Экология и инженерная охрана природы

Термин «Экология»

Термин «Экология» впервые был введён в 1869 году Геккелем. По определению Геккеля «Экология» - наука об экономии природы (наука о жилище - греч.).

Экология - наука об отношении организма или групп организмов к окружающей среде в соответствии с уровнем организации окружающей жизни.

Существует два вида экологии:

1) Аутэкология - взаимоотношение со средой отдельного организма.

2) Синэкология - комплексное изучение групп организмов, составляющих определённое единство.

Экология быстро развивается на стыке с другими науками. Существует эерографическая, химическая, математическая экологии.

Задачи экологии как науки:

1) Исследование закономерности организации жизни, в т.ч. и в связи с антропогенным воздействием на отдельные экологические системы и всю биосферу в целом.

2) Создание научной основы рационального использования природных ресурсов.

3) Восстановление нарушенных природных систем.

4) Регулирование численности популяции живых организмов.

5) Сохранение эталонных участков биосферы.

Экология и инженерная охрана природы

Инженерная экология - это система инженерно-химических предприятий, направленных на сохранение качества природной среды в условиях растущего промышленного производства.

Понятие охраны природы имеет двоякий смысл:

1) Комплексная научная дисциплина, разрабатывающая общественные принципы и методы сохранения и восстановления природных ресурсов.

2) Система мероприятий, направленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей его природы.

Понятие окружающей среды также имеет два смысла:

1) Это внешняя, но находящаяся в непосредственном контакте с субъектом или объектом среда.

2) Это совокупность абиотической (неживой), биотической (живой) и социальных сред, совместно оказывающих влияние на человека и его хозяйство.

Охрана окружающей природной среды - это комплекс государственных, международных, региональных, административно-хозяйственных, политических и общественных мероприятий, направленных на поддержание химических, физических и биологических параметров функционирования природных систем в пределах необходимых с точки зрения здоровья и благосостояния человека.

Основы общей экологии:

Учение о биосфере и её эволюции (В.И. Вернадский)

Согласно В.И. Вернадскому биосфера - это оболочка земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само живое существо. На Земле жизнь сосредоточена в гидросфере, литосфере и тропосфере. Нижняя граница атмосферы расположена на 2-3 км ниже поверхности материков и на 1-2 км ниже дна океана.

Верхняя граница биосферы - озоновый слой, который расположен в стратосфере на 20-25 км от поверхности Земли.

За несколько миллиардов лет своего существования биосфера прошла сложную эволюцию.

Основным этапом было возникновение жизни из неживой материи. Этому предшествовало образование сложных органических веществ из водорода, аммиака, углекислого газа, метана и воды под воздействием высоких температур, электроразрядов, солнечного излучения и вулканической деятельности. Из-за этого образовывались молекулы аминокислот, азотистых оснований, т.е. вещества, из которых состоят белки, нуклеиновые кислоты и вещества-носители энергии АДФ, АТФ.

Важнейшим этапом эволюции было то, что органические вещества подвергались процессам распада и синтеза, причём продукты распада одних молекул являлись источником синтеза для других молекул. Так возник первичный водоворот органических веществ. Концентрация органических веществ в толще воды была неравномерной. В результате возникали калоидные сгущения, получившие название коацерват. Характерная особенность - наличие границы с окружающей средой. Коацерваты рассматривались в качестве первой биоструктуры. Эти капли разрушались, образовывались вновь, делились. В конечном итоге получилось, что сохраняться могли лишь те капли, которые при делении не теряли в дочерних каплях свои признаки, химический состав и структуру, т.е. приобрели способность к самовоспроизводству. Важной особенностью коацерватов было то, что они могли избирательно поглощать из окружающей среды необходимые им вещества и избавляться от ненужных веществ. Этот момент даёт начало обмену веществ, процессам переноса энергии и информации. Согласно существующей сейчас теории также и появились первые живые организмы. Дальнейшее усложнение жизни связано с возникновением многоклеточных организмов. Наиболее развитой и признанной сейчас является колониальная гипотеза возникновения многоклеточных организмов. Согласно этой гипотезе произошло следующее: клетка разделилась, но её дочерние составляющие не разошлись, а стали существовать вместе. Причём сначала обе клетки были абсолютно одинаковыми, а потом стали возникать различия в химическом составе и структуре, что соответственно привело к функциональной специализации. Одни клетки стали отвечать за поглощение, другие - за движение, третьи - за размножение. В течение миллионов лет многоклеточные организмы эволюционировали и в конце концов появился человек, который сейчас преобразовывает биосферу в ноосферу.

Понятие об афтотропности человечества

Афторопными называются организмы, которые получают своё органическое вещество из неорганического, не используя уже готовые органические вещества других организмов.

Гетеротропными называются организмы, которые для построения своего органического вещества используют уже готовые органические вещества других организмов.

Человек - гетеротропное вещество, единственный организм, создавший производство и развил технологию.

Жизнь как термодинамический процесс

Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является непрерывный обмен веществ с окружающей средой.

Белковое тело - это организованная макромолекулярная совокупность ряда специфических веществ: нуклеиновых кислот, аминокислот, соединение азота и фосфора. Рассмотрим простейшую физическую систему, состоящую из нагретого тела т окружающей среды.

Градиент - это вектор, направленный из точки с минимальным значением параметра в точку с максимальным значением параметра.

