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Y a-t-il plus de biomasse sur terre aujourd'hui qu'il n'y en avait dans le passé ?

Y a-t-il plus de biomasse sur terre aujourd'hui qu'il n'y en avait dans le passé ?


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Y a-t-il plus (ou moins) de matière sur terre séquestrée en tant que partie des systèmes biologiques qu'il n'y en avait à n'importe quel moment (arbitraire) dans le passé ?

Éditer:

Je me rends compte que je n'ai pas de question spécifique et que je cherchais une sorte de leçon sur quelle est l'empreinte de la vie et le nouveau ne viendra-t-il pas si l'ancien ne meurt pas et ne se dissout pas(au moins biologiquement).

Si vous pouviez me suggérer de bonnes sources pour étudier cela, ce serait génial.


Énergie biomasse

Les gens utilisent l'énergie de la biomasse – l'énergie des êtres vivants – depuis que les premiers « hommes des cavernes » ont d'abord fait des feux de bois pour cuisiner ou se réchauffer. Aujourd'hui, la biomasse est utilisée pour alimenter les générateurs électriques et autres machines.

Biologie, Ecologie, Sciences de la Terre, Ingénierie

Les gens utilisent l'énergie de la biomasse – l'énergie des êtres vivants – depuis que les premiers « hommes des cavernes » ont d'abord fait des feux de bois pour cuisiner ou se réchauffer.

La biomasse est organique, ce qui signifie qu'elle est constituée de matériaux provenant d'organismes vivants, tels que les plantes et les animaux. Les matériaux de biomasse les plus couramment utilisés pour l'énergie sont les plantes, le bois et les déchets. C'est ce qu'on appelle les matières premières de la biomasse. L'énergie de la biomasse peut également être une source d'énergie non renouvelable.

La biomasse contient de l'énergie d'abord dérivée du soleil : les plantes absorbent l'énergie du soleil par photosynthèse et convertissent le dioxyde de carbone et l'eau en nutriments (glucides).

L'énergie de ces organismes peut être transformée en énergie utilisable par des moyens directs et indirects. La biomasse peut être brûlée pour créer de la chaleur (directe), convertie en électricité (directe) ou transformée en biocarburant (indirect).

Conversion thermique

La biomasse peut être brûlée par conversion thermique et utilisée pour l'énergie. La conversion thermique consiste à chauffer la matière première biomasse afin de la brûler, la déshydrater ou la stabiliser. Les matières premières de biomasse les plus connues pour la conversion thermique sont les matières premières telles que les déchets solides municipaux (DSM) et les déchets de papeterie ou de scierie.

Différents types d'énergie sont créés par tir direct, co-combustion, pyrolyse, gazéification et décomposition anaérobie.

Avant que la biomasse puisse être brûlée, cependant, elle doit être séchée. Ce processus chimique est appelé torréfaction. Pendant la torréfaction, la biomasse est chauffée à environ 200° à 320° Celsius (390° à 610° Fahrenheit). La biomasse se dessèche si complètement qu'elle perd sa capacité à absorber l'humidité ou à pourrir. Il perd environ 20 % de sa masse d'origine, mais conserve 90 % de son énergie. L'énergie et la masse perdues peuvent être utilisées pour alimenter le processus de torréfaction.

Lors de la torréfaction, la biomasse devient un matériau sec et noirci. Il est ensuite compressé en briquettes. Les briquettes de biomasse sont très hydrophobes, c'est-à-dire qu'elles repoussent l'eau. Cela permet de les stocker dans des zones humides. Les briquettes ont une densité énergétique élevée et sont faciles à brûler pendant la cuisson directe ou la co-cuisson.

Tir direct et co-tir
La plupart des briquettes sont brûlées directement. La vapeur produite pendant le processus de cuisson alimente une turbine, qui fait tourner un générateur et produit de l'électricité. Cette électricité peut être utilisée pour la fabrication ou pour chauffer des bâtiments.

La biomasse peut également être co-brûlée ou brûlée avec un combustible fossile. La biomasse est le plus souvent co-brûlée dans les centrales au charbon. La co-combustion élimine le besoin de nouvelles usines pour le traitement de la biomasse. La co-combustion facilite également la demande de charbon. Cela réduit la quantité de dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre libérés par la combustion de combustibles fossiles.

Pyrolyse
La pyrolyse est une méthode connexe de chauffage de la biomasse. Pendant la pyrolyse, la biomasse est chauffée à 200° à 300° C (390° à 570° F) sans présence d'oxygène. Cela l'empêche de brûler et provoque une altération chimique de la biomasse.

La pyrolyse produit un liquide sombre appelé huile de pyrolyse, un gaz synthétique appelé gaz de synthèse et un résidu solide appelé biochar. Tous ces composants peuvent être utilisés pour l'énergie.

L'huile de pyrolyse, parfois appelée bio-huile ou biobrut, est un type de goudron. Il peut être brûlé pour produire de l'électricité et est également utilisé comme composant dans d'autres combustibles et plastiques. Les scientifiques et les ingénieurs étudient l'huile de pyrolyse comme alternative possible au pétrole.

Le gaz de synthèse peut être converti en carburant (comme le gaz naturel synthétique). Il peut également être transformé en méthane et utilisé en remplacement du gaz naturel.

Le biochar est un type de charbon de bois. Le biochar est un solide riche en carbone particulièrement utile en agriculture. Le biochar enrichit le sol et l'empêche de lessiver les pesticides et autres nutriments dans le ruissellement. Le biochar est également un excellent puits de carbone. Les puits de carbone sont des réservoirs de produits chimiques contenant du carbone, y compris les gaz à effet de serre.

Gazéification
La biomasse peut également être directement convertie en énergie par gazéification. Au cours du processus de gazéification, une matière première de biomasse (généralement MSW) est chauffée à plus de 700 °C (1 300 °F) avec une quantité contrôlée d'oxygène. Les molécules se décomposent et produisent du gaz de synthèse et des scories.

Le gaz de synthèse est une combinaison d'hydrogène et de monoxyde de carbone. Pendant la gazéification, le gaz de synthèse est nettoyé du soufre, des particules, du mercure et d'autres polluants. Le gaz de synthèse propre peut être brûlé pour produire de la chaleur ou de l'électricité, ou transformé en biocarburants de transport, produits chimiques et engrais.

Le laitier se forme sous la forme d'un liquide vitreux et fondu. Il peut être utilisé pour fabriquer des bardeaux, du ciment ou de l'asphalte.

Des usines de gazéification industrielle sont construites partout dans le monde. L'Asie et l'Australie construisent et exploitent le plus d'usines, bien que l'une des plus grandes usines de gazéification au monde soit actuellement en construction à Stockton-on-Tees, en Angleterre. Cette centrale sera à terme capable de convertir plus de 350 000 tonnes de DSM en suffisamment d'énergie pour alimenter 50 000 foyers.

Décomposition anaérobie
La décomposition anaérobie est le processus par lequel des micro-organismes, généralement des bactéries, décomposent la matière en l'absence d'oxygène. La décomposition anaérobie est un processus important dans les décharges, où la biomasse est broyée et comprimée, créant un environnement anaérobie (ou pauvre en oxygène).

Dans un environnement anaérobie, la biomasse se désintègre et produit du méthane, qui est une source d'énergie précieuse. Ce méthane peut remplacer les combustibles fossiles.

En plus des décharges, la décomposition anaérobie peut également être mise en œuvre dans les ranchs et les fermes d'élevage. Le fumier et autres déchets animaux peuvent être valorisés pour répondre durablement aux besoins énergétiques de la ferme.

La biomasse est la seule source d'énergie renouvelable pouvant être convertie en biocarburants liquides tels que l'éthanol et le biodiesel. Le biocarburant est utilisé pour alimenter les véhicules et est produit par gazéification dans des pays comme la Suède, l'Autriche et les États-Unis.

L'éthanol est fabriqué en fermentant une biomasse riche en glucides, comme la canne à sucre, le blé ou le maïs. Le biodiesel est fabriqué en combinant de l'éthanol avec de la graisse animale, de la graisse de cuisson recyclée ou de l'huile végétale.

Les biocarburants ne fonctionnent pas aussi efficacement que l'essence. Cependant, ils peuvent être mélangés à de l'essence pour alimenter efficacement les véhicules et les machines et ne libèrent pas les émissions associées aux combustibles fossiles.

L'éthanol nécessite des hectares de terres agricoles pour faire pousser des biocultures (généralement du maïs). Environ 1 515 litres (400 gallons) d'éthanol sont produits par un acre de maïs. Mais cette superficie est alors indisponible pour la culture de cultures à des fins alimentaires ou autres. Cultiver suffisamment de maïs pour l'éthanol crée également une pression sur l'environnement en raison du manque de variation dans la plantation et de l'utilisation élevée de pesticides.

