Лекция №1. ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА: ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ
Экология - слово которое лет пять назад мало кто знал, и слово которое сейчас у всех на устах. Но наверное
мало кто знает что в действительности знает истинное значение этого слова. Данный курс не только раскроет всю
глубину этого понятия, но и позволит по новому взглянуть на мир, на окружающие нас явления, на которые до сих
пор вы не обращали внимания, или считали их недостойными внимания. Этот курс будет полезен не только
специалистам из области экологии и стыкающихся с экологией областей, но и любому рядовому человеку.
Существование человека неразрывно связано с определенными условиями среды (температура, влажность,
состав воздуха, качество воды, состав пищи и другие). Эти требования вырабатывались в течение многих тысячелетий
существования человека. Понятно, что при резком изменении этих факторов или отклонении от нормы, требуемой
организму, возможны нарушение обмена веществ и как крайний случай - несовместимость с жизнью человека.
Невозможно охранять природу, пользоваться ею, не зная как она устроена, по каким законам существует и
развивается, как реагирует на воздействие человека. Все это и является предметом экологии.
В современном понимании экология – это наука об условиях существования живых организмов, их
взаимодействиях между собой и окружающей средой.
Цель курса «Экология» - изучение основных закономерностей взаимодействия в системе «биосфера –
общество – техногенная среда» и формирование представлений об экологических подходах к решению
природоохранных проблем.
Для достижения названной цели предполагается решение ряда задач:
- рассмотрение общих закономерностей взаимодействия живых организмов и среды обитания;
- анализ круга проблем, связанных с антропогенным (техногенным) воздействием на окружающую среду;
- формирование представлений, элементарных умений и навыков в сфере природоохранной деятельности;
- рассмотрение правовых основ экологической безопасности.
Задачи экологии как учебной дисциплины в техническом
вузе
гораздо
уже.
В
процессе
профессиональной деятельности будущий специалист инженер неизбежно будет влиять на окружающую среду и
живущие в ней живые организмы. Следовательно, от того, насколько он понимает и владеет законами природы и ее
структурой, будет зависеть устранение негативных последствий производства, в котором он работает.
Таким образом, задачи экологии применительно к деятельности инженера промышленного производства
или проектно-конструкторского предприятия могут быть следующие:
1)
Оптимизация технологических, и конструкторских решений, исходя из минимального ущерба
окружающей среде.
2)
Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих и проектируемых
предприятий на окружающую среду.
3)
Своевременное выявление и корректировка технологических процессов, наносящих ущерб
окружающей среде.
4)
Создание систем переработки отходов промышленности.
Предметом экологии является изучение:
- законов существования и развития природы;
- закономерностей реакции природы на воздействие человека;
- ПДН на природные системы, которые может позволить себе общество.
Жизнь на планете протекает и развивается лишь в тонком слое атмосферы, гидросферы и литосферы. Вот
эту тонкую земную оболочку, населенную организмами, принято называть биосферой (bios – жизнь, spharia – шар).
Границей биосферы считается в атмосфере слой до 15 км от поверхности земли, в гидросфере – до глубины 12 км и в
литосфере – толщина до 5 км. Только в этих пределах обнаружены живые существа и возможно их существование.
Экология изучает состояние биосферы, единственного места обитания организмов, и возможные
последствия антропогенных воздействий на биосферу. Т.о. предметом изучения экологии является состояние
биосферы, земной оболочки, населенной организмами, взаимоотношения и взаимосвязи организмов между собой и
окружающей природной средой и возможных последствий антропогенной деятельности на биосферу.
Методы исследований современной экологии очень разнообразны. Это новые физические, химические,
биофизические, биоиндикационные, биохимические, радиобиологические, метеорологические и кибернетические
методы, наземный, воздушный и космический экомониторинги, современные ЭВМ с их возможностями анализа,
систематики, моделирования экосистем, прогноза. Основными задачами будущих экологических исследований
большинство ученых считает решение таких проблем: глобальной конверсии сознания человечества, выработка
абсолютно новых моральных основ, полной перемены жизненной парадигмы, превращение человечества в единый
биосоциальный организм с коллективным интеллектом и чрезвычайно высокой системой информации;
народонаселения; парникового эффекта; кислотных дождей и озоновой дыры; полной утилизации отходов
промышленности; экологически "чистой" энергетики; дехимизации сельского хозяйства; экологически чистого
транспорта; демилитаризации; ресурсосбережения и рекультивации литосферы; достижение планетарного консенсуса
взаимоотношений человечества с природой.Экология зарождалась, как раздел биологии, изучающий
взаимоотношения организмов со средой их обитания. Первые экологические исследования, пожалуй, стоит отнести к
работам отца зоологии Аристотеля. Он описал более 500 видов животных, указав в том числе и на характер их мест
обитания - а это уже сфера экологии.
Сам термин "экология" был предложен в 1866 году Геккелем (до этого предлагались другие варианты "эпирриология", "биономия" - но они не прижились). Он происходит от греческого "ойкос" - дом, "логос" - наука. Как
научная дисциплина экология имеет более чем вековую историю. Систематические экологические исследования
ведутся приблизительно с 1900 г. К наиболее выдающимся экологам этого периода принадлежат такие зарубежные
ученные, как Г. Бердон-Сандерсон, У. Элтон и А Тенсли (Англия), С. Форбс и В. Шелфорд (США), а также
отечественные - Д.Кашкаров, А. Парамонов, В. Вернадский, С. Северцев, В. Сукачев. Среди выдающихся экологов
более поздних времен следует назвать Ю. Одума, Б. Коммонера, Д. Медоуза, Р. Риклефса, Р. Дажо, В. Ковду, М.
Будико, М. Реймерса, С. Шварца, Ю.В. Новикова, Ю. Израэля, О. Яблокова, В. Горшкова, К. Лосева, К. Кондратьева.
Современное определение экологии звучит следующим образом:
Экология - наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей их неорганической
средой; о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем.
Если же говорить проще, то экология изучает отношения организмов со средой их обитания, между
которыми возникает множество разнообразных связей. Организмы же благодаря этим связям существуют в природе
не как хаотичные скопления, а образуют определенные сообщества - надорганизменные системы (популяции,
биоценозы, экосистемы - о них речь пойдет в дальнейшем), также являющиеся предметом экологии. Так как все живое
организовано в экосистемы (вся биосфера в целом - это тоже экосистема высокого уровня), то человек также
оказывается включенным в многочисленные экологические взаимосвязи. Наши сельскохозяйственные поля также
представляют собой своеобразные экосистемы.
Итак, экология изучает взаимосвязи:
между организмами (включают пищевые и непищевые взаимосвязи);
между организмами и средой их обитания;
взаимосвязи внутри экосистем.
Классификация экологии
Экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования и имеет свою структуру.
Выделяют крупные подразделения – общая экология (биоэкология), геоэкология, прикладная экология, экология
человека и социальная. Классификация общей экологии представлена аутэкологией (особей и организмов),
синэкологией (сообществ), демэкологией (популяций). Геоэкология – наука, изучающая необратимые процессы и
явления в природной среде, возникшие в результате антропогенных воздействий (междисциплинарная наука о
комфортности и оптимизации природной среды).
Экология
Общая экология
Геоэкология
Экология человека
Социальная
экология
Прикладная экология
Аутэкология
Экология суши
Экология города
Синэкология
Демэкология
Биогеоценология
Глобальная (уче-ние
о биосфере)
пресных вод
моря
край. Севера
высокогорий
народонаселения
аркология
Экология
личности
человечества
культуры
Этноэкология
Промышленная
(инженерная)
Технологическая
С/хозяйственная
Медицинская
Промысловая
Химическая
Рекреационная
Экология расте-ний:
животных,
микроорг-мов, водн.
орг-мов
Геохимическая
Природопольз-ия
Социальная экология - раздел экологии, исследующий отношения между человеческим обществом и
окружающей географически-пространственной, социальной и культурной средой, прямое и побочное влияние
производственной деятельности на состав и свойства окружающей среды (ОС), экологическое воздействие
антропогенных факторов на здоровье человека и на генофонд человеческих популяций (экология человеческого
сообщества, изучающая взаимоотношение социума и Природы).
Экология человека - комплексная наука, изучающая взаимодействие человека как биосоциального существа
со сложным многокомпонентным окружающим миром, с постоянно усложняющейся динамичной средой обитания.
В последние годы в связи с возникшими глобальными экологическими проблемами особую актуальность
приобрела прикладная экология (направленная на решение практических проблем охраны окружающей среды –
рациональное использование природных ресурсов, защита от загрязнения среды различными загрязняющими
веществами), что необходимо для создания благоприятных условий существования человеческой цивилизации.
Структура классической биоэкологии включает аутэкологию (экологию отдельных организмов), демэкологию
(экологию популяций и видов), синэкологию (экологию сообществ организмов).
Как известно, в настоящее время науки претерпевают как бы два взаимно противоположных процесса. С
одной стороны, происходит их дифференциация - науки распадаются на множество специализированных
направлений, а с другой стороны, - интеграция - многие научные исследования проводятся на стыке наук, на стыке
различных направлений возникают новые науки. Эти процессы не обошли стороной и экологию. Итак, определим уже
названные разделы биоэкологии:
Аутэкология (экология вида). Вид – совокупность особей, обладающих наследственным сходством
морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих
плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих в природе определенную
область – ареал.
Аутэкология изучает взаимоотношения представителя (особи) одного вида с окружающей средой. Иначе
говоря, изучает действие факторов окружающей среды на этот организм и естественные реакции этой особи на них.
Накопленные знания затем распространяются на целый вид и определяют условия существования данного вида.
Демэкология (популяционная экология). Популяция – совокупность свободно скрещивающихся особей
одного вида, которая длительно существует на определенной части ареала относительно обособленно от других
совокупностей этого же вида (сайгаки калмыцкие и казахстанские – разделены Волгой).
Демэкология изучает условия формирования, структуру и динамику группировок, т.е. популяции. Она
изучает колебания численности, устанавливает причины этого явления.
Синэкология (экология сообщества). Сообщество – совокупность живых организмов, представляющих
различные виды, обитающие в определенном ареале.
Синэкология изучает условия жизни организмов, взаимоотношения их между собой, окружающей средой.
Синэкология занимается установлением границ экосистемы, поэтому ее иногда называют биогенециологической
экологией.
Кроме того, выделяют экологию человека, животных, растений и микроорганизмов. В свою очередь эти
группы можно исследовать на уровне особи или сообщества, а можно в воде, почве или атмосфере, в земных
условиях или космических. Живые организмы обитают в условиях тропической, умеренной и полярной зон, а также в
естественных, измененных или антропогенных (созданных человеком) системах, кроме этого можно учитывать
загрязненность или незагрязненность среды.
В экологии выделяют экологию различных систематических групп (экология грибов, экология растений,
экология млекопитающих и т.д.), сред жизни (суши, почвы, моря и т.п.), эволюционную экологию (связь эволюции
видов и сопутствующих экологических условий), ряд прикладных направлений (медицинская, с/х, экологоэкономические науки) и многие другие направления - нет смысла описывать все.
Экология как наука основана на разных отраслях биологии (физиология, генетика, биофизика), связана с
другими науками (физика, химия, математика, география, геология), использует их методы и термины. В связи с этим
появились в последние годы понятия "географическая экология",
"химическая
экология", "математическая
экология", "космическая экология", и "экология человека".
Проблемы экологии носят комплексный, междисциплинарный характер. Ни одна наука не в состоянии
справиться с ними. Все научные направления – гуманитарные, естественные, технические и другие – должны активно
участвовать в их решении.
Каждое научное направление из всего многообразия проблем выбирает те, которые относятся к их предмету.
В результате этого целостная проблема невольно оказывается разобранной по частям. Вместо комплексного,
целостного изучения, получаем некоторую сумму знаний, мало сопоставимых между собой, полученных при помощи
разных методов. Как результат – малоэффективные, дорогостоящие и разрозненные рекомендации по охране
различных частей природы, осуществление которых не дает желаемого результата. Поэтому возникла необходимость
перейти к комплексному, всестороннему исследованию состояния природной среды. Для этого нужна
самостоятельная научная дисциплина, которая формирует проблему, анализирует и систематизирует полученные
данные и выступает в роли единого заказчика, со знанием дела распределяющего свои заказы по различным отраслям
науки.
Глоссарий
УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ
способность оставаться относительно неизменной в течение определенного (достаточно длительного)
периода времени, вопреки внешним и внутренним возмущениям.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ
это способность природной системы (популяции, сообщества или экосистемы) сохранять свою структуру и
функции при воздействии внешних факторов.
УСТОЙЧИВОСТЬ ЭКОСИСТЕМЫ
ее способность к пропорциональному по величине отклику на величину воздействия.
ДЕГРАДАЦИЯ СРЕДЫ
общее ухудшение природной среды жизни человека. Деградация природной системы - ее угнетение,
упрощение структуры.
НАДОРГАНИЗМЕННАЯ СИСТЕМА
саморазвивающаяся и саморегулирующаяся материально-энергетические совокупность, образованная
естественными структурами. Существует как относительно устойчивое целое за счет взаимодействия, распределения
и перераспределения веществ, энергии, информации и обеспечивает преобладание внутренних связей над внешними.
ОКРУЖАЮЩАЯ ПРИРОДНАЯ СРЕДА
естественная среда обитания и деятельности человека и других живых организмов, включающая литосферу,
гидросферу, атмосферу, биосферу и околоземное космическое пространство.
ПРИРОДА
естественный комплекс образований, который не подвергался или подвергался в незначительной степени
влиянию человеческой деятельности.
КАЧЕСТВОМ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
совокупность показателей, характеризующих состояние окружающей природной среды.
ОХРАНА ПРИРОДЫ
деятельность, направленная на сохранение естественной среды обитания живых организмов и совокупности
природных ресурсов в условиях техногенных и других антропогенных нагрузок.
ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
система государственных и общественных мер, направленных на сохранение, воспроизводство и
рациональное использование природных ресурсов, и улучшение состояния природной среды.
Лекция №2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМОВ И СРЕДЫ
Наше знакомство с экологией мы начинаем, пожалуй, с одного из самых разработанных и изученных разделов
- аутэкологии. Как вы помните из первого урока, внимание аутэкологии концентрируется на взаимодействии особей
или групп особей с условиями окружающей их среды. Поэтому ключевым понятием аутэкологии является
экологический фактор, то есть фактор окружающей среды, воздействующий на организм. Никакие природоохранные
мероприятия не возможны без изучения оптимума действия того или иного фактора на данный биологический вид. В
самом деле, как охранять тот или иной вид, если не знать, какие условия жизни он предпочитает. Даже "охрана"
такого вида как человек разумный требует знания санитарно-гигиенических норм, которые есть ни что иное, как
оптимум различных экологических факторов применительно к человеку. Влияние окружающей среды на организм и
называется экологическим фактором. Точное научное определение звучит так: ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР любое условие среды, на которое живое реагирует приспособительными реакциями. Экологический фактор - это
любой элемент среды, оказывающий прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на протяжении
одной из фаз их развития. Условия существования – совокупность экологических факторов, обеспечивающих рост,
развитие и воспроизводство организмов.
По своей природе экологические факторы делят, по крайней мере, на три группы:
абиотические факторы - влияния неживой природы;
биотические факторы - влияния живой природы.
антропогенные факторы - влияния, вызванные разумной и неразумной деятельностью человека
("антропос" - человек).
Человек видоизменяет живую и неживую природу, и берет на себя в известном смысле и геохимическую
роль (например, высвобождая замурованный в виде угля и нефти на многие миллионы лет углерод и выпуская его в
воздух углекислым газом). Поэтому антропогенные факторы по размаху и глобальности своего воздействия
приближаются к геологическим силам.
Классификация экологических факторов
С экологических позиций среда - это природные тела и явления, с которыми организм находится в прямых
или косвенных отношениях. Окружающая организм среда характеризуется огромным разнообразием, слагаясь из
множества динамичных во времени и пространстве элементов, явлений, условий, которые рассматриваются в качестве
факторов.
Экологический фактор - это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на
живые организмы. В свою очередь организм реагирует на экологический фактор приспособительными реакциями.
Экологические факторы среды, с которыми связан любой организм, делятся на 2 категории:
1) Факторы неживой природы (абиотические)
2) Факторы живой природы (биотические)
3) Антропогенные факторы (факторы человеческой деятельности).
Абиотические:
• климатические (свет, влага, давление, температура, движение воздуха)
• почвенные (состав, влагоемкость, плотность, воздухопроницаемость)
• орографические (рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона)
• химические (составы газового воздуха, солевой состав воды, кислотность)
Биотические:
• фитогенные (растения)
• зоогенные (животные)
• микробиогенные (вирусы, бактерии)
• антропогенные (деятельность человека).
Абиотические факторы наземной среды
1) Лучистая энергия солнца.
Солнечная энергия - основной источник энергии на Земле, основа существования живых организмов
(процесс фотосинтеза).
23
Количество энергии у поверхности Земли -21*10
кДж (солнечная постоянная) - на экваторе.
Уменьшается к полюсам примерно в 2,5 раза. Также количество солнечной энергии зависит от периода года,
продолжительности дня, прозрачности атмосферного воздуха (чем больше пыли, тем меньше солнечной энергии). На
основе радиационного режима выделяют климатические пояса (тундра, леса, пустыни и т. д.) (солнечная радиация).
2) Освещение.
Определяется годовой суммарной солнечной радиацией, географическими факторами (состояние
атмосферы, характер рельефа и т. д.). Свет необходим для процесса фотосинтеза, определяет сроки цветения и
плодоношения растений. Растения подразделяются на:
• светолюбивые - растения открытых, хорошо освещаемых мест.
• тенелюбивые - нижние ярусы лесов (зеленый мох, лишайник).
• тепловыносливые - хорошо растут на свету, но и переносят затенение. Легко подстраиваются под световой
режим.
Для животных световой режим не является таким необходимым экологическим фактором, но он необходим
для ориентации в пространстве. Поэтому различные животные имеют различную конструкцию глаз. У
беспозвоночных - самая примитивная, у других - очень сложная. У постоянных обитателей пещер может
отсутствовать. Гремучие змеи видят ИК часть спектра, поэтому охотятся ночью.
3) Температура:
Один из важнейших абиотических факторов, прямо или косвенно влияющий на живые организмы.
Температура
непосредственно
влияет
на жизнедеятельность растений и животных, определяя их
0
активность и характер существования в конкретных ситуациях. Особенно заметное влияние оказывает t на
фотосинтез, обмен веществ, потребление пищи, двигательную активность и размножение. Например, у картофеля
максимальная продуктивность фотосинтеза при +20°С, а при t = 48°С полностью прекращается.
В зависимости от характера теплообмена с внешней средой организмы делятся:
• Организмы, t
0
тела= t
0
окр. среды, т.е. меняется в зависимости от t
0
окр. среды, нет механизма
терморегуляции (эффективного) (растения, рыбы, рептилии...). Растения понижают t
испарения, при достаточном снабжении водой в пустыне - уменьшается t
• Организмы с постоянной t
0
0
0
за счет интенсивного
листьев на 15°С.
тела (млекопитающие, птицы), более высокий уровень обмена веществ.
0
Существует теплоизоляционный слой (мех, перья, жир), t =36-40°C.
0
0
• Организмы с постоянной t (еж, барсук, медведь), период активности - const t тела, зимняя спячка значительно уменьшается (низкие потери энергии).
Также выделяют организмы, способные переносить колебания t0 в широких пределах (лишайники,
млекопитающие, северные птицы) и организмы, существующие
только
при
определенных
t0
(глубоководные организмы, водоросли полярных льдов).
4) Влажность атмосферного воздуха.
Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до высоты 2 км), где концентрируется до 50 о о всей влаги,
0
количество водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит от t воздуха.
5) Атмосферные осадки.
Это дождь, снег, град и т.д. Осадки определяют перемещение и распространение вредных веществ в
окружающей среде. В общем кругообороте воды наиболее подвижны именно атмосферные осадки, т.к. объем влаги в
0
атмосфере меняется 40 раз за год. Основными условиями возникновения осадков являются: t воздуха, движение
воздуха, рельеф.
Существуют следующие зоны в распределении осадков по земной поверхности:
• Влажная экваториальная.
Осадков более 2000 мм/год, например, бассейны рек Амазонка, Конго. Максимальное количество осадков 11684 мм/год - о. Кауан (Гавайские о-ва), 350 дней в году дождь. Здесь располагаются влажные экваториальные леса самый богатый тип растительности (более 50 тысяч видов).
• Сухая зона тропического пояса.
Осадков менее 200 мм/год. Пустыня Сахара и т.д. Минимальное количество осадков - 0,8 мм/год -пустыня
Атакама (Чили, Южная Америка).