В связи с тем, что в рассматриваемой системе существует градиент температур, то согласно второму закону термодинамики эта система будет стремиться к состоянию теплового равновесия, т.е. к такому состоянию, когда Т_ТЕЛА=Т_{ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ}, т.е. вся энергия тела будет рассеяна в виде тепла и при наступившем термодинамическом равновесии любые энергетические процессы станут невозможны. Система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия имеет максимальную энтропию, так, обратно второму закону термодинамики можно сформулировать следующее обращение: любая система стремится к расстоянию с максимальной энтропией. Считается, что чем больше энтропия, тем больше хаос в системе. Непрерывный поток солнечной энергии воспринимается молекулами афтотрофных живых организмов и преобразуется в энергию химических связей, т.е. живые организмы вносят в систему структуру, порядок, и в связи с этим, в отличие от всех других физических и химических систем с живыми организмами, могут двигаться против градиента энтропии, т.е. в сторону уменьшения энтропии. Говорят, что живые организмы вырабатывают отрицательную энтропию или негтропию. Энергию для этого они естественно получают от солнца.

Экологические факторы и их действия

Экологический фактор - это любое условие среды, способное оказать прямое или косвенное воздействие на живые организмы хотя бы на одной из фаз их развития.

Экологические факторы делятся на две категории:

1) Факторы неживой природы или абиотические факторы.

2) Факторы живой природы или биотические факторы.

Абиотические факторы в свою очередь делятся на:

1) Климатические (освещённость, температура, влажность, атмосферное давление, скорость движения ветра)

2) Почвенно-грунтовые (плотность, механический состав, влагоёмкость, воздухопроницаемость)

3) Орографические (рельеф, высота над уровнем моря)

4) Химические (газовый состав воздуха, количество растворённых в воде солей и т.д.)

Биотические факторы в свою очередь делятся на:

1) Зоогенные (животный мир)

2) Фитогенные (факторы растительности)

3) Микробиогенные (влияние живых организмов)

4) Антропогенные (влияние человека)

Экологические факторы можно классифицировать по степени постоянства их воздействия на живые организмы или по периодичности.

Бывают:

1) Первичные периодические факторы, т.е. факторы, связанные с вращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси. Это смена времён года, смена дня и ночи.

2) Вторичные периодические факторы, которые являются следствием первичных периодических факторов. Это температура, влажность, количество растворённого в воде кислорода, количество растительной пищи и другие.

3) Непериодические факторы. Это почвенно-грунтовые факторы, факторы, связанные со стихийными бедствиями, большинство антропогенных воздействий.

Абиотические факторы наземной среды

Климатические факторы.

Поступающая от Солнца лучистая энергия это 99% электромагнитного излучения с длиной волны от 0,17 до 4 микрон. Причём 48% поступает на видимую часть спектра, а 45% на инфракрасную часть спектра.

Количество солнечной энергии, поступающей к Земле постоянно, однако, разные районы земного шара получают разное количество энергии, что связано с наклоном земной оси. Так, например, в умеренной зоне на единицу площади приходится в 6 раз больше энергии, чем в Полярной зоне. Часть солнечной энергии отражается земной поверхностью. Чистый снег отражает до 95% энергии, загрязнённый снег до 50%, хвойные леса до 15%, чернозём до 5%. Освещённость земной поверхности связано с вращением Земли вокруг своей оси, в результате чего у всех организмов существуют суточные ритмы деятельности.

Влажность - это количество водяного пара, растворённого в атмосферном воздухе.

Большинство водяного пара содержится в нижних слоях атмосферы (до 2км). Влажность существенно зависит от температуры. Чем температура больше, тем больше водяного пара может содержать атмосфера. Разность между максимально возможной и текущей влажностью называется дефицитом влажности. Это важный экологический параметр, который характеризует сразу два фактора - температуру и влажность. Чем больше дефицит влажности, тем суше и теплее.

Атмосферное давление.

В атмосфере существует два типа зон, зависящих от давления.

1) Зоны пониженного давления (циклоны), которые характеризуются неустойчивой погодой, с большим количеством осадков.

2) Зоны повышенного атмосферного давления (антициклоны), которые характеризуются устойчивой погодой без осадков.

Движение воздуха.

В этом случае, движущей сило процесса является разность атмосферных давлений в двух точках земного шара. Воздух движется из точки с повышенным давлением в точку с пониженным давлением.

Почвенно-грунтовые факторы.

Почва - это рыхлый поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений. Почва - это трёхфазная среда, включающая в себя жидкие, твёрдые и газообразные компоненты. По вертикали почва разделяется на отдельные слои горизонта. Все горизонты представляют собой смесь органических и неорганических веществ. Минеральный состав почвы: 50% - оксид кремния, 25% - глинозём или оксид алюминия, 10% - оксид железа, а также оксиды калия, фосфора, кальция и магния - каждый до 5%. В числе органических веществ, находящихся в почве, можно выделить белки, жиры, воск, смолу и т.д. Одно из наиболее важных свойств почвы - это её механический состав, т.е. размер частиц, из которых почва состоит. Чем меньше размер частиц, тем ближе почва к глинистой. Чем больше размер частиц, тем больше почва к песчаной.

Плотность почвы.

Группа тепловых факторов (теплоёмкость, теплопроводность).

Группа водных факторов (влагоёмкость, влагопроницаемость).

Аэрация (насыщенность почвы воздухом).

Кислотность или показатель рН.

Абиотические факторы водной среды

Водная среда - это своеобразная среда обитания живых организмов, отличающихся от воздушной прежде всего плотностью и вязкостью.

Плотность в 80 раз больше плотности воздуха.

Вязкость в 55 раз больше вязкости воздуха.

Подвижность, т.е. постоянное перемещение водных масс в пространстве.

Температурная стратификация, т.е. изменение температуры с глубиной.

Периодические, годовые, сезонные суточные изменения температуры воды.

Прозрачность воды.

Солёность воды, т.е. содержание растворённых карбонатов, хлоридов, сульфатов. В пресной воде преобладают карбонаты, в солёной - хлориды и сульфаты. Средняя солёность Мирового океана 35г/литр. Большинство внутренних морей существенно менее солёные: Чёрное море - 19г/литр, Каспийское море - 14г/литр.

