специфический путь, который включает растворение гипсовой фазы органическими кислотами в микробных биопленках с последующим осаждением нанокристаллов ангидрита, которые затем растут за счет прикрепления частиц. Результаты текущего исследования не только дают представление о конкретных взаимодействиях между микроорганизмами и минералами, но также могут предложить потенциальные стратегии для технологий хранения воды в экстремальных условиях, включая внеземные среды обитания.

Материалы и методы

Коллекция гипсовых пород.

Колонизированные гипсовые породы были собраны в пустыне Атакама, Чили (координаты GPS: 20 ° 43 ‘ю.ш., 069 ° 58’ з.д., 944 м над уровнем моря) в марте 2018 г. Образцы хранились в стерильных пакетах Whirlpack в темноте и в комнате температура (∼25 ° C) перед дальнейшей обработкой.

Характеристики материалов.

РЭМ и ЭЦП.

Образцы гипса, собранные в пустыне Атакама, были разморожены на воздухе в течение 24 часов перед определением характеристик с помощью SEM / EDS.Гипсовые породы дробили долотом, а затем напылением покрывали Pt / Pd. Затем были визуализированы поверхности трещин с помощью автоэмиссионного СЭМ (MIRA3 GMU; TESCAN), работающего при 20 кВ. Для анализа EDS образцы гипса сначала заливали эпоксидной смолой (эпоксидная смола для холодного отверждения Epofix; Electron Microscopy Sciences), полировали и оценивали с помощью SEM (MIRA3 GMU; TESCAN), работающего при 20 кВ, и системы Quantax 400 EDS, оснащенной двойные SSD-детекторы xFlash 6 (Bruker).

Порошковая XRD.

Участки с зелеными колониями в гипсовых породах и без них были изолированы и измельчены в мелкие порошки.Использовали рентгеновский дифрактометр (Empyrean; PANalytical) с Cu-Kα-излучением с напряжением генератора 45 кВ и током трубки 40 мА. Диапазон сканирования (2θ) от 10 ° до 70 °.

FTIR.

Образцы гипсовых пород залиты эпоксидной смолой. Ультрамикротом (RMC MT-X; Boeckeler Instruments) использовался для получения гладких поверхностей образца для FTIR-картирования. Карта размером 70 × 70 мкм была создана с использованием ИК-Фурье спектрометра (серия Cary 600; Agilent Technologies) с кристаллом германия с ослабленным полным отражением.

Рамановская спектроскопия.

Гипсовые купоны после культивирования с цианобактериями с высокой концентрацией были исследованы с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, выполненной с помощью конфокального рамановского микроскопа WITec, оснащенного термоэлектрически охлаждаемой камерой устройства с заряженной связью и широкополосным спектрометром UHTS300 в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. в сочетании с MIRA3-TESCAN SEM. Спектры снимали с помощью объектива Zeiss 100 × в камере SEM в вакууме с помощью лазера с длиной волны 532 нм. Карта размером 40 × 40 мкм была получена на поверхности гипсового купона.

ТЕМ.

Образцы встроенного гипса, разрезанные на ультрамикротоме (RMC MT-X; Boeckeler Instruments), чтобы получить прозрачные для электронов срезы (~ 70 нм). Компания Field Electron and Ion Company (FEI) Tecnai12 (работала при 120 кВ) и FEI Titan Themis 300 (работала при 300 кВ; Thermo Fisher Scientific) использовались для получения изображений TEM и HRTEM в светлом поле соответственно.

Выделение, культивирование и анализ цианобактерий.

Изолят цианобактерий был получен путем инкубации размолотого колонизированного гипса, собранного в пустыне Атакама (6), в жидкой среде BG11 (44, 45) в течение 5 недель при 25 ° C, под 24 мкмоль фотонов м ⁻² с ⁻¹ белого света.Колонии выделяли из 1% агаровой (вес / объем) среды BG11, и изолят G-MTQ-3P2 был идентифицирован как Chroococcidiopsis sp. с использованием секвенирования гена рибосомной РНК 16S.