L'éthanol est devenu un substitut populaire du bois dans les foyers résidentiels. Lorsqu'il est brûlé, il dégage de la chaleur sous forme de flammes et de la vapeur d'eau à la place de la fumée.

Le biochar, produit lors de la pyrolyse, est précieux à des fins agricoles et environnementales.

Lorsque la biomasse pourrit ou brûle (naturellement ou par l'activité humaine), elle libère de grandes quantités de méthane et de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Cependant, lorsque la biomasse est carbonisée, elle séquestre ou stocke son contenu en carbone. Lorsque le biochar est réintroduit dans le sol, il peut continuer à absorber le carbone et former de grandes réserves souterraines de carbone séquestré - des puits de carbone - qui peuvent entraîner des émissions de carbone négatives et un sol plus sain.

Le biochar contribue également à enrichir le sol. C'est poreux. Lorsqu'il est ajouté au sol, le biochar absorbe et retient l'eau et les nutriments.

Le biochar est utilisé dans la forêt amazonienne du Brésil dans un processus appelé slash-and-char. L'agriculture sur brûlis remplace la culture sur brûlis, ce qui augmente temporairement les nutriments du sol mais lui fait perdre 97% de sa teneur en carbone. Pendant la coupe et le charbon, les plantes carbonisées (biochar) sont retournées au sol, et le sol retient 50% de son carbone. Cela améliore le sol et conduit à une croissance des plantes nettement plus élevée.

Alcool noir

Lorsque le bois est transformé en papier, il produit une substance toxique à haute énergie appelée liqueur noire. Jusque dans les années 1930, la liqueur noire des papeteries était considérée comme un déchet et déversée dans les sources d'eau voisines.

Cependant, la liqueur noire retient plus de 50 % de l'énergie de la biomasse du bois. Avec l'invention de la chaudière de récupération dans les années 1930, la liqueur noire pouvait être recyclée et utilisée pour alimenter le moulin. Aux États-Unis, les papeteries utilisent presque toute leur liqueur noire pour faire fonctionner leurs usines, et l'industrie forestière est donc l'une des plus écoénergétiques du pays.

Plus récemment, la Suède a expérimenté la gazéification de la liqueur noire pour produire du gaz de synthèse, qui peut ensuite être utilisé pour produire de l'électricité.

Piles à combustible à hydrogène

La biomasse est riche en hydrogène, qui peut être extrait chimiquement et utilisé pour produire de l'électricité et alimenter les véhicules. Les piles à combustible fixes sont utilisées pour produire de l'électricité dans des endroits éloignés, tels que des engins spatiaux et des zones sauvages. Le parc national de Yosemite dans l'État américain de Californie, par exemple, utilise des piles à combustible à hydrogène pour fournir de l'électricité et de l'eau chaude à son bâtiment administratif.

Les piles à combustible à hydrogène pourraient avoir encore plus de potentiel en tant que source d'énergie alternative pour les véhicules. Le département américain de l'Énergie estime que la biomasse a le potentiel de produire 40 millions de tonnes d'hydrogène par an. Cela suffirait à alimenter 150 millions de véhicules.

Actuellement, les piles à combustible à hydrogène sont utilisées pour alimenter des bus, des chariots élévateurs, des bateaux et des sous-marins, et sont testées sur des avions et d'autres véhicules.

Cependant, il y a un débat quant à savoir si cette technologie deviendra durable ou économiquement possible. L'énergie qu'il faut pour isoler, comprimer, conditionner et transporter l'hydrogène ne laisse pas une grande quantité d'énergie pour une utilisation pratique.

Biomasse et environnement

La biomasse fait partie intégrante du cycle du carbone de la Terre. Le cycle du carbone est le processus par lequel le carbone est échangé entre toutes les couches de la Terre : atmosphère, hydrosphère, biosphère et lithosphère.

Le cycle du carbone prend plusieurs formes. Le carbone aide à réguler la quantité de lumière solaire qui pénètre dans l'atmosphère terrestre. Il est échangé par la photosynthèse, la décomposition, la respiration et l'activité humaine. Le carbone qui est absorbé par le sol lorsqu'un organisme se décompose, par exemple, peut être recyclé lorsqu'une plante libère des nutriments à base de carbone dans la biosphère par photosynthèse. Dans de bonnes conditions, l'organisme en décomposition peut devenir de la tourbe, du charbon ou du pétrole avant d'être extrait par une activité naturelle ou humaine.

Entre les périodes d'échange, le carbone est séquestré, ou stocké. Le carbone des combustibles fossiles est séquestré depuis des millions d'années. Lorsque les combustibles fossiles sont extraits et brûlés pour produire de l'énergie, leur carbone séquestré est libéré dans l'atmosphère. Les combustibles fossiles ne réabsorbent pas le carbone.

Contrairement aux combustibles fossiles, la biomasse provient d'organismes récemment vivants. Le carbone de la biomasse peut continuer à être échangé dans le cycle du carbone.

Afin de permettre efficacement à la Terre de poursuivre le processus du cycle du carbone, cependant, les matériaux de la biomasse tels que les plantes et les forêts doivent être cultivés de manière durable. Il faut des décennies pour que les arbres et les plantes comme le panic raide réabsorbent et séquestrent le carbone. Déraciner ou perturber le sol peut être extrêmement perturbateur pour le processus. Un approvisionnement régulier et varié d'arbres, de cultures et d'autres plantes est essentiel pour maintenir un environnement sain.

Les algues sont un organisme unique qui a un énorme potentiel en tant que source d'énergie de la biomasse. Les algues, dont la forme la plus familière est les algues, produisent de l'énergie par photosynthèse à un rythme beaucoup plus rapide que toute autre matière première de biocarburant, jusqu'à 30 fois plus vite que les cultures vivrières !

Les algues peuvent être cultivées dans l'eau de mer, de sorte qu'elles n'épuisent pas les ressources en eau douce. Il ne nécessite pas non plus de sol et ne réduit donc pas les terres arables susceptibles de produire des cultures vivrières. Bien que les algues libèrent du dioxyde de carbone lorsqu'elles sont brûlées, elles peuvent être cultivées et reconstituées en tant qu'organisme vivant. En se reconstituant, il libère de l'oxygène et absorbe les polluants et les émissions de carbone.

Les algues prennent beaucoup moins de place que les autres cultures de biocarburants. Le département américain de l'Énergie estime qu'il ne faudrait qu'environ 38 850 kilomètres carrés (15 000 milles carrés, une superficie inférieure à la moitié de la superficie de l'État américain du Maine) pour faire pousser suffisamment d'algues pour remplacer tous les besoins énergétiques alimentés par le pétrole aux États-Unis. .

Les algues contiennent des huiles qui peuvent être converties en biocarburant. Chez Aquaflow Bionomic Corporation en Nouvelle-Zélande, par exemple, les algues sont traitées avec de la chaleur et de la pression. Cela crée un « brut vert », qui a des propriétés similaires au pétrole brut et peut être utilisé comme biocarburant.

La croissance, la photosynthèse et la production d'énergie des algues augmentent lorsque du dioxyde de carbone y est barboté. Les algues sont un excellent filtre qui absorbe les émissions de carbone. Bioenergy Ventures, une entreprise écossaise, a développé un système dans lequel les émissions de carbone d'une distillerie de whisky sont canalisées vers un bassin d'algues. Les algues s'épanouissent avec le dioxyde de carbone supplémentaire. Lorsque les algues meurent (au bout d'une semaine environ), elles sont collectées et leurs lipides (huiles) sont convertis en biocarburant ou en nourriture pour poissons.

Les algues ont un énorme potentiel en tant que source d'énergie alternative. Cependant, le transformer en formes utilisables est coûteux. Bien qu'il soit estimé qu'il donne 10 à 100 fois plus de carburant que les autres cultures de biocarburants, en 2010, il coûtait 5 000 $ la tonne. Le coût va probablement baisser, mais il est actuellement hors de portée pour la plupart des économies en développement.

Les gens et la biomasse

Avantages
La biomasse est une source d'énergie propre et renouvelable. Son énergie initiale provient du soleil, et la biomasse des plantes ou des algues peut repousser dans un laps de temps relativement court. Les arbres, les cultures et les déchets solides municipaux sont disponibles en permanence et peuvent être gérés de manière durable.

Si les arbres et les cultures sont cultivés de manière durable, ils peuvent compenser les émissions de carbone lorsqu'ils absorbent le dioxyde de carbone par la respiration. Dans certains processus bioénergétiques, la quantité de carbone réabsorbée dépasse même les émissions de carbone libérées lors du traitement ou de l'utilisation du carburant.