• Влажная зона умеренных широт. Осадков более 500 мм/год. Лесная зона Европы и Северная Америка,
Сибирь.
• Полярная область.
0
Незначительное количество осадков до 250 мм/год (низкая t воздуха, низкое испарение). Арктические
пустыни с бедной растительностью.
6) Газовый состав атмосферы.
Состав ее практически постоянен и включает: N 2 -78%, 0 2 -20,9%, СО 2 , аргон и другие газы, частицы
воды, пыль.
7) Движение воздушных масс (ветер).
Максимальная скорость ветра примерно 400 км/час -ураган (штат Нью-Гемпшир, США).
Ветровой напор - направление ветра в сторону меньшего давления. Ветер переносит примеси в атмосфере.
8) Давление атмосферы.
760 мм ртутного столба или 10
5
кПа.
Абиотические факторы почвенного покрова
Почва - это поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате
взаимодействия растений, животных, микроорганизмов, горных пород и является самостоятельной экосистемой.
Важнейшим свойством почвы является плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и развитие растений.
Это свойство представляет исключительную ценность для жизни человека и других организмов. Почва является
составной частью биосферы и энергии в природе, поддерживает газовый состав атмосферы.
Состав почвы: твердые частицы, жидкость (вода), газы (воздух - О 2 , СО 2 ),
растения,
животные,
микроорганизмы, гумус.
Толщина почвы: 0,5м - тундра, горы; 1,5м - на равнинах.
1 см почвы образуется примерно за 100 лет.
Типы почв:
1 Арктические и тундровые (гумус до 1 -3 %)
2 Подзолистые (хвойные леса, гумус до 4-5 %).
3 Черноземы (степь, гумус до 10 %).
4 Каштановые (в сухих степях, гумус до 4%).
5 Серо-бурые (пустыни субтропические пояса, гумус 1-1,5%).
6 Красноземы (влажный субтропический лес, гумус до 6 %).
Гумус - органическое вещество почвы, образующееся в результате биохимического разложения
растительных и животных остатков, которое накапливается в верхнем слое почвы. Главный источник питания
растений. В гумусе также накапливаются микроэлементы. В процессе эксплуатации почв количество гумуса
уменьшается, поэтому необходимо вносить различные удобрения.
Физические свойства:
1. Механический состав - содержание частиц различного диаметра.
2. Плотность.
3. Теплоемкость, теплопроводность.
4. Влагоемкость, влагопроницаемость (у песка выше влагопроницаемость, у глины - влагопроницаемость).
5. Аэрация - способность насыщения почвы воздухом (рыхление почвы).
Химические свойства:
1. Химический состав:
до 50 % SiO 2 - кремнезем
до 25 % Al 2 O 3 - глинозем
до 10 %- оксиды Fe
остальное - оксиды Са, К, Mg, Р и т.д.
2. Кислотность
3. Содержание вредных веществ (пестициды, тяжелые металлы
Влияние кислотности на растения:
и т.д.)
• Обитают на кислых почвах (рН < 6,7) карликовая береза, хвощ, некоторые мхи
• Нейтральные (рН 6,7 - 7,0) большинство культурных растений
• На щелочных почвах (рН > 7,0) степные и пустынные растения (лебеда, полынь...)
• Могут расти на любой почве (ландыш, вьюн, земляника лесная)
Абиотические факторы водной среды
Водная оболочка Земли называется гидросферой, и включает океаны, моря, реки, озера, болота, ледники и т.
д. Вода занимает преобладающую часть биосферы Земли (71 % земной поверхности). Средняя глубина - 3554м, вес
0,022 % веса планеты, площадь - 1350 млн. кв. км -океаны, 35 млн. кв. км - пресные воды.
Абиотические факторы водной среды - это физические и химические свойства воды как среды обитания
живых организмов.
Физические свойства:
1. Плотность.
Плотность как экологический фактор определяет условия передвижения организмов, причем некоторые из
них (головоногие моллюски, ракообразные и т.д.), обитающие на больших глубинах, могут переносить давление до
400 - 500 атмосфер. Плотность воды также обеспечивает возможность опираться на нее, что особенно важно для
бесскелетных форм (планктон).
2. Температура.
Изменение t° в зависимости от глубины и колебания (суточные и сезонные).
Температурный режим водоемов более устойчив, чем на суше, что связано с высокой теплоемкостью
воды. Например, колебания t° верхних слоев океана -10-15°С, более глубокие слой 3 -4°С.
3. Световой режим.
Играет важную роль в распределении водных организмов. Водоросли в океане обитают в освещаемой зоне,
чаще всего на глубине до 40 м, если прозрачность воды велика, то и до 200 м. У Багамских островов обнаружены
водоросли на глубине 265 м, а туда доходит всего 5*10-6 солнечной радиации.
С глубиной меняется и окраска животных. Наиболее ярко и разнообразно окрашены обитатели мелководной
части океана. В глубоководной зоне распространена красная окраска, здесь она воспринимается, как черный цвет, что
позволяет животным скрываться от врагов. В наиболее глубоководных районах Мирового океана в качестве
источника света организмы используют свет, испускаемый живыми существами (биолюминесценция).
4. Подвижность - постоянное перемещение водных масс в пространстве.
5. Прозрачность.
Зависит от содержания взвешенных частиц. Самое чистое - море Уэддела в Антарктиде, видимость 80м
(прозрачность дистиллированной воды).
Химические свойства:
1.Соленость воды - содержание растворенных сульфатов, хлоридов, карбонатов. В океане 35 г/л солей.
Черное море - 19 г/л.
Пресноводные виды не могут обитать в морях, а морские - в реках. Однако, такие рыбы, как лосось, сельдь
всю жизнь проводят в море, а для нереста поднимаются в реки.
2. Количество растворенного О 2 и СО 2 . О 2 - для дыхания.
3. Кислая, нейтральная, щелочная среда.
Все обитатели приспособились к определенным кислотно-щелочным условиям. Их изменение в результате
загрязнения может привести к гибели организмов.
Биотические факторы
Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности
жизнедеятельность других, а также на неживую природу.
одних организмов на
Классификация биотических взаимодействий:
1 Нейтрализм - ни одна популяция не влияет на другую.
2 Конкуренция - это использование ресурсов (пищи, воды, света, пространства) одним организмом,
который тем самым уменьшает доступность этого ресурса ддя другого организма.
Конкуренция бывает внутривидовая и межвидовая. Если
численность
популяции
невелика,
то
внутривидовая конкуренция выражена слабо и ресурсы имеются в изобилии. При высокой плотности популяции
интенсивная внутривидовая конкуренция снижает наличие ресурсов до уровня, сдерживающего дальнейший рост, тем
самым регулируется численность популяции.
Межвидовая конкуренция - взаимодействие между популяциями, которое неблагоприятно сказывается на их
росте и выживаемости. При завозе в Британию из Северной Америки каролинской белки уменьшилась численность
обыкновенной белки, т.к. каролинская белка оказалась более конкурентоспособной.
Конкуренция бывает прямая и косвенная.
Прямая - это внутривидовая конкуренция, связанная с борьбой за место обитания, в частности защита
индивидуальных участков у птиц или животных, выражающейся в прямых столкновениях. При недостатке ресурсов
возможно поедание животных особей своего вида (волки, рыси, хищные клопы, пауки, крысы, щука, окунь и т.д.)
Косвенная между кустарниками и травянистыми растениями в Калифорнии. Тот вид, который
обосновался первым, исключает другой тип. Быстро растущие травы с глубокими корнями снижали содержание влаги
в почве до уровня непригодного для кустарников. А высокой кустарник затенял травы, не давая им произрастать из-за
нехватки света.
3 Паразитизм - один организм (паразит) живёт за счёт питания тканями или соками другого организма
(хозяина), тесно связан в своём жизненном цикле. Паразитов различают по месту обитания:
• находятся на поверхности хозяина. Блохи, вши, клещи - животные. Тля, мучнистая роса - растения. У
паразита имеются специальные приспособления (крючки, присоски и т.п.)
• внутри хозяина. Вирусы, бактерии, примитивные грибы - растения. Глисты - животные. Высокая
плодовитость. Не приводят к гибели хозяина, но угнетают процессы жизнедеятельности
4 Хищничество - поедание одного организма (жертвы) другим организмом (хищником).
Хищники могут поедать травоядных животных, и также слабых хищников. Хищники обладают широким
спектром питания, легко переключаются с одной добычи на другую более доступную.
Хищники часто нападают на слабые жертвы. Норка уничтожает больных и старых ондатр, а на взрослых
особей не нападает.
Поддерживается экологическое равновесие между популяциями жертва-хищник.
5 Симбиоз - сожительство двух организмов разных видов при котором организмы приносят друг другу
пользу. По степени партнерства симбиоз бывает:
Комменсализм - один организм питается за счет другого, не нанося ему вреда. Рак - актиния. Актиния
прикрепляется к раковине, защищая его от врагов, и питается остатками пищи.
Мутуализм - оба организма получают пользу, при этом они не могут существовать друг без друга.
Лишайник - гриб + водоросль. Гриб защищает водоросль, а водоросль кормит его.
В естественных условиях один вид не приведёт к уничтожению другого вида.
В качестве хрестоматийного примера опосредованного действия экологических факторов приводят так
называемые птичьи базары, представляющие собой огромные скопления птиц. Высокая плотность птиц объясняется
целой цепочкой причинно-следственных связей. Птичий помет попадает в воду, органические вещества в воде
минерализуются бактериями, повышенная концентрация минеральных веществ приводит к повышению численности
водорослей, а вслед за ними - и зоопланктона. Низшими ракообразными, входящими в зоопланктон, питаются рыбы, а
рыбами - птицы, населяющие птичий базар. Цепочка замыкается. Птичий помет выступает в качестве экологического
фактора, опосредованно повышающего численность колонии птиц.
Как же сопоставлять действие столь разных по природе факторов? Несмотря на огромное множество
факторов, из самого определения экологического фактора как элемента среды, оказывающего влияние на организм,
следует нечто общее. А именно: действие экологических факторов всегда выражается в изменении жизнедеятельности
организмов, а в конечном итоге, - приводит к изменению численности популяции. Это и позволяет сравнивать
действие различных экологических факторов.
Стоит ли говорить, что действие фактора на особь определяется не природой фактора, а его дозой. В свете
сказанного выше, да и простого жизненного опыта, становится очевидным, что эффект определяет именно доза
фактора. Действительно, что такое фактор "температура"? Это в достаточной степени абстракция, а вот если сказать,
что температура -40 по Цельсию - тут уже не до абстракций, поскорее бы закутаться во все теплое! С другой стороны,
+50 градусов нам покажутся не многим лучше.
Таким образом, фактор воздействует на организм определенной дозой, и среди этих доз можно выделить
минимальные, максимальные и оптимальные дозы, а также те значения, при которых жизнь особи прекращается (их
называют летальными, или смертельными).
Лимитирующие факторы
Мы рассмотрели существующие многообразие экологических факторов, а также обратили внимание на то
общее, что и позволяет относить эти факторы к экологическим. Как мы отмечали, основной особенностью
экологического фактора является его воздействие на жизнедеятельность организмов и возможность выделить
оптимальные, пессимальные и летальные дозы воздействия экологического фактора.
Не все экологические факторы (свет, температура, влажность, наличие солей) одинаково важны для
успешного выживания организмов. Взаимоотношения организма со средой представляют собой сложный процесс, в
котором можно выделить наиболее слабые, «уязвимые» звенья. Те факторы, которые являются критическими для
жизнедеятельности организма, называются лимитирующими.
Любой экологический фактор, приближающийся к верхней или нижней границе диаграммы выживания,
называется лимитирующим.
На какие экологические факторы из всего их многообразия прежде всего обращает внимание исследователь?
Нередко перед исследователем стоит задача выявить те экологические факторы, которые угнетают жизнедеятельность
представителей данной популяции, ограничивают рост и развитие. Например, необходимо выяснить причины
снижения урожая или причины вымирания естественной популяции.
При всем многообразии экологических факторов и сложностях, возникающих при попытке оценить их
совместное (комплексное) воздействие, важно, что составляющие естественный комплекс факторы имеют
неодинаковую значимость. Еще в 19 веке химик Юстус фон Либих (Liebig, 1840), изучая влияние различных
микроэлементов на рост растений, установил: рост растений ограничивается элементом, концентрация которого
лежит в минимуме (урожай часто лимитируется не теми элементами питания, которые требуются в больших
количествах (двуокись углерода и вода, которые присутствуют в среде в изобилии), а теми, которые требуются в
ничтожнейших количествах (цинк), которого в почве очень мало). Так он сформулировал закон, который носит
название «закон Либиха»: «Рост растений зависит от того элемента питания, который присутствует в минимальном
количестве».
Закон относится ко всем влияющим на организм биотическим и абиотическим факторам и применим к
растениям, животным и человеку. Фактор, находящийся в недостатке, был назван лимитирующим. Образно это
положение помогает представить так называемая "бочка Либиха".
Представьте себе бочку, в которой деревянные рейки по бокам разной высоты, как это
показано на рисунке. Понятно, какой бы высоты ни были остальные рейки, но налить воды в бочку
вы сможете ровно столько, какова длина самой короткой рейки (в данном случае - 4 плашка).
Остается только "подменить" некоторые термины: высота налитой воды пусть будет какой-либо
биологической или экологической функцией (например, урожайностью), а высота реек будет указывать на степень
отклонения дозы того или иного фактора от оптимума.
В настоящее время закон минимума Либиха трактуется более широко. Лимитирующим фактором может
быть фактор, находящийся не только в недостатке, но и в избытке.
Экологический фактор играет роль лимитирующего фактора, если данный фактор находится ниже
критического уровня или превосходит максимально выносимый уровень.
По сложившимся представлениям, лимитирующим считают такой фактор, который присутствует как в
избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма.
Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, но и избыток таких, например, факторов, как
тепло, свет, вода. Следовательно, организмы характеризуются экологическим минимумом и экологическим
максимумом. Диапазон между этими величинами принято называть пределами толерантности. Представление о
лимитирующем влиянии максимуме показал в своих работах американский ученый Шелфорд и он же сформулировал
в 1913 г. этот принцип как закон толерантности (закон лимитирующего фактора): диапазон между экологическим
минимумом и экологическим максимумом составляет пределы устойчивости, т.е. толерантности данного организма.
Например, при недостатке воды в почве ассимиляция растением минеральных веществ затруднена, но и при избытке
воды возникают процессы гниения, закисания почвы.
Лимитирующий фактор обуславливает ареал распространения вида или (при менее суровых условиях)
сказывается на общем уровне обмена веществ. Например, содержание фосфатов в морской воде является
лимитирующим фактором, определяющим развитие планктона и в целом продуктивность сообществ.
Понятие "лимитирующий фактор" применимо не только к различным элементам, но и ко всем
экологическим факторам. Нередко в качестве лимитирующего фактора выступают конкурентные отношения.
У каждого организма в отношении различных экологических факторов существуют пределы выносливости.
В зависимости от того, насколько широки или узки эти пределы, различают эврибионтные и стенобионтные
организмы. Эврибионты способны выносить широкую амплитуду интенсивности различных экологических факторов.
Скажем, ареал обитания лисицы - от лесотундры до степей. Стенобионты, напротив, переносят лишь очень узкие
колебания интенсивности экологического фактора. Например, практически все растения влажных тропических лесов стенобионты.
Нередко указывают, какой именно фактор имеется в виду. Так, можно говорить об эвритермных
(переносящих большие колебания температуры) организмах (многие насекомые) и стенотермных (для растений
тропических лесов колебания температуры в пределах +5...+8 0С может быть губительными); эври/стеногалинных
(переносящих/непреносящих колебания солености воды); эври/стенобатных (живущих в широких/узких пределах
глубины водоема) и так далее.
Возникновение в процессе биологической эволюции стенобионтных видов можно рассматривать как форму
специализации, при которой большая эффективность достигается в ущерб адаптивности.
Взаимодействие факторов. ПДК
При независимом действии экологических факторов достаточно оперировать понятием "лимитирующий
фактор", чтобы определить совместное воздействие комплекса экологических факторов на данный организм. Однако в
реальных условиях экологические факторы могут усиливать или ослаблять действие друг друга. Например, мороз в
Кировской области переносится легче, что в С.-Петербурге, так как в последнем выше влажность.
Учет взаимодействия экологических факторов - важная научная проблема. Можно выделить три основные
вида взаимодействия факторов:
аддитивное - взаимодействие факторов представляет собой простую алгебраическую сумму эффектов
каждого из факторов при независимом действии;
синергетическое - совместное действие факторов усиливает эффект (то есть эффект при их
совместном действии больше простой суммы эффектов каждого фактора при независимом действии);
антагонистическое - совместное действие факторов ослабляет эффект (то есть эффект при их
совместном действии меньше простой суммы эффектов каждого фактора).
Почему так важно знать о взаимодействии экологических факторов? В основе теоретического обоснования
величины предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязнителей или предельно допустимых уровней (ПДУ)
воздействия загрязняющих агентов (например, шума, радиации) лежит закон лимитирующего фактора. ПДК
устанавливается экспериментально на уровне, при котором в организме еще не происходят патологические
изменения. При этом существуют свои трудности (например, чаще всего приходится экстраполировать на человека
данные, полученные на животных). Однако речь сейчас не о них.
Нередко приходится слышать, как природоохранные органы радостно рапортуют о том, что уровень
большинства загрязнителей в атмосфере города находится в пределах ПДК. А органы госсанэпиднадзора в это же
время констатируют повышенный уровень респираторных заболеваний у детей. Объяснение может быть таким. Не
секрет, что многие атмосферные загрязнители обладают сходным эффектом: раздражают слизистые оболочки верхних
дыхательных путей, провоцируют респираторные заболевания и т.д. И совместное действие этих загрязнителей дает
аддитивный (или синергетический) эффект.
Поэтому в идеале при разработке норм ПДК и при оценке существующей экологической ситуации должно
учитываться взаимодействие факторов. К сожалению, практически это бывает очень сложно сделать: трудно
спланировать такой эксперимент, трудно оценить взаимодействие, плюс ужесточение ПДК имеет отрицательные
экономические эффекты.
Адаптация живых организмов к экологическим факторам
На уровне сообществ и даже видов известно явление компенсации факторов, под которым понимают
способность приспосабливаться (адаптироваться) к условиям среды так, чтобы ослабить лимитирующее влияние
температуры, света, воды и других физических факторов.
Адаптация – эволюционно выработанные и наследственно закрепленные особенности живых организмов,
обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в условиях динамичных экологических факторов. Другими словами,
это процесс приспособления организмов к определенным условиям окружающей среды.
Любой живой организм может обитать лишь там, где режимы экологических факторов соответствуют
необходимым условиям. Особи, не приспособленные к данным или изменяющимся условиям, вымирают.
Рассмотрим некоторые примеры адаптаций:
1) Морфологические адаптации. Пример – строение организмов, обитающих в воде, в частности,
приспособления к быстрому плаванию у китообразных, приспособления к парению в воде у планктонных организмов.
Растения в пустынях лишены листьев, и их строение наилучшим образом приспособлено к минимальным потерям
влаги.
2) Физиологические адаптации, заключаются, например, в том, что обитатели пустынь способны
обеспечивать потребность во влаге путем биохимического окисления жиров. Биохимические процессы фотосинтеза
отражают способность растений создавать из неорганических веществ органические в условиях строго определенного
газового состава атмосферного воздуха. Состав пищи определяет особенности ферментативного набора в
пищеварительном тракте животных.
3) Поведенческие адаптации. Приспособительное поведение может проявляться у хищников в процессе
выслеживания и преследования добычи, а у жертв – в ответных реакциях (затаивание, например). Некоторые
насекомые отпугивают хищников и паразитов резкими движениями. Существуют формы приспособительного
поведения животных, направленные на обеспечение нормального теплообмена с окружающей средой: создание
убежищ, передвижение с целью выбора оптимальных температурных условий, особенно в условиях экстремальных
температур.
Виды с широким географическим распространением почти всегда образуют адаптированные к местным
условиям популяции – экотипы.
Совокупность на определенной территории абиотических факторов называют экотоп; совокупность живых
организмов — биоценоз; место обитания организмов – биотоп. В свою очередь, экотоп состоит из совокупности
климатических (климатоп) и почвенно-грунтовых (эдафотоп) факторов, а биоценоз включает сообщества животных
(зооценоз), растений (фитоценоз) и микроорганизмов (микробоценоз).
Все многообразие отношений организмов подразделяется на антагонистические и неантагонистические. При
антагонистических один организм подавляет другой (хищничество, паразитизм, конкуренция). Но многие виды в
природе могут спокойно уживаться друг с другом, т.к. каждый вид обладает своей собственной экологической нишей.