Гипсовые купоны (0,5 мм × 0,8 мм × ∼0,5 мм толщиной) были приготовлены с использованием алмазной пилы. Для культуральных экспериментов купоны стерилизовали автоклавированием (20 мин при 121 ° C) и помещали в 96-луночные планшеты. Сто микролитров культуры цианобактерий (изолят G-MTQ-3P2), выращенной в среде BG11, использовали для инокуляции каждого купона гипса при двух плотностях клеток, 10 ⁵ клеток / мл или 10 ⁸ клеток / мл.Контроли инокулировали в стерильную среду BG11; 96-луночные планшеты инкубировали при 25 ° C под 24 мкмоль фотонов · м ^-2 мкс ^-1 белого света или в темноте в течение 30 дней, либо в «влажных», либо в «сухих» условиях. В «влажных условиях» периодически добавляли среду BG11 для сохранения тонкого жидкого слоя поверх каждого купона. В «сухих условиях» во время инкубационного периода не добавляли никакой дополнительной среды. По одному образцу из каждого условия измельчали ​​в тонкий порошок для XRD (Empyrean; PANalytical).Для остальных образцов была проведена характеристика SEM, TEM и FTIR на основе вышеупомянутых методов.

Доступность данных.

Все данные, подтверждающие выводы этого исследования, являются самоокупаемыми.

Благодарности

Мы благодарим доктора Красимира Божилова из Калифорнийского университета в Риверсайде за помощь с анализом ПЭМ. Эта работа была поддержана финансированием от NASA (грант NNX15AP18G) для J.D. и Управления армейских исследований (ARO) (грант W911NF-18-1-0253) для Д.K. и J.D. Также, D.K. выражает признательность за финансирование от ARO (гранты W911NF-16-1-0208 и W911NF-17-1-0152).

Сноски

• Авторы: W.H., J.D., and D.K. спланированное исследование; W.H., E.E., T.W., L.C. и M.D. проводили исследования; W.H., E.E., J.D. и D.K. проанализированные данные; и W.H., E.E., J.D., and D.K. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте https: // www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2001613117/-/DCSupplemental.

Глобальные бассейны подземных вод, терпящие бедствие

Согласно двум новым исследованиям, опубликованным в июне 2015 года в журнале Water Resources Research, около одной трети крупных бассейнов подземных вод Земли быстро истощается из-за потребления человеком, даже несмотря на то, что у нас есть скудные и неточные данные о том, сколько воды в них остается. Это означает, что значительная часть населения Земли потребляет подземные воды, не зная, когда они могут закончиться.

«Подземные воды в настоящее время являются основным источником пресной воды примерно для двух миллиардов человек», — пишут исследователи. «Несмотря на свою важность, знания о состоянии крупных систем подземных вод ограничены по сравнению с поверхностными водами, в основном потому, что стоимость и сложность мониторинга крупных систем водоносных горизонтов часто непомерно высоки».

На приведенной выше карте показано годовое изменение запасов подземных вод с 2003 по 2013 год в 37 крупнейших системах водоносных горизонтов в мире.В бассейны, показанные оттенками коричневого, за годы исследований было извлечено больше воды, чем могло бы быть восполнено естественным путем; В бассейнах, отмеченных синим цветом, увеличиваются запасы подземных вод, возможно, из-за изменений количества осадков, таяния льда или вечной мерзлоты или изменений в поверхностных водах.