De nombreuses matières premières de la biomasse, telles que le panic raide, peuvent être récoltées sur des terres ou des pâturages marginaux, où elles ne concurrencent pas les cultures vivrières.

Contrairement à d'autres sources d'énergie renouvelables, telles que le vent ou le solaire, l'énergie de la biomasse est stockée dans l'organisme et peut être récoltée en cas de besoin.

Désavantages
Si les matières premières de la biomasse ne sont pas reconstituées aussi rapidement qu'elles sont utilisées, elles peuvent devenir non renouvelables. Une forêt, par exemple, peut mettre des centaines d'années à se rétablir. C'est encore une période de temps beaucoup, beaucoup plus courte qu'un combustible fossile comme la tourbe. Cela peut prendre 900 ans pour qu'un mètre (3 pieds) de tourbe se reconstitue.

La majeure partie de la biomasse nécessite des terres arables pour se développer. Cela signifie que les terres utilisées pour les cultures de biocarburants telles que le maïs et le soja ne sont pas disponibles pour cultiver de la nourriture ou fournir des habitats naturels.

Les zones boisées qui ont mûri pendant des décennies (appelées « forêts anciennes ») sont capables de séquestrer plus de carbone que les zones nouvellement plantées. Par conséquent, si les zones forestières ne sont pas durablement coupées, replantées et si elles ont le temps de pousser et de séquestrer le carbone, les avantages de l'utilisation du bois comme combustible ne sont pas compensés par la repousse des arbres.

La plupart des centrales à biomasse ont besoin de combustibles fossiles pour être économiquement efficaces. Une énorme usine en construction près de Port Talbot, au Pays de Galles, par exemple, nécessitera des combustibles fossiles importés d'Amérique du Nord, compensant ainsi une partie de la durabilité de l'entreprise.

La biomasse a une « densité énergétique » plus faible que les combustibles fossiles. Jusqu'à 50 % de la biomasse est de l'eau, qui est perdue dans le processus de conversion d'énergie. Les scientifiques et les ingénieurs estiment qu'il n'est pas économiquement efficace de transporter la biomasse à plus de 160 kilomètres (100 miles) de son lieu de traitement. Cependant, la conversion de la biomasse en granulés (par opposition aux copeaux de bois ou aux briquettes plus grosses) peut augmenter la densité énergétique du combustible et le rendre plus avantageux à expédier.

La combustion de la biomasse libère du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, des oxydes d'azote et d'autres polluants et particules. Si ces polluants ne sont pas captés et recyclés, la combustion de la biomasse peut créer du smog et même dépasser le nombre de polluants rejetés par les combustibles fossiles.

Photographies de l'USDA, V. Zutshi, S. Beaugez, M. Hendrikx, S. Heydt, M. Oeltjenbruns, A. Munoraharjo, F. Choudhury, G. Upton, O. Siudak, M. Gunther, R. Singh

Équilibrer la biomasse
L'Union of Concerned Scientists a aidé à développer une définition équilibrée de la biomasse renouvelable, qui sont des dispositions de durabilité pratiques et efficaces qui peuvent fournir une mesure d'assurance que les récoltes de biomasse ligneuse seront durables.

Énergie verte dans l'État de Green Mountain
La première usine américaine de gazéification de biomasse a ouvert ses portes près de Burlington, dans le Vermont, en 1998. La centrale électrique Joseph C. McNeil utilise du bois provenant d'arbres de mauvaise qualité et de résidus de récolte, et produit environ 50 mégawatts d'électricité, presque assez pour alimenter Burlington, la plus grande ville du Vermont.

Jeu de volaille
Les 3 millions de poulets de l'énorme élevage de poulets de Pékin Deqingyuan, à l'extérieur de Pékin, en Chine, produisent chaque jour 220 tonnes de fumier et 170 tonnes d'eaux usées. Grâce à la technologie de gazéification de GE Energy, la ferme est en mesure de convertir le fumier de poulet en 14 600 mégawattheures d'électricité par an.

Les meilleures cultures de biocarburants au monde
1. panic raide
2. blé
3. tournesol
4. huile de coton
5. soja
6. jatropha
7. huile de palme
8. canne à sucre
9. canola
10. maïs


Il y a 57 milliards de nématodes pour chaque être humain sur terre Les comprendre aidera à lutter contre le changement climatique

Byron Adams, professeur de biologie à BYU, se rend chaque année en Antarctique et dans le nord de l'Arctique pour effectuer des recherches.

Byron Adams, professeur de biologie à BYU, se rend chaque année en Antarctique et dans le nord de l'Arctique pour effectuer des recherches.

Fait amusant : les vers microscopiques étudiés par le professeur BYU Byron Adams ne sont pas seulement les espèces animales les plus abondantes sur terre, ils constituent également les quatre cinquièmes de la vie animale sur cette planète. C'est vrai, quatre animaux sur cinq sur terre sont des vers nématodes.

Nématodes microscopiques du sol en action.

Une nouvelle étude sur les nématodes du sol co-écrite par Adams révèle qu'il y en a 57 milliards pour chaque être humain vivant – bien plus qu'on ne l'avait estimé auparavant. Ils ont également une biomasse totale d'environ 300 millions de tonnes, soit environ 80 pour cent du poids combiné de la population humaine de la Terre.

L'étude, co-écrite par Adams et publiée mercredi dans La nature, fournit des preuves concluantes que la majorité de ces petits animaux vivent dans un endroit auquel les experts ne s'attendaient pas : les sols arctiques et subarctiques de haute latitude (c'est-à-dire la toundra, les forêts boréales et tempérées et les prairies).

« Jusqu'à récemment, la vie sous nos pieds était à peu près terre inconnue" dit Adams. « Comme nous ne savions pas grand-chose de la vie dans le sol, la plupart des scientifiques ont simplement supposé que les modèles d'abondance sous terre correspondraient à ce que nous voyons au-dessus du sol. Nous avons pensé que les tropiques doivent être là où ils se trouvent. Il s'avère que ce n'est pas vrai du tout. La raison pour laquelle cet article est un gros problème, c'est que nous montrons que c'est tout le contraire qui est vrai."

Il est important de savoir où vivent ces minuscules vers, car les nématodes jouent un rôle essentiel dans le cycle du carbone et des nutriments et influencent fortement les émissions de CO2. Une découverte importante de l'article est que l'abondance des nématodes est fortement corrélée avec le carbone du sol (plus de carbone = plus de vers). Comprendre les petits organismes au niveau mondial est essentiel si les humains veulent comprendre et lutter contre le changement climatique.

Pour l'étude, les chercheurs ont prélevé 6 759 échantillons de sol représentant chaque continent et chaque environnement, de la toundra arctique à la forêt tropicale humide. Ils ont utilisé des microscopes pour analyser la densité de chaque type de nématode et générer un ensemble de données mondial représentatif. À l'aide de ces informations, ils ont construit des modèles qui prédisent les populations de nématodes pour chaque kilomètre carré et créent les premières cartes mondiales à haute résolution de la densité des nématodes du sol.

Au cours des 17 dernières années, Adams, dont le compte Twitter est @frostyworms, s'est rendu chaque année dans les zones libres de glace de l'Antarctique pour étudier les nématodes, les tardigrades (ours d'eau) et d'autres créatures microscopiques. Son programme de recherche étudie les rôles que jouent ces animaux dans les processus écosystémiques fondamentaux ainsi que la façon dont ils survivent dans des environnements extrêmement froids et secs.


Biomasse : sens, sources et avenir de la biomasse

La capacité de travailler est appelée énergie. L'énergie peut être considérée comme une forme de matière inter-convertible. L'homme moderne dépend principalement de trois sources pour ses besoins énergétiques : le charbon, le gaz naturel et le pétrole, collectivement appelés combustibles fossiles ou sources d'énergie fossile.

La crainte de l'épuisement des combustibles fossiles mondiaux a forcé l'homme à rechercher des sources d'énergie alternatives appropriées telles que l'énergie solaire, hydraulique, marémotrice et éolienne, et plus récemment l'énergie nucléaire. En plus de cela, les progrès de la biotechnologie ont aidé à utiliser fructueusement l'énergie des systèmes biologiques.

Biomasse:

La biomasse est la masse cellulaire et organique totale, produite par les organismes vivants. C'est le principal produit de la photosynthèse et c'est une bonne source d'énergie, c'est-à-dire la bioénergie. D'une manière générale, la biomasse représente toutes les formes de matière dérivées des activités biologiques. Ceux-ci comprennent les plantes et les produits agricoles, les micro-organismes, les déchets animaux et le fumier.