Экологическая ниша – совокупность территориальных и функциональных характеристик среды обитания,
соответствующих требованиям данного вида: пищи, условий размножения и т.д. (каждый вид занимает определенное
положение в составе экосистемы и выполняет определенные функции, обеспечивающие стабильность его позиций и
стабильность биоценоза и экосистемы в целом, это положение и есть экологическая ниша).
Лекция №3. ЭКОСИСТЕМА
ПОПУЛЯЦИЯ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
Все живые организмы существуют только в форме популяций.
Популяцией называют совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, внутри
которого осуществляется та или иная степень обмена генетической информацией (панмиксия) (совокупность особей
одного вида, способная к самовоспроизведению, более или менее изолированная в пространстве и во времени от
других аналогичных совокупностей того же вида).
Каждая популяция имеет определенную структуру: возрастную (соотношение особей разного возраста),
сексуальную (соотношение полов), пространственную (колонии, семьи, стаи и т.п.). Кроме того, каждая популяция,
обитающая в том или ином месте, имеет определенную численность и амплитуду колебаний этой численности.
Структура популяции, ее численность и динамика численности определяется экологической нишей данного вида, а
именно: соответствием условий местообитания (т.е. режима факторов среды) требованиям (т.е. толерантности),
слагающих популяцию организмов.
Поэтому, прямо или косвенно влияя на животный и растительный мир, человек всегда воздействует на
популяции, меняет их параметры и структуру, зачастую нарушая их соответствие реальным режимам
экологических факторов. В ряде случаев это может привести к гибели популяции.
Типичный пример — резкое снижение численности многих животных, которые ныне занесены в Красную
книгу и рассматриваются как исчезающие или находящиеся на грани уничтожения. Их крайне низкая численность
исключает возможность случайного (в статистическом смысле) скрещивания, а значит, и не дает материала для
естественного отбора. Крайний случай — это уничтожение (геноцид) вида, особенно если вид состоит из одной
популяции. Так произошло со стеллеровой коровой, странствующим голубем, европейским быком — туром.
Охрана природы, таким образом, должна состоять в таком сохранении режимов экологических факторов,
при котором не разрушаются экологические ниши, обеспечивается нормальное функционирование популяций живых
организмов, соответствие их состава и структуры конкретным условиям обитания.
Основные параметры популяции — ее численность и плотность.
Численность популяции — это общее количество особей на данной территории или в данном объеме.
Популяции могут быть более или менее многочисленными: у одних видов они представлены десятками
экземпляров, у других — десятками тысяч. Популяции бактерий или простейших в активном иле аэротенков
(устройство для очистки сточных вод) состоят из миллиардов особей.
Для того, чтобы сравнить численность одной и той же популяции в разные отрезки времени, например, в
разные годы, пользуются таким относительным показателем, как плотность популяции.
Плотность популяции — численность популяции, отнесенная к единице занимаемого ею пространства или
среднее число особей на единицу площади или объема.
Так, плотность популяции лося и других теплокровных животных определяется количеством особей,
приходящихся на 10 тыс. га. население почвенных беспозвоночных соотносится с квадратным метром. При
характеристике популяций микроорганизмов в активно иле используют количество особей в 1 см3.
В конкретный момент времени численность особей в популяции отражает ее рождаемость и смертность. В
зависимости от соотношения этих показателей говорят о балансе популяции. Если рождаемость выше, чем
смертность, то популяция численно растет и наоборот.
Рождаемость популяции — численно выраженная способность популяции к увеличению, или количество
особей, родившихся за определенный период.
Эта способность зависит от множества факторов: соотношения в популяции самцов и самок, количества
половозрелых особей, плодовитости, числа поколений в году, обеспеченности кормом, влияния погодных условий и
др. Низкая плодовитость, характерная для тех видов, которые проявляют большую заботу о потомстве, и, наоборот,
высокая плодовитость говорит о плохих условиях выживания. Например, рыба-луна, которая совершенно не
заботится о своем потомстве, откладывает порядка 300 млн. икринок. Некоторые насекомые способны давать 2-3
поколения в год, т.е. 2-3 раза в году откладывают яйца в количестве нескольких сотен; мышевидные грызуны, с периодом беременности около месяца и коротким периодом становления половой зрелости, дают 5-6 поколений;
крупные теплокровные животные вынашивают плод несколько месяцев, достигают способности к воспроизводству на
3-4-й год и рождают всего 1-2 детенышей. Бактерии и простейшие, размножающиеся делением, повторяют этот акт
многократно в течение нескольких часов.
Смертность популяции (С) — это количество особей, погибших за определенный период.
Она бывает очень высокой и изменяется в зависимости от условий среды, возраста и состояния популяции. У
большинства видов смертность в раннем возрасте всегда бывает выше, чем у взрослых особей. Однако встречаются и
такие виды, у которых смертность приблизительно одинакова во всех возрастах или преобладает у особей старших
возрастов (рис.).
Факторы смертности очень разнообразны. Она может быть вызвана влиянием абиотических факторов (низкие
и высокие температуры, ливневые осадки и град, избыточная и недостаточная влажность и др.) биотическими
факторами (отсутствие корма, инфекционные заболевание, враги и т.д.), в том числе и антропогенными (загрязнение
окружающей среды, уничтожение животных, вырубка деревьев и др.).
Учитывая в тех или иных практических задачах численность популяции, всегда имеют дело с выжившими
на данный момент времени особями. Поэтому фактической характеристикой состояния популяции является
выживаемость. Под выживаемостью понимается доля особей в популяции, доживших до определенного момента
времени или до возраста размножения. Кривые выживания, приведенные на рис. отображают естественную
смертность в каждой популяции.
Мы сталкиваемся с этим в реальной жизни. Например, ведем борьбу с грызунами с помощью ядов.
Стопроцентного уничтожения вредителей никогда не удается достичь. Кто-то засел в норе, кто-то был за пределами
зон обработки. И вот эти уцелевшие единичные представители через некоторое время, усиленно размножаясь, восстанавливают численность популяции.
Следовательно, всегда существует предельно высокая (К) и низкая (М) численность и плотность популяции,
переступить которые для популяции невозможно.
После достижения предела К наступает массовая гибель особей, возвращающая численность популяции к
некоторому нижнему пределу, после чего нарастание может начаться вновь (рис.В). Подобные колебания
численности около среднего значения (предельной биотической нагруженности среды) типичны для многих
животных.Итак, тип динамики популяции отражает соответствие требований организма реальным условиям
окружающей среды. Антропогенные воздействия способны существенно влиять на динамику популяций, отклоняя
сложившиеся исторически типы от установившейся нормы.
ЭКОСИСТЕМЫ
В предыдущих уроках мы много говорили о том, что любой вид, любая популяция и даже отдельная особь
живут не изолированно от среды своего обитания, а напротив, испытывают многочисленные взаимные влияния.
Живые организмы влияют друг на друга (вспомнить хотя бы влияние плотности популяции на темп ее роста), на среду
своего обитания (например, почва, которую мы выделяли как отдельную среду жизни, является продуктом
деятельности живых организмов), а также испытывают действие внешних факторов - как в эволюционном, так и в
индивидуальном плане.
Поэтому нет ничего удивительного в том, что сообщества взаимодействующих живых организмов
представляют собой не случайный набор видов, а вполне определенную систему, достаточно устойчивую, связанную
многочисленными внутренними связями, с относительно постоянной структурой и взаимообусловленным набором
видов. Такие системы принято называть биотическими сообществами, или биоценозами (что в переводе с латыни и
означает "биологическое сообщество"), а системы, включающие живых организмов и среду их обитания, экосистемами.
Таким образом, экосистема - это совокупность взаимодействующих видов растений, животных, грибов,
микроорганизмов, взаимодействующих между собой и с окружающей их средой таким образом, что такое сообщество
может сохраняться и функционировать необозримо длительное время. Биотическое сообщество (биоценоз) состоит из
сообщества растений (фитоценоз), сообщества животных (зооценоз), сообщества микроорганизмов (микробоценоз).
Все организмы Земли и среда их обитания также представляют собой экосистему высшего ранга - биосферу.
Биосфера также обладает устойчивостью и другими свойствами экосистемы.
Каждый вид в биотическом сообществе играет определенную экологическую роль. Ученые к настоящему
времени не описали и десятой части всех населяющих планету видов, особенно плохо изучены насекомые и
микроорганизмы. В то же время предполагают, что микроорганизмы могут играть ведущую роль в поддержании
устойчивости всей биосферы. В связи с малой изученностью того, какова роль каждого отдельного вида, нельзя
наверняка утверждать, что вымирание одного-единственного вида не будет иметь серьезных последствий для
устойчивости экосистемы или всей биосферы. С этим связана известная "экологическая поговорка" Б. Коммонера:
"Природа знает лучше". Иными словами, изменять что-то в природных сообществах и при этом не знать точно, как
"работает" природа, - кажется не самым разумным подходом.
Вернемся к взаимодействию видов, составляющих биоценоз. Эти виды связаны многочисленными связями,
поэтому изменение численности или исчезновение одного вида может необратимо сказаться на других видах. Между
видами отмечают как пищевые (связанные с использованием в пищу одних видов другими), так и непищевые связи.
Непищевые взаимоотношения между видами чрезвычайно многообразны: одни виды являются средой обитания для
других; ряд видов помогают другим перемещаться в пространстве или распространять семена. Иногда продолжение
рода невозможно без участия других видов: например, для размножения многих цветковых растений необходимо
участие опыляющих насекомых.
Знание о функционировании экосистем, механизмах их устойчивости чрезвычайно важно для понимания роли
человека в биосфере, планирования природоохранной деятельности и определения оптимальных нагрузок на
естественные экосистемы. Такие важные понятия как биологическое разнообразие, устойчивость биосферы
теснейшим образом связаны с пониманием того, как устроены экосистемы и почему они устойчивы. Всеми этими
вопросами занимается синэкология - то есть экологии биотических сообществ.
Концепция экосистемы - основной функциональной единицы в экологии – лежит в основе экологии.
Экосистема – сообщество живых организмов и среда их обитания, которые функционируют совместно, т.е. обмен
вещества и энергии происходит во взаимной связи.
Биосфера - сумма экосистем, включающая все живые организмы, взаимосвязанные с физической средой
Земли.
Близким или даже аналогичным понятию экосистемы является понятие биоценоза. Биоценоз – совокупность
всех популяций биологических видов, принимающих существенное участие в функционировании данной экосистемы.
Функционирование биоценоза осуществляется в определенных условиях среды и ограничивается
определенным пространством, которое называется биотоп. Совокупность биоценоза и биотопа называют
биогеоценозом.
Биотоп - местообитание, занятое одним и тем же сообществом. Примеры биотопов – лесопарк, прибрежная
отмель, склон оврага.
Основополагающим объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней организации
материи: живые организмы, популяции, сообщества, экосистемы и экосфера.
Живой организм – это любая форма жизнедеятельности.
Популяция – это группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе (местообитании).
Примерами популяций являются все окуни в пруду, белки в лесах Московской области, население в
отдельной стране или население Земли в целом.
Вид – это совокупность популяций особей, представители которых фактически или потенциально
скрещиваются друг с другом в естественных условиях.
Каждый организм или популяция имеет свое местообитание: местность или тип местности, где они
проживают. Когда несколько популяций различных видов живых организмов живут в одном месте и взаимодействуют
друг с другом, они создают так называемое сообщество, или биологическое сообщество. Таким образом, сообщество комплекс взаимосвязанных популяций разных видов, обитающих на определенной территории с более или менее
однородными условиями существования.
Экосистема – это совокупность сообществ, взаимодействующих с химическими и физическими факторами,
создающими неживую окружающую среду. Другими словами, экосистема - это система, образуемая биотическим
сообществом и абиотической средой.
Переходная область между двумя смежными экосистемами называется экотон .
Главные экосистемы суши, такие, как леса, степи и пустыни, называются наземными экосистемами, или
биомами. Экосистемы гидросферы называются водными экосистемами.
Примерами таких экосистем являются пруды, озера, реки, открытый океан, коралловые рифы и т.п. Все
экосистемы Земли составляют экосферу.
Экосфера – совокупность живых и неживых организмов (биосфера), взаимодействующих друг с другом и со
своей неживой средой обитания (энергией и химическими веществами) в планетарном масштабе.
Состав экосистемы представлен абиотическими компонентами неживой природы и биотическими
компонентами живой природы.
I. Абиотические компоненты экосистем.
Экосистема состоит из различных живых и неживых компонентов. Неживые, или абиотические, компоненты
экосистемы включают различные физические и химические факторы. К важным физическим факторам относятся:
a.
солнечный свет;
b.
тень;
c.
испарение;
d.
ветер;
e.
температура;
f.
водные течения.
Главными химическими факторами являются питательные элементы и их соединения в атмосфере,
гидросфере и земной коре, необходимые в больших или малых количествах для существования, роста и размножения
организмов.
Наиболее важные для жизни химические элементы, необходимые в больших количествах, называются
макроэлементами (С, О, Н, N, P, S, Ca, Mg, K, Na).
Элементы, необходимые для жизни в малых или следовых количествах – микроэлементы (Fe, Cu, Zn, Cl).
II. Биотические компоненты экосистем.
Основные типы организмов, которые формируют живые, или биотические, компоненты экосистемы, принято
подразделять по преобладающему способу питания на продуцентов, консументов и редуцентов.
1) Продуценты (автотрофы) - это организмы, производящие органические соединения из неорганических.
Продуценты (в большинстве своем зеленые растения) создают органические вещества в процессе фотосинтеза или
хемосинтеза. Эти органические вещества используются продуцентами как источник энергии и как строительный
материал для клеток и тканей организма.
Фотосинтез - превращение зелеными растениями лучистой энергии Солнца в энергию химических связей и
органические вещества. Световая энергия, поглощаемая зеленым пигментом (хлорофиллом) растений, поддерживает
процесс их углеродного питания. Реакции, в которых поглощается световая энергия, называются эндотермическими
(эндо - внутрь). Энергия солнечного света аккумулируется в форме химических связей.
Хемосинтез – преобразование неорганических соединений в питательные органические вещества в
отсутствие солнечного света, за счет энергии химических реакций.
Только продуценты способны сами производить для себя пищу. Более того, они непосредственно или
косвенно обеспечивают питательными элементами консументов и редуцентов.
2) Консументы (гетеротрофы) – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию,
питаясь живыми организмами - продуцентами или другими консументами.
Животные питаются органическими веществом, используя его как источник энергии и материал для
формирования своего тела. Т.е. зелёные растения продуцируют пищу для других организмов экосистемы. К
консументам относятся рыбы, птицы, млекопитающие и человек.
Животные, питающиеся непосредственно растениями, называются первичными консументами
(растительноядные). Их самих употребляют в пищу вторичные консументы (хищники). Бывают консументы третьего,
четвёртого и более высоких порядков. Заяц ест морковь - первичный консумент, лиса, съевшая зайца, - вторичный
консумент. Человек ест овощи - первичный консумент, а мясо - вторичный, хищную рыбу (щуку) - третьего порядка.
Т.е. организм может соответствовать различным уровням и называется- всеядный.
В зависимости от источников питания консументы подразделяются на три основных класса:
- фитофаги (растительноядные) – это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми
растениями. Например, птицы едят семена, почки и листву.
- хищники (плотоядные) – консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными
животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питающиеся только плотоядными животными.
- эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами
являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек.
3) Редуценты (миксотрофы) – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию
питаясь останками мертвых организмов (животных, растений). Эти организмы (бактерии, грибы, простейшие) в
процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки до минеральных веществ.
Существует два основных класса редуцентов:
- детритофаги – это организмы, которые питаются мёртвыми растительными и животными остатками
(опавшие листья, фекалии, мёртвые животные - это называется детрит).
Это шакалы, грифы, гиены, черви, раки, термиты, муравьи, дождевые черви, грибы, бактерии и т.д. Их
главная роль - питаясь мёртвой органикой, детритофаги разлагают её. Отмирая, сами становятся частью детрита.
- деструкторы – разлагают мертвую органическую материю на простые неорганические соединения (процесс
гниения и разложения). Примером могут служить грибы и микроскопические одноклеточные бактерии.
Организмы разных групп по-разному реагируют на антропогенное загрязнение среды обитания, т.е. обладают
разной чувствительностью к антропогенному воздействию. Редуценты вынуждены перерабатывать не только
естественные продукты жизнедеятельности продуцентов и консументов, но и химические вещества, попадающие в
экосистему вследствие антропогенных воздействий. Обычно по мере увеличения количества органического вещества
в среде одновременно увеличивается и число организмов, которые его минерализуют, причем всегда этот процесс
идет с опозданием. Однако эта закономерность прослеживается не всегда. Если химические вещества обладают
токсическими свойствами, редуценты могут не справиться с очисткой от загрязнения, нарушаются процессы
самоочищения, что отрицательно сказывается на устойчивости экосистемы и приводит к ее преобразованию. Т.о.
соотношение организмов в группах и стабильность экосистем существенно зависят от деятельности человека.
Антропогенное загрязнение грозит изменением и разрушением эко- и геосистем. Следовательно, охрана природы на
данном этапе достаточно актуальна.
По типу питания все продуценты являются автотрофами - сами производят органические вещества из
неорганических. Консументы и редуценты по типу питания являются гетеротрофами - питаются органическим
веществом, произведенным другими живыми организмами.
Биологическая продуктивность экосистемы – скорость образования первичной продукции, т.е. количество
биомассы, образующейся в единицу времени.
Лекция №4. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ
Учение о биосфере Земли — одно из крупнейших и наиболее интересных обобщений современного
естествознания. Оно является научной основой для исследования природных объектов и комплексного подхода при
организации современного производства.
Землю нередко сравнивают с космическим кораблем, а человека — с пассажиром. В бескрайних просторах
космоса, в известной нам части Вселенной, только одна Земля — планета жизни. И только на ней могут жить люди.
Системой жизнеобеспечения для них является биосфера — область существования «живого вещества — совокупности живых организмов».
Жизнь на планете протекает и развивается лишь в тонком слое атмосферы, гидросферы и литосферы. Вот эту
тонкую земную оболочку, населенную организмами, принято называть биосферой.
Биосфера — область «жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором обитают живые
существа.
Перед современным обществом стоит задача сохранить природные богатства сегодня и предупредить
отрицательные последствия в будущем. Для этого необходимо изучить многообразные процессы, постоянно
протекающие в природе. Основой является учение о биосфере Земли.
Величие В.И. Вернадского в том, что он впервые понял и научно обосновал единство человека и биосферы.
Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) — крупный отечественный ученый, минералог и кристаллограф,
один из основоположников геохимии и биогеохимии. Основные его идеи по проблеме биосферы сложились в начале
текущего столетия: он излагал их в лекциях в Париже. В 1925 г. появилась статья В.И. Вернадского «Ход жизни в
биосфере», а в 1926 г. вышла книга «Биосфера». Затем различные стороны учения В.И. Вернадский неоднократно
рассматривал в статьях и в большой, опубликованной только через 20 лет после его смерти, монографии «Химическое
строение биосферы Земли и ее окружения».
Суть этого учения: биосфера - это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в
значительной мере определяется деятельностью живых организмов.
Рассмотрим некоторые самые основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере.
Прежде всего, В.И. Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли.
Биосфера (греч. «биос» — жизнь; «сфера» — шар) — оболочка Земли, в которой развивается жизнь
разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу.
Будучи человеком щепетильным в вопросах научной этики, В.И. Вернадский неоднократно повторял, что
термин «биосфера» принадлежит не ему, что впервые его еще в начале прошлого века употребил французский биолог
Ж.-Б. Ламарк, разработавший первую эволюционную концепцию. Термин введен в 1875 г. австрийским геологом Э.
Зюссом, который рассматривал биосферу главным образом как пространство, заполненное жизнью.
Определенный геологический смысл в 1875 вложил в термин «биосфера» австрийский ученый Э. Зюсс.
Однако связанное с этим термином законченное учение создал В.И. Вернадский.
Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных геосфер — гидросферы, литосферы,
атмосферы.
Гидросфера, или водная оболочка Земли, представлена океанами, морями, озерами, реками и
искусственными водоемами. Водная оболочка покрывает около 71% поверхности земного шара, наибольшая глубина
в западной части Тихого океана достигает 11,5 км (Марианская впадина).
Литосфера, или земная кора, представляет собой внешнюю твердую оболочку земного шара мощностью в
несколько десятков километров. В контексте биосферы под литосферой обычно понимают только поверхностную ее
часть — почву. Иногда поэтому употребляют термин педосфера — почвенная оболочка земной коры.