Исследование было частично основано на данных Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), пары спутников, которые летают в тесном строю и измеряют небольшие изменения массы и силы тяжести у поверхности Земли.Вода имеет массу и тянет за собой гравитацию; GRACE наблюдает за этими сигналами таким образом, чтобы ученые могли следить за движением воды, в том числе грунтовых вод, вокруг планеты. Исследования также включали данные из наземных источников (таких как национальная статистика по водозабору) и модели добычи и хранения подземных вод. Анализ был проведен учеными из Калифорнийского университета в Ирвине, Лаборатории реактивного движения НАСА, Национального центра атмосферных исследований, Национального Тайваньского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Многопрофильная исследовательская группа обнаружила, что 13 из 37 крупнейших водоносных горизонтов Земли истощаются, практически не подпитываясь. Восемь были классифицированы как «перенапряженные», с почти отсутствием естественного восполнения для компенсации использования, в то время как другие пять оказались подверженными сильному стрессу, при этом скорость извлечения намного превышала небольшую долю естественного восполнения. Ожидается, что изменение климата и рост населения усугубят проблему.

«Что происходит, когда водоносный горизонт с высокой нагрузкой находится в регионе с социально-экономической или политической напряженностью, которая не может достаточно быстро восполнить сокращение запасов воды?» — спросила Александра (Саша) Ричи, ведущий автор обоих исследований, проводившая исследование, когда она была докторантом Калифорнийского университета в Ирвине.«Сейчас мы пытаемся поднять красные флажки, чтобы определить, где активное управление сегодня может защитить будущую жизнь и средства к существованию».

Наиболее перегруженные водоносные горизонты находятся в самых засушливых районах мира, где население сильно потребляет подземные воды. Система водоносных горизонтов Аравии, важный источник воды для более чем 60 миллионов человек, находится в наиболее подверженном стрессу состоянии в мире. Водоносный горизонт бассейна Инда на северо-западе Индии и Пакистана является вторым по степени перенапряжения, а бассейн Мурзук-Джадо в Северной Африке занимает третье место.Предыдущие исследования показали, что Центральная долина Калифорнии, интенсивно используемая в сельском хозяйстве, быстро истощается.

«На самом деле мы не знаем, сколько хранится в каждом из этих водоносных горизонтов. Наши текущие оценки в основном относятся к очень грубым методам, разработанным в 1960-х годах. и 1970-е годы. Некоторые водоносные горизонты улучшили свои оценки запасов, а те, которые по-прежнему имеют большой разброс и неопределенность, — сказал Ричи, который в настоящее время является докторантом в Университете штата Вашингтон.Например, в водоносном горизонте Северо-Западной Сахары оценки «времени истощения» варьируются от 10 до 21 000 лет. «В обществе с дефицитом воды мы больше не можем терпеть такой уровень неопределенности, особенно с учетом того, что грунтовые воды исчезают так быстро».

Водоносные горизонты подземных вод обычно расположены в почвах или более глубоких слоях горных пород под поверхностью Земли. Глубина и толщина многих крупных водоносных горизонтов могут сделать трудным и дорогостоящим бурение до коренных пород и понимание того, где влага выходит на дно.Но сделать это надо, говорят авторы.

«Доступных физических и химических измерений просто недостаточно», — сказал профессор UCI и главный исследователь Джей Фамиглиетти, который также является старшим специалистом по воде в Лаборатории реактивного движения НАСА. «Учитывая, как быстро мы потребляем мировые запасы подземных вод, нам нужны скоординированные глобальные усилия, чтобы определить, сколько еще осталось».

Снимки обсерватории Земли НАСА, сделанные Джошуа Стивенсом с использованием глобальных данных GRACE о подземных водах, любезно предоставленных Джеем Фамиглиетти Лаборатория реактивного движения НАСА / Калифорнийский университет Ирвина и Ричи и др.