Количество растворённого кислорода.

Кислотность или показатель рН.

Биотические факторы

Биотические факторы - это совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на другие. Биотические факторы можно разделить на прямые и косвенные.

Прямые - это непосредственное влияние одних организмов на другие.

Косвенные - это влияние через изменение комплекса абиотических факторов

Понятие и лимитирующем факторе

В 1840 году был разработан немецким учёным Либихом. Он создавал теорию минерального питания растений и установил, что развитие растений зависит не от тех веществ, которых хватает, а от тех, которых не достаёт, пусть даже они необходимы в микроколичествах.

Им был сформулирован закон минимума, согласно которому, необходимо увеличить в почве содержание того питательного вещества, концентрация которого минимальна.

На этой основе и было сформулировано понятие лимитирующего фактора.

Лимитирующий фактор - это фактор, который находится как в избытке, так и в недостатке по отношению к оптимальным требованиям организма.

Понятие об экологической нише

Любой живой организм адаптирован к вполне определённым параметрам окружающей среды. Изменение этих параметров может вызвать укрепление жизнедеятельности или гибель организма.

Экологическая ниша - это совокупность множества параметров среды, определяющих условие существования того или иного вида и его функциональные характеристики, такие как передача энергии и обмен информации.

Таким образом, экологическая ниша определяет не только положение вида в пространстве, но и его функциональную роль в сообществе, а также его положение относительно абиотических факторов.

Моделью экологической ниши является часть многомерного пространства экологических факторов. Рассмотрим вид живых организмов, существование которых зависит от температуры, давления и влажности.

T₁?T?T₂

P₁?P?P₂

V₁?V?V₂

Моделью экологической ниши является параллелепипед в трехмерном (3D) пространстве (рис. №1).

Допустим, что один из параметров вышел из экологической ниши: например T>T₂, тогда возможны два варианта:

1) Вид приспособится к новым условиям существования и его экологическая ниша станет больше.

2) Вид не сможет приспособиться и погибнет, а его экологическую нишу займёт другой вид.

Адаптация живых организмов к экологическим факторам

Одни организмы могут существовать в широких интервалах изменения экологических факторов, другие - в узких.

Рассмотрим график зависимости активности организмов от температуры (рис. №2).

Первый и третий вид существуют в узком интервале температур, причём первый при низких, а третий при высоких температурах. Второй вид может существовать в широких интервалах изменения температуры.

Адаптацией называется эволюционно выработанная и наследственно закреплённая способность живых организмов, позволяющая им существовать в условиях динамически изменяющихся экологических факторов.

Существуют следующие формы адаптации:

1) Морфологическая адаптация - это приспособление внешней формы организма к окружающей среде.

2) Физиологическая адаптация - это приспособление внутреннего строения организма к окружающей среде, например, животные пустынь могут получать воду за счёт биохимического расщепления жиров.

3) Поведенческая адаптация - это, например, сезонные кочёвки птиц или спячка у животных.

Принцип минимальной амплитуды

Живой организм при прочих равных условиях выбирает такое место обитания, в котором обеспечивается минимальная амплитуда колебаний одного или нескольких лимитирующих факторов.

Популяция, её структура и динамика

Популяция - это исторически сложившаяся естественная совокупность особей данного вида, связанных между собой определёнными взаимоотношениями и приспособлением к жизни в условиях определённого района.

Различают географические и экологические популяции.

Географическая популяция - это группа особей одного вида, населяющие территории с однородными условиями существования.

Экологическая популяция - это группа особей одного вида, находящихся в таких условиях, где любые две могут явновероятно скреститься друг с другом.

Экологическая популяция является подсистемой географической популяции. Каждая популяция имеет определённую структуру: возрастную, пространственную и др. Каждая популяция имеет определённую численность и амплитуду колебаний этой численности.

Численность популяции - это количество особей данного вида в популяции.

Плотность популяции - это численность популяции, отнесённая к единице площади или объёма.

Численность популяции не бывает постоянной, и колеблется в том или ином пределе.

Все типы динамики делятся на две группы:

1) Периодические (осцилляция)

2) Непериодические (флуктуация)

Промышленная экология. Промышленное производство и его воздействие на окружающую среду

Ещё в начале века Вернадский отметил, что деятельность человека стала сравнима с геологическими преобразованиями. В настоящее время человек использует более 60% суши и более 15% речных вод. Ежегодно человек добывает более 100 миллиардов тонн руды, уничтожая более 20 миллионов гектаров леса. В своей деятельности человек использует более 500 тысяч химических соединений. Из них более 40 тысяч вредны для человека, более 15 тысяч токсичны.

Схема потребления ресурсов городом с населением более 1 миллиона человек

Воздействие человека на биосферу сводится к четырём главным формам:

1) Изменение структуры земной поверхности (строительство водохранилищ, осушение болот и т.д.).

2) Изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагаемых её веществ (изъятие полезных ископаемых, выброс различных загрязнений и т.д.).

3) Изменение энергетического, в частности, теплового баланса отдельных регионов земного шара и биосферы в целом.

4) Изменения, вносимые в совокупность живых организмов (уничтожение одних видов и создание новых видов).

Классификация загрязнений окружающей среды

Загрязнением в узком смысле слова называется внесение в какую-либо среду, не характерное для неё химических, физических и биологических компонентов.

Непосредственными объектами загрязнений служат компоненты экотопа. Косвенными объектами загрязнений служат составляющие биоценоза. Первую классификацию загрязений предложил американский учёный Парсон. Она заключает в себя следующие типы загрязнений:

1) Сточные воды.