Le terme biomasse est également utilisé pour décrire collectivement les déchets produits dans les industries alimentaires et agricoles. En plus d'être une bonne source d'énergie, la biomasse est importante pour la production de plusieurs produits commercialement importants. Ainsi, la biomasse est considérée à juste titre comme une source d'énergie renouvelable qui peut être directement convertie en énergie ou en composés vecteurs énergétiques par divers moyens.

Dans la plupart des pays développés, la biomasse est utilisée pour la production de produits industriels et commerciaux (éthanol, huiles, méthane et protéines unicellulaires). En revanche, dans les pays en développement (Inde, Amérique latine, Afrique), une grande partie de la biomasse est directement utilisée comme source d'énergie (comme bois de chauffage).

On estime que le rendement net annuel de la biomasse végétale est d'environ 175 milliards de tonnes de matière sèche (125 milliards de tonnes sur terre et 50 milliards de tonnes sur les océans). Les forêts contribuent de manière significative à la production de biomasse terrestre (environ 45%). Les cultures agricoles sur les terres cultivées représentent environ 6 % de la biomasse végétale.

Les produits agricoles issus de la biomasse (céréales, légumineuses, huiles, aliments pour animaux, etc.) répondent de manière adéquate aux besoins en aliments pour les humains et les animaux, en plus d'autres besoins de base (carburants, produits chimiques, etc.). Du point de vue chimique, environ 50 % de la biomasse terrestre produite est sous forme complexe de lignocellulose.

Combustibles fossiles-dérivés de la biomasse:

La société moderne dépend des sources d'énergie non renouvelables, à savoir le pétrole, le gaz et le charbon. Ces combustibles fossiles sont en fait des dérivés de la biomasse ancienne. Il a fallu des millions d'années pour que les combustibles fossiles se déposent sous la terre et les océans.

Cependant, en à peine un siècle d'exploration, les principales réserves de combustibles (en particulier de gaz et de pétrole) sont épuisées, et au rythme actuel, elles ne devraient pas durer longtemps. A ce titre, il existe une crise énergétique à travers le monde. Par conséquent, les chercheurs poursuivent leur recherche de sources d'énergie alternatives et renouvelables.

La photosynthèse, la source ultime d'énergie:

Les organismes photosynthétiques sont les sources ultimes de piégeage de l'énergie solaire. En présence de pigment photosynthétique chlorophylle, le dioxyde de carbone est converti en glucides complexes avec le dégagement d'oxygène.

Dans les réactions qui suivent, l'énergie solaire est piégée dans des molécules telles que les graisses et les protéines, en plus d'autres glucides complexes (cellulose, hémicellulose et lignine). Les organismes photosynthétiques sont les véritables convertisseurs d'énergie solaire. On estime qu'à l'heure actuelle, plus de 10 fois plus d'énergie est générée par la photosynthèse chaque année que consommée par la population mondiale.

Malheureusement, le rôle de la photosynthèse n'est pas bien reconnu pour résoudre le problème actuel de la crise énergétique. Ceci, malgré le fait que seule la biomasse produite par photo-synthèse est disponible aujourd'hui sous forme de combustibles fossiles. La biomasse produite par photosynthèse peut être utilisée de manière appropriée pour la production de carburants (alcool, méthane) et divers autres produits commerciaux.

Nature chimique de la biomasse:

La biomasse végétale est principalement composée de cellulose, hémicellulose, lignine, amidon, protéines, composés hydrosolubles (sucres, acides aminés) et liposolubles (huiles, pigments). En fait, la majorité de ces constituants sont présents dans les parois cellulaires végétales.

Il existe une grande variation dans la composition chimique de la biomasse, selon la source. Par exemple, la biomasse obtenue à partir du sucre de canne à sucre et de betterave est riche en sucres tandis que la biomasse de pomme de terre et de topioca est riche en amidon. D'autre part, le coton a une teneur élevée en cellulose. La nature chimique de la biomasse dérivée des déchets industriels et municipaux est très variable et dépend principalement des sources qui contribuent à la biomasse.

Sources et utilisation de la biomasse:

Les principales sources de biomasse sont la végétation naturelle, les cultures énergétiques et les déchets organiques agricoles, industriels et urbains (Fig. 31.1). Leur production dépend à son tour de l'énergie solaire.

La végétation naturelle (forêts naturelles en croissance et herbes aquatiques) contribue de manière significative à la biomasse. Les plantes riches en bois sont cultivées dans de nombreux pays (en particulier les pays en développement) pour générer du feu pour la cuisson et à d'autres fins. Ces dernières années, des plantations bien planifiées et organisées sont réalisées dans certains pays pour produire de la biomasse afin de répondre à la demande énergétique. Par exemple, les plantations de canne à sucre et de manioc au Brésil et en Australie sont utilisées pour la production d'éthanol. Des plantes riches en lignocellulose sont cultivées en Amérique et en Suède qui sont utiles pour la production de carburants liquides (éthanol, méthanol).

Les déchets agricoles, industriels et municipaux étaient auparavant considérés comme inutiles et jetés. Mais dans un passé récent, de nombreux pays ont développé des méthodes pour convertir ces déchets en biocarburants et produits commercialement importants. Les déchets agricoles utilisés avec succès comprennent la paille, la bagasse, le son et les déchets de coton. Parmi les déchets industriels, la mélasse, le lactosérum, les déchets de distillerie et les eaux usées sont les plus importants. La biomasse est utilisée pour la production de biocarburants et de divers autres composés. La technique dépend principalement de la nature chimique et du taux d'humidité de la biomasse.

La biomasse à faible teneur en humidité (bois, paille, son) peut être directement brûlée par un processus appelé combustion pour produire de l'électricité.

Procédés chimiques secs :

La biomasse à faible teneur en humidité peut être soumise à divers processus chimiques secs - pyrolyse, gazéification pour produire du méthanol, du pétrole et de la biomasse d'ammoniac.

La biomasse à haute teneur en eau est utilisée dans des procédés aqueux tels que la fermentation pour produire de l'éthanol, des huiles et du méthane. Un aperçu des sources et de l'utilisation de la biomasse est illustré à la figure 31.1.

Production d'alcool à partir de la biomasse:

Alcool chimiquement éthanol (C2H5OH) est produit par fermentation depuis des milliers d'années. Si les pays développés préfèrent aujourd'hui fabriquer de l'éthanol par voie chimique, les pays en développement continuent à le produire par fermentation microbienne. L'alcool est le combustible liquide qui est principalement produit à partir de la biomasse. Les matières premières (biomasse) utilisées pour la production d'alcool comprennent des matières amylacées (blé, riz, maïs, pomme de terre) et des matières cellulosiques (bois, déchets agricoles).

Cultures riches en énergie:

Certaines usines sont très efficaces pour convertir le CO2 en biomasse et ces plantes sont collectivement appelées cultures riches en énergie.

Cultures sucrières et amylacées:

Certaines plantes comme la canne à sucre, la betterave sucrière, les céréales et les tubercules produisent de grandes quantités d'amidon et de sucres de fermentation. Ces cultures fournissent des aliments et des aliments riches en énergie. De telles usines sont utiles pour la production de biocarburants, en particulier d'éthanol, souvent appelé bioéthanol.

Plantes riches en bois:

Certaines plantes poussent très vite et sont de bons fournisseurs de bois. Par exemple. Eucalyptus, Butea, Melia, Casurina. Ces plantes sont d'importantes sources de bois de chauffage. On estime qu'environ 50 % du bois total récolté annuellement est utilisé comme bois de chauffage. Le bois est également utile pour l'approvisionnement en pâte à papier pour la fabrication du papier.

Usines pétrolières:

Certaines plantes peuvent accumuler des hydrocarbures de haut poids moléculaire. On les appelle les cultures pétrochimiques ou les plantations d'essence. Les produits de ces usines riches en hydrocarbures peuvent servir de bons substituts au pétrole conventionnel et aux produits pétroliers.

L'hévéa (hévéa) cultivé en Asie du Sud-Est est la principale source de caoutchouc. Le caoutchouc est collecté sous forme de latex à partir des tiges des arbres. Cette usine répond à environ un tiers de la demande mondiale totale de caoutchouc.

Cependant, le caoutchouc produit à partir du pétrole est préféré pour une utilisation dans les automobiles et les avions, en raison de son faible coût et de sa grande élasticité. Outre le caoutchouc d'hévéa, il existe d'autres usines de production de caoutchouc naturel, par ex. Parthenium agrentatum (guayule) Taraxacum koksaghyz (pissenlit russe) cultivé au Mexique et dans certaines régions des États-Unis.