Panax ginseng C.A. Meyer	стержень листья	TP и флавоноиды	антибактериальные	110 и 165 ° C, 15 мин 190 ° C, 10 мин	ТЕМ, УФ	нагрев (вода 95,4%; этанол 91,3%)	[15]
Chamomilla matricaria L.	цветки	TP, TF, 18 полифенольных соединений, апигенин	антиоксидант, ингибирующая активность ферментов	65–210 ° C, 5–60 мин 1:30 -1: 100 мкг / мл	ТСХ, УФ, ВЭЖХ-МС		[18]
Allium cepa	луковые отходы	кверцетин-4′-гликозид, кверцетин и т. Д.		40–160 ° C, 5 мин, 5 МПа, 1–10 мм, pH 3,0–7,0	ЖХ-МС / МС ВЭЖХ-УФ	условно (метанол и соляная кислота 94,3%)	[ 19]
Crocus sativus L.	рыльца	TP, додекан, γ-терпинен, тетрадекан и т. Д.	антиоксидант (DPPH, FRAP), антибактериальный	100–180 ° C, 10–30 мин, 1:10 г / мл	ГХ / МС, УФ-видимая		[21]
Saururus chinensis и т. Д.	кожица, листья, кожица и т. Д.	кверцетин, изорамнетин, кемпферол, изокверцитрин и т. Д.		10 МПа, 110–200 ° C, 5–15 мин	ВЭЖХ		[30]
Camellia sinensis	листья	галлат эпигаллокатехина		80–120 ° C, 3–7 мин, 40–60 мл / г	ВЭЖХ	условные (вода 87,6%) 90 44234
Origanum vulgare L.	листья	TP, флаванон, флавон, флаванол	антиоксидант (DPPH, TEAC, ABTS)	10,34 МПа, 30 или 15 мин 25–200 ° C	HPLC- DAD, UV
апельсин	кожура	редуцирующий сахар, TP, пектин, гесперидин, нарутин	антиоксидант (DPPH, FRAP)	110–150 ° C, 10–30 мл / мин 10 МПа	, УФ-видимая	Сокслета (этанол 79.2%), шейкер (этанол 250%), UAE (этанол 114%)	[50]
апельсин	кожура	флавоны, 7-гидроксифлавон		100–150 ° C, 0,5 мл / мин	GC-FID	UAE (метиленхлорид)	[70]
Citrus unshiu Markovich	кожура	рутин, нарингин, гесперидин, нарингенин 902 мин 34	0,5–234 902 МПа , 100–190 ° C	ВЭЖХ		[74]
Allium cepa L.	пилинги	TP, TF, кверцетин	антиоксидант (DPPH, TBA, FTC)	110 и 165 ° C, 15 мин, p <3,4 МПа	ВЭЖХ, УФ	нагревание (этанол 153%; вода 45,6 %)	[75]
Hippophae rhamnoides	листья	TP, TF, изорамнетин, кемпферол, кверцетин	антиоксидант, цитотоксичность	25–200 ° C	25–200 ° C, 154 мин, MP УФ, FM	мацерация (вода 21.3%), Сокслета (этанол 64,6%)	[76]
Allium cepa L.	кожура	TP, TF, кемпферол, кверцетин	антиоксидант (DPPH)	170–230 ° C МПа, 30 мин, pH 2–10	ВЭЖХ, УФ-вид	нагрев (этанол 26,7%)	[77]
Achillea millefolium L.	травяная пыль	TP, TF, HMF, хлорогеновая кислота	антиоксидант (DPPH, TEAC, ABTS)	120–200 ° C, 10–30 мин 0–1.5% HCl, 3 МПа	ВЭЖХ, УФ-видимая		[78]
Curculigo latifolia	корень	TP, TF, помиферин и т. Д.	антиоксидант (DPPH, ABTS, TEAC)	100–200 ° C, 10 МПа 30–120 мин, 0,5 мл / мин	ЖХ-МС, УФ		[79]