Атмосфера, или воздушная оболочка, состоит из нескольких слоев: тропосферы до 15 км высоты над
поверхностью Земли; стратосферы, с озоновым экраном, простирающейся до 100 км высоты; ионосферы,
представляющей слой разреженного газа, высотой до 500 км.
Биосфера охватывает, таким образом, верхнюю часть литосферы (до 15 км глубины), всю гидросферу и
нижнюю часть атмосферы (тропосферу и нижние слои стратосферы, до 25 км высоты). Следовательно, в целом
биосфера представляет слой распространения жизни мощностью по вертикали около 40 км, хотя реальные границы
распространения живого более сужены.
Таким образом, биосфера включает в себя:
1) Живые организмы (растения, животные, микроорганизмы).
2) Тропосфера (нижний слой атмосферы).
3) Гидросфера (океаны, моря, реки и т.д.).
4) Литосфера (верхняя часть земной коры).
Возраст биосферы приблизительно 4 млрд. лет.
Биосфера имеет мозаичное строение, слагаясь из экосистем, которые представляют собой уменьшенную
модель биосферы. Сама же биосфера — глобальная экологическая система.
Биосфера представляет собой результат взаимодействия живой и неживой природы.
Нижняя часть биосферы простирается на 3 км на суше и на 2 км ниже дна океана. Верхняя граница - озоновый
слой, выше которого УФ излучения солнца исключают органическую жизнь. Толщина - несколько мм. Основой
органической жизни является углерод (С).
Решающее значение в истории образования биосферы имело появление на Земле растений, которые в
процессе фотосинтеза синтезируют органические вещества из СО 2 и Н 2 О под действием солнечного света. В
результате фотосинтеза ежегодно образуется 100 млрд. тонн органического вещества. Именно благодаря растениям на
Земле получили развитие различные виды животных, и осуществляется обмен веществом и энергией между живой и
неживой природой.
Совокупность живых организмов, населяющих биосферу, В.И.Вернадский называет живым веществом
(совокупность всех живых существ, населяющих планету (от простейших вирусов до человека), характеризуется
химическим составом, массой, энергией, информацией; трансформирует солнечную энергию и вовлекает
неорганическую материю в непрерывный круговорот). Красной нитью в учении проходит мысль о том, что живое
вещество — «функция биосферы», а биосфера — результат развития живого вещества.
Живое вещество - это совокупность и биомасса живых организмов в биосфере.
В любой экосистеме живое вещество представлено тремя группами организмов:
1) автотрофы
(продуценты)
—
самопитающиеся
(от
греч.
«трофе» — питаюсь, «аутос» — сам, от лат. «продуцентис» — производящий).
Это растения, которые используют световую энергию, чтобы продуцировать все сложные органические
соединения своего тела из простых неорганических, присутствующих в окружающей среде;
2)
гетеротрофы (консументы) — питающиеся другими существами (от греч. «гетерос» — другой; от лат.
«консумо» — потребляю).
К ним относятся самые разнообразные существа — от простейших до млекопитающих, включая человека.
Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются консументами первого порядка, или
первичными. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы. Бывают консументы более высоких порядков,
причем некоторые виды соответствуют нескольким таким уровням. Первичные консументы называются
растительноядными, или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков - плотоядные;
3)
миксотрофы
(редуценты)
—
разлагающие
живые
вещества
(от греч. «миксис» — смешение; от лат. «редукцио» - возврат).
Эти организмы (преимущественно бактерии, грибы, простейшие) в процессе жизнедеятельности разлагают
органические остатки до минеральных веществ.
Кроме живого вещества Вернадский различал еще 3 категории веществ, т.е. всего 4:
1) живое вещество;
2) биогенное вещество — продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть, торф,
мел);
3) биокосное вещество — продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами
(почвы, ил, природные воды). Имеет минеральную основу, которая коренным образом преобразована
жизнедеятельностью организмов (почвенный покров, воздух, вода). К веществам биокосного происхождения
относятся части животных и растений (каменный уголь, нефть, торф, сланцы и т.д.).
4) косное вещество — все, что не имело связи с живым (застывшая лава, вулканический пепел).
5) Радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран,
торий и т.д.).
6) Рассеянные атомы (химические элементы), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии.
7) Вещество космического происхождения - метеориты, протоны, нейтроны, электроны.
В пределах биосферы существуют 4 среды жизни: две мертвые (вода, воздух), одна биокосная (почва) и одна
живая (организм). Среды жизни в пределах биосферы населены монобионтами (обитателями одной среды),
дибионтами (обитателями двух сред) и полибионтами (живущими в трех или четырех средах).
Процессы, протекающие в экосистеме (число живых организмов, скорость их развития и т.п.), зависят от
количества энергии, поступающей в экосистему, и от циркуляции веществ в экосистеме. Биосфера является
энергетически незамкнутой системой, в которой идет поглощение энергии из внешней среды.
Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и
размеров. В настоящее время на Земле существует более 2 млн. организмов , из них 0,5 - растения, 1,5 - растения и
микроорганизмы (из них 1 млн. насекомых).
Основной особенностью живого существа является, кроме клеточной деятельности и передачи информации,
способ использования энергии. Живые существа улавливают энергию космоса в виде солнечного света, удерживают
ее в виде энергии сложных органических соединений (биомасса), передают ее друг другу и трансформируют в другие
виды энергии (механическую, электрическую, тепловую). Неживые вещества преимущественно рассеивают энергию.
Живое вещество, биосфера, преобразует энергию Солнца в свободную энергию, способную совершать работу.
Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере.
Все почвы и минералы поверхности (чернозем, глина, известняк, руда, месторождение углей и нефти)
образовались под воздействием жизни.
Преобразование энергии в организмах основано на разнице температуры и других принципах. Живые
существа следует рассматривать как химические машины, где химическая энергия преобразуется в другие виды
энергии.
Другая особенность живых организмов - это их способность к самовоспроизведению. Итак, к особенностям
функционирования живых существ относятся:
• способность к самовоспроизведению;
• способность образования полимерных оболочек, ограждающих живое вещество от косной среды;
• способность
аккумулировать
и
передавать
химическую
энергию, а также осуществлять химические реакции в нормальных условиях температуры и давления без образования
побочных продуктов. Жизнь на Земле идеально экологична.
Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы являются кругооборот веществ и
превращение энергии.
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ
В.Р. Вильяме писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного — это
заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот. Именно это и происходит в
экосистемах.
Биогенный круговорот происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества
почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы
как их самих, так и организмов-консументов. Редуценты разлагают органические вещества до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток вещества.
Итак, основной принцип функционирования экосистем — получение ресурсов и избавление от отходов
происходит в рамках круговорота всех элементов.
Рассмотрим такой круговорот для основных компонентов, входящих в состав биосферы.
Круговорот углерода
Для примера рассмотрим круговорот углерода. В атмосфере запасы углерода в виде СО2 невелики, в земной
коре они присутствуют в виде ископаемого топлива. Когда около 2 млрд лет назад на Земле появилась жизнь,
атмосфера в основном состояла из СО2. Первые организмы были анаэробными, т.е. жили в отсутствие кислорода.
Накопление кислорода обусловлено существованием зеленых растений. Сейчас его запасы на Земле оцениваются в
1,6-105т. Эту массу зеленые растения могут создать за 10 тыс. лет. Поступивший в атмосферу по разным причинам
углерод усваивается зелеными растениями, выделяющими в процессе своей жизнедеятельности кислород. А в
результате потребления животными органических соединений происходит окисление органических веществ до
углекислого газа, который поступает в атмосферу. Иными словами, углерод — главный участник биотического
круговорота. Человек активно вмешивается в этот круговорот, что может в ближайшие 100 лет привести к
изменениям климата, подъему океана, уменьшению количества кислорода в составе атмосферы и пр.
Круговорот серы
Сера преобразуется в различные соединения и циркулирует в биосфере. Из природных источников она
попадает в атмосферу в следующем виде:
сероводород (H2S) — бесцветный, дурно пахнущий ядовитый газ — при извержении вулканов, при
разложении органических веществ в болотах и затапливаемых приливами низинах;
диоксид серы (SO;) — бесцветный, удушливый газ при извержении вулканов;
частицы сульфатных солей (например, сульфат аммония) - из мельчайших брызг океанической воды.
Около трети всех соединений серы и 99 % диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное
происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети
всех антропогенных выбросов двуокиси серы в атмосферу. Остальная треть приходится на такие технологические
процессы, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.
В атмосфере двуокись серы окисляется кислородом до газообразного триоксида серы, который при реакции с
водяным паром образует мельчайшие капельки серной кислоты (H2SO4). Взаимодействуя с другими атмосферными
компонентами, триоксид серы может образовывать мельчайшие частицы сульфатных солей. Серная кислота и
сульфатные соли вносят свой вклад в образование кислотных осадков, нарушающих жизнедеятельность лесных и
водных экосистем.
Круговорот воды
Гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление, очистка и перераспределение
планетарного запаса воды, состоит в следующем. Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещают
воду между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота
являются испарение, конденсация, осадки и сток воды назад в море для возобновления цикла.
Под воздействием поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек, озер, почв и
растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы Земли.
Понижение температуры в отдельных частях атмосферы приводит к конденсации водяного пара, образованию
облаков и туманов и выпадению атмосферных осадков.
Часть пресной воды возвращается на поверхность земли в виде осадков, замерзает в ледниках. Однако в
основном она заполняет понижения и ложбины и стекает в ближайшие озера, ручьи и реки, которые несут ее назад в
океан, тем самым, замыкая кольцо круговорота. Такой сток пресных вод с поверхности суши вызывает также эрозию
почв, которая приводит к перемещению различных химических веществ в рамках других биогеохимических циклов.
Значительная часть возвращаемой на сушу воды просачивается глубоко в фунт. Там происходит накопление
фунтовых вод в водоносных горизонтах — подземных резервуарах. Подземные источники и водотоки в итоге
возвращают воду на поверхность суши и в реки, озера, ручьи, откуда она вновь испаряется или стекает в океан. Однако циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных
вод.
Лекция №6. РАЗВИТИЕ ЦИВИЛИЗАЦИИ И ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
Экологические кризисы и катастрофы прошлого и многие нынешние локальные катастрофы не являются чем-то
новым в эволюции нашей планеты, ее биосферы и в истории человечества. Палеогеография и палеонтология дают
множество свидетельств глобальных и локальных кризисов и катастроф природного происхождения. Локальные
экологические катастрофы (вулканические извержения, лесные пожары, землетрясения) случаются довольно
часто, но отличаются от глобальных тем, что виды организмов не исчезают, а их численность и биомасса довольно
быстро восстанавливаются. Природные процессы в биосфере довольно быстро ликвидируют их последствия.
За последние 100 лет потребление возросло особенно резко – не менее чем на 2 порядка (т.е. в 100 раз). За этот же
период времени возник еще один механизм воздействия на окружающую среду – выброс (сброс) продуктов
антропогенного происхождения. Выбрасываются продукты, абсолютно чуждые природе, а также радиоактивные
вещества, тепло. В результате в глобальном масштабе все же идет деградация систем жизнеобеспечения:
изменяется газовый состав атмосферы, что приводит к усилению парникового эффекта, на тысячи километров от
источника переносятся кислотные осадки, истощается озоновый слой.
Загрязнение окружающей среды
Под загрязнением окружающей среды понимают любое внесение в ту или иную экологическую систему не
свойственных ей живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или
нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии со снижением продуктивности или
разрушением данной экосистемы.
Загрязнение – любые изменения воздуха, вод, почв или пищевых продуктов, оказывающие нежелательное
воздействие на здоровье, выживаемость или деятельность человека.
Различают природные загрязнения, вызванные природными, нередко катастрофическими причинами,
например, извержение вулкана, и антропогенные, возникающие в результате деятельности человека.
Антропогенные загрязнители делятся на материальные (пыль, газы, зола, шлаки и др.) и физические, или
энергетические (тепловая энергия, электрические и электромагнитные поля, шум, вибрация и т. д.). Материальные
загрязнители подразделяются на механические, химические и биологические. К механическим загрязнителям
относятся пыль и аэрозоли атмосферного воздуха, твердые частицы в воде и почве. Химическими (ингредиентами)
загрязнителями являются различные газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу, гидросферу и вступающие во взаимодействие с окружающей средой — кислоты, щелочи, диоксид
серы, эмульсии и другие.
Биологические загрязнители — все виды организмов, появляющиеся при участии человека и наносящие ему
вред — грибы, бактерии, водоросли и т. д.
Последствия загрязнения окружающей среды кратко сформулированы следующим образом:
Ухудшение качества окружающей среды.
Образование
нежелательных
потерь
вещества,
энергии,
труда
и средств при добыче и заготовке человеком сырья и материалов, которые превращаются в
безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере.
Необратимое разрушение не только отдельных экологических систем, но и биосферы в целом, в том
числе воздействие на глобальные физико-химические параметры окружающей среды.
Потери плодородных земель, снижение продуктивности экологических систем и в целом биосферы.
Прямое или косвенное ухудшение физического и морального состояния человека — главной
производительной силы общества.
При характеристике антропогенного загрязнения окружающей среды приняты следующие определения:
Источник выделения вредных веществ – объект, в котором происходит образование вредных веществ
(технологическая установка, устройство, аппарат, склад сырья или продукции, емкости для хранения топлива, свалка
для промышленных отходов и т.д.).
Источник загрязнения атмосферы – объект, от которого вредное вещество поступает в атмосферу.
Организованные выбросы вредных веществ – выбросы через специально сооруженные устройства.
Неорганизованные выбросы вредных веществ – выбросы в виде ненаправленных потоков газа, например,
в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по
отсосу газа в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта, в пылящих отвалах и т.д.
Источники загрязнения:
(1) Точечные источники (локализованные)
Например, труба ТЭЦ, сточная труба мясоперерабатывающего предприятия, дымовая труба дома или
выхлопная труба автомобиля.
(2) Неточечные источники (площадные)
Примером может служить сток удобрений и пестицидов с полей, а также многочисленные загрязнители,
попадающие в реки и водотоки с урбанизированных территорий и их окрестностей.
Тяжесть воздействия загрязняющих веществ определяют три фактора:
Первый – их химическая природа, то есть насколько они активны и вредны для определенного вида растений
и животных.
Второй – концентрация, то есть содержание на единицу объема воздуха, воды или почвы.
Третий фактор – устойчивость, то есть продолжительность существования в воздухе, воде и почве.
Последствия загрязнения.
Загрязнение может иметь ряд нежелательных последствий:
- неприятное и эстетически неприемлемое воздействие: неприятный запах и вкус, уменьшение видимости в
атмосфере, загрязнение поверхности зданий и памятников;
- нанесение ущерба имуществу: коррозия металлов, химическое и физическое разрушение материалов,
использованных для возведения зданий и памятников, загрязнение одежды, зданий и памятников;
- нанесение ущерба растительности и животному миру: снижение продуктивности лесов и
продовольственных культур, вредное воздействие на здоровье животных, что приводит к их вымиранию;
- вред для здоровья человека: распространение инфекционных заболеваний, раздражение и болезни
дыхательных путей, изменения на генетическом уровне, изменение репродуктивной функции, раковые заболевания;
- нарушения систем жизнеобеспечения на локальном, региональном и глобальном уровнях: изменения климата
и снижение естественной скорости круговорота веществ и поступления энергии, необходимых для нормальной
жизнедеятельности человека и других живых существ.
Контроль за загрязнением
Мы можем контролировать загрязнение двумя способами: посредством контроля на входе и контроля на
выходе.
Контроль на входе препятствует проникновению потенциального загрязнителя в окружающую среду или
резко сокращает его поступление. Например, примеси серы могут быть удалены из угля до его сжигания. Это
предотвратит или резко снизит выбросы такого загрязнителя атмосферы, как диоксид серы, химического вещества,
вредного для растений и нашей дыхательной системы.
Контроль на выходе направлен на ликвидацию отходов, уже попавших в окружающую среду.
Для оценки степени загрязнения используют понятие ПДК – предельно допустимой концентрации вещества
(концентрация выше ПДК – опасно, ниже – не опасно), но этого не достаточно, т.к. не учитывается воздействие
нескольких веществ (группа суммации).
Природные катастрофы и техногенные аварии
Серьезными причинами дестабилизации среды жизни человека становятся природные катастрофы и
техногенные аварии.
Природная катастрофа — это результат экстремальной геофизической ситуации, при которой из-за
неблагоприятной природной обстановки возникают поражающие факторы, способные при неблагоприятной
социально-экономической ситуации породить стихийное бедствие.
Экологическая катастрофа — это природная аномалия (длительная засуха, массовый мор, например, скота и
т. д.), зачастую возникающая на основе прямого или косвенного воздействия человеческой деятельности на
природные процессы и ведущая к остро неблагоприятным экономическим последствиям иди массовой гибели
населения определенного региона; авария технического устройства (атомной электростанции, танкера и т. п.),
приведшая к остронеблагоприятным изменениям в среде и повлекшей за собой массовую гибель живых организмов и
экономический ущерб; одно из состояний природы. Экологическая катастрофа отличается от экологического кризиса
тем, что кризис—это обратимое состояние, где человек выступает активно действующей стороной, а катастрофа —
необратимое явление, человек здесь вынужденно пассивная, страдающая сторона. В более широком понимании
экологические катастрофы — это фазы развития биосферы, где происходит качественное обновление живо! о
вещества, например, вымирание одних видов и возникновение других.
Для возникновения природной катастрофы необходимы несколько условий: 1. Экстремальная геофизическая
ситуация (ЭГС); 2. Существование поражающего фактора (ПФ).
К отдельным видам природных катастроф относятся наводнения, тропические циклоны, ураганы, тайфуны,
цунами, землетрясения, вулканические извержения, засухи, заморозки, удары метеоритов, перегрев земли, и
наступление нового ледникового периода, оползни и горные обвалы, лавины, смерчи и т.д.
Наводнения стоят на первом месте по абсолютному числу жертв при единичном событии. Вулканические
извержения всегда внушали страх людям. Здесь воочию выступают вырвавшиеся из недр Земли «силы ада»: раскаленная лава, горячие тсшюпады, палящие тучи, грязевые потоки. За последние пятьсот лет произошло более 500
вулканических извержений, приведших к гибели около 200 тыс. человек
В 1989 году после необычайно сильной вспышки солнечной активности в марте в течение полутора месяцев в
Евразии зарегистрировано по меньшей мере 12 значительных землетрясений силой от 4 до 9 баллов (по 12-балльной
шкапе), в том числе и в зонах, считавшихся сейсмически стойкими. Затем последовали извержения вулкана на острове
Итуруп, сильнейшие сходы лавин, оползни и сели в Аджарии, наводнение в Западной Украине, резкое похолодание в
Средней Азии со снегопадами и массовой гибелью скота, небывало сильный градобой в Ставрополе и Восточной
Грузии.
В 1996 году на Земле произошло 600 различных природных катастроф, в том числе 200 ураганов, 170
наводнений и 50 землетрясений. Стихия унесла 11 тысяч человеческих жизней, материальный ущерб от нее составил
60 миллиардов долларов. В результате землетрясения в Северном Афганистане, произошедшего 3 февраля 1998 года,
4 тысячи жителей провинции Тахор погибли, 15 тысяч остались без крова, имеются большие разрушения.
Наиболее опасными по экологическим последствиям являются аварии: в угольной, нефте- и газодобывающей
отраслях промышленности; металлургии, химической, нефтехимической и микробиологической отраслях
промышленности и на транспорте.
Многие ученые, специалисты указывают на усиление связи между природными катастрофами и
техногенными авариями, приобретение многими из них глобально-экологического характера.
Для индустриальных обществ характерно как возникновение новых, так и обострение уже существующих
экологических проблем. По масштабам распространения эти угрожающие благосостоянию человека проблемы можно
подразделить на:
локальные (местного значения), например, загрязнение подземных вод вблизи завода токсичными
веществами;
региональные (на уровне отдельных стран и регионов), например повреждение лесов и деградация озер в
результате "кислотных дождей".
глобальные: возможные климатические изменения вследствие увеличения содержания углекислого газа и
других газообразных веществ в атмосфере, а также разрушение озонового слоя Земли.
Изменение поверхности и недр Земли в результате деятельности людей
Изменение потребности людей в сельскохозяйственной продукции и полезных ископаемых вызвало
интенсивное
изменение
поверхности
Земли.
Многократное увеличение потребности в сырье и энергоносителях привело особенно в ХХ веке к извлечению, в
первую очередь, наиболее доступных ресурсов полезных ископаемых и нарушению процессов их накопления.