Euphorbia lathyrus et E. terucalli contiennent des teneurs élevées en terpénoïdes (hydrocarbures complexes) qui peuvent être directement convertis en essence/essence. On estime qu'E. terucelli peut produire environ 5 à 10 barils de pétrole/acre/an.

La plante Aak (Calotropis procera) sécrète un latex très riche en hydrocarbures. Ces hydrocarbures, et le rendement sont comparables à Euphorbia lathyrus, et ils servent également de bons substituts du pétrole.

Pour des raisons évidentes, la culture des plantes pétrolières est encouragée dans le monde entier.

Outre son utilité pour la génération de biocarburants (alcool, méthane), la biomasse est également utilisée pour la production de butanol, d'acétone, de protéines unicellulaires et de nombreux autres produits. Ainsi, la contribution de la biomasse aux besoins énergétiques mondiaux est très faible. Il est d'environ 5 % aux États-Unis et peut être un peu plus élevé dans les pays en développement. Cependant, étant une source d'énergie renouvelable, la biomasse aura une immense valeur à l'avenir. Cela est particulièrement vrai alors que les carburants non renouvelables (gaz et pétrole) du monde s'épuisent.

Il y a une prise de conscience croissante sur la valeur énergétique de la biomasse. In the coming years, biomass production and utilization strategies will be fully exploited. In addition, further improvements in the biotechnological processes for better management and utilization of industrial, agricultural and domestic wastes will also solve the problem of world energy crisis.


Earth’s forests are getting shorter and younger as the climate shifts

A new study has determined that Earth’s forests are transforming in response to a combination of human actions and natural processes such as wildfires, causing them to lose their oldest trees and grow shorter. Sadly, this trend is likely to continue as the climate grows ever hotter thanks to human-led climate change.

The forests that cover a little under a third of our planet’s landmasses are home to a dizzying array of life, and form a vital part of Earth’s global ecosystem. This is partially due to their ability to remove carbon dioxide from the atmosphere, and capture it in a solid state as biomass.

Increasingly, human-induced climate change, wood harvesting, and a range of naturally occurring processes are placing forests around the world under stress. A new global study has used satellite observations and examined over 160 published papers in order to assess the impact that these disruptive influences are having on global forest dynamics.

Upon completing their review, the researchers discovered that Earth’s forests are dramatically shorter and younger on average than they were a century ago, and that we are at least partially to blame for this potentially damaging change.

The paper discusses three conditions that dictate the dynamics of a healthy forest, and how they are being disrupted.

The first characteristic is recruitment, which is the term given to an influx of new seedlings that will one day become young trees. The second is growth – an indicator of the net increase in biomass, and the third is mortality, which is defined as the loss of a plant’s ability to reproduce and undergo cellular metabolism.

In a healthy, old-growth forest these characteristics would balance each other out. However, a number of aggravating factors are seriously undermining this equilibrium.

For example, rising temperatures are making it much harder for trees and plants to photosynthesize. This is damaging to a forest on many levels, as not only does it kill trees, but it also makes it more difficult for them to regenerate and grow. It is also a major reason as to why the forests we see today are not as tall as they once were.

Prolonged high temperatures also give rise to droughts, which place trees under enormous stress and either kills them off directly or leaves them more susceptible to attack from insects or disease.

The high amount of carbon dioxide in the atmosphere, which has increased significantly since the onset of the industrial revolution, could actually help some trees ability to grow and propagate, but according to the new study there are limitations. The benefits of this carbon dioxide fertilization are apparently only observed in relatively young forests, where there is an abundance of nutrients and moisture.

Wildfires are also a serious threat to forests on a global scale, as are invasive fungi and parasitic vines. Furthermore, many of these factors – including the prevalence of wildfires – have been exacerbated by the onset of climate change.

To make matters worse, the forests must also contend with the threat of direct human action. Rampant wood harvesting and forest clearing has had a huge impact on forest ecosystems by removing many of the older trees.

The study data reviewed by the researchers showed that many of the aggravating factors listed, including drought, rising temperatures, forest fragmentation and insect attacks seemed to affect older trees more acutely than their younger brethren.

Furthermore, according to the newly published paper, tree mortality is increasing in most areas while the creation and growth of new trees continues to fluctuate. This has led to an overall loss.

"Over the last hundred years we've lost a lot of old forests, and they've been replaced in part by non-forests and in part by young forests," comments the study’s lead author Nate McDowell, an Earth scientist at the Pacific North West National Laboratory, in the US. "This has consequences on biodiversity, climate mitigation, and forestry."

Sadly, the continuing transformation of our planet’s forests will likely come hand in hand with a loss of biodiversity, as habitat changes will make life more challenging for animals living in the densely wooded areas.

"Unfortunately, mortality drivers like rising temperature and disturbances such as wildfire and insect outbreaks are on the rise and are expected to continue increasing in frequency and severity over the next century," states McDowell. "So, reductions in average forest age and height are already happening and they're likely to continue to happen."


Human ‘stuff’ now outweighs all life on Earth

It’s not just your storage unit that’s packed to the gills. According to a new study, the mass of all our stuff—buildings, roads, cars, and everything else we manufacture—now exceeds the weight of all living things on the planet. And the amount of new material added every week equals the total weight of Earth’s nearly 8 billion people.

“If you weren’t convinced before that humans are dominating the planet, then you should be convinced now,” says Timon McPhearson, an urban ecologist at the New School who was not involved with the research. “This is an eye-catching comparison,” adds Fridolin Krausmann, a social ecologist at the University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, who also was not involved in the work.

There are many measures of humanity’s impact on the planet. Fossil fuels have sent greenhouse gases soaring to levels not seen in at least 800,000 years. Agriculture and dwellings have altered 70% of land. And humans have wiped out untold numbers of species in an emerging great extinction. The transformations are so great that researchers have declared we’re living in a new human-dominated age: the Anthropocene.

Systems biologist Ron Milo of the Weizmann Institute of Science went looking for a new gauge of our impact. He and his colleagues synthesized previous estimates of the biomass of living plants for each year between 1900 and 2017. Those estimates account for about 90% of all living things and are based on field research and computer modeling. From 1990 onward, they also include data from satellites, which researchers have used to track global vegetation.

Then the team added in the mass of all other living things—organisms from bacteria to whales—which they had tallied up in 2018, based on field surveys. (Humans make up roughly 0.01% of the planet’s biomass.) The yearly estimates of the mass of humanmade materials came from published research by Krausmann and colleagues, including objects such as cars and machines, and buildings and other infrastructure.

The change over the past 120 years has been dramatic. In 1900, the mass of human materials was just 3% of Earth’s total biomass. Since then, materials have doubled about every 20 years, the team reports today in Nature . The glut of concrete and asphalt began during the boom years between World War II and the oil crisis of 1973, when developed countries went on a building spree. In recent decades, even more has been added. Meanwhile, total biomass declined gradually since 1900 to about 1100 billion tons, because of deforestation and other reasons. The increase is humanmade mass is driven by the use of dense geological resources: rocks, minerals, and metals.

Humanmade mass finally exceeded Earth’s total living biomass this year—give or take 6 years. The timing of that transition hinges on whether biomass is tallied with or without water. If water is included, biomass will remain larger than human materials until about 2037. Even today, the comparisons are sobering: Buildings and other infrastructure weigh more than the world’s trees and shrubs, the researchers found. And the mass of plastic is double that of all animals. The findings add weight to the concept of the Anthropocene, the researchers conclude. “It is an indication that, indeed, the transition happened and the name is appropriate,” Milo says. He doesn’t have a strong opinion on whether the beginning of the new geological era should be this year or decades earlier.

The new research “helps us solidify the evidence of our impact on the planet,” says Josh Tewksbury, director of Future Earth, a network of sustainability scientists. But, he says, “It doesn’t help us on the details of what to do about it.” That’s because global mass of materials is a crude metric of impact. For example, Krausmann says, it doesn’t consider the toxicity of various substances. And location matters, too. The concrete in a dam has a much bigger environmental impact than the same amount of concrete in a city.

Eduardo Brondizio, an environmental anthropologist at Indiana University, Bloomington, points out that in developing countries, where cities lack adequate housing, sewage treatment plants, and other infrastructure, a dearth of human materials is unjust and environmentally damaging. “It’s not that infrastructure per se is bad,” he says. “It’s how we do infrastructure that is the problem.”