Цитрусовые уншиу	кожуры	гесперидин и нарутин	110–190 ° C 3–15 мин	ВЭЖХ		[80]
Глицин макс	окара	генистин, даидзин, генистеин, даидзеин	100–2200 90 ° мин, 2–5 МПа, 10–30 г / мл	ВЭЖХ	Сокслет (метанол, 108%)	[81]
лук	кожуры	кверцетин, кверцетин-4′-		100–190 ° C, 5–30 мин, 9–13 МПа	ВЭЖХ	условные обозначения (метанол, 92.8%)	[82]
Puerariae lobata	корень	пуэрарин, даидзин, даидзеин 3-метоксипуэрарин		100–200 ° C, 15–75 мин 900–2581 1: 10 г / мл	ВЭЖХ	рефлюкс (этанол 91,6%), ОАЭ (вода 95,9%)	[83]
Coriandrum sativum	семена	TP, TF	антиоксидант (	) 100 902 200 ° C, 10–30 мин 3–9 МПа	UV		[84]
Citrus unshiu	кожура	флаваноны, полиметокси-флавоны и т. Д.	противоопухолевые, кардиозащитные	120–180 ° C, 1,0–2,0 мл / мин, 5,0 ± 0,1 МПа	ГХ, ВЭЖХ,	условные (метанол 75,0%; этанол 41,6%; ацетон 17,2%)	[85 ]
Phlomis umbrosa	целая часть	TP, TF, иридоиды гликозиды	антиоксидант (DPPH, ABTS)	110–200 ° C, 10 МПа, 1–25 мин	HPLC, ESI	условный (этанол; метанол; вода)	[86]
Actinidia deliciosa	пилинг	TP, TF,	антиоксидант (DPPH, ABTS, FRAP)	120–160 ° C, 30 мин, 3 МПа, pH 2–5.5	УФ-видимый, pH	условный (этанол 81,9%)	[87]
Scutellaria baicalensis	корень	байкалин, байкалеин, вогонин, вогонозид	°	10–90 мин, 20–100 меш	ВЭЖХ	HRE (этанол 93,0%)	[88]
Citrus unshiu	выжимки	TP, полиметоксилированные флавоны, синенсетин	и т. Д.	DPPH, TP)	25–250 ° C, 10–60 мин, 0.1–5,0 МПа	ВЭЖХ, УФ		[89]
цитрусовые уншиу	кожура	гесперидин, нарутин, прунин, нарингенин, синенсетин, фермент	антиокс	145–175 ° C, 15 мин 5 МПа, 0,75–2,2 мл / мин	ВЭЖХ	2M экстракция HCl 42,9%; 2 M NaOH экстракция 38,9%	[90]
цитрусовые unshiu	кожура	гесперидин и нарурутин		110–200 ° C, 5–20 мин, 10 ± 1 МПа	ВЭЖХ / MS	(этанол 56.4%; метанол 35,8%; вода 6,2%)	[91]
palatiferum Radlk.	листья	TP, TF, белок, сапонин, сахар, апигенин, кемпферол	антиоксиданты (DPPH, FRAP, ABTS),	110–270 ° C, 15 мин, 8 МПа 1:70 г / мл	ВЭЖХ, УФ	условно (вода 77,7%; метанол 32,8%), Сокслет (этанол 43,7%)	[92]
Glycyrrhiza uralensis Fisch.	корень	TP, TF, ликвиритин, флаванон, изофлавон	антиоксиданты (DPPH, ABTS)	80–320 ° C, 2–100 мин, 7.0 МПа, 1:30 г / мл, pH 3–11	ВЭЖХ, МС / МС, UPLC	UAE (вода 20,6%; этанол 44,9%), MAE (вода 25,6%; этанол 63,8%)	[ 93]
Tagetes erecta L.	остатки цветков	TP, TF, 5-HMF, редуцирующий сахар, свободные аминокислоты	антиоксиданты (DPPH, ABTS)	80–260 ° C, 15–90 мин. 1: 20–1: 60 г / мл, 120 об / мин	HPLC-DAD, UV	выщелачивание (вода 9,4%; метанол 69,9%; этанол 68,8%; ацетон 94.0%), UAE (вода 9,9%; метанол 69,8%; этанол 64,3%; ацетон 87,6%)	[94]
