Основы экологии

Численность человечества в данный момент 6 млрд. человек. Сравнить эту цифру можно только с численностью широко распространенных синантропных (сопутствующих человеку) мелких грызунов и птиц (мыши, крысы, воробьи), популяции которых насчитывают миллиарды особей.

Почти половина населения мира сосредоточена в городах. За последние 45 лет численность городских жителей возросла с 729 млн. до 2540 млн. человек, т.е. увеличилась почти в 3,5 раза, а их доля в общей численности населения возросла с 29 до 44%. В этом процессе преобладающую роль играет рост крупных городов.

Численность видов животных в природе ограничиваются емкостью среды. Как правило, виды мелких животных имеют большую численность по сравнению с видами крупных животных (существует отрицательная корреляция между массой тела и числом особей). Рангу массы тела 10 - 100 кг, к которому относится человек, соответствует максимальный размах значений видовой численности в пределах 10 тыс. - 10 млн. Современная численность ближайших родственников человека - человекообразных обезьян - близка к 10 тыс.

Согласно экспертным оценкам, популяции людей, одновременно проживавших на Земле 1 млн лет назад (стадия Homo erectus), насчитывали 100 тыс индивидов, ко времени появления Homo sapiens - около 500 тыс., 30 - 20 лет назад - примерно 5 млн.

На протяжении многих тысячелетий население Земли росло чрезвычайно медленно. Начиная с эпохи Великих географических открытий темпы роста народонаселения значительно возросли и приблизились к экспоненциальной закономерности, затем (с 1600 по 1990 гг.) рост населения Земли напоминал гиперболу. В последние годы рост численности приблизился к линейному со средним значением абсолютного прироста около 86 млн. человек в год. По прогнозам Фонда народонаселения ООН этот темп сохранится до 2015 г., когда общая численность людей достигнет 7,5 млрд.

К факторам, повлиявшим на рост численности, относятся снижение смертности от эпидемий и голода, резкое снижение детской смертности в развивающихся странах, связанное с улучшением гигиенических условий и успехами медицины. Сейчас параметры воспроизводства населения примерно составляют: общий коэффициент рождаемости в мире - 24,6 ‰, общий коэффициент смертности - 9,8 ‰, коэффициент естественного прироста 14,8‰.

Антропогенный фактор как движущая сила развития биосферы. Воздействие производственной деятельности человека на процессы, происходящие в биосфере, состояние экосистем называют антропогенным фактором (греч. antropos - человек, genesis - происхождение).

Изменения в окружающей природной среде носят двоякий характер:

· позитивны (в региональном масштабе - растет биопродуктивность агроценозов);

· негативны (дестабилизируют экологическую обстановку в глобальном масштабе).

Дестабилизирующее влияние человека на окружающую природную среду (ОПС) включает в себя геохимические, экологические и генетические изменения:

истощение природных ресурсов, главным образом, минеральных, биологических (исчезновение видов растений и животных, а также сокращение возможностей для их воспроизводства);

разрушение экосистем (биогеоценозов), характерных для определенных территорий и ландшафтов, резкое нарушение в них экологического равновесия;

разрушение почвенного покрова, сокращение биологической продуктивности ландшафтов, эрозия и истощение почв в результате вырубки лесов и изменения рельефа земной поверхности;

уничтожение адаптивной способности ОПС, т.е. способности восстанавливать равновесие между частями экосистем и возобновлять естественные ресурсы: например, влияние вырубки лесов на круговорот воды в биосфере и, следовательно, изменение водного режима отдельных экосистем, невосстановимое сокращение рыбных богатств водоемов и др.;

упрощение экосистем на больших площадях (создание искусственных экосистем - агроценозов с бедным видовым составом, а, следовательно, неустойчивых);

рост числа и концентрации в ОПС ксенобиотиков (веществ искусственного происхождения, не участвующих в биогенном круговороте веществ), применяемых для защиты растений;

накопление в экосистемах токсичных продуктов промышленности (повышение кислотности поверхностных вод и осадков, накопление ртути, свинца, кадмия, стронция, углеводородов в воде и почве).