Infrastructure will continue to expand, fastest in developing cities, says Xuemei Bai, who studies urban sustainability at the Australian National University. All the energy involved in producing raw materials could jeopardize international climate goals, she notes. But cities offer an efficiency of scale not possible in rural locations, because they have fewer roads and water mains per person, for example. And technological and policy innovation could help reduce the environmental impact of humanity’s massive footprint, Bai says. "I’m hopeful. It is possible."


Biomass Energy

The term "biomass" refers to organic matter that has stored energy through the process of photosynthesis. It exists in one form as plants and may be transferred through the food chain to animals' bodies and their wastes, all of which can be converted for everyday human use through processes such as combustion, which releases the carbon dioxide stored in the plant material. Many of the biomass fuels used today come in the form of wood products, dried vegetation, crop residues, and aquatic plants. Biomass has become one of the most commonly used renewable sources of energy in the last two decades, second only to hydropower in the generation of electricity. It is such a widely utilized source of energy, probably due to its low cost and indigenous nature, that it accounts for almost 15% of the world's total energy supply and as much as 35% in developing countries, mostly for cooking and heating.

Biomass is one of the most plentiful and well-utilised sources of renewable energy in the world. Broadly speaking, it is organic material produced by the photosynthesis of light. The chemical material (organic compounds of carbons) are stored and can then be used to generate energy. The most common biomass used for energy is wood from trees. Wood has been used by humans for producing energy for heating and cooking for a very long time.

Biomass has been converted by partial-pyrolisis to charcoal for thousands of years. Charcoal, in turn has been used for forging metals and for light industry for millenia. Both wood and charcoal formed part of the backbone of the early Industrial Revolution (much northern England, Scotland and Ireland were deforested to produce charcoal) prior to the discovery of coal for energy.

Wood is still used extensively for energy in both household situations, and in industry, particularly in the timber, paper and pulp and other forestry-related industries. Woody biomass accounts for over 10% of the primary energy consumed in Austria, and it accounts for much more of the primary energy consumed in most of the developing world, primarily for cooking and space heating.

It is used to raise steam, which, in turn, is used as a by-product to generate electricity. Considerable research and development work is currently underway to develop smaller gasifiers that would produce electricity on a small-scale. For the moment, however, biomass is used for off-grid electricity generation, but almost exclusively on a large-, industrial-scale.

There are two issues that affect the evaluation of biomass as a viable solution to our energy problem: the effects of the farming and production of biomass and the effects of the factory conversion of biomass into usable energy or electricity. There are as many environmental and economic benefits as there are detriments to each issue, which presents a difficult challenge in evaluating the potential success of biomass as an alternative fuel. For instance, the replacement of coal by biomass could result in "a considerable reduction in net carbon dioxide emissions that contribute to the greenhouse effect." On the other hand, the use of wood and other plant material for fuel may mean deforestation. We are all aware of the problems associated with denuding forests, and widespread clear cutting can lead to groundwater contamination and irreversible erosion patterns that could literally change the structure of the world ecology.

Biomass has to be considered in the search for an alternative source of energy that is abundant in a wide-scale yet non-disruptive manner, since it is capable of being implemented at all levels of society. Although tree plantations have "considerable promise" in supplying an energy source, "actual commercial use of plantation-grown fuels for power generation is limited to a few isolated experiences." Supplying the United States ' current energy needs would require an area of one million square miles. That's roughly one-third of the area of the 48 contiguous states. There is no way that plantations could be implemented at this scale, not to mention that soil exhaustion would eventually occur. Biomass cannot replace our current dependence on coal, oil, and natural gas, but it can complement other renewables such as solar and wind energy.

According to Flavin and Lenssen of the Worldwatch Institute , "If the contribution of biomass to the world energy economy is to grow, technological innovations will be needed, so that biomass can be converted to usable energy in ways that are more efficient, less polluting, and at least as economical as today's practices." When we have enough government support and have allotted enough land for the continuous growth of energy crops for biomass-based energy, we may have a successful form of alternative energy. But "as long as worldwide prices of coal, oil and gas are relatively low, the establishment of plantations dedicated to supplying electric power or other higher forms of energy will occur only where financial subsidies or incentives exist or where other sources of energy are not available." Although it is currently utilized across the globe, biomass energy is clearly not capable of sustaining the world's energy needs on its own.


Food Web

A food web consists of all the food chains in a single ecosystem.

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A food web consists of all the food chains in a single ecosystem. Each living thing in an ecosystem is part of multiple food chains. Each food chain is one possible path that energy and nutrients may take as they move through the ecosystem. All of the interconnected and overlapping food chains in an ecosystem make up a food web.

Organisms in food webs are grouped into categories called trophic levels. Roughly speaking, these levels are divided into producers (first trophic level), consumers, and decomposers (last trophic level).

Les producteurs constituent le premier niveau trophique. Producers, also known as autotrophs, make their own food and do not depend on any other organism for nutrition. Most autotrophs use a process called photosynthesis to create food (a nutrient called glucose) from sunlight, carbon dioxide, and water.

Plants are the most familiar type of autotroph, but there are many other kinds. Algae, whose larger forms are known as seaweed, are autotrophic. Phytoplankton, tiny organisms that live in the ocean, are also autotrophs. Certains types de bactéries sont autotrophes. For example, bacteria living in active volcanoes use sulfur, not carbon dioxide, to produce their own food. This process is called chemosynthesis.

The next trophic levels are made up of animals that eat producers. These organisms are called consumers.

Consumers can be carnivores (animals that eat other animals) or omnivores (animals that eat both plants and animals). Omnivores, like people, consume many types of foods. People eat plants, such as vegetables and fruits. We also eat animals and animal products, such as meat, milk, and eggs. We eat fungi, such as mushrooms. We also eat algae, in edible seaweeds like nori (used to wrap sushi rolls) and sea lettuce (used in salads). Bears are omnivores, too. They eat berries and mushrooms, as well as animals such as salmon and deer.

Primary consumers are herbivores. Herbivores eat plants, algae, and other producers. They are at the second trophic level. In a grassland ecosystem, deer, mice, and even elephants are herbivores. They eat grasses, shrubs, and trees. In a desert ecosystem, a mouse that eats seeds and fruits is a primary consumer.

In an ocean ecosystem, many types of fish and turtles are herbivores that eat algae and seagrass. In kelp forests, seaweeds known as giant kelp provide shelter and food for an entire ecosystem. Sea urchins are powerful primary consumers in kelp forests. These small herbivores eat dozens of kilograms (pounds) of giant kelp every day.

Secondary consumers eat herbivores. They are at the third trophic level. In a desert ecosystem, a secondary consumer may be a snake that eats a mouse. In the kelp forest, sea otters are secondary consumers that hunt sea urchins.

Tertiary consumers eat the secondary consumers. They are at the fourth trophic level. In the desert ecosystem, an owl or eagle may prey on a snake.

There may be more levels of consumers before a chain finally reaches its top predator. Top predators, also called apex predators, eat other consumers. They may be at the fourth or fifth trophic level. They have no natural enemies except humans. Lions are apex predators in the grassland ecosystem. In the ocean, fish like the great white shark are apex predators. In the desert, bobcats and mountain lions are top predators.

Detritivores and Decomposers

Detritivores and decomposers make up the last part of food chains. Detritivores are organisms that eat nonliving plant and animal remains. For example, scavengers such as vultures eat dead animals. Dung beetles eat animal feces.

Decomposers, like fungi and bacteria, complete the food chain. Decomposers turn organic wastes, such as decaying plants, into inorganic materials, such as nutrient-rich soil. They complete the cycle of life, returning nutrients to the soil or oceans for use by autotrophs. This starts a whole new series of food chains.

Food webs connect many different food chains, and many different trophic levels. Food webs can support food chains that are long and complicated, or very short.

For example, grass in a forest clearing produces its own food through photosynthesis. A rabbit eats the grass. A fox eats the rabbit. When the fox dies, decomposers such as worms and mushrooms break down its body, returning it to the soil where it provides nutrients for plants like grass.

This short food chain is one part of the forest's food web. Another food chain in the same ecosystem might involve completely different organisms. A caterpillar may eat the leaves of a tree in the forest. A bird such as a sparrow may eat the caterpillar. A snake may then prey on the sparrow. An eagle, an apex predator, may prey on the snake. Yet another bird, a vulture, consumes the body of the dead eagle. Finally, bacteria in the soil decompose the remains.

Algae and plankton are the main producers in marine ecosystems. Tiny shrimp called krill eat the microscopic plankton. The largest animal on Earth, the blue whale, preys on thousands of tons of krill every day. Apex predators such as orcas prey on blue whales. As the bodies of large animals such as whales sink to the seafloor, detritivores such as worms break down the material. The nutrients released by the decaying flesh provide chemicals for algae and plankton to start a new series of food chains.