До 60-х годов нашего века цикл углерода в биосфере Земли подчинялся закону Ле-Шателье. Суть его в том,
что содержание диоксида углерода в земной атмосфере было примерно постоянным, поскольку любое увеличение
содержания этого газа в атмосфере усиливало деятельность организмов, его связывающих, и наоборот.
Развитие потребления природных горючих ископаемых при одновременном уничтожении лесов, изменении
животного мира океанов привело к прекращению действия этого закона. В последние десятилетия из залежей
высвобождается в 10 раз больше диоксида углерода, чем его связывается биосферой. Именно это приводит к
увеличению содержания диоксида углерода в атмосфере и усилению парникового эффекта, грозящего глобальным
потеплением.
1) Развитие сельского хозяйства привело к ускорению эрозии почв, как водяной, так и ветровой, и
интенсивной деградации почв, особенно в степной зоне. Эрозия – разрушение и снос почвенного покрова, иногда и
почвообразующих пород потоками воды или ветром. При этом разрушается самый верхний плодородный слой почвы.
2) Применение орошения позволило повысить урожаи, но оно же ведет к засолению почв - при испарении
воды соли остаются в поверхностном слое. В мире засолено около 30% орошаемых почв. В последние сто лет
интенсивное развитие промышленности вызывало глубокое и необратимое изменение геохимии почв. В почвах
накапливаются тяжелые металлы.
3) В промышленных районах концентрации таких вредных веществ как свинец, кадмий, ртуть, ванадий,
никель
в
десятки
раз
превышает
фоновые.
В почвах идет интенсивное накопление органических веществ, в частности, хлорорганических, чуждых биосфере
(ксенобиотиков), включая и такой яд, как диоксин, а также многочисленных ядохимикатов. Это приводит к глубоким
нарушениям микрофлоры почвы и общему необратимому нарушению многочисленных экосистем.
Почвенные ресурсы в основном необратимо гибнут при отчуждении земель под другие нужды: строительство,
сооружение дорог, горные разработки, свалки отходов, водохранилища, полигоны и т.п.
Органическое вещество - сложная смесь природных органических соединений, являющаяся малым
компонентом почв, морей и озерных осадков, осадочных горных пород, а также поверхностных и подземных вод.
Первоисточник органического вещества в основном растения. Органическое вещество составляет основную массу
углей и горючих сланцев и предположительно являются источником нефти и горючих сланцев.
Ксенобиотики - вещества, которые чужды живым организмам, не могут входить в обычные пищевые цепи и
не разрушаются живыми организмами, но могут нарушать процессы жизнедеятельности их. К ним относятся тяжелые
металлы, многие синтетические органические вещества, особенно галоидосодержащие.
4) Идет интенсивное изъятие невозобновимых ресурсов. Невозобновимые ресурсы - ресурсы руд, нефти,
угля, запасы которых в земной коре ограничены и не пополняются за счет природных процессов.
В 1990 г из недр земли было извлечено 552 миллиона тонн нефти, 616 миллиардов кубических метров
природного газа, 410 миллионов тонн угля и 107 миллионов тонн железной руды.
Природные газы - (горючие) смеси углеводородов метанового ряда и неуглеводородных компонентов,
встречающихся в осадочном чехле земной коры в виде свободных скоплений, а также в растворенном (в нефти и
пластовых водах), рассеянном (сорбированные породами) и в твердом состояниях (газогидратные залежи).
Нефть - горючая маслянистая жидкость, распространенная в осадочной оболочке земли, важнейшее полезное
ископаемое. Продукт преобразования органических соединений. Сложная смесь алканов, некоторых цикланов и
аренов, а также кислородных, сернистых и азотистых соединений.
Угли - горючее полезное ископаемое, продукт преобразования высших и низших растений.
Во всем мире давно извлечены самые богатые и доступные полезные ископаемые. За полезными
ископаемыми приходится идти на все большие глубины и во все более отдаленные и неблагоприятные для работы
районы.
5) Нарушение поверхности литосферы - далеко не безобидное явление. Нарушения создают предпосылки для
активизации природных катастроф: оползней, обвалов, просадок грунтов, создают условия для формирования
селей и снежных лавин, способствуют увеличению поверхностного стока, нарушают сообщества почвенно-грунтовых
организмов и микробный "фильтр", регулирующий потоки газов из недр земли.
6) Происходит крупномасштабное вмешательство человека в системы водоносных, нефтеносных и
газоносных горизонтов, в том числе и в глубокие.
Подтопление в районе водохранилищ поднимает уровень воды на десятки сантиметров и метры. При этом
меняются механические свойства грунтов, появляются зыбучие пески, развивается карст. Под крупными
водохранилищами поверхностные воды проникают в глубокие пласты, что порождает повышенную сейсмичность.
И, наконец, часть воды переходит в подземный сток при утечках в водопроводных и канализационных сетях.
В результате затопляются подвалы, разрушаются фундаменты, проседает грунт.
Горные разработки, добыча полезных ископаемых создает ежегодно огромное количество подземных пустот,
нарушающих равновесия в грунте, вызывающих его просадку и способных привести к катастрофическим
землетрясениям.
7) Новым фактором воздействия на недра оказываются подземные ядерные взрывы. В 60-е годы в
Прикаспийском районе было произведено 47 подземных взрывов. По мнению ряда специалистов, произошла
разгерметизация зон высоких пластовых давлений. Это привело к быстрому подъему уровня грунтовых вод, усилило
сейсмическую деятельность, привело в 70-е годы к интенсивной разгрузке подземных вод с больших площадей в
Каспийское море, к неожиданному и быстрому подъему уровня моря.
Воздействие человека на атмосферу и водный бассейн
1) Промышленность, строительство, сельское хозяйство, коммунальное хозяйство выбрасывают в атмосферу
огромные объемы различных веществ. В мире суммарный выброс сернистого газа промышленностью и энергетикой
превышает его выбросы вулканами и горячими источниками. Сернистый газ переносится в атмосфере ветрами на
сотни километров и выпадает в виде "кислотных дождей" (содержащих сернистую и серную кислоты), поражая
почвы, убивая леса, повышая кислотность водоемов и убивая в них жизнь.
Кислотные осадки – серная и азотная кислоты, образующиеся при растворении в воде диоксидов серы и
азота, а выпадающие на поверхность земли вместе с дождем, туманом, снегом или пылью.
Попадая в озера, кислотные осадки нередко вызывают гибель рыб или всего животного населения. Они
также могут вызвать повреждение листвы, гибель растений, ускорять коррозию металлов и разрушение зданий. Так,
многие озера и пруды в Тульской области имеют кислотность, близкую кислотности лимонного сока. Газами из США
поражен ряд водоемов на северо-востоке Канады, газы из Англии и Германии сделали безжизненными немало озер в
Швеции и Норвегии.
2) В атмосферном воздухе промышленных центров и городов образуются различные вещества, ядовитый
туман, который называется «смог». Его возникновению способствуют отсутствие ветра и дождя, а также
температурная инверсия.
Смог крайне вреден для живых организмов. Во время смога ухудшается самочувствие людей, резко
увеличивается число легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа. Одним из
компонентов смога является озон (О3). В крупных городах при образовании смога его концентрация увеличивается в
10 и более раз. Озон начинает оказывать вредное влияние на легкие, слизистые оболочки человека и на
растительность.
3) Быстрыми темпами растет в атмосфере содержание углекислого газа, метана, оксидов азота и
хлорфторуглеродов. Эти газы обусловливают «парниковый эффект». Они пропускают солнечный свет, но частично
задерживают тепловое излучение, испускаемое поверхностью Земли. По мнению ряда специалистов, это ведет к
глобальному потеплению, за которым последует изменение атмосферной циркуляции, существенное изменение и
сдвиг климатических зон, значительное ухудшение жизнедеятельности людей. На протяжении последних 100 с
лишним тысяч лет температура воздуха на Земле ни разу не достигала таких высоких значений, как в конце 20 –
начале 21 столетий. Повышение температуры идет параллельно росту концентрации углекислого газа в воздухе.
Парниковый эффект - повышение температуры атмосферы из-за увеличения содержания в ней диоксида
углерода и некоторых других газов, приводящего к поглощению атмосферой теплового излучения Земли.
Потепление может привести к интенсивному таянию ледников и повышению на 0,5-1,5 м уровня
Мирового океана, при этом окажутся затопленными многие густонаселенные прибрежные районы.
4) Озоновый слой - один из важных факторов, способствующих стабильности биосферы. Заметим, что
выбросы в атмосферу в итоге приводят к загрязнению и водного бассейна и почвы, так как в результате многие из них
осаждаются в воду и на поверхность Земли.
С антропогенными изменениями атмосферы связано и разрушение озонового слоя, который является
защитным экраном от ультрафиолетового излучения. Опасность истощения озонового слоя заключается в том, что
может снизиться поглощение губительного для живых организмов ультрафиолетового излучения.
Особое беспокойство вызывает выделение в атмосферу хлорфторуглеродов, возникающих при работе
систем охлаждения в промышленности и быту, а так же при действии распыляющих агентов в аэрозольных
баллончиках. Именно эти вещества приводят к появлению "озоновых дыр".
5) Современное промышленное производство загрязняет атмосферу не только газообразными и твердыми
примесями, но и тепловыми выбросами, электромагнитными полями, ультрафиолетовыми, инфракрасными,
световыми излучениями и другими физическими факторами. Наиболее распространенным видом физического
воздействия на атмосферу является шум, возникающий при работе транспортных средств, оборудования
промышленных и бытовых предприятий, вентиляционных и газотурбинных установок, реактивных самолетов и т.д. У
людей, живущих и работающих в неблагоприятных акустических условиях, имеются признаки изменения
функционального состояния центральной нервной и сердечно-сосудистых систем.
Население крупных городов подвергается также действию вибрации. Она возникает при движении
рельсового транспорта, тяжелых грузовых автомобилей, а также при работе промышленных предприятий.
Уровень электромагнитных излучений или электромагнитных полей, созданных человеком и
«загрязняющих» атмосферу, в сотни раз превышает средний уровень естественных диапазонов. Электромагнитные
излучения оказывают влияние на нервную и эндокринную системы, на репродуктивную функции, на сердечнососудистую систему и обмен веществ человека.
6) Выбросы свинца, в т.ч. при использовании этилированного бензина, создали загрязнение атмосферы и
почвы - особенно в крупных городах, где на долю автотранспорта приходится до 85% выбросов.
Выбросы в атмосферу особенно резко увеличились во второй половине ХХ века и приводят к серьезным и
зачастую необратимым изменениям экосистем и биосферы в целом. Даже невысокие концентрации ряда веществ
принципиально изменяют обменные процессы у растений. Так, при совместном воздействии оксида углерода и
оксидов азота при концентрации каждого из них в пять раз меньше допустимой, скорость синтеза хлорофилла в
клетках растений уменьшается в 5-6 раз. Даже не очень высокие концентрации токсичных веществ приводят к
значительному ослаблению сопротивления растений действию многочисленных паразитов, и к гибели их.
Велики антропогенные воздействия на водный бассейн. Вода в очень больших количествах используется и
в
промышленном
производстве,
и
в
быту.
Город с населением в 1,5 миллиона человек потребляет в сутки около 600000 кубических метров воды и такое же
количество загрязненной воды сбрасывает в канализацию.
Выбросы в водоемы делают воду непригодной для использования, нарушают или даже уничтожают биоту в
водоемах. Кроме упомянутых, в водоемы сбрасывают условно чистые теплые воды. Повышение температуры
понижает содержание в них кислорода, а поэтому их также относят к загрязненным.
Биота - совокупность всех живых организмов в экосистеме.
Все реки в конце концов выносят загрязняющие вещества в моря и океаны, где происходит их
накопление, особенно в прибрежной зоне. Большие просторы Мирового Океана загрязнены выбросами нефтяных
танкеров.
Воздействие человека на водный бассейн не ограничивается только загрязнением воды. Создавая
водохранилища, вырубая леса, развивая сельское хозяйство, включая и орошаемое земледелие, человек резко
сокращает интенсивность водооборота на суше, что объективно ведет к опустыниванию больших территорий.
Скорость роста пустынь на земле оценивается в 20 гектар в минуту. Сокращение регулирующей роли биоты
во влагообороте на суше ведет к развитию аномалий: засух, селевых потоков, наводнений, ураганов.
Воздействия на биосферу других антропогенных факторов
1) Все то, что человек добывает, производит, выращивает, потребляет, в конце концов, превращается в
отходы. Часть из них удаляется вместе со сточными водами, другая часть в виде газов, паров и пыли попадает в
атмосферу, но большая часть выбрасывается в виде твердых отходов. Каждый житель планеты «производит»
ежедневно до 1,5 килограммов мусора.
Отходы делят на бытовые (коммунальные), примышленные (отходы производства), отходы
производственного потребления, а также опасные (токсичные) и радиоактивные отходы.
Все промышленные отходы делят на твердые и жидкие. К твердым относят отходы металлов, дерева,
пластмасс, пыли минерального и органического происхождения, промышленный мусор и т. п. К жидким относят
осадки сточных под после их обработки, шламы пылей минерального и органического происхождения в системах
мокрой очистки газов.
Отходы занимают большие территории. Свалки отходов пылят, причем пыль воздействует на
продуктивность экосистем и сельскохозяйственных предприятий на территориях, в несколько раз превышающих
площадь, непосредственно занимаемую свалками. Материалы на свалках могут гореть (например, содержащие серу
отходы добычи и обогащения углей или руд цветных металлов), выбрасывая сернистый газ, отравляющий
значительные территории. Дожди могут выщелачивать из отходов токсичные вещества, проникающие с водой в
подземные воды и водоемы, перенося эти вещества на большие расстояния. На этой площади полностью потребляется
первичная биологическая продукция, а на прилегающих к отвалам площадях в радиусе 10 километров она
существенно уменьшается из-за загрязнения почв и угнетения естественных сообществ организмов.
Среди многочисленных отходов особое место занимают высокотоксичные отходы, содержащие бериллий,
кадмий, ванадий, кобальт, никель, цинк, хром, свинец, ртуть и некоторые другие тяжелые металлы,
металлорганические соединения, нефтяные отходы, цианистые соединения, ядохимикаты и продукты их
превращения. Так, при сжигании отходов, содержащих хлор (например, поливинилхлоридные полимеры) возможно
образование одного из наиболее опасных ядов - диоксина (в 7 миллионов раз токсичнее цианистого калия),
способного вызывать у лиц, получивших небольшую дозу вещества, рождение в течение длительного периода
неполноценных детей. В течение 10-15 лет после воздействия у 30% лиц возникают злокачественные опухоли мозга и
печени.
2) Очень существенную опасность представляют разнообразные излучения. Прежде всего, речь идет о
действии радиации. Как военное, так и мирное освоение атомной энергии резко расширило число объектов,
способных обладать интенсивным воздействием на растительный и животный мир, а также человека. Изменение
генофонда под действием излучения может быть фатальным, что наглядно показывают исследования района
Чернобыля.
Генофонд - совокупность генов, которые имеются у особей, составляющих данную популяцию. Подчеркивая
необходимость сохранить все ныне живущие виды, говорят также о генофонде Земли.
Опасны и более скромные электромагнитные излучения. Так, по данным США у людей, постоянно
проживающих в радиусе 200 метров от высоковольтной линии шансы заболеть раком крови увеличиваются примерно
в три раза по сравнению с проживающими на больших расстояниях.
Выдающийся астрофизик И.С. Шкловский обратил внимание еще на один вид резко возросшего
воздействия.
Если на больших расстояниях от Земли замерять интенсивность ее излучений на коротких радиоволнах,
пересчитывая ее в градусах Цельсия (оС), то оказывается, что температура Земли в этом диапазоне изменялась
следующим образом: в 1900 г она составляла около 10оС, к 1960 году выросла до 1000000 оС, а в настоящее время
превышает 7000000 оС. Это связано с работой огромного количества коротковолновых радиопередатчиков,
телепередатчиков, радиолокаторов, которых просто не было в начале века. Эволюцией все живые системы были
"запроектированы" на 10оС и сейчас трудно представить, к каким изменениям может привести столь резкое
изменение этого уровня воздействия.
Антропогенные воздействия на животный и растительный мир
Все неблагоприятные воздействия на здоровье людей, о которых речь будет идти в следующем подразделе, в
полной
мере
относятся
к
животному
и
растительному
миру.
В литературе на природоохранные темы об этом речь обычно не идет, так как авторы чаще заботятся о здоровье
людей. Специфические же воздействия заключаются прежде всего в интенсивном вытеснение экосистемой человека
других экосистем.
Одна из причин гибели видов состоит в том, что развитие промышленности и сельского хозяйства
уничтожает экологические ниши, к которым приспособлены те или иные виды, уничтожает или резко сужает их мест
обитания. Хозяйственное использование животных и растений также может явиться причиной их вымирания.
И, наконец, хозяйственная деятельность человека ориентирована на использование ограниченного числа
полезных ему и специально селекционированных видов и на уничтожение любых видов, способных конкурировать с
ними.
Хозяйственная деятельность вступает в противоречие с принципом биологического разнообразия и с
представлением о том, что все виды имеют равное с человеком право на существование. А до сих пор развитие
хозяйственной деятельности человека вело к вымиранию многих видов животных и растений. Строительство
предприятий, дорог, трубопроводов нарушает обычные места обитания животных, нарушает трассы их обычного
перемещения, а появление автомашин и других скоростных средств перемещения ведет к массовой гибели животных,
пересекающих дороги в привычных местах.
На шоссе только одного небольшого района в Дании за год погибло 192330 позвоночных животных (зайцы,
собаки, косули, ежи, лягушки). Число же насекомых, разбивающихся о ветровое стекло одной автомашины
исчисляется сотнями тысяч.
Лекция №7. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
Природные ресурсы — это особый компонент природной среды, им следует уделять особое внимание,
поскольку их наличие, вид, количество и качество в значительной мере определяют отношения человека к природе,
характер и объем антропогенных изменений окружающей среды.
Под природными ресурсами понимают все то, что человек использует для обеспечения своего существования
— продукты питания, минеральное сырье, энергоносители, пространство для жизни, воздушное пространство, воду,
объекты для удовлетворения эстетичных потребностей.
В прошлом человек брал у природы ресурсы и не задумывался об их количестве и восстановлении. Природные ресурсы были велики, а их потребляли мало. Так, на месте срубленных постепенно, медленно, но все же в
большинстве случаев восстанавливались леса; рыбные стада путем размножения компенсировали ущерб, нанесенный
небольшими уловами; грязные волы разбавлялись чистыми водами рек, озер и морей. В целом природа успевала
ликвидировать ушерб, наносимый деятельностью человека.
Теперь, в век научно-технической революции, когда человек вооружен современной техникой, обладающей
огромной силой, когда число людей на Земле неуклонно растет, производственная деятельность человека подрывает
жизненные основы собственного существования, разрушает природу, загрязняет окружающую среду, нарушает
сложившееся равновесие в природе. Темпы этого разрушения так высоки, что сама природа теперь не в состоянии
ликвидировать нанесенный ущерб и само восстанавливаться.
Классификация природных ресурсов
Природные ресурсы (естественные) — это природные объекты и явления, используемые в настоящем,
прошлом и будущем для прямого и непрямого потребления, способствующие созданию материальных богатств,
воспроизводству трудовых ресурсов. К природным ресурсам относят в настоящее время полезные ископаемые, почву,
растительность и животный мир, атмосферный воздух, воду, климат, солнечную и космическую радиацию.
Совокупность природных ресурсов и природных условий жизни общества, используемая в настоящее время
или которая может быть использована в обозримом будущем, называют природными благами.
Природные ресурсы классифицируют: по их использованию (производственные, здравоохранительные,
научные, эстетические и т. д.); по принадлежности к тем или иным компонентам природы (минеральные, земельные,
лесные, водные, энергетические и др.).
По характеру воздействия человека природные ресурсы обычно делят на две категории: исчерпаемые и
неисчерпаемые.
Исчерпаемые природные ресурсы, в свою очередь, подразделяются на невозобновимые, относительно
возобновимые и возобновимые. К невозобновимьш природным ресурсам относятся богатства недр (полезные
ископаемые), так как после их добычи и использования они не могут стать тем, чем были раньше, а условия на Земле
сегодня для их возникновения или восстановления практически отсутствуют. Почва является относительно
возобновимым природным ресурсом, так как только при грамотном ее использовании сохраняется плодородие,
способность получения высоких урожаев возделываемых культур. К возобновимым природным ресурсам относят
растительный и животный мир. Они по мере использования могут восстанавливаться. Так, вместо использованных
человеком растений и животных нарождаются новые.