Daucus carota	листья	полифенолы, лютеолин		110–230 ° C , 0–114 мин, 4 МПа	УФ, PLC		[95]
Matricaria chamomilla L.	цветы	TP, TF, апигенин-7-O-глюкозид и т. Д.	антимикробное средство , цитотоксическая активность	200 ° C, 40 мин, 1:50 г / мл	UHPLC, HESI- MS / MS, UV	Soxhlet (этанол 129%), MAE (этанол 117%), UAE (этанол 104 %)	[96]
Silybum murianum L	семена	таксифолин, силихристин, силидианин и силибин		75–250 ° C, 40–60 мин, 12.5 МПа, 0,1–0,5 мм	ВЭЖХ	условно (этанол 101%; вода 43,6%)	[97]
Echinacea purpurea L.	цветы	TP, TF	антиоксидант (TEAC) ABTS)	103,4–216,56 ° C, 3 МПа, 5,86–34,414 мин	УФ-видимость		[98]
Humulus lupulus	гранулы	ТП, десметилксантолу 33 противовоспалительное	50–200 ° C, 30 мин, 10 МПа	ВЭЖХ, МС / МС	условное (гексан 17.2%; этанол 105%)	[99]
Kunzea ericoides	листья	TP, TF, 5-HMF, кверцетин, катехин, сиринговая кислота и т. д.	антиоксидант (DPPH,	ВЭЖХ, УФ	условно (этанол 37,5%)	[100]
Pistacia atlantica subsp. mutica	hull	TP, kaffesaure, этилванилин, флаваномареин и т. д.	антиоксидант (DPPH), восстанавливающая способность	110–200 ° C, 30–60 мин, 10–50 г / мл	HPLC- DAD, UV	HWE (85 ° C 42.8%)	[101]
Satureja hortensis L.	целиком	TP, TF, розмариновая кислота, рутин, кверцетин и т. Д.	цитотоксический, антибактериальный	140 ° C, 30 мин 4 МПа, 1:20 г / мл	HPLC-PDA, UV	мацерация (этанол 57,2%), Сокслет (этанол 18,4%), UAE (этанол 69,2%), MAE (этанол 81,3%)	[102]
Urtica dioica L.	листья	TP, TF, двадцать семь соединений	цитотоксические, противогрибковые, противомикробные	125 ° C, 30 мин, 3.5 МПа, 1:30 г / мл	UHPLC-HESI-MS / MS	UAE (вода 48,5%), MAE (вода 100%)	[103]
Chamomilla recutita R.	цветы	2 флавоноида, 4 эфира, 1 аминокислота, 11 фенолов и т. Д.		150 или 200 ° C, 5,0 ± 0,1 МПа, 1,7 мл / мин, 40 мин	УФ, ВЭЖХ, ГХ-МС		[104]
Glycine max	okara	TP, галловая кислота, сиринговая кислота, железная кислота и т. Д.	антиоксидант (ABTS, DPPH, FRAP)	150 ° C, 4 МПа, 5–275 мин 20 мг / мл	УФ, ВЭЖХ		[105]
виноград Карменас	флаванолы, стильбены и фенольные кислоты		90–150 ° C, 5 мин, 10 МПа, 15–50% глицерин	UPLC-MS		[106]
Корень Zingiber 90 officinale	TP, TF, четыре макро- и пять микроэлементов	антиоксидант (OH ·, ABTS, TRP и др.))	80–180 ° C, 1 час, 5 МПа, 1:10 г / мл	УФ-видимый, ICP-MS	условный (вода, 62,5%)	[107]
Momordica foetida	листья	кверцетин, кемпферол, изорамнетин		100–300 ° C, 5 мл / с 6,9 ± 1,4 МПа фунт / кв. Дюйм	UHPLC-q-TOF-MS