Food webs are defined by their biomass. Biomass is the energy in living organisms. Autotrophs, the producers in a food web, convert the sun's energy into biomass. Biomass decreases with each trophic level. There is always more biomass in lower trophic levels than in higher ones.

Because biomass decreases with each trophic level, there are always more autotrophs than herbivores in a healthy food web. There are more herbivores than carnivores. An ecosystem cannot support a large number of omnivores without supporting an even larger number of herbivores, and an even larger number of autotrophs.

A healthy food web has an abundance of autotrophs, many herbivores, and relatively few carnivores and omnivores. This balance helps the ecosystem maintain and recycle biomass.

Every link in a food web is connected to at least two others. The biomass of an ecosystem depends on how balanced and connected its food web is. When one link in the food web is threatened, some or all of the links are weakened or stressed. The ecosystems biomass declines.

The loss of plant life usually leads to a decline in the herbivore population, for instance. Plant life can decline due to drought, disease, or human activity. Forests are cut down to provide lumber for construction. Grasslands are paved over for shopping malls or parking lots.

The loss of biomass on the second or third trophic level can also put a food web out of balance. Consider what may happen if a salmon run is diverted. A salmon run is a river where salmon swim. Salmon runs can be diverted by landslides and earthquakes, as well as the construction of dams and levees.

Biomass is lost as salmon are cut out of the rivers. Unable to eat salmon, omnivores like bears are forced to rely more heavily on other food sources, such as ants. The area's ant population shrinks. Ants are usually scavengers and detritivores, so fewer nutrients are broken down in the soil. The soil is unable to support as many autotrophs, so biomass is lost. Salmon themselves are predators of insect larvae and smaller fish. Without salmon to keep their population in check, aquatic insects may devastate local plant communities. Fewer plants survive, and biomass is lost.

A loss of organisms on higher trophic levels, such as carnivores, can also disrupt a food chain. In kelp forests, sea urchins are the primary consumer of kelp. Sea otters prey on urchins. If the sea otter population shrinks due to disease or hunting, urchins devastate the kelp forest. Lacking a community of producers, biomass plummets. The entire kelp forest disappears. Such areas are called urchin barrens.

Human activity can reduce the number of predators. In 1986, officials in Venezuela dammed the Caroni River, creating an enormous lake about twice the size of Rhode Island. Hundreds of hilltops turned into islands in this lake. With their habitats reduced to tiny islands, many terrestrial predators weren&rsquot able to find enough food. As a result, prey animals like howler monkeys, leaf-cutter ants, and iguanas flourished. The ants became so numerous that they destroyed the rainforest, killing all the trees and other plants. The food web surrounding the Caroni River was destroyed.

Biomass declines as you move up through the trophic levels. However, some types of materials, especially toxic chemicals, increase with each trophic level in the food web. These chemicals usually collect in the fat of animals.

When an herbivore eats a plant or other autotroph that is covered in pesticides, for example, those pesticides are stored in the animal&rsquos fat. When a carnivore eats several of these herbivores, it takes in the pesticide chemicals stored in its prey. This process is called bioaccumulation.

Bioaccumulation happens in aquatic ecosystems too. Runoff from urban areas or farms can be full of pollutants. Tiny producers such as algae, bacteria, and seagrass absorb minute amounts of these pollutants. Primary consumers, such as sea turtles and fish, eat the seagrass. They use the energy and nutrients provided by the plants, but store the chemicals in their fatty tissue. Predators on the third trophic level, such as sharks or tuna, eat the fish. By the time the tuna is consumed by people, it may be storing a remarkable amount of bioaccumulated toxins.

Because of bioaccumulation, organisms in some polluted ecosystems are unsafe to eat and not allowed to be harvested. Oysters in the harbor of the United States' New York City, for instance, are unsafe to eat. The pollutants in the harbor accumulate in its oysters, a filter feeder.

In the 1940s and 1950s, a pesticide called DDT (dichloro-diphenyl-trichloroethane) was widely used to kill insects that spread diseases. During World War II, the Allies used DDT to eliminate typhus in Europe, and to control malaria in the South Pacific. Scientists believed they had discovered a miracle drug. DDT was largely responsible for eliminating malaria in places like Taiwan, the Caribbean, and the Balkans.

Sadly, DDT bioaccumulates in an ecosystem and causes damage to the environment. DDT accumulates in soil and water. Some forms of DDT decompose slowly. Worms, grasses, algae, and fish accumulate DDT. Apex predators, such as eagles, had high amounts of DDT in their bodies, accumulated from the fish and small mammals they prey on.

Birds with high amounts of DDT in their bodies lay eggs with extremely thin shells. These shells would often break before the baby birds were ready to hatch.

DDT was a major reason for the decline of the bald eagle, an apex predator that feeds primarily on fish and small rodents. Today, the use of DDT has been restricted. The food webs of which it is a part have recovered in most parts of the country.

Photograph by James Abernethy

Out for Blood
One of the earliest descriptions of food webs was given by the scientist Al-Jahiz, working in Baghdad, Iraq, in the early 800s. Al-Jahiz wrote about mosquitoes preying on the blood of elephants and hippos. Al-Jahiz understood that although mosquitoes preyed on other animals, they were also prey to animals such as flies and small birds.

A Million to One
Marine food webs are usually longer than terrestrial food webs. Scientists estimate that if there are a million producers (algae, phytoplankton, and sea grass) in a food web, there may only be 10,000 herbivores. Such a food web may support 100 secondary consumers, such as tuna. All these organisms support only one apex predator, such as a person.

Lost Energy
Biomass shrinks with each trophic level. That is because between 80% and 90% of an organism's energy, or biomass, is lost as heat or waste. A predator consumes only the remaining biomass.


The Biggest Environmental Problems Of 2021

The climate crisis is accelerating at an unprecedented rate, and we are not ready for it. While the crisis has many factors that play a role in its exacerbation, there are some that warrant more attention than others. Here are some of the biggest environmental problems of our lifetime.

Poor Governance

According to economists like Nicholas Stern, the climate crisis is a result of multiple market failures.

Economists and environmentalists have urged policymakers for years to increase the price of activities that emit greenhouse gases (one of our biggest environmental problems), the lack of which constitutes the largest market failure, for example through carbon taxes, which will stimulate innovations in low-carbon technologies.

To cut emissions quickly and effectively enough, governments must not only massively increase funding for green innovation to bring down the costs of low-carbon energy sources, but they also need to adopt a range of other policies that address each of the other market failures.

A national carbon tax is currently implemented in 25 countries around the world , including various countries in the EU, Canada, Singapore, Japan, Ukraine and Argentina. However, according to the 2019 OECD Tax Energy Use report, current tax structures are not adequately aligned with the pollution profile of energy sources. For example, the OECD suggests that carbon taxes are not harsh enough on coal production, although it has proved to be effective for the electricity industry. A carbon tax has been effectively implemented in Sweden the carbon tax is USD $127 per tonne and has reduced emissions by 25% since 1995, while its economy has expanded 75% in the same time period.

Further, organisations such as the United Nations are not fit to deal with the climate crisis: it was assembled to prevent another world war and is not fit for purpose. Anyway, members of the UN are not mandated to comply with any suggestions or recommendations made by the organisation. For example, the Paris Agreement, an agreement within the United Nations Framework Convention on Climate Change, says that countries need to reduce greenhouse gas emissions significantly so that global temperature rise is below 2 degrees Celsius by 2100, and ideally under 1.5 degrees. But signing on to it is voluntary, and there are no real repercussions for non-compliance. Further, the issue of equity remains a contentious issue whereby developing countries are allowed to emit more in order to develop to the point where they can develop technologies to emit less, and it allows some countries, such as China, to exploit this.

Food Waste

A third of the food intended for human consumption- around 1.3 billion tons- is wasted or lost. This is enough to feed 3 billion people. Food waste and loss accounts for 4.4 gigatons of greenhouse gas emissions annually if it was a country, food waste would be the third highest emitter of greenhouse gases, behind China and the US.

Food waste and loss occurs at different stages in developing and developed countries in developing countries, 40% of food waste occurs at the post-harvest and processing levels, while in developed countries, 40% of food waste occurs at the retail and consumer levels.

At the retail level, a shocking amount of food is wasted because of aesthetic reasons in fact, in the US, more than 50% of all produce thrown away in the US is done so because it is deemed to be “too ugly” to be sold to consumers- this amounts to about 60 million tons of fruits and vegetables. This leads to food insecurity, another one of the biggest environmental problems on the list.

Biodiversity Loss

The past 50 years have seen a rapid growth of human consumption, population, global trade and urbanisation, resulting in humanity using more of the Earth’s resources than it can replenish naturally.