В случае, когда объем производимых человеком изменений (объем накопления отходов, загрязнения среды и нарушения экосистем) превышают адаптивные способности природы (скорость эволюционного приспособления организмов), возникает кризисная ситуация:

Vнарушения Vадаптации,

перерастающая в экологический кризис:

Vнарушения » Vадаптации.

Локальные (в том числе региональные) экологические кризисы возникали и раньше, но в 2030 г. (по данным Медоуза и Форрестера) нам угрожает первый глобальный экологический кризис.

Причины возрастания антропогенной нагрузки на ОПС:

интенсивный рост численности населения Земли,

научно-технический прогресс.

Техносфера. Природно-технические геосистемы. Техногенезом в истории цивилизации называют создание техники и технологий, создание человеком все более совершенных орудий и устройств для воздействия на окружающий мир с целью производства и потребления благ. Основные тенденции техногенеза:

За последние 100 лет мировое энергопотребление увеличилось в 12 раз (удвоение в среднем каждые 27 лет). Причем мировое потребление энергии росло вдвое быстрее, чем население Земли.

В структуре топливного баланса произошел переход от использования дров и угля к преобладанию углеводородного топлива - нефти и газа.

Увеличилась добыча и переработка минеральных ресурсов - руд и нерудных материалов. Производдство цветных металлов возросло за столетие в воскемь раз и достигло в начале 80-х 850 млн. т/год. В 40-х годах началась и стремительно возросла добыча урана.

В XX веке значительно вырос объем и изменилась структура машиностроения, увеличивались число и единичная мощность производимых машин и агрегатов.

Важной чертой современного техногенеза является химизация всех отраслей хозяйства.

Мировое хозяйство можно рассматривать как совокупность экологических ниш современного человечества, как его видовую реализованную эклогическую нишу. По многим пространственным и потоковым параметрам она совпадает с экосферой, экологическая емкость которой ограничена. Экологической емкостью среды (территории) называют величину максимальной техногенной нагрузки, которую может выдержать и переносить длительное время экосистема территории без нарушения ее структуры и функций. Между общественным производством и планетарной биотой неизбежны конкурентные отношения, так как значительные участки экосферы замещаются техносферой.

Техносфера - это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства, или пространство геосфер Земли, находящееся под воздействием производственной деятельности человека и занятое ее продуктами.

Любое техническое сооружение взаимодействует с окружающей его природной средой настолько тесно, что для изучения этого явления взаимодействия совокупный комплекс природной среды и ее техническое насыщение расматривается как единая природно-техническая геосистема (ПТГ). Природно-технические геосистемы - это совокупность природных и искусственных объектов, формирующаяся в результате строительства и эксплуатации инженерных и иных сооружений, комплексов и технических средств, взаимодействующих с природными объектами (геологические тела, почва, растительный покров, рельеф, водные источники и атмосфера, фауна и социумы).

Современные тенденции развития ПТГ свидетельствуют об имеющейся диспропорции между инженерным расчетно-теоретическим и экспериментальным обоснованиями факторов техногенного воздействия на окружающую среду. Это несоответствие расчетных моделей реальной экологической обстановке в зоне промышленного освоения территорий приводит к невосполнимым потерям биогеоценозов природного ландшафта.

Тема 6: Загрязнение атмосферного воздуха и его последствия

Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания экологов всего мира, т.к. крупнейшие экологические проблемы современности («парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей) связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы.

Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную функцию, теплоизолируя Землю от космоса и предохраняя ее от жестких космических излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формирующие климат и погоду, задерживается (сгорает) масса метеоритов.

Однако в современных условиях возможности природных систем к самоочищению существенно подорваны возросшей антропогенной нагрузкой. В результате воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции.

Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которые оказывают негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем в целом. Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).

Естественное загрязнение вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, дым от лесных и степных пожаров и т.д.

Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ (ЗВ) в процессе деятельности человека. По масштабам превосходит природное.