2) Минералы, неорганические кислоты и соли.

3) Органические кислоты и соли.

4) Твёрдый сток.

5) Вещества, имеющие питательную ценность для растений.

6) Радиоактивные вещества

7) Носители инфекции

Существует и иная классификация, которая первоначально делит загрязнения на естественные и антропогенные.

К антропогенным относятся:

1) Механические (загрязнение среды компонентами, оказывающие лишь механическое воздействие без физико-химических последствий).

2) Химические (изменение естественных химических свойств среды).

3) Физическое (шумовое, световое, тепловое, электромагнитное, радиоактивное).

4) Биологическое (загрязнение путём внесения в среду биологического организма).

Загрязнением в широком смысле слова называется внесение в ту или иную экологическую систему несвойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, потоки энергии и информации, вследствие чего данная экосистема разрушается, или снижается её продуктивность.

Ингридиентное загрязнение - это совокупность веществ, качественно или количественно чуждых биоценозу.

Параметрическое загрязнение - это изменение качественных параметров окружающей среды.

Биоценотическое загрязнение - это воздействие на состав и структуру популяций организма.

Социально-деструктивное - это изменение ландшафта и экосистем в процессе природопользования.

Последствия загрязнений:

1) Загрязнение есть нежелательный процесс потерь вещества, энергии, труда и средств, превращенных в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере.

2) Загрязнение снижает продуктивность как отдельных экологических систем, так и всей биосферы в целом.

3) Загрязнение имеет следствие необратимых разрушений как отдельных систем, так и всей биосферы в целом, включая воздействия на глобальные физикохимические параметры среды.

4) Загрязнение прямо или косвенно ведёт к ухудшению физического и морального состояния человека.

Загрязнение атмосферы. Структура и состав атмосферы

Атмосфера - это газовая оболочка Земли, состоящая из нескольких слоёв, между которыми находятся переходные слои - паузы.

Наиболее плотная - нижняя часть атмосферы - тропосфера. Она содержит 80% всего воздуха. Протяжённость тропосферы - 7-10 километров на полюсах и 16-18 километров по экватору. Температурный интервал тропосферы - от +40^оС до -50^оС.

За тропосферой следует стратосфера, а между ними - тропопауза. Протяжённость стратосферы примерно 40 километров. До высоты 30 километров температура стратосферы примерно -50^оС, а затем начинает расти и на высоте 50 километров составляет +10^оС. Это связано с наличием в стратосфере озонового слоя, расположенного на высоте 25-40 километров.

За стратосферой следует стратопауза, а далее - мезосфера. Т.к. озона в мезосфере существенно меньше, то и ниже температура. На высоте 80 километров температура примерно равна -70^оС.

За мезосферой следует мезопауза, а потом - термосфера или ионосфера. Для неё характерно существенное повышение ткмпературы с высотой. На высоте 600 киломеров температура равна +1500^оС, однако тела в ионосфере нагреваются примерно до +200^оС.

После ионосферы следует ионопауза, а за ионопаузой - экзосфера. Её высота - более 800 километров от Земли.

До высоты 100 километров состав воздуха практически не меняется. Выше - газы переходят в атомарное состояние. Выше 600 километров в атмосфере преобладает гелий, а выше 2000 километров - водород.

Источники загрязнения атмосферы

Существуют два разных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный.

От естественных источников в атмосферу поступает: пыль космическая (до 5 миллионов тонн в год), пыль вулканическая, пыль растительная, пыль от эрозий почвы, морская соль, дымы от пожаров, вулканические газы, газы от разложения растений и животных, газы от жизнедеятельности растений и животных. Естественные загрязнители носят распределённый характер. Уровень загрязнения одних является фоновым и мало изменяется. Особую роль играет атмосферная пыль. Она способствует конденсации паров воды и образованию осадков. Пыль и капли воды поглощают жёсткое ультрафиолетовое излучение и защищает живые организмы от излучения.

Основными источниками антропогенного загрязнения атмосферы являются: теплоэнергетика, транспорт, промышленность, нефтепереработка и газопереработка, испытания оружия. Самые распространённые загрязнители атмосферы: оксиды углерода, диоксид серы, пыль, оксиды азота, углеводороды. В воздухе атмосферы присутствуют более 500 вредных веществ антропогенного происхождения.

Классификация промышленных выбросов в атмосферу

Промышленные выбросы можно классифицировать:

1) По организации отвода и контроля.

a) Организованный (выброс через специально созданные газоходы, воздуховоды и шахты).

b) Неорганизованный.

2) По температуре.

a) Нагретые выбросы (когда температура выбросов больше температуры окружающей среды).

b) Холодные выбросы (когда температура выбросов равна температуре окружающей среды).

3) По признаку очистки.

a) Выбросы без очистки (организованные или неорганизованные).

b) Выбросы после очистки (организованные).

4) Выбросы делятся на первичные и вторичные.

a) Первичные (поступают непосредственно от источника выброса).

b) Вторичные (продукты преобразования первичных в атмосфере).

Классификация источников загрязнений воздушной среды

1) По назначению.

a) Технологические.

b) Вентиляционные.

2) По месту расположения.

a) Незатенённые или высокие находятся в зоне недеформированного воздушного потока с высотой больше чем 2,5 высоты окружающих зданий.

b) Затенённые расположены на высоте от 2 метров до 2,5 высоты окружающих зданий.

c) Наземные расположены на высоте от 0 до 2 метров от поверхности земли.

3) По геометрической форме.

a) Точечные (трубы, шахты).

b) Линейные (открытые окна, аэрационные фонари).