К неисчерпаемым природным ресурсам относят: космические (солнечная радиация, морские приливы и др.),
климатические (атмосферный воздух, тепло и влага атмосферы, энергия ветра), водные.
К исчерпаемъм и невозобновимым относят минеральные ресурсы, к исчерпаемым и возобновимым ресурсам:
земельные, водные и биологические. Биологические ресурсы подразделяются на растительные и животные.
Неисчерпаемые ресурсы - энергия Солнца, текучей воды, ветра и климатические.
Невозобновимые ресурсы существуют в ограниченных количествах (запасах) в различных частях земной
коры.
Примерами
являются
медь,
алюминий,
уголь
и
нефть.
Невозобновимые ресурсы считаются экономически истощенными, когда выработаны 80% их оцененных запасов.
По достижении этого предела разведка, добыча и переработка остающихся запасов обходится дороже розничной
цены.
Некоторые виды невозобновимых ресурсов могут использоваться повторно или циклически, увеличивая, таким
образом, потенциал использования ресурсов алюминия, меди, железа или, например, стекла.
Утилизация или рециркуляция - переработка ресурсов в новую продукцию (алюминиевые банки).
Повторное использование - использование ресурса в той же форме (стеклянная бутылка).
Потенциально возобновимые - ресурсы, запасы которых хотя и могут быть истощены или загрязнены в
результате слишком быстрого потребления, однако в нормальных условиях восстановятся в результате естественных
процессов (деревья, пресные воды рек и озер, почвы, дикие животные).
Уровень устойчивого потребления - наиболее высокая скорость, при которой возобновимые ресурсы могут
быть использованы без снижения возможности их возобновления. При превышении уровня устойчивого потребления
происходит деградация ресурса.
Природные ресурсы Земли:
- неисчерпаемые (солнечная радиация, энергия морских приливов и волн, энергия ветра, энергия рек, энергия
земных недр, воздух, вода);
- исчерпаемые возобновимые (фауна, флора, плодородие почв;
- исчерпаемые невозобновимые (пространство обитания, полезные ископаемые).
Охрана ресурсов заключается в использовании, управлении и защите ресурсов, с тем чтобы ими могли
пользоваться в устойчивом режиме как настоящее, так и будущее поколения.
Абсолютная недостаточность ресурсов возникает, когда нет достаточных или доступных запасов ресурсов
для удовлетворения имеющихся или будущих потребностей.
Относительная недостаточность ресурсов возникает тогда, когда ресурсов еще хватает для удовлетворения
потребностей, но их распределение не сбалансировано.
Та часть природных ресурсов, которая реально может быть вовлечена в хозяйственную деятельность при
данных технических и социально-экономических возможностях общества при условии сохранения среды жизни
человека, называется природио-ресурспым потенциалом. Природно-ресурсный потенциал, экономически
оцененный, входит в состав национального богатства. Природно-ресурсный потенциал — важнейшее понятие
природопользования.
Природопользование — совокупность всех форм эксплуатации природно-ресурсного потенциала и мер по
его сохранению. Отсюда природопользование будет рациональным, если оно не приводит к резкому изменению
природно-ресурсного потенциала. Оно будет рациональным, если человек найдет разумное сочетание растущего
воздействия на природу с заботой о ней, с охраной и всемерным воспроизводством природных условий и ресурсов.
Состояние исчерпаемых возобновимых ресурсов. Ресурсы растительного и животного мира
В настоящее время идентифицировано примерно 1,5 млн. видов растений и животных, из них две трети
приходится на насекомых. Ученые полагают, что эта цифра отражает лишь часть того огромного видового богатства,
которое существует на Земле; не исключено, что число видов достигает 5-30 млн.
Анализ ископаемых остатков показал, что вид в среднем живет менее 10 млн. лет и что из всех видов, когдалибо существовавших на Земле, 99% исчезли или эволюционировали в новые виды. Массовое вымирание в далеком
прошлом происходило в результате природных причин. С тех пор, как в биосфере появился человек, и, особенно, с
появлением земледелия около 10000 лет назад, в результате антропогенной деятельности скорость исчезновения
видов возросла в миллион раз (на уровне 1980 г.) и предполагается, что такая тенденция сохранится и в ближайшие
десятилетия.
По некоторым оценкам в результате человеческой деятельности исчезает 1 вид каждые 30 минут. В известной
нам литературе, в основном, присутствуют данные об исчезновении животных. Однако исчезновение растений с
экологической точки зрения более важно, так как от растительной пищи прямо или косвенно зависит большинство
видов животных. По оценкам, более 10% видов растений мира сегодня находятся под угрозой исчезновения. К 2000 г.
исчезнет от 16 до 25% всех видов растений.
Необходимо отметить, что современный всплеск вымирания, вызванный антропогенной деятельностью,
происходит всего несколько десятилетий по сравнению с миллионами лет в прошлом. Такое исчезновение не может
быть компенсировано видообразованием, так как для развития нового вида необходимо от 2000 до 100000 поколений.
У подвергающегося опасности вида остается так мало выживших особей, что вид может скоро исчезнуть
полностью или на большей части своего ареала обитания. Примером могут служить белые носороги в Африке
(осталось 100 особей), калифорнийский кондор в США (в диком состоянии не осталось ни одного), большая панда в
Центральном Китае (осталось 1000 особей) и снежный барс в Центральной Азии (осталось 2500 особей).
Виды, находящиеся под угрозой вымирания, достаточно многочисленны в пределах своего ареала обитания,
но их число уменьшается и им грозит опасность исчезновения. Это, например, африканский слон, белоголовый орлан,
медведь гризли.
Многие дикие виды не подвергаются опасности исчезновения, но численность их популяций резко
сокращается на локальном или региональном уровнях.
Основными, связанными с деятельностью человека факторами, которые способны подвергнуть виды угрозе,
опасности или исчезновению, являются:
1.
Уничтожение или нарушение мест обитания. Строительство городов, сведение лесов, осушение
болот, распашка лугов, разработка месторождений создают угрозу диким видам посредством нарушения путей
миграции, районов размножения и источников пищи.
Многие редкие и находящиеся под угрозой вымирания виды имеют уязвимые особые места обитания,
например, небольшие острова. Около 75% видов млекопитающих и птиц, исчезнувших в недавнем прошлом, были
обитателями островов. Сужение природных мест обитания в результате антропогенной деятельности приводит к
невозможности обеспечения существования минимальному количеству особей, необходимому для поддержания
популяции. Сужение мест обитания может обусловить узкородственное размножение, что вызывает генетическое
ухудшение потомства, приводящее к вымиранию.
2. Промысловая охота. Распространенная по всему миру законная и незаконная промысловая охота
представляет угрозу для многих видов крупных животных. На ягуаров, тигров, снежных барсов и гепардов охотятся
ради их шкуры. На носорогов охотятся из-за рога, на слонов — из-за бивней. Промысловая охота сыграла главную
роль в почти полном исчезновении американского бизона и снежной цапли.
3. Полное или почти полное исчезновение может происходить и в том случае, когда человек истребляет те
виды вредителей и хищников, которые конкурируют с человеком в добыче пищи.
4. Ежегодно большое количество растений и животных, подвергающихся опасности или угрозе исчезновения,
контрабандой вывозят в другие страны для продажи коллекционерам и для медицинских исследований. При ловле и
перевозке животные и растения часто гибнут: так, на каждого попавшего в лабораторию шимпанзе приходится шесть
погибших при ловле и перевозке.
5. Загрязнение окружающей среды вызывает деградацию мест обитания животных, в том числе в
заповедниках и убивает некоторые растения и животных. Численность диких животных всего мира может
уменьшиться всего за несколько десятилетий из-за изменения климата, вызванного парниковым эффектом. Диким
животным приполярных и полярных областей может быть также нанесен ущерб в результате значительного
увеличения ультрафиолетового излучения, вызванного истощением озонового слоя.
6. Случайная или намеренная интродукция растений и животных в экосистемы. Некоторые чуждые виды
не имеют естественных врагов и конкурентов в районах своих новых мест обитания. Они могут доминировать в новых
экосистемах, уменьшая популяции многих местных видов, и со временем могут способствовать полному или почти
полному исчезновению или вытеснению местных видов.
7. Рост населения, богатство и нищета являются одной из причин исчезновения видов и сокращения
популяций: богатство — основной фактор, влияющий на увеличение среднего потребления ресурсов на душу
населения; рост населения и нищета вынуждают бедняков вырубать леса и отлавливать подвергающиеся опасности
исчезновения виды животных.
Для охраны подвергающихся опасности и угрозе вымирания диких видов и для предотвращения опасности,
которой могут подвергнуться другие дикие виды, используются три основные стратегии:
1. Принятие соглашений, законов, создание заповедников, заказников, Международный союз охраны природы
и природных ресурсов (МСОП), Международный совет по охране птиц и Международный фонд любителей диких
животных установили подвергающиеся угрозе и опасности исчезновения виды и прилагают усилия по их охране.
Охране диких животных способствует ряд международных договоров и конвенций (Конвенция по охране
мигрирующих видов диких животных 1979 г., Конвенция о международной торговле видами дикой фауны и флоры,
находящимися под угрозой уничтожения, 1975 г.).
Важную роль в сохранении и увеличении численности фауны и флоры играют заповедники и заказники.
Заказники представляют собой природные комплексы, предназначенные для сохранения, воспроизводства и
восстановления природных ресурсов.
2. Использование генных банков, зоопарков, исследовательских центров, ботанических садов и аквариумов
для сохранения небольшого количества особей диких животных.
Ботаники сохраняют генетическую информацию и подвергающиеся опасности исчезновения растительные
виды путем хранения их семян в генных банках — охлажденных средах с низкой влажностью. В мире сегодня
существуют генные банки наиболее известных и многих потенциальных видов сельскохозяйственных культур и
других растений.
Ботанические сады во всем мире также помогают сохранять определенное генетическое разнообразие,
имеющееся в природе. Однако у садов слишком небольшая площадь и слишком мало денег, чтобы сохранить все
подвергающиеся опасности исчезновения растения мира.
Зоопарки и центры исследования животных приобретают все большее значение для сохранения
репрезентативного числа видов животных и птиц, подвергающихся опасности исчезновения. Из-за дефицита
площадей и средств зоопарки мира в настоящее время содержат только 20 подвергающихся опасности исчезновения
видов с популяциями в 100 и более особей. Это минимальное количество особей, позволяющее популяции выжить в
результате несчастных случаев, болезней или потери генетического разнообразия из-за узкородственного
размножения.
3. Охрана и защита разнообразия уникальных и типичных экосистем во всем мире.
По мнению специалистов лучшим способом предотвращения потерь диких видов является учреждение и
поддержание всемирной системы резерватов, парков и других охраняемых территорий. Эта система должна включать
в себя по меньшей мере 10% всей суши мира. Основная цель такой системы — охрана и регулирование экосистемы в
целом, а не конкретных видов, как это практикуется в настоящее время при видовом подходе к охране диких
животных.
Экосистемный подход способен предотвратить опасность, которой могут подвергаться многие виды в
результате антропогенной деятельности. Кроме того, это дешевле, чем регулировать подвергающиеся опасности
исчезновения отдельные виды. Резерваты станут местами обитания видов животных, находящихся в настоящее время
в зоопарках и прочих неестественных условиях обитания. Резерваты можно также использовать для исследования
диких животных и для образовательных целей.
К таким территориям относятся биосферные заповедники и национальные парки, ландшафтные заказники,
природные парки и санитарно-курортные зоны, охраняемые ландшафты и отдельные природные объекты.
Состояние исчерпаемых невозобновимых ресурсов
Исчерпаемость невозобновимых ресурсов определяется их резервами в природе и интенсивностью
использования человеческим обществом.
В соответствии с данными ООН население Земли в декабре 1996 г. составило более 5,8 млрд., увеличиваясь
ежегодно примерно на 90 млн. человек. Демографы считают, что численность к 2110 г. достигнет 10,5 млрд. чел. При
этом средняя плотность населения планеты составит 70 человек на 1 км 2 суши.
1) В обозримом будущем возникновения проблемы исчерпаемости пространства обитания не ожидается.
Оптимизация использования суши может осуществляться за счет освоения необжитых и малообжитых регионов с
искусственным улучшением на них условий жизни человека.
2) Исчерпаемость энергетических ресурсов рек определяется рентабельностью сооружения и эксплуатации
гидроэнергетических устройств на реках, каналах и водохранилищах. Каскад ГЭС, возведенных на Ангаре, Волге и
других крупных реках, существенно замедляет скорость течения воды. Например, до строительства ГЭС на Волге
вода «добегала» от Рыбинска до Волгограда за 1,5 месяца, сейчас — за 1,5 года.
3) Ресурсы полезных ископаемых возобновимы в процессе эволюции литосферы, однако время их
возобновления, измеряемое сотнями тысяч и миллионами лет, несопоставимо со временем разработки месторождений
и расходованием минеральных богатств. Интенсивная разработка месторождений приведет к прогрессирующему истощению земных недр.
4) Потребление многих минеральных ресурсов - цинка, алюминия, хромита (хромит — источник
металлического хрома в стальных сплавах, используется также в качестве термоизолятора печей и в производстве
химических продуктов) растет по экспоненциальному закону.
В настоящее время имеются довольно разноречивые данные о мировых запасах полезных ископаемых,
называются различные сроки «обеспеченности» ими человечества. Но приводимые результаты не внушают
чрезмерного оптимизма, особенно по запасам цветных металлов. Запасы меди, свинца, цинка, олова, по прогнозам
иссякнут в следующем столетии, то же самое ожидает драгоценные металлы, а также кобальт, вольфрам, молибден,
марганец, а до 2500 г. будут израсходованы запасы всех металлов.
Пути решения проблемы ресурсов полезных ископаемых
Проблема истощения минеральных ресурсов на нашей планете является весьма актуальной. В связи с этим
приобретают особую важность задачи увеличения запасов полезных ископаемых путем изыскания месторождений на
новых территориях, в частности, использование вод и шельфов Мирового океана, горных пород континентальной
коры; охрана и рациональное использование недр; развитие малоотходного производства с использованием
вторичных материальных ресурсов.
Использование вод и шельфов Мирового океана, горных пород континентальной коры
1) Вода сама по себе является главным богатством гидросферы, но кроме нее в этой оболочке Земли есть еще
много других не менее важных ресурсов. Океаны, которые покрывают 70,8% земной поверхности и имеют среднюю
глубину 3,96 км, представляют собой резервуар для многих растворимых веществ, вынесенных из горных пород и
почв континентов, а также содержащихся в газах подводных вулканов. Соленость морской воды составляет 3,5%.
Натрий и хлор, образующие обычную соль, являются самыми распространенными; вместе с магнием, серой, кальцием
и калием они составляют 99,5% всех растворенных веществ.
Каждый кубический километр морской воды содержит значительные количества еще 64 элементов,
например, в одном таком кубе содержится в среднем по 2000 кг цинка и меди, 800 кг олова, 280 кг серебра и 11 кг
золота. Вся масса золота, содержащегося в водах Мирового океана, составляет 10 млрд. т — в несколько раз больше
исчисляемых запасов всех цветных металлов на континентах; урана в морских и океанических водах содержится
около 4 млрд. т.
2) Полезные ископаемые мирового океана могут также располагаться в прибрежных россыпях, на морском
дне и в морских недрах. Особое значение сейчас приобретают запасы полезных ископаемых, расположенные на
шельфе — мелководной платформе или террасе, окаймляющей континенты и занимающей 7,5% поверхности
Мирового океана. На шельфе скапливается огромная масса осадочных пород и происходит концентрация различных
полезных ископаемых. Начиная с 60-х годов нашего столетия, началось интенсивное изучение и освоение
минеральных богатств шельфа.
На больших глубинах огромные территории дна Тихого, Индийского и Атлантического океанов покрыты
железомарганцевыми конкрециями (рудными скоплениями), общая их масса ориентировочно только в Тихом океане
определена в 1500 млрд. т; прогнозные запасы меди, никеля и кобальта составляют 20-25 млрд. т. Разведанные
скопления конкреций содержат в 20 раз больше кобальта, в 90 — никеля и в 42 раза — марганца, чем во всех
известных месторождениях континентов.
В глубоководных зонах на дне океанов залегают диатомовые илы и красная глина; первые содержат огромные
количества кальция и кремнезема, красная глина на 25 % состоит из оксида алюминия. На дне Красного моря в
глубоких разломах обнаружены скопления ила, богатого серебром, цинком, медью и др. металлами; в Судане и
Саудовской Аравии, у берегов которых на глубине до 2000 м открыто 18 таких месторождений.
Потенциальные ресурсы морей и океанов огромны, но не могут интенсивно использоваться пока не найдены
специфические реакции, позволяющие выделять только определенный элемент или группу элементов. В противном
случае технологический процесс будет дорогостоящим из-за его высокой энергоемкости и нецелесообразным, если не
смогут рационально использоваться те большие объемы попутных материалов, которые получатся в результате.
Кроме того, низкие концентрации большинства элементов в морской воде делают задачу их извлечения слишком
трудной из-за необходимости перерабатывать большое количество воды.
Практически все элементы более широко распространены в континентальной коре. Данные таблицы
позволяют предполагать, что если когда-нибудь мы действительно исчерпаем месторождения суши и должны будем
перейти на ресурсы либо в обычных горных породах, либо в морской воде, то выбор, вероятно, будет сделан в пользу
извлечения элементов из горных пород суши.
Охрана и рациональное использование недр
Можно выделить следующие направления охраны и рационального использования недр:
1. Комплексное использование природных ресурсов - добыча не только основных, но и сопутствующих
полезных ископаемых, а также переработка отходов горного производства.
Практически все месторождения твердых полезных ископаемых являются комплексными: они содержат, как
правило, несколько различных минералов и химических элементов, одни из которых считаются основными, другие —
попутными (сопутствующими или совместно залегающими) полезными ископаемыми.
В угольной промышленности наряду с добычей угля комплексно должны использоваться все сопутствующие
минеральные ресурсы: шахтные породы, вода, метан.
В связи с недостаточной проработанностью применяемой технологии на некоторых месторождениях в
железорудной промышленности теряются медь, кобальт, свинец, цинк, золото и сера.
Комплексное использование сырья дает возможность получать около 40 элементов в виде металлов высокой
чистоты и химических соединений и организовать промышленное производство многих необходимых видов
продукции. По комплексности использования сырья отечественная цветная металлургия находится на уровне
наиболее технически развитых стран. Например, медная промышленность наряду с медью извлекает попутно 13
ценных компонентов и на их основе производит дополнительно более 20 видов продукции; свинцово-цинковая — 18
компонентов; из медно-никелевых руд кроме никеля, меди и кобальта извлекают металлы платиновой группы, золото,
серебро, серу, селен и теллур.
Но комплексное использование все же пока недостаточно — при переработке теряется 15 % меди, 50 %
цинка, 45 % свинца и 14 % благородных металлов.
2. Исключение потерь минерального сырья при добыче, переработке и транспортировке. Добыча и
переработка полезных ископаемых связаны со значительными потерями минерального сырья. Меньшие потери
бывают при открытом способе разработки месторождений: 10% составляют потери угля; 3-5% — вольфрамомолибденовых руд; 3,0-3,5 % — медных руд; 5-7% свинцово-цинковых руд. При подземной разработке
месторождений потери более значительны: потери угля составляют 30-40%; вольфрамо-молибденовых руд — 10-12%;
медных руд — 10-13%; свинцово-цинковых— 12-16%.
Потери нефти в отдельных случаях составляют 70-80% разведанных запасов. В газовых факелах порой годами
сжигаются миллиарды кубометров попутного нефтяного газа.
Велики потери при перевозке минерального сырья. Так, при транспортировке угля потери в среднем
достигают 1,2 т на каждый полувагон за счет «выдувания» угольной пыли. Между тем, устранение подобных потерь
возможно за счет устройства на пунктах отправки продукции установок для поливки угля водомазутными
эмульсиями, образующими устойчивую защитную пленку. Для этих целей может использоваться не только мазут, но
и другие продукты нефтепереработки, да и просто вода, даже загрязненная шлаками.
Одним из путей решения проблемы снижения запасов полезных ископаемых, а также уменьшения
загрязнения окружающей среды является снижение разубоживания полезных ископаемых, т.е. их обеднения в
результате смешивания с породами при добыче и транспортировке. Вследствие разубоживания руд в последующие
процессы переработки и складирования хвостов обогащения вовлекаются на 20-25% больше горной массы, чем это
могло бы быть при «чистой» выемке. Помимо экономического ущерба это наносит существенный урон окружающей
среде, поскольку требуется выделение более значительных площадей для размещения хвостохранилищ.