A recent WWF report found that the population sizes of mammals, fish, birds, reptiles and amphibians have experienced a decline of an average of 68% between 1970 and 2016. The report attributes this biodiversity loss to a variety of factors, but mainly land-use change, particularly the conversion of habitats, like forests, grasslands and mangroves, into agricultural systems. Animals such as pangolins, sharks and seahorses are significantly affected by the illegal wildlife trade, and pangolins are critically endangered because of it.

More broadly, a recent analysis has found that the sixth mass extinction of wildlife on Earth is accelerating. More than 500 species of land animals are on the brink of extinction and are likely to be lost within 20 years the same number were lost over the whole of the last century. The scientists say that without the human destruction of nature, this rate of loss would have taken thousands of years.

Plastic Pollution

In 1950, the world produced more than 2 million tons of plastic per year . By 2015, this annual production swelled to 419 million tons.

A report by science journal, Nature, determined that currently, roughly 11 million tons of plastic make its way into the oceans every year, harming wildlife habitats and the animals that live in them. The research found that if no action is taken, this will grow to 29 million metric tons per year by 2040. If we include microplastics into this, the cumulative amount of plastic in the ocean could reach 600 million tons by 2040.

Shockingly, National Geographic found that 91% of all plastic that has ever been made is not recycled, representing not only one of the biggest environmental problems of our lifetime, but another massive market failure. Considering that plastic takes 400 years to decompose, it will be many generations until it ceases to exist.

Deforestation

Every minute, forests the size of 20 football fields are cut down. By the year 2030, the planet might have only 10% of its forests if deforestation isn’t stopped, they could all be gone in less than 100 years.

Agriculture is the leading cause of deforestation, another one of the biggest environmental problems appearing on this list. Land is cleared to raise livestock or to plant other crops that are sold, such as sugar cane and palm oil. Besides for carbon sequestration, forests help to prevent soil erosion, because the tree roots bind the soil and prevent it from washing away, which also prevents landslides.

The three countries experiencing the highest levels of deforestation are Brazil, the Democratic Republic of Congo and Indonesia, however Indonesia is tackling deforestation , now seeing the lowest rates since the beginning of the century.

La pollution de l'air

Research from the World Health Organization (WHO) shows that an estimated 4.2 to 7 million people die from air pollution worldwide every year and that nine out of 10 people breathe air that contains high levels of pollutants. In Africa, 258 000 people died as a result of outdoor air pollution in 2017, up from 164 000 in 1990, according to UNICEF . This comes mostly from industrial sources and motor vehicles, as well as emissions from burning biomass and poor air quality due to dust storms.

In Europe, a recent report from the EU’s environment agency showed that air pollution contributed to 400 000 annual deaths in the EU in 2012 (the last year for which data was available).

In the wake of the COVID-19 pandemic, attention has been put on the role that air pollution has in transporting the virus molecules. Preliminary studies have identified a positive correlation between COVID-19-related mortalities and air pollution and there is also a plausible association of airborne particles assisting the viral spread. This could have contributed to the high death toll in China, where air quality is notoriously poo r, although more definitive studies must be conducted before such a conclusion can be drawn.

Agriculture

Studies have shown that the global food system is responsible for up to one third of all human-caused greenhouse gas emissions, of which 30% comes from livestock and fisheries. Crop production releases greenhouse gases such as nitrous oxide through the use of fertilisers .

60% of the world’s agricultural area is dedicated to cattle ranching , although it only makes up 24% of global meat consumption.

Agriculture not only covers a vast amount of land, but it also consumes a vast amount of freshwater, another one of the biggest environmental problems on this list. While arable lands and grazing pastures cover one-third of Earth’s land surfaces , they consume three-quarters of the world’s limited freshwater resources.

Scientists and environmentalists have continuously warned that we need to rethink our current food system switching to a more plant-based diet would dramatically reduce the carbon footprint of the conventional agriculture industry.

Global Warming From Fossil Fuels

At time of publication, CO2 PPM (parts per million) is at 410 and the global temperature rise is 0.89 degrees Celsius.

Increased emissions of greenhouse gases have caused temperatures to rise, which are causing catastrophic events all over the world- just this year has seen Australia experience one of the most devastating bushfire seasons ever recorded, locusts swarming across parts of Africa, the Middle East and Asia, decimating crops, scientists warning that the planet has crossed a series of tipping points that could have catastrophic consequences, microplastic being found in Antarctic ice for the first time, a heatwave in Antarctica that saw temperatures rise above 20 degrees for the first time, warnings of advancing permafrost melt in Arctic regions, the Greenland ice sheet melting at an unprecedented rate, news of the accelerating sixth mass extinction , increasing deforestation in the Amazon rainforest, warnings of air pollution exacerbating the spread of COVID-19 , China experiencing its worst floods in decades, methane levels rising to their highest on record , Canada’s last intact ice shelf collapsing, a national park in the US recording the highest temperature ever recorded on Earth, 13% of deaths in the EU being linked to various forms of pollution , a report saying that population sizes of wildlife have experienced an average decline of 68% since 1970 and record-breaking wildfires in California that have blocked out the sun – and these are just a fraction of the events.

The climate crisis is causing tropical storms and other weather events such as hurricanes, heat waves and flooding to be more intense and frequent than seen before. However, a study has found that even if all greenhouse gas emissions were halted in 2020, global warming would only be halted by around 2033 . It is absolutely imperative that we reduce greenhouse gas emissions thankfully, this year is set to see the highest uptake of renewable energy projects around the world.

Melting Ice Caps

The climate crisis is warming the Arctic more than twice as fast as anywhere else on the planet. Seas are now rising an average of 3.2 mm per year globally, and are predicted to climb to a total of 0.2 to 2m by 2100. In the Arctic, the Greenland Ice Sheet poses the greatest risk for sea levels because melting land ice is the main cause of rising sea levels.

Representing arguably the biggest of the environmental problems, this is made all the more concerning considering that last year’s summer triggered the loss of 60 billion tons of ice from Greenland, enough to raise global sea levels by 2.2mm in just two months . According to satellite data, the Greenland ice sheet lost a record amount of ice in 2019: an average of a million tons per minute throughout the year, one of the biggest environmental problems that has cascading effects.

If the entire Greenland ice sheet melts, sea level would rise by six metres .

Meanwhile, the Antarctic continent contributes about 1 millimeter per year to sea level rise, which is a third of the annual global increase.

Additionally, the last fully intact ice shelf in Canada in the Arctic recently collapsed, having lost about 80 sq km, or 40%, of its area over a two-day period in late July, according to the Canadian Ice Service.

The sea level rise will have a devastating impact on those living in coastal regions: according to research and advocacy group Climate Central, sea level rise this century could flood coastal areas that are now home to 340 million to 480 million people , forcing them to migrate to safer areas and contributing to overpopulation and strain of resources in the areas they migrate to.

Food and Water Insecurity

Rising temperatures and unsustainable farming practices has resulted in the increasing threat of water and food insecurity.

Globally, more than 68 billion tonnes of top-soil is eroded every year at a rate 100 times faster than it can naturally be replenished. Laden with biocides and fertiliser, the soil ends up in waterways where it contaminates drinking water and protected areas downstream.

Furthermore, exposed and lifeless soil is more vulnerable to wind and water erosion due to lack of root and mycelium systems that hold it together. A key contributor to soil erosion is over-tilling: although it increases productivity in the short-term by mixing in surface nutrients (e.g. fertiliser), tilling is physically destructive to the soil’s structure and in the long-term leads to soil compaction, loss of fertility and surface crust formation that worsens topsoil erosion.

With the global population expected to reach 9 billion people by mid-century, the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) projects that global food demand may increase by 70% by 2050 . Around the world, more than 820 million people do not get enough to eat.

The UN secretary-general António Guterres says, “Unless immediate action is taken, it is increasingly clear that there is an impending global food security emergency that could have long term impacts on hundreds of millions of adults and children.” He urged for countries to rethink their food systems and encouraged more sustainable farming practices.

In terms of water security, only 3% of the world’s water is fresh water , and two-thirds of that is tucked away in frozen glaciers or otherwise unavailable for our use.

As a result, some 1.1 billion people worldwide lack access to water, and a total of 2.7 billion find water scarce for at least one month of the year. By 2025, two-thirds of the world’s population may face water shortages.

While these are some of the biggest environmental problems plaguing our planet, there are many more that have not been mentioned, including overfishing, urban sprawl, toxic superfund sites and land use changes. While there are many facets that need to be considered in formulating a response to the crisis, they must be coordinated, practical and far-reaching enough to make enough of a difference.