4) По режиму работы.

a) Непрерывные

b) Периодические

c) Залповые

d) Мгновенные

5) По дальности распространения.

a) Внутриплощадные (когда выбросы создают повышенную концентрацию загрязняющих веществ. Случается только на промышленных площадках, но не в населённых пунктах).

b) Внеплощадные (когда повышенная концентрация загрязняющих веществ создаётся в населённых пунктах).

Химические превращения веществ в атмосфере

Практически все химические вещества, попадая в атмосферу претерпевают превращения под действием солнечного света. Так, молекула А при взаимодействии с квантом света переходит в возбуждённое состояние: А+hнA*.

В дальнейшем возможны следующие превращения:

1) Дизактивация за счёт излучения: А*hн.

2) Дизактивация за счёт соударения: A*+DD*+A.

3) Диссоциация: A+C+B.

Чаще всего, вновь образовавшиеся при диссоциации молекулы очень активны, и приводят к цепи химических превращений, в результате которых образуются нежелательные соединения, например фотохимический смог.

Последствия загрязнения атмосферы

Запылённость.

Запылённость атмосферы оказывает влияние на отражающую способность Земли. Существует стандарт на суммарную запылённость атмосферы: 1500 кг/га. В промышленных районах запылённость достигает 60000 кг/га. Частицы пыли сокращают доступ ультрафиолетовой радиации и образуют ядра конденсации паров воды. Всё это увеличивает отражающую способность атмосферы и приводит к похолоданию климата. Пыль, попавшая на поверхность ледников, поглощает энергию и способствует их таянию. С другой стороны, промышленная пыль содержит токсичные вещества. Мелкодисперсная пыль свободно проникает в лёгкие и приводит к фиброзным изменениям. Токсичные вещества, содержащиеся в пыли, проникают через слизистую в организм и отравляют его. Особенно опасна асбестовая пыль. Она вызывает микротравмы на клеточном уровне, что приводит к раковым заболеваниям.

Загрязнение оксидами углерода.

Основную роль в прозрачности воздуха играет углекислый газ. Он свободно пропускает ультрафиолетовое излучение, но является экраном для инфракрасного излучения. Это приводит к повышению температуры преземного слоя атмосферы. Оксид углерода СО или угарный газ не оказывает влияния на физическое состояние атмосферы, но при этом влияет на организмы животных (разрушает гемоглобин, расстраивает нервную и сердечно-сосудистую системы).

Загрязнение оксидом серы.

Наиболее загрязнено соединениями серы северное полушарие. При сжигании топлива в атмосферу выбрасывается SO₂, который потом окисляется до SO₃. Соединяясь с водой, оксиды серы образуют серную и сернистую кислоты, которые, взаимодействуя с пылевыми частицами, образуют сульфаты и сульфиды. Накопление кислот и сульфатов в атмосфере приводит к выпадению кислотных осадков. В настоящее время, плотность дождевой воды над промышленными районами превышает норму в 10-1000 раз. Изменение рН атмосферных вод наиболее сильно сказывается на действии ферментов и гормонов живых организмов. Крупные виды в меньшей степени страдают от изменения рН, т.к. их защищает кожа. Наиболее сильно на кислотность воды реагирует молодь. В подкисленных водных экосистемах все организмы быстро вымирают или из-за прямого воздействия ионов водорода или из-за невозможности разложения или из-за отравления вредными веществами, образующимися из-за действия кислот на почву.

Оксиды азота.

Оксиды азота поступают в атмосферу в основном с выхлопными газами автомобилей, а также в результате высокотемпературного сжигания топлива тепловых электростанций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей оксид и диоксид азота превращаются друг в друга с образованием атомарного кислорода и азота. Атомарный кислород и озон вступают в соединение с углеводородами с образованием свободных радикалов - молекул, с незаполненными связями, вследствие чего обладающие высокой химической активностью. Свободные радикалы взаимодействуют друг с другом и с веществами, находящимися в атмосфере, образуя вторичные загрязнения - фотохимический смог.

Загрязнение гидросферы

Гидросфера - это водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность морей, озёр, рек, болот, ледников и подземных вод.

Пресная вода составляет только 2,5% от всех запасов воды. Примерно 70% пресной воды содержится в ледниках. Площадь всех озёр на земном шаре примерно 2 миллиона км², болот 3 миллиона км². Более 50% болот находится на территории нашей страны.

Употребление воды

Ежегодно люди расходуют около 3000 км³ воды, из них 150 км³ безвозвратно. Больше всего воды потребляет сельское хозяйство. Причём ? безвозвратно. Например: на производство 1 тонны пшеницы расходуется 1,5 тонны воды, на производство 1 тонны риса - 7 тонн воды, 1 тонны хлопка - 10 тонн воды.

В промышленности вода используется для следующих целей:

1) Приготовление растворов.

2) Охлаждение и нагрев жидкостей и газов.

3) Для теплоэнергетических целей.

4) Для очистки растворов и газовых смесей.

5) Для транспортировки сырья.

6) Для удаления отходов.

7) Для мытья оборудования, тары.

На производство 1 тонны стали расходуется до 20 тонн воды, 1 тонны азотной кислоты - 180 тонн воды, 1 тонны пластмассы - 1000 тонн воды, 1 тонны синтетического каучука - 3000 тонн воды. Среднехимический комбинат ежедневно расходует около 2 миллионов м³ воды высокого качества.

Качество воды - это совокупность химических, физических, биологических и бактериологических показателей, обуславливающих пригодность воды для использования в промышленности, сельском хозяйстве и быту.

Источники загрязнения гидросферы

1) Атмосферные воды, промывающие из воздуха естественные и искусственные загрязнения.

2) Промышленные сточные воды.

3) Бытовые сточные воды.

Ежегодно в мире образуются около 1 триллиона м³ сточных вод. Из них примерно 20% сбрасываются без очистки.