Еще один путь решения обсуждаемой проблемы — создание прогрессивных технологий в области
обогащения сырья, что позволяет использовать для переработки сырье худшего качества. Так, в начале XX века
промышленными считались руды, содержащие 5-6% меди, а сейчас — 0,5-0,6%.
Глубина переработки нефти (отбор светлых нефтепродуктов) в нашей стране на 30% ниже, чем в США. А
светлые нефтепродукты — это дизельное топливо, бензин, сырье для химии. Остальное уходит в мазут, гудрон,
асфальт. Повышение глубины переработки нефти позволило бы сократить добычу ее на миллионы тонн.
3.
Использование современных методов геологического изучения недр для выявления и оценки
месторождений полезных ископаемых, выяснения условий разработки месторождений.
Использование геофизических, аэрокосмических методов, современных способов бурения позволяет
создавать карты все более глубоких горизонтов земной коры. Эффективность исследований позволяет повысить
современная вычислительная техника, с помощью которой ведется обработка полученной информации.
4.
Охрана месторождений от обводнения. Осуществляя геологическое изучение территорий, геологи
обязаны обращать внимание на площади, намечаемые к затоплению водохранилищами или отводу под сооружения.
Необходимо давать заключение о перспективности таких территорий на различные виды минерального сырья.
Игнорирование этого приводит к ситуациям, подобным той, которая произошла на Иркутской ГЭС, когда создание
водохранилища привело к потере крупного месторождения свинцово-цинковых руд.
Использование вторичных ресурсов
В результате хозяйственной деятельности образуются отходы, являющиеся потенциальным сырьем. В
зависимости от источника образования их делят на две группы: отходы производства и отходы потребления.
В результате деятельности человека образуется несколько сотен видов отходов, а традиционно используется
несколько видов, среди которых металлы, пластмассы, бумага, стекло. Вторичное использование материалов решает
целый комплекс вопросов по защите окружающей среды: сокращается потребность в первичном сырье, уменьшается
загрязнение вод и земли, сокращаются энергетические и другие затраты на переработку сырья, что оказывается и
экономически выгодным. Истощение запасов первичного сырья потребовало перевода технологий многих стран на
использование вторичного сырья, а также создания безотходных и малоотходных производств, основой которых
является рациональное использование всех компонентов сырья в замкнутом цикле (первичные сырьевые ресурсы —
производство — потребление — вторичные сырьевые ресурсы).
Экономическая и экологическая целесообразность использования отходов доказана практической работой
многих предприятий в разных странах.
Использование макулатуры позволяет при производстве тонны бумаги и картона экономить 4,5 м 3 древесины,
3
200 м воды и в 2 раза снизить затраты электроэнергии. К тому же в 2-3 раза снижается себестоимость продукции. Для
изготовления того же количества бумаги требуется 15-16 взрослых деревьев.
Большую экономическую выгоду дает использование отходов цветных металлов, так, для получения 1 т
меди из руды необходимо добыть из недр и переработать 700-800 т рудоносных пород. На получение 1т алюминия из
натурального сырья приходится затрачивать 18-20 тыс. кВт/ч электроэнергии, а на получение алюминия из
использованных алюминиевых банок необходимо затратить лишь 5% oт указанного выше количества электроэнергии.
Пластмассы в виде отходов естественным путем разлагаются очень медленно, либо вообще не разлагаются.
При их сжигании атмосфера загрязняется ядовитыми веществами.
В настоящее время в мире утилизируется лишь небольшая часть из ежегодно выпускаемых 80 млн. т
пластмасс. Между тем, из 1 т отходов полиэтилена получается 860 кг новых изделий. Тонна использованных
полимеров экономит 5 т нефти.
Наиболее эффективными способами предотвращения накопления пластмассовых отходов является их
вторичная переработка (рециклинг) и разработка биодеградальных быстроразрушающихся в природе полимерных
материалов.
Рециклинг пластмассовых отходов осуществляется в США, Японии и 16 промышленно развитых странах
Европы. К 2000 г. рециклинг пластмасс в США составил 50-60%. В Японии еще в 1988г. при общем объеме
полимерного производства 11 млн. т объем продукции по вторичной переработке достиг 4,87 млн. т. Наибольшее
количество рециклированной пластмассы среди приходится на Германию: в настоящее время объем пластмассовых
отходов в Германии составляет около 2,5 млн. т, из которого 500 тыс. т подвергается рециклингу. Количество
образующихся отходов пластмасс в Великобритании оценивается в 1260 тыс. т в год. Ежегодно из отходов
регенерируется и возвращается в цикл 150 тыс. т пластмасс.
Рассмотрение различных аспектов проблемы сырьевых ресурсов не внушает большого оптимизма, но и не
дает основания для безысходности, поскольку человечество уже имеет на вооружении достаточно много достижений
направленных на разрешение минерально-сырьевого кризиса и, будем надеяться, не остановится на достигнутом.
Лекция № 8. АТМОСФЕРА Строение и состав атмосферы
Атмосфера - газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов и простирающаяся (условно)
на высоту 100 км. Она имеет слоистое строение, которое включает ряд сфер и расположенные между ними паузы.
Масса атмосферы составляет 5,9'1015 т, объем - 13,2-1020 м3. Атмосфера играет огромную роль во всех природных
процессах и, в первую очередь, регулирует тепловой режим и общие климатические условия, а также защищает
человечество от вредного космического излучения.
Основными газовыми компонентами атмосферы являются азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%) и
углекислый газ (0,03%). Газовый состав атмосферы меняется с высотой. В приземном слое из-за антропогенных
воздействий количество углекислого газа возрастает, а кислорода снижается. В отдельных регионах в результате
хозяйственной деятельности в атмосфере увеличивается количество метана, оксидов азота и других газов,
вызывающих такие неблагоприятные явления, как парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислотные дожди,
смог.
Циркуляция атмосферы влияет на режим рек, почвенно-растительный покров, а также экзогенные процессы
рельефообразования. И, наконец, воздух - необходимое условие жизни на Земле.
Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, носит название тропосферы. Толщина
ее составляет: на средних широтах 10...12 км, над уровнем моря и на полюсах 7...10 км, а на экваторе 16...18 км.
Из-за неравномерности нагрева солнечной энергией в атмосфере образуются мощные вертикальные потоки
воздуха, а в приземном слое отмечается неустойчивость его температуры, относительной влажности, давления и
т.п. Но при этом температура в тропосфере по высоте является стабильной и уменьшается на 0,6°С на каждые 100
м в диапазоне от +40 до -50°С. В тропосфере содержится до 80% всей влаги, имеющейся в атмосфере, в ней образуются облака и формируются все виды осадков, которые по своей сути являются очистителями воздуха от
примесей.
Выше тропосферы расположена стратосфера, а между ними находится тропопауза. Толщина стратосферы составляет
около 40 км, воздух в ней заряжен, влажность его невысока, при этом температура воздуха от границы тропосферы до
высоты 30 км над уровнем моря постоянна (около -50°С), а затем она постепенно повышается до +10°С на высоте 50
км. Под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца
молекулы газов в стратосфере ионизируются, в результате образуется озон. Озоновый слой, располагаемый до 40 км,
играет очень большую роль, оберегая все живое на Земле от ультрафиолетовых лучей.
Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы, в которой количество озона уменьшается, а
температура на высоте примерно 80 км над уровнем моря составляет -70°С. Резкий перепад температур между
стратосферой и мезосферой объясняется наличием озонового слоя.
Загрязнение атмосферы
Под качеством атмосферы понимают совокупность ее свойств, определяющих степень воздействия
физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы,
конструкции и окружающую среду в целом. Качество атмосферы зависит от ее загрязненности, причем сами
загрязнения могут попадать в нее от природных и антропогенных источников. С развитием цивилизации в
загрязнении атмосферы все больше и больше превалируют антропогенные источники.
Под загрязнением атмосферы понимают привнесение в нее примесей, которые не содержатся в природном
воздухе или изменяют соотношение между ингредиентами природного состава воздуха. Загрязнение атмосферного
воздуха может быть естественным (природным) и антропогенным.
Естественное загрязнение пылью, водяными парами и др. происходит в результате природных явлений,
таких как извержение вулканов, испарение морской воды, выветривание горных пород, выдувание почвы, лесные и
степные пожары и т.д. Антропогенное загрязнение происходит в результате практической деятельности человека. К
антропогенным источникам загрязнения относятся промышленные и транспортные предприятия, сельскохозяйственные
и строительные организации, коммунально-бытовые объекты.
В зависимости от формы материи загрязнения подразделяют на вещественные (ингредиентные),
энергетические (параметрические) и вещественно-энергетические. К первым относят механические, химические и
биологические загрязнения, которые обычно объединяют общим понятием - примеси, ко вторым — тепловые, акустические, электромагнитные и ионизирующие излучения, а также излучения оптического диапазона; к третьим радионуклиды.
Биологические примеси подразделяют на патогенные микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы и т.д.) и
микроорганизмы (растения и животные). К первым относят живые существа, размером меньше 500 мкм.
В глобальном масштабе наибольшую опасность представляет загрязнение атмосферы примесями, так как
атмосферный воздух выступает своего рода посредником загрязнения всех других объектов природы, способствуя
распространению больших масс загрязнения на значительные расстояния. Промышленными выбросами (примесями),
переносимыми по воздуху, загрязняется Мировой океан, закисляются почва и вода, изменяется климат и разрушается
озоновый слой.
Численность населения Земли и темпы его роста являются предопределяющими факторами повышения
интенсивности загрязнения всех геосфер Земли, в том числе и атмосферы, так как с их увеличением возрастают
объемы и темпы всего того, что добывается, производится, потребляется и отправляется в отходы. Наибольшее
загрязнение атмосферы наблюдается в городах, где обычные загрязнители - это пыль, сернистый газ, окись углерода,
двуокись азота, сероводород и др. В некоторых городах в связи с особенностями промышленного производства в
воздухе содержатся специфические вредные вещества, такими, как серная и соляная кислота, стирол, бенз(а)пирен,
сажа, марганец, хром, свинец, метилметакрилат. Всего в городах насчитывается несколько сотен различных
загрязнителей воздуха.
Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу
Как известно, различают естественные примеси, т.е. обусловленные природными процессами, и
антропогенные, т.е. возникающие в результате хозяйственной деятельности человечества
Уровень загрязнения атмосферы примесями от естественных источников является фоновым и имеет малые
отклонения от среднего уровня во времени.
Антропогенные загрязнения отличаются многообразием видов примесей и многочисленностью источников
их выброса. Наиболее устойчивые зоны с повышенными концентрациями загрязнений возникают в местах активной
жизнедеятельности человека. Установлено, что каждые 10...12 лет объем мирового промышленного производства
удваивается, а это сопровождается примерно таким же ростом объема выбрасываемых загрязнений в окружающую
среду.
Степень загрязнения атмосферы зависит от количества выбросов вредных веществ и их химического
состава, от высоты, на которой осуществляются выбросы, от климатических условий, определяющих перенос,
рассеивание и превращение выбрасываемых веществ.
Основными источниками антропогенных загрязнений воздуха являются теплоэлектростанции, транспорт,
предприятия черной и цветной металлургии, химической промышленности, нефтеперерабатывающие,
нефтехимические предприятия, обогатительные фабрики, цементные заводы и другие предприятиях.
Примеси поступают в атмосферу в виде газов, паров, жидких и твердых частиц. Газы и пары образуют с
воздухом смеси, а жидкие и твердые частицы - аэрозоли (дисперсные системы), которые подразделяют на пыль
(размеры частиц более 1 мкм), дым (размеры твердых частиц менее 1 мкм) и туман (размер жидких частиц менее 10
мкм). Пыль, в свою очередь, может быть крупнодисперсной (размер частиц более 50 мкм), среднедисперсной (50...10
мкм) и мелкодисперсной (менее 10 мкм). В зависимости от размера жидкие частицы подразделяются на супертонкий
туман (до 0,5 мкм), тонкодисперсный туман (0,5...3,0 мкм), грубодисперсный туман (3...10 мкм) и брызги (свыше 10
мкм). Следует отметить, что аэрозоли чаще полидисперсные, т.е. содержат частицы различного размера.
Основными химическими примесями, загрязняющими атмосферу, являются следующие:
Окись углерода (СО) - бесцветный газ, не имеющий запаха, известен также под названием «угарный газ».
Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка
кислорода и при низкой температуре. При этом 65% от всех выбросов приходится на транспорт, 21% - на мелких
потребителей и бытовой сектор, а 14% - на промышленность. При вдыхании угарный газ за счет имеющейся в его
молекуле тройной связи (С Е О) образует прочные комплексные соединения с гемоглобином крови человека и тем
самым блокирует поступление кислорода в кровь. Это вызывает головные боли, тошноту, а при более высокой
концентрации смерть.
Максимальная разовая ПДК СО - 5 мг/м3, а среднесуточная -3 мг/м3. При 14 мг/м3 возрастает вероятность
смерти от инфаркта миокарда. Столь экстремальные концентрации часто наблюдаются в районах повышенной
антропогенной нагрузки на окружающую среду: в часы пик на транспорте или при инверсиях (т.е. в условиях слабого
воздушного обмена), благоприятствующих возникновению смога. Уменьшение выбросов угарного газа достигается
путем дожигания отходящих газов и использования альтернативных источников топлива.
Двуокись углерода (СО2), или углекислый газ, - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт
полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов.
Двуокись серы (SO2) (диоксид серы, сернистый ангидрид) - бесцветный газ с резким запахом. Образуется в
процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых
руд. Он в первую очередь участвует в формировании кислотных дождей. Общемировой выброс S2 оценивается в 190
млн т в год. Концентрация диоксида серы особенно велика в районах, где расположены крупные тепловые станции,
металлургические и горнообогатительные заводы. Максимальная разовая ПДК для диоксида серы составляет 0,5
мг/м3, а среднесуточная - 0,05 мг/м3.
Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит вначале к потере вкусовых ощущений,
стесненному дыханию, а затем - к воспалению или отеку легких, перебоям в сердечной деятельности, нарушению
кровообращения и остановке дыхания. Растения гораздо чувствительнее к воздействию диоксида серы, чем человек.
Так, листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км от предприятий, выбрасывающих
диоксид серы, обычно густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель
серной кислоты.
Окислы азота (оксид и диоксид азота) - газообразные вещества: монооксид азота NO и диоксид азота NO2
объединяются одной общей формулой NO,. При всех процессах горения образуются окислы азота, причем большей
частью в виде оксида. Оксид азота достаточно быстро окисляется до диоксида, который представляет собой краснобелый газ с неприятным запахом, сильно действующий на слизистые оболочки человека. Чем выше температура
сгорания, тем интенсивнее идет образование окислов азота.
Другим источником окислов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную
кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество окислов азота,
поступающих в атмосферу, составляет 65 млн т в год. От общего количества выбрасываемых в атмосферу окислов
азота на транспорт приходится 55%, на энергетику - 28%, на промышленные предприятия - 14%, на мелких
потребителей и бытовой сектор - 3% .
В летний период при интенсивном солнечном облучении продолжительностью 12...14 ч вследствие высокой
растворимости в воде (облака, дождь) и сорбции на увлажненных поверхностях азотная кислота быстро выпадает на
земную поверхность. В городах наиболее высокие концентрации окислов азота наблюдаются утром, до начала
фотохимических процессов. При ярком солнечном свете окислы азота реагируют с несгоревшими бензиновыми
парами и другими углеводородами, образуя низкоатмосферный озон, или смог, т.е. красно-бурую дымку.
Максимальная разовая ПДК диоксида азота составляет 0,085 мг/м 3, а среднесуточная - 0,04 мг/м3 При
концентрациях свыше 0,15 мг/м3 возникают острые заболевания органов дыхания. При остром отравлении диоксидом
азота может развиться отек легких. Признаками хронического отравления являются головные боли, бессонница,
раздражение слизистых оболочек.
Озон (О3) - газ с характерным запахом, более сильный окислитель, чем кислород. Его относят к наиболее
токсичным из всех обычных загрязняющих воздух примесей. В нижнем атмосферном слое озон образуется в
результате фотохимических процессов с участием диоксида азота и летучих органических соединений (ЛОС).
Поскольку к ЛОС относят порядка 260 химических соединений, при образовании озона получаются смеси, состоящие
из сотен химических веществ и называемые фотохимическим «смогом». Наиболее высокие концентрации озона
наблюдаются в промышленных районах. Однако, поскольку эмиссии диоксида азота и ЛОС участились даже в
сельской местности, то и здесь зафиксированы повышенные концентрации озона. Озон относят к 1-му классу
опасности, при этом максимально разовая ПДК составляет 0,16 мг/м3 а среднесуточная - 0,03 мг/м3.
Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных
загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке,
промышленных растворителях и т.д. Многие углеводороды опасны сами по себе. Например, бензол, один из
компонентов бензина, может вызвать лейкемию, а гексан - тяжелые поражения нервной системы человека. Бутадиен
является сильным канцерогеном.
Свинец (РЬ) - серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для
производства припоя, красок, боеприпасов, типографского сплава и т.п. Около 60% мировой добычи свинца, которая
составляет порядка 4-107 т, ежегодно расходуется для производства кислотных аккумуляторов. Однако основным
источником (около 80%) загрязнения атмосферы соединениями свинца являются выхлопные газы транспортных
средств, в которых используется этилированный бензин, в который в качестве антидетонационной присадки вводят
тетраэтилсвинец. Для свинца и его соединений (кроме тетраэтилсвинца) среднесуточная ПДК составляет 0,0003 мг/м 3,
а для тетраэтилсвинца установлен ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ), равный 3-Ю-6 мг/м3.
Свинец и его соединения, попадая в организм человека, снижают активность ферментов и нарушают обмен
веществ, кроме того, они обладают кумулятивным действием, т.е. способностью накапливаться в организме
человека. Особенно серьезную угрозу соединения свинца представляют для детей до шести лет. В организме ребенка
остается до 40% попавших в него соединений свинца, а это нарушает умственное развитие, замедляет рост, ухудшает
слух и речь ребенка и лишает его способности сосредоточиться.
Фреоны - группа галогеносодержащих веществ, синтезированных человеком. Их преимуществом перед
другими веществами является то, что они не горючи, не токсичны и нейтральны. Фреоны, представляющие собой
хлорированные и фторированные углероды (ХФУ), как недорогие и нетоксичные газы широко применяют в качестве
хладагентов в холодильниках и кондиционерах, пенообразующих агентов, в установках для газового пожаротушения,
рабочего тела аэрозольных упаковок (лаков, дезодорантов и т.д.).
Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяют на следующие 4 класса:
механическая пыль - образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса;
возгоны - образуются в результате объемной конденсации паров веществ при охлаждении газа,
пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат;
летучая зола - содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива,
образуется из его минеральных примесей при горении;
промышленная сажа - входящий в состав промышленного выброса твердый высокодисперсный углерод,
образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.
Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, - это их размер, который колеблется в широких
пределах - от 0,1 до 850 мкм. Из этой гаммы наиболее опасны частицы от 0,5 до 5 мкм, поскольку они не оседают в
дыхательных путях и именно их выдыхает человек.
Предельно допустимые концентрации (ПДК)
Основой законодательства об охране атмосферного воздуха являются предельно допустимые концентрации
вредных веществ (ПДК), количественно характеризующие такое содержание вредных веществ в атмосферном
воздухе, при котором на человека и окружающую среду не оказывается ни прямого, ни косвенного вредного
воздействия. Под прямым воздействием имеется в виду нанесение организму временного раздражающего действия,
вызывающего кашель, ощущение запаха, головной боли и подобных явлений, которые наступают при превышении
пороговой величины концентрации веществ. К прямому воздействию на организм также относится влияние тех
вредных веществ, которые, накапливаясь в организме, при превышении определенной дозы могут вызвать
патологические изменения.
Под косвенным воздействием имеются в виду такие изменения в окружающей среде, которые, не оказывая
вредного влияния на организм, ухудшают обычные условия обитания (например, увеличивают число туманных дней,
поражают зеленые насаждения и т.п.).
Для тех веществ, которые оказывают немедленное, но временное раздражающее действие, устанавливают
максимально разовые предельно допустимые концентрации (ПДКм.р) за 20-мин период. ПДКмр – показывает порог,
выше которого ощущается запах примесей или появляется раздражающее действие в виде рефлекторных реакций
человека.
Для веществ, оказывающих вредное влияние при накоплении в организме, устанавливают среднесуточные
предельно допустимые концентрации (ПДКс.с). ПДКсс - концентрация, которая не оказывает на человека прямого или
косвенного воздействия при неопределенно долгом вдыхании.