В зависимости от масштабов различают:

местное (повышение содержания ЗВ на небольшой территории: город, промышленный район, сельскохозяйственная зона);

региональное (в сферу негативно воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета);

глобальное (изменение состояния атмосферы в целом).

По агрегатному состоянию выбросы ЗВ в атмосферу классифицируются следующим образом:

газообразные (SO2, NOx, CO, углеводороды и др.);

жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);

твердые (органическая и неорганическая пыль, свинец и его соединения, сажа, смолистые вещества и пр.).

Главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной или иной деятельности человека - диоксид серы (SO2), оксид углерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98 % в общем объеме выбросов ЗВ.

Кроме указанных главных загрязнителей в атмосферу попадает много других очень опасных ЗВ: свинец, ртуть, кадмий и другие тяжелые металлы (ТМ) (источники выброса: автомобили, плавильные заводы и др.); углеводороды (СnH m ), среди которых наиболее опасен бенз(а)пирен, обладающий канцерогенным действием (выхлопные газы, топка котлов и т.д.); альдегиды и, в первую очередь, формальдегид; сероводород, токсичные летучие растворители (бензины, спирты, эфиры) и др.

Наиболее опасное загрязнение атмосферы - радиоактивное. В настоящее время оно обусловлено в основном глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами - продуктами испытания ядерного оружия, проводившимися в атмосфере и под землей. Приземный слой атмосферы загрязняют также выбросы в атмосферу радиоактивных веществ с действующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации и другие источники.

Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят следующие отрасли промышленности:

теплоэнергетика (ГЭС и АЭС, промышленные и городские котельные);

предприятия черной металлургии,

предприятия угледобычи и углехимии,

автотранспорт (т.н. передвижные источники загрязнения),

предприятия цветной металлургии,

производство стройматериалов.

Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и на окружающую природную среду различными способами - от прямой и немедленной угрозы (смог, угарный газ и др.) до медленного и постепенного разрушения систем жизнеобеспечения организма.

Физиологическое воздействие на человеческий организм главных загрязнителей (поллютантов) чревато самыми серьезными последствиями. Так, диоксид серы, соединяясь с атмосферной влагой, образует серную кислоту, которая разрушает легочную ткань человека и животных. Особенно опасен диоксид серы, когда он осаждается на пылинках и в этом виде проникает глубоко в дыхательные пути. Пыль, содержащая диоксид кремния (SiO2), вызывает тяжелое заболевание легких - силикоз.

Оксиды азота раздражают, а в тяжелых случаях и разъедают слизистые оболочки (глаз, легких) участвуют в образовании ядовитых туманов и т.д.; особо опасны они в воздухе совместно с диоксидом серы и другими токсичными соединениями (возникает эффект синергизма, т.е. усиления токсичности всей газообразной смеси).

Широко известно действие на человеческий организм оксида углерода (угарного газа, СО): при остром отравлении появляется общая слабость, головокружение, тошнота, сонливость, потеря сознания, возможен летальный исход (даже спустя три - семь дней после отравления).

Среди взвешенных частиц (пылей) наиболее опасны частицы размером менее 5 мкм, способные проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах легких, засорять слизистые оболочки.

Весьма неблагоприятными последствиями могут сопровождаться и такие незначительные по объему выбросы, как содержащие свинец, бенз(а)пирен, фосфор, кадмий, мышьяк, кобальт и др. Эти поллютанты угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают иммунитет и т.д. Пыль, содержащая соединения свинца и ртути, обладает мутагенными свойствами и вызывает генетические изменения в клетках организма.

Последствия воздействия на организм человека вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, имеют широчайший диапазон действия: От кашля до летального исхода.

Антропогенные выбросы загрязняющих веществ наносят большой вред также растениям, животным и экосистемам планеты в целом. Описаны случаи массового отравления диких животных, птиц, насекомых при выбросах вредных загрязняющих веществ большой концентрации (особенно залповых).

К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся:

1) возможное потепление климата (“парниковый эффект”);

2) нарушение озонового слоя;

3) выпадение кислотных дождей.