При технологических процессах образуются следующие виды сточных вод:

1) Реакционные воды - образуются в процессе реакции с выделением воды. Загрязнены как исходными продуктами, так промежуточными и конечными.

2) Воды, содержащиеся в сырье и исходных материалах в исходном и связанном виде. Загрязнены аналогично реакционным водам.

3) Промывочные воды - образуются после мытья оборудования, сырья, тары. Загрязнены исходными и конечными продуктами.

4) Водные абсорбенты и экстрагенты.

5) Охлаждающие воды в основном не соприкасаются с технологичными продуктами и могут использоваться в системах оборотного водоснабжения.

6) Бытовые воды.

7) Атмосферные осадки, стекающие с промышленных площадок - особенно агрессивны, т.к. загрязнены выбросами предприятий.

Загрязнение гидросферы существенно опаснее, чем загрязнение атмосферы по следующим причинам:

1) Процессы регенерации или самоочищения происходят в водной среде существенно медленнее, чем в атмосфере.

2) Источники загрязнения водоёмов более разнообразны.

3) Естественные процессы, протекающие в водной среде, более чувствительны к загрязнению. Сами по себе имеют большее значение для жизни на Земле, чем процессы, протекающие в атмосфере.

Загрязнения литосферы

Литосфера - это верхняя твёрдая оболочка Земли, включающая в себя земную кору и верхнюю часть мантии Земли.

Литобиосфера - эта та часть литосферы, в которой присутствуют живые организмы. Наиболее сильно подвергаются загрязнению поверхностный слой литосферы (почва).

Существуют следующие источники загрязнения почвы:

1) Жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязнений - бытовой мусор, пищевые отходы, строительный мусор и т.д.

2) Промышленные предприятия сбрасывают твёрдые и жидкие отходы в т.ч. чрезвычайно токсичные (цианиды, тяжёлые металлы).

3) Теплоэнергетика. В числе отходов - сахар, несгоревшие частицы, шлак, оксиды серы.

4) Сельское хозяйство. В числе отходов - ядохимикаты, удобрения.

5) Транспорт. В числе отходов - соединение свинца, углеводороды.

Самоочищения почвы практически не происходит. Поэтому ядовитые вещества накапливаются в ней, поглощаются растениями и далее передаются по трофическим цепям.

Ущерб от загрязнения окружающей среды

Для поддержания качества окружающей среды требуются существенные затраты.

Качество окружающей среды - это степень соответствия окружающей среды потребностям живых организмов.

Так, согласно последним исследованиям, в промышленно-развитых странах на поддержание качества окружающей среды требуется примерно 2,5% от национального дохода.

Средства на сохранение окружающей среды можно разделить на три группы:

1) Затраты, связанные с уменьшением выбросов в окружающую среду - это затраты на строительство и эксплуатацию очистных сооружений, санитарно-защитных зон, на разработку и внедрение замкнутых и малоотходных технологических процессов, на создание систем контроля и управления уровня загрязнения среды.

2) Затраты на компенсацию социальных последствий выбросов - это затраты, связанные с ухудшением качества среды. Они заключаются в снижении хозяйственной ценности природных ресурсов, потерь рабочего времени за счёт заболеваний. Ухудшение функций естественных и антропогенных экосистем.

3) Затраты на возмещение потерь сырья и продуктов с выбрасываемыми газами, сточными водами и твёрдыми отходами. Все выбрасываемые продукты могут быть сырьём данных или других производств.

Ущерб, наносимый природе, подразделяется на социальный, моральный и экономический.

Экономический ущерб - это фактические потери, нанесённые хозяйству вследствие загрязнения среды.

Экономический ущерб может быть фактическим, возможным и предотвращенным.

Возможный ущерб - это ущерб, который мог быть нанесён хозяйству при отсутствии природоохранительных мероприятий.

Предотвращённый ущерб - это разность между возможным и фактическим ущербом.

Расчёт предотвращенного ущерба в результате снижения сброса примесей в водные объекты

=400 рублей/тонна

- безразмерный коэффициент, значение которого зависит от конкретного водоёма.

- приведённая масса снижения сброса примесей источника в водный объект.

,

где и соответственно приведённая сброса примесей в водный объект до и после ввода в действие очистных сооружений.



- вид сбрасываемой примеси.

- количество сбрасываемой примеси.

и - масса примесей -го вида, сбрасываемых до и после ввода очистных сооружений.

- безразмерный коэффициент, показатель относительной опасности -го вида.

- предельно допустимая концентрация в воде водоёма определённой категории водопользования -го вещества.

Если указано, что данного вещества в водоёме не должно быть, т.е. , то .

Расчёт предварительного ущерба в результате снижения выбрасываемых примесей в воздух

=33 рубля/тонна

- безразмерный коэффициент, характеризующий относительную опасность загрязнения воздуха над развитыми территориями или водоёмами.

- поправочный коэффициент, зависящий от высоты источника выброса, скорости оседания загрязняющего вещества и разности температур между выбросом и окружающей средой .

Остальные параметры аналогичны предыдущей формуле. Для СО: .

Структуры водной и наземной экосистемы

Экосистемы не являются однородными структурами как в пространстве, так и во времени. Для наземной экосистемы характерна ярусность, т.е. разделение на разновысокие структурные части. Для каждого яруса чаще всего характерен собственный биоценоз.

Виды живых организмов, которые преобладают в экосистемах, называются доминантными.

Виды, которые не только преобладают, но и определяют режимы абиотических факторов, называются эдификаторами.

Водные системы подразделяются на проточные и стоячие.

Компенсационный горизонт - это глубина, ниже которой не проникают солнечные лучи.

1-ая зона - литоральная - просвечивается солнцем до дна.