Для тех веществ, которые обладают немедленным раздражающим действием, а также свойствами
накапливаться в организме, вызывающими патологические изменения, устанавливают ПДК м.р и ПДКс.с. При этом если
порог разового воздействия вещества на организм больше порога среднесуточного воздействия, то для вещества
устанавливаются различные величины ПДКм.р и ПДКс.с. Например, для оксида углерода ПДКм.р=5 мг/м3, а ПДКс.с=3
мг/м3.
Нормативы ПДК являются едиными на всей территории республики. В необходимых случаях для отдельных
районов устанавливаются более строгие нормативы ПДК, в частности, для отдельных заповедных зон. Для зон
санитарной охраны курортов, мест размещения крупных санаториев и домов отдыха, а также зон отдыха городов ПДК
установлена на 20% меньше, чем для жилых районов. ПДК установлены и для атмосферного воздуха жилых районов.
Для территории заводских площадок в соответствии с СН 245-71 в местах воздухозаборов величина
концентрации вредных веществ не должна превышать 30% от ПДК для рабочей зоны (ПДКр.з). Поскольку воздух в
большинство помещений поступает через окна и другие аэрационные проемы, эта величина (30% ПДК р.з) условно
принимается в качестве ПДК для заводской территории.
ПДК для рабочей зоны (ПДКр.з), как правило, значительно больше, чем ПДК для населенных мест. Это
объясняется тем, что на предприятии люди проводят только часть суток и, кроме того, там не могут находиться дети
и люди с ослабленным организмом.
Для веществ, по которым на установлены величины ПДК, используется ОБУВ – ориентировочно
безопасный уровень воздействия. ОБУВ – временный гигиенический норматив для загрязняющего атмосферу
вещества, устанавливаемый расчетным методом для целей проектирования промышленных объектов.
При одновременном присутствии в воздухе нескольких вредных веществ некоторые вредные вещества
обладают эффектом однонаправленного (суммирующего) действия. Такие группы веществ носят название групп
суммации. Их концентрация, определяемая по формуле:
c
c1
с2
сn
...
,
ПДК 1 ПДК 2
ПДК n
не должна превышать единицы; здесь с1, с2, …, сn – концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе; ПДК1,
ПДК2, …, ПДКn – соответствующие им предельно допустимые концентрации в атмосферном воздухе,
устанавливаемые для каждого из вредных веществ.
Предельно допустимые и временно согласованные выбросы
Основным средством для соблюдения ПДК является установление нормативов предельно допустимых выбросов
(ПДВ), устанавливаемых для каждого стационарного источника выбросов. Нормативы ПДВ загрязняющих
веществ в атмосферу определяются на уровне, при котором выбросы загрязняющих веществ от конкретного и всех
других источников в данном районе не приведут к превышению нормативов ПДК.
Для каждого источника величина ПДВ устанавливается индивидуально в зависимости от местоположения
источника по отношению к жилым районам, сочетания выбросов загрязняющих веществ от рассматриваемого
источника с выбросами от других источников, влияния условий рассеивания загрязняющих веществ в географическом
районе, температуры окружающего воздуха, рельефа местности и других факторов. Поэтому для одинаковых
источников выделения загрязняющих веществ величины ПДВ могут быть различными.
Нормативы ПДВ устанавливаются на основании расчета приземных концентраций и сопоставления
результатов расчета с ПДК. Для каждого из загрязняющих веществ, содержащихся в выбросах источника, величины
ПДВ устанавливаются отдельно. Величины ПДВ для источников устанавливаются в граммах в секунду. Для удобства
дальнейших расчетов по каждому веществу для источника рассчитывается также годовой выброс в тоннах в год.
Кроме того, по каждому веществу устанавливается суммарная величина ПДВ в целом для предприятия в тех и
других единицах. Суммарная величина ПДВ в г/с устанавливается из расчета одновременного максимального
сочетания выбросов от источников предприятия за 20-мин период. В эту сумму включаются те выбросы от
источников, по которым проводится расчет суммарных приземных концентраций.
Величина ПДВ для предприятия в т/год определяется в виде суммы выбросов от отдельных источников. В тех
случаях, когда для действующего источника количество выбросов какого-либо вещества больше, чем должно быть
после достижения ПДВ, или условия поступления газов в атмосферу (например, по высоте) не соответствуют
показателям, принятым для нормативов ПДВ, величина выбросов от данного источника характеризуется как временно
согласованный выброс (ВСВ). При этом имеется в виду, что допустимость такого выброса согласовывается на
ограниченный период.
В ряде случаев для достижения ПДВ предусматриваются различные мероприятия, включающие изменение
технологии, сырья, топлива, систем очистки газов, высоты выброса и т.п. Осуществление мероприятий, необходимых
для достижения ПДВ, обычно требует значительных капиталовложений. Поэтому величины ВСВ устанавливаются на
период, пока эти мероприятия не будут осуществлены. При этом имеется в виду, что величина ВСВ характеризует
максимально допустимое количество выбросов от источника при условии нормальной эксплуатации имеющихся
систем газоочистки и других средств сокращения выбросов.
Если количество выбросов от источника может быть несколько сокращено до осуществления капитальных
мероприятий, предусматриваемых для достижения ПДВ (например, путем ремонта действующей системы
газоочистки, улучшения сжигания топлива и др.), которые могут быть осуществлены силами предприятия,
дополнительно устанавливаются ступенчатые величины, например, ВСВ 1, ВСВ2.
Разработка нормативов предельно допустимых
и временно согласованных выбросов
Основной целью разработки проекта нормативов ПДВ (ВСВ) является:
определение требуемых допустимых выбросов от каждого источника и условий поступления этих выбросов в
атмосферу, при которых суммарные приземные концентрации от выбросов предприятия с учетом его развития и
влияния фонового загрязнения не будут превышать ПДК;
установление для каждого источника вредных выделений и предприятия в целом величин ПДВ и ВСВ с
учетом существующего положения, промежуточных и конечных этапов развития предприятия. При этом на период
полного развития должны быть достигнуты величины ПДВ для каждого источника вредных выделений по всем
вредным веществам;
выбор мероприятий по защите атмосферы, необходимых для достижения величин ПДВ по каждому из
источников выделения вредных веществ;
определение требуемых затрат и других условий, необходимых для осуществления мероприятий по защите
атмосферы.
Кроме того, в проекте нормативов ПДВ в соответствии с действующими правилами должны быть освещены
вопросы организации службы защиты атмосферы, сокращения выбросов в периоды особо опасных (неблагоприятных)
метеорологических условий и др.
Проект нормативов ПДВ разрабатывается для предприятия не реже одного раза в 5 лет.
Санитарно-защитные зоны (СЗЗ)
СЗЗ – полоса, отделяющая территорию промышленного предприятия от жилой зоны. Ширина санитарнозащитных зон регламентируется санитарными нормами в зависимости от мощности предприятия. Граница СЗЗ по
условиям охраны атмосферного воздуха отсчитывается от крайних точечных или неорганизованных источников
выделения вредных веществ на предприятии (а не от ограды предприятия или наиболее мощных источников).
Максимальная величина размеров СЗЗ для металлургических предприятий установлена равной 1 км. Для
действующих предприятий при расположении жилых районов на более близком расстоянии от них, чем нормируемая
зона, ширина СЗЗ корректируется.
Во всех случаях достаточность размеров СЗЗ, в том числе и соответствующей нормативным показателям,
должна проверяться расчетом приземных концентраций. Если в результате такого расчета выявляется, что санитарные
нормы на границе СЗЗ для существующего жилого района не обеспечиваются, должны быть разработаны
дополнительные мероприятия, направленные на снижение приземных концентраций.
При сосредоточении в одном районе ряда крупных предприятий, являющихся источником загрязнения
воздуха, ширина СЗЗ может быть увеличена до 3-х раз.
СЗЗ подлежат озеленению с выбором соответствующих дымогазоустойчивых пород деревьев и созданием в
зеленых насаждениях специально организованных коридоров для проветривания промплощадки. Зеленые насаждения
санитарно-защитных зон снижают приземные концентрации вредных веществ на границе жилого района. Они
особенно эффективны для локализации неорганизованных выбросов пыли и выделений дыма из низких труб, однако в
расчетах приземных концентраций этот фактор пока не учитывается. С тех сторон предприятия, где жилая застройка
отсутствует, озеленение СЗЗ не требуется.
Методы и средства защиты атмосферы
Все известные методы и средства защиты атмосферы от химических примесей можно объединить в три
группы.
В первую группу входят мероприятия, направленные на снижение мощности выбросов, т.е. уменьшение
количества выбрасываемого вещества в единицу времени. Во вторую группу входят мероприятия, направленные на
защиту атмосферы путем обработки и нейтрализации вредных выбросов специальными системами очистки. В третью
группу входят мероприятия по нормированию выбросов как на отдельных предприятиях и устройствах, так и в
регионе в целом.
Рассмотрим метроприятия, относящиеся ко второй группе.
Классификация систем очистки воздуха и их параметры
Системы очистки воздуха от пыли делятся на четыре основные группы: сухие и мокрые пылеуловители, а
также электрофильтры и фильтры.
При повышенном содержании пыли в воздухе используют пылеуловители и электрофильтры. Фильтры
применяют для тонкой очистки воздуха с концентрацией примесей менее 100 мг/м 3.
Для очистки воздуха от туманов (например, кислот, щелочей, масел и др. жидкостей) используют системы
фильтров, называемых туманоуловителями.
Средства защиты воздуха от газопарообразных примесей зависят от выбранного метода очистки. По
характеру протекания физико-химических процессов выделяют метод абсорбции (промывка выбросов
растворителями примеси), хемосорбции (промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси
химически), адсорбции (поглощение газообразных примесей за счет катализаторов) и термической нейтрализации.
Все процессы извлечения из воздуха взвешенных частиц включают, как правило, две операции: осаждение
частиц пыли или капель жидкости на сухих или смоченных поверхностях и удаление осадка с поверхностей
осаждения. Основной операцией является осаждение, по ней собственно и классифицируются все пылеуловители.
Однако вторая операция несмотря на кажущуюся простоту связана с преодолением ряда технических трудностей,
часто оказывающих решающее влияние на эффективность очистки или применимость того или иного метода.
Сухие пылеуловители. К сухим пылеуловителям относятся такие, в которых очистка движущегося воздуха
от пыли происходит механически под действием сил гравитации и инерции. Эти системы называются инерционными,
так как в них при резком изменении направления движения газового потока частицы пыли, по инерции сохраняя
направление своего движения, ударяются о поверхность, теряют свою энергию и под действием сил гравитации
осаждаются в специальном бункере.
Для сухой очистки газов наиболее употребительны центробежные обеспыливающие системы (циклоны)
(рисунок 2). Газовый поток, попадая во внутренний корпус циклона 1 через патрубок 2, совершает вращательнопоступательное движение вдоль корпуса по направлении к бункеру 4. Под действием сил инерции частицы пыли
осаждаются на стенках корпуса, а затем попадают в бункер. Очищенный газовый поток выходит из бункера через
патрубок 3. Особенностью таких систем очистки является обязательная герметичность бункера, в противном случае
из-за подсоса воздуха осаждаемые частицы пыли падают в выходную трубу.
Мокрые пылеуловители. Особенностью этих систем очистки является высокая эффективность очистки от
мелкодисперсной пыли (менее 1,0 мкм). Эти системы обеспечивают возможность очистки от пыли горячих и
взрывоопасных газов. Эти системы работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или
пленки) жидкости под действием сил инерции и броуновского движения. Конструктивно мокрые пылеуловители
разделяют на форсуночные скрубберы и скрубберы Вентури, а также аппараты ударно-инерционного и барботажного
и других типов.
Наибольшее практическое применение находят скрубберы Вентури (рисунок 3), которые работают
следующим образом. Через патрубок 4 газ подается в устройство 2, которое называется соплом Вентури. Сопло
Вентури имеет конфузор (сужение), в который через форсунки 1 подается вода на орошение. В этой части сопла
скорость газа увеличивается, достигая максимума в самом узком сечении (с 10...20 до 100...150 м/с). Увеличение
скорости способствует осаждению частиц пыли на каплях воды. В диффузорной части сопла Вентури скорость потока
мокрых газов уменьшается до 10...20 м/с. Этот поток подается в корпус 3, где под действием сил гравитации
происходит осаждение загрязненных пылью капель. В верхнюю часть корпуса выходит очищенный газ, а в нижнюю
попадает шлам.
Эффективность скрубберов Вентури 0,97...0,98. Расход воды составляет 0,4...0,6 л/м3.
Электрофильтры. Их работа основана на одном из наиболее эффективных видов очистки газов от пыли электрическом. Следует отметить, что электрофильтры также используются и для очистки тумана. Основной принцип
работы - ударная ионизация газа в неоднородном электрическом поле, которое создается в зазоре между
коронирующим и осадительным электродами.
Загрязненные газы, попав между электродами, способны проводить электрический ток вследствие имеющейся
частичной ионизации. При увеличении напряжения электрического тока число ионов растет, пока не наступит предельное насыщение и все ионы не окажутся вовлеченными в движение от одного электрода к другому. Отрицательно
заряженные частицы движутся к осадительному электроду, а положительно заряженные оседают на коронирующем
электроде. Так как большинство частиц пыли получают отрицательный заряд, основная масса пыли осаждается на
положительном осадительном электроде, с которого пыль легко удаляется.
Эффективность очистки газов электрофильтрами достигает 0,9...0,99, производительность их — до 1 млн м'/ч.
Фильтры. Широко используются для тонкой очистки промышленных выбросов. Работа их основана на
фильтровании воздуха через пористую перегородку, в процессе которой твердые частицы примесей задерживаются на
ней. В общем случае в корпусе фильтра расположена воздухопроницаемая перегородка, на которой осаждается
улавливаемые частицы.
Туманоуловители. Для очистки воздуха от туманов, кислот, щелочей, масел и других жидкостей
используются волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с
последующим их стеканием под действием гравитационных сил. В пространстве между двумя цилиндрами, изготовленными из сеток, размещается волокнистый фильтрующий материал. Жидкость, оседающая на фильтрующем
материале, стекает через гидрозатвор в приемное устройство.
Метод абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения
одного или нескольких газовых компонентов поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Состав абсорбента выбирается из условия растворения в ней поглощаемого газа. Например, для удаления из технологических
выбросов таких газов, как аммиак, хлористый водород и др., целесообразно применять в качестве поглотительной
жидкости воду. Для улавливания водяных паров используют серную кислоту, а ароматических углеводородов (из
коксового газа) — вязкие масла.
Установки, реализующие метод абсорбции, называются абсорберами. Скорость абсорбции зависит главным
образом от температуры и давления: чем выше давление и ниже температура, тем выше скорость абсорбции. Все
аппараты жидкостной абсорбции делятся на три типа: колонные, тарельчатые и насадочные абсорберы.
Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с
образованием химических соединений.
Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых пористых материалов селективно извлекать
из газовоздушной смеси отдельные ее компоненты. Широко известный пример адсорбента с ультрамикроскопической
структурой - активированный уголь. Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при
повышенных температурах.
Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных или костей, заполненных адсорбентом, через
который проходит поток очищаемых газов.
При каталитическом методе токсичные компоненты газовоздушной смеси, взаимодействуя со специальным
веществом - катализатором, превращаются в безвредные вещества. В качестве катализаторов используются металлы
или их соединения (платина, оксиды меди и марганца и пр.). Катализатор, выполняемый в виде шаров, колец или
спиральной проволоки, играет роль ускорителя химического процесса.
Термический метод или высокотемпературное дожигание, который иногда называют термической
нейтрализацией, требует поддержания высоких температур очищаемого газа и наличия достаточного количества
кислорода. Схема промышленной установки для термической нейтрализации показана на рис. 4.18. В термических
катализаторах сжигаются такие газы, как, например, углеводороды, оксид углерода, выбросы лакокрасочного производства. Эффективность этих систем очистки достигает 0,9...0,99, температура в зоне горения - 500...750°С.
ПОНЯТИЕ О ГИДРОСФЕРЕ
Гидросфера – это водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озера,
ледники), подземные воды.
Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, так как с ней связано зарождение и
развитие живого вещества, а, следовательно, и всей биосферы Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с
литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная вода) и живым веществом, в состав которого она входит в
качестве обязательного компонента. Вода в биосфере выступает в роли универсального растворителя, ибо
взаимодействует со всеми веществами, как правило, не вступая с ними в химические реакции Это обеспечивает
перенос растворенных веществ, например, обмен веществ между сушей и океаном, организмами и окружающей
средой.
На долю поверхностных вод в гидросфере приходится весьма малый объем (всего 0,0001%), но
исключительная их активность служит началом формирования почти всех источников пресных вод нa суше.
Общая масса воды оценивается величиной 2*101S т. Все воды на территории Республики Казахстан
составляют единый ВОДНЫЙ фонд., включающий реки, озера, ледники, водохранилища, другие поверхностные
источники, подземные воды, общий запас которых оценивается до 450 км 3.
Главным источником, питающим реки Казахстана, являются ледники, площадь которых равна -2 тыс. км2, а объем более 98 км3, или почти равен объему воды в озере Балхаш. За сезон абляции (с июля до середины сентября) толщина
ледников в среднем уменьшается на 3 м, когда лето очень жаркое - на 6 м. Крупные ледники находятся на
Джунгарском Алатау (объем 46 км3), Илий-ском Алатау (28 км3), Терскей Алатау (11 км3), казахстанской части Алтая
(3,5 км3) и Таласском Алатау (2,3 км3).
В Казахстане более 8 тысяч рек с длиной русла каждой из них больше 10 км К важнейшим рекам можно
отнести Урал, Иртыш, Сырдарью, Есиль, Уил, Тобол, Ишим, Сагиз, Жем, большой и малый Узень, Торгай, Иргиз,
Нуру, Шидерты, Селеты, Сарысу, Арусь, Талас, Чу, Каратал, Или, Аксу, Лепсы и др. На реках Большая и Малая
Алмаатинка, Каратал, Иссык, берущих начало в горах, часто повторяются селевые потоки. Многие реки маловодные,
только в период весеннего паводка выходят из берегов, Среднемноголетний сток рек Казахстана составляет около 80
км .
В республике 48232 озера площадью более 1 га каждое Средняя глубина от 1 до 8 метров. Есть более
глубоководные, как, например, озеро Алаколь глубиной до 45 м, Б. Чебачье - 37 м, Шортандинекое -31м
Маркакольское - 27 м и Балхаш - 26 м. Самое большое среди озер - Балхаш, длина которого 605 км, ширина - до 74 км,
объем воды - 112 км3. На втором месте озеро Алаколь длиной 104 км и шириной 52 км. объем воды - 55,6 KMJ. К крупным озерам можно отнести озера Сасыккуль, Уялы, Сплети тениз, Большой Карой, Малый Карой, Шагалалы тениз,
Теке, Кучмурун, Маркаколь, Челкар, Сарыкопы, Камыстыбас. Арысь, Кизикак, Жалаулы. Карасор, Индер и др. Общий
объем воды в озерах Казахстана составляет 190 км3, из них пресных вод - около 20 км3.
Поверхностные водные ресурсы распределены по республике неравномерно. Наиболее обеспечен Восточный
Казахстан - 200-290 тыс. м3/км2, наименее - Западный Казахстан и, в особенности, Мангистауская область - до 0,36
тыс. м3/км2.
Запасы подземных вод Казахстана оцениваются в 61 км 3, в том числе пресных - около 40 км3. Наибольшие
запасы - в горно-предгорных районах востока и юга республики, наименьшие - в северных и центральных районах,
Прикаспии и Приаралье.
Антропогенное воздействие на гидросферу
В настоящее время усиливается влияние антропогенных факторов на гидросферу
Основными источниками загрязнения природных вод являются
1. Атмосферные воды (осадки), несущие большое количество вымываемых из воздуха загрязняющих ингредиентов
промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно смывают с
поверхности почвы поллютанты В городских условиях потоки воды несут большое количество нефтепродуктов,
Фенолов кислот высокотоксичных элементов мусора и т п.
2. Городские сточные воды, которые содержат, в основном, бытовые стоки - растворенные фекальные массы,
детергенты (поверхностно-активные моющие средства),
разнообразные,
в том числе и патогенные
микроорганизмы
3. Промышленные сточные воды всех отраслей производства, которые содержат большое количество элементов и
веществ, обладающих различной степенью ядовитости и канцерогенности.
4 Сельское хозяйство, в котором при нерациональном (в основном избыточном) внесении удобрений и пестицидов
последние смываются с полей и даже проникают в грунтовые воды.
Попадают в водные источники и органические удобрения (отходы животноводства) - навоз, подстилка, мочевина Эти
отходы не ядовиты но массы их огромны.