Возможное потепление климата (“парниковый эффект”) выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века. Большинство ученых связывают его с накоплением в атмосфере т.н. парниковых газов - диоксида углерода, метана, хлорфторуглеродов (фреонов), озона, оксидов азота и т.д. Парниковые газы препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли, т.е. атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует, как крыша теплицы: она пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой - почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.

Согласно другому мнению, важнейшим фактором антропогенного воздействия на глобальный климат является деградация атмосферы, т.е. нарушение состава и состояния экосистем вследствие нарушения экологического равновесия. Человек, используя мощность порядка 10 ТВт, разрушил или сильно нарушил на 60% суши нормальное функционирование естественных сообществ организмов. В результате из биогенного круговорота веществ изъята значительная их масса, которая раньше затрачивалась биотой на стабилизацию климатических условий.

Нарушение озонового слоя - снижение концентрации озона на высотах от 10 до 50 км (с максимумом на высоте 20 - 25 км), местами до 50% (т.н. “озоновые дыры”). Снижение концентрации озона снижает способность атмосферы защищать все живое на земле от жесткого ультрафиолетового излучения. В организме человека избыточное ультрафиолетового облучение вызывает ожоги, рак кожи, развитие глазных заболеваний, подавление иммунитета и т.д. Растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем и т.д.

Выпадение кислотных дождей вызвано соединением с атмосферной влагой газообразных выбросов в атмосферу диоксида серы и оксидов азота с образованием серной и азотной кислот. В результате осадки оказываются подкисленными (рН ниже 5,6). Суммарные мировые выбросы двух главных загрязнителей воздуха, вызывающих закисление осадков - составляют ежегодно более 255 млн. т. На огромной территории природная среда закисляется, что весьма негативно отражается на состоянии всех экосистем, причем экосистемы разрушаются при меньшем уровне загрязнения воздуха, чем тот, который опасен для человека.

Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы: из почвы выщелачиваются не только необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы - свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образуемые ими токсичные соединения усваиваются растениями или другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдают от действия сложной смеси загрязняющих веществ (токсичные металлы, озон), кислотных дождей. Ярким примером действия кислотных дождей служит закисление озер, особенно интенсивно происходящее в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется это тем, что значительная часть выбросов таких промышленно развитых стран, как США, ФРГ и Великобритания, выпадают именно на их территорию.

Тема 7: Загрязнение водных ресурсов и его последствия

Существование биосферы и человека всегда было основано на использовании воды. Человечество постоянно стремилось к увеличению водопотребления, оказывая на гидросферу огромное многообразное давление.

Проблема обеспечения человечества пресной водой сейчас очень обострилась, поскольку существующих ресурсов пресной воды во многих странах недостаточно для удовлетворения нужд потебителей не только в перспективе, но и в настоящее время. Все отрасли хозяйства в отношении к водным ресурсам делятся на две группы: водопотребители и водопользователи.

Потребители забирают воду из источника, используют ее для производства промышленной или сельскохозяйственной продукции, а затем возвращают, но уже в другом месте, в меньшем количестве и другого качества.

Пользователи воду из источника не забирют, а используют ее как среду (водный транспорт, рыбоводство, спорт ит.д.) или как источник энергии (ГЭС). Причем они также могут изменять качество воды (например, загрязнение воды водным транспортом). Промышленность использует около 20 % общего уровня пресной воды и ее использования. Количество воды, используемое предприятием, зависит от типа выпускаемой продукции, технологии производственного процесса, системы водоснабжения (прямоточной или оборотной), климатических условий и т.д.

В случае прямоточной системы водоснабжения вода из водного источника подается на промышленный объект, используется в процессе производства продукции, затем поступает на очистные сооружения и после соответствующей очистки сбрасывается в водоток или водоем. При такой системе используется большое количество воды, но доля необоротного водоснабжения невелика.

При оборотной системе водоснабжения отработанная вода после соответствующей очистки не сбрасывается в водоем, а многоразово используется в процессе производства. Затраты воды при этом намного ниже.