2-ая зона - лимническая - зона, которая просто просвечивается солнцем, но не до дна.

Для проточных водоёмов выделяют глубоководные плёсы и мелководные перекаты. Для каждой зоны характерен собственный биогеоценоз.

Экотоп - это совокупность абиотических факторов биогеоценоза.

Биоценоз - это совокупность биотических факторов биогеоценоза.

Стрелки - это каналы передачи вещества, энергии и информации.

Гомеостаз и сукцессия экологической системы

Естественные экосистемы существуют сотни и тысячи лет, и обладают определённой стабильностью во времени и пространстве.

Состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы называется гомеостазом.

Для естественной экосистемы гомеостаз поддерживается тем, что такие системы открыты, т.е. происходит непрерывный обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой. В отличие от естественных экосистем, антропогенные системы не могут существовать без вмешательства человека. И для того, чтобы они находились в состоянии гомеостаза, необходимо управляющее воздействие человека. Практически во всех экосистемах их биотическая часть медленно изменяется во времени.

Сукцессия - это последовательная смена одного биоценоза другим.

Кроме естественной сукцессии возможна антропогенная сукцессия.

Энергия в экосистемах. Синтез первичного органического вещества

Практически всё первичное органическое вещество на Земле образуется зёлёными растениями в процессе фотосинтеза. Этот процесс идёт с поглощением энергии, которая запасается в химических связях органического вещества.

Рассмотрим упрощённую схему фотосинтеза:

1) фотон попадает в молекулу хлорофила и выбивает электрон.

2) Фотон взаимодействует с молекулой хлорофила: АДФ+еАТФ.

3) Далее АТФ+СО₂+Н₂Оорганическое вещество+О₂+АДФ.

В связи с тем, что растения производят органическое вещество под воздействием фотонов света, их называют фотосинтетиками. Кроме зеленых растений, органическое вещество производится некоторыми бактериями. Энергию для этого они получают за счёт химических реакций, поэтому их называют хемосинтетиками.

Существуют серобактерии, получающие энергию за счёт окисления серы до её оксидов, нитрифицирующие бактерии окисляющие аммиак до нитритов и нитратов. Так же существуют железобактерии, окисляющие железо из двухвалентного в трёхвалентный состав.

Понятие о трофической цепи

Трофическая цепь - это цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов до других.

Земные растения - это афтотрофные организмы. И так как они создают практически все органические вещества, их ещё называют продуцентами.

Растительноядные животные, растения являются гетеротрофными организмами или консументами первого порядка.

Плотоядные животные - консументы второго порядка - используют уже готовое органическое вещество консументов первого порядка.

Трофические цепи могут быть короткими и длинными.

Трофическая сеть - это совокупность трофических цепей, связанных между собой отдельными звеньями, создающих сложную структуру.

Кроме продуцентов и консументов существуют редуценты, которые разлагают органическое вещество до неорганических составляющих. Это, прежде всего, бактерии и простейшие.

Трофическая цепь есть одновременно цепь энергетическая, т.е. упорядоченный поток передачи энергии солнца от продуцентов к консументам различного порядка. Любое количество органического вещества эквивалентно некоторому количеству энергии, которую можно получить, разрушив химические связи. Организмы-консументы, питаясь органическим веществом, получают энергию, часть из которой идёт на построение собственного органического вещества, а часть расходуется на движение, дыхание, теплоотдачу. Таким образом, в силу второго закона термодинамики, поток энергии по трофической цепи неразрывно связан с её рассеиванием, т.е. возрастанием энтропии. Рассеивание энергии компенсируется подкачкой энергии от Солнца. При переходе от одного трофического уровня к другому теряется до 99% энергии. Продуктивность экосистем и соотношение в них различных трофических уровней принято выражать в виде пирамид.

Экологические системы, в которых соотношение продуцируемой биомассы «Р» к расходам на дыхание, движение, теплоотдачу «R» больше единицы (P/R>1) называются системами с афторофной сукцессией.

Экологические системы, для которых P/R1 называются системами с гетеротрофной сукцессией. Если P/R=1, то такие системы называются стабильными.

Круговорот веществ в биосфере

Все вещества, находящиеся на Земле, вовлечены в большой (геологический) и малый (биотический), процесс круговорота, причём малый является частью большого. Большой длится сотни тысяч и миллионы лет. Он заключается в следующем: горные породы подвергаются разрушению и выветриванию, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан. Там они образуют морские апластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками или извлечёнными морскими организмами. Крупные и мелкие гестектонические изменения, т.е. опускание материков и поднятие морского дна и приводит к тому, что эти апластования возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь.

Биологический цикл - это круговорот химических веществ из неорганической среды через растения и живые организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии.

Принципы функционирования экосистем

1) В естественных экосистемах получение ресурсов и избавление от отходов просходит в рамках круговорота всех элементов.

2) Экосистемы существуют за счёт не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

3) Чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень. На концах длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

Круговорот фосфора

В организме фосфор содержится в клеточных мембранах, нуклеиновых кислотах и веществах носителях энергии АДФ и АТФ.

Рассмотрим малый биотический круговорот фосфора.

Биотический круговорот фосфора не замкнут. Существуют блок-морские осадки, которые замыкаются только в пределах большого геологического круговорота фосфора.

Стандартизация и охрана окружающей природной среды

Существует система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. Этой системе присвоен №17. Система №17 состоит из 9 комплексов стандартов. Номер комплекса ставится через «. » после числа 17.

Существуют следующие комплексы:

1) Гидросфера

2) Атмосфера

3) Биологические ресурсы

4) Почвы

5) Земли

6) Флора

7) Фауна

8) Ландшафты

9) Недра

Каждый комплекс включает в себя восемь групп стандартов. Номер группы ставится через точку после номера комплекса.