Для оценки промышленного водопотребления используется термин водоемкость производства (количество воды (м3), необходимое для производства на единицу (1 т, 1 кВт и т.д.) продукции. Крупнейшим потребителем воды в промышленности является атомная энергетика - АЭС потребляют в среднем вдвое больше воды на 1 кВт произведенной электроэнергии, чем ТЭС. Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды (70 % всего ее использования). Потери воды в процессе орошения (за счет испарения) достигают 20-60 % водозабора. Водоснабжение населения удовлетворяеит портребности в питьевой воде и коммунально-бытовые нужды. Существует понятие удельное водопотребление, т.е. суточный объем воды в литрах, необходимый для удовлетворения всех нужд одного жителя города или села. В городах оно выше и в значительной мере зависит от степени благоустроенности (наличия водопровода, канализации, центрального водяного отопления ит.п.).

Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ. Проявляется загрязнение вод в изменении физических и органолептических свойств (снижение прозрачности, изменение окраски, запаха, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращения растворенного в воде кислорода, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

Основной причиной загрязнения водных ресурсов является антропогенное загрязнение. Основными его источниками служат:

сточные воды промышленных предприятий;

сточные воды коммунального хозяйства городов и других населенных пунктов;

стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов;

атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоемов и водосборных бассейнов, а также неорганизованный сток воды осадков (ливневые стоки, талые воды) загрязняет водоемы техногенными терраполлютантами, смытыми с поверхности почвы.

Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае превышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считется загрязненной.

Различают химическое, физическое и биологическое загрязнение. Химическое загрязнение - наиболее часто встречающееся, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нефть и нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ), пестициды), и неорганическим (соли, кислоты, щелочи, металлы и их соединения). Большинство из них являются токсичными (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.). При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещестива сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок, но, как правило, полного самоочищения не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более. В пищевых цепях поглощенные планктоном загрязняющие вещества (ЗВ) концентрируются согласно закону пирамиды масс (энергий), на каждом последующем уровне, т.е. в рыбе, которая питается этим планктоном, концентрация ЗВ превышает в десять раз содержание его в планктоне и т.д. Так как цепи питания в водоемах насчитывают 4-6 звеньев, то в результате в тканях хищных рыб (щука, судак) концентрация токсичных веществ может в тысячи раз превышать ее концентрацию в воде, что опасно для птиц, прочих животных и людей. Например, было установлено, что содержание ртути в балтийской треске кое-где достигает 800 мг/кг массы, т.е. съев 5-8 таких рыбин, человек получает столько ртути, сколько ее в медицинском термометре.

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и т.д.

Радиоактивное загрязнение создается радиоактивными элементами; особенно вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде: стронций-90, уран, радий-226, цезий и т.д. Попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и т.д. В подземные воды уран, стронций и др. элементы попадают как в результате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания вглубь земли вместе с атмосферными осадками, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.), которые в значительной мере ухудшают органолептические показатели качества вод. Засорение промышленными и бытовыми твердыми отходами, остатками лесосплава и т.п. ухудшает качество вод, отрицательно влияют на среду обитания гидробионтов и на состояние экосистем.

Тепловое загрязнение вод связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту числа одних гидробионтов и гибели других, выделению ядовитых газов - сероводорода, метана.

Под влиянием загрязнения в пресноводных водоемах наблюдается снижение устойчивости экосистем вследствие нарушения пищевых связей, микробиологического загрязнения, антропогенной эвтрофикации (резкому повышению биопродуктивностии массовому размножению фитопланктона, в первую очередь неприхотливых сине-зеленых водорослей. «Цветение» воды и постепенное отмирание массы водорослей приводит к расходованию всех запасов кислорода и «умиранию» водоема. Причем эвтрофикация вызывается не ядовитыми ЗВ, а вполне безвредными добавками - частицами почвы и удобрениями).

ЛИТЕРАТУРА

Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учебное пособие для вузов. - М.: Агентство “ФАИР”, 1998. - 320 с.

Одум Ю. Экология. - М.:Мир. - 1986.

Израэль Ю.А.Экология и контроль состояния природной среды. - М.:Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.

Размещено на Allbest.ru