Группы:

0) Основы положения.

1) Термины определения классификации.

2) Показатели качества природной среды. Параметры загрязняющих выбросов и сбросов, показатели интенсивности использования природных ресурсов.

3) Правила охраны природы и рационального использования природных ресурсов.

4) Методы определения параметров состояния природных объектов и интенсивности хозяйственного воздействия.

5) Требования к средствам контроля и измерения.

6) Требования к устройствам аппаратуры и сооружений по защите окружающей природной среды от загрязнений.

7) Прочие стандарты.

Далее в номенклатуре стандарта через точку идёт номер (порядок) стандарта в группе, а через тире - год ввода стандарта в действие.

Например: ГОСТ 17:1.1.16-91 это стандарт «Охрана природы: Гидросфера. Термины и определения. 16 - номер стандарта в группе, 91 - год принятия стандарта».

Круговорот азота

Азот содержится в атмосфере, где его около 80%. Азот содержится в воде и почве в виде неорганических соединений: аммонитных, нитритных и нитратных. Кроме того, азот содержится в живых организмах. Прежде всего в белках и нуклеиновых кислотах.

NH^-₂ - органический азот животных и растений

CO(NH₂)₂ - мочевина

NH₃ - аммиак

NH⁺₄ - ион аммония

NO₂ - нитриты

NO^-₃ - нитраты

N₂O - оксид азота

N₂ - чистый азот

Принципы устойчивости экосистем

Все компоненты экосистем находятся во взаимосвязи друг с другом, образуя круговорот химических элементов. Обмен веществом между организмами можно рассматривать как процесс передачи энергии и информации. Таким образом, в любой экосистеме, где существуют трофические цепи, существуют каналы передачи информации (химической, энергетической). Сбалансированность биологического круговорота и устойчивость экосистем с точки зрения кибернетики обеспечивается механизмом обратной связи.

На этот объект действует управления параметрами и - вектор возмущающих параметров.

отличается от тем, что на его составляющие мы можем воздействовать. На выходе имеем - вектор выходных параметров. Если бы являлся только функцией управления параметрами, то мы бы всегда могли предсказать значение . Однако является функцией не только , но и , и в связи с этим точно предсказать значение мы не можем.

Принцип обратной связи заключается в следующем: некоторый управляющий компонент системы получает информацию с выхода управляемой системы и использует эту информацию для коррекции процесса управления.

Обратная связь бывает отрицательной, в этом случае она стабилизирует систему, возвращает состояние равновесия, и положительной, которая раскачивает систему, выводя из состояния равновесия.

Рассмотрим экологическую систему, состоящую из двух популяций: популяция хищника и популяция жертвы.

Допустим, численность популяции жертвы возросла, в результате чего для хищников становится больше еды и популяция хищника тоже растёт. Количество хищников становится больше, они начинают уничтожать больше жертв, в результате чего численность популяции жертв падает, а затем с некоторым запаздыванием начинает падать численность популяции хищников и система возвращается в исходное состояние.

Здесь мы видим работу отрицательной обратной связи. При некоторых условиях, обратная связь, т.е. передача информации нарушается. Например, если возникнет эпидемия или в системе появился новый хищник, на языке кибернетики говорят, что в каналах обратной связи появились помехи. Роль помех могут играть и абиотические факторы. Воздействие естественных помех на популяцию носит случайный статистический характер, т.е. особи, для которых помехи оказались непреодолимыми погибнут, а более стойкие выживут. Таким образом, под влиянием таких помех происходит естественный отбор и они являются фактором эволюции. Кибернетический подход позволяет объяснить причины биологического равновесия экосистем и условия, при которых это равновесие обеспечивается.

Каждая система обладает определённым запасом информации, под которой понимается мера организованности или упорядоченности системы. Чем сложнее система, чем больше в ней перекрещивающихся трофических и энергетических цепей, тем больше в системе запас информации. Каждая открытая система при обмене веществом и энергией с внешней средой получает из неё информацию. При этом, эта информация стремится вывести систему из состояния равновесия. Накопленная же система информации способна компенсировать нарушение структуры и возвратить систему в стабильное состояние. Таким образом, экологические системы тем устойчивее во времени и пространстве, чем они сложнее или стабильность сообщества определяется числом связей между видами в трофической пирамиде. Человек постоянно вмешивается в процессы, происходящие в экосистемах и влияет как на отдельные звенья, так и системы в целом. Чаще всего, это не приводит к разрушению системы, нарушению её стабильности, однако, это не означает, что система осталась неизменной. Уровень сложности системы при этом уменьшается и соответственно уменьшается запас устойчивости.

Гомеостатическое плато - это область пространства экологических параметров, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны, не смотря на стрессовое воздействие, сохранить устойчивость системы хотя бы и в изменённом виде.

Круговорот воды

Вода - весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки, озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Природная вода не бывает абсолютно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

Весьма важное значение для нашей планеты имеет КРУГОВОРОТ ВОДЫ. Он слагается из процессов, имеющих разную протяженность - от оборота воды на протяжении суток в результате транспирирующей деятельности одного растения, всасывающего выпавшею атмосферную воду корнями и вновь возвращающего ее в атмосферу листьями, до медленного движения огромных масс воды, связывающего земную кору с гидросферой и атмосферой.

Круговорот воды на поверхности Земли складывается из 520 тыс. км выпадающей и такой же массы испаряющейся воды. При этом на континентах выпадает в год 109000 км, а испаряется 72000км. Разница в 37000 км и есть цифровое значение полного речного стока. С поверхности Мирового океана испаряется воды больше (448000 км), чем выпадает осадков (441000 км). Разность покрывается стоком речных вод.