- •Казахский Национальный Технический Университет им. К.И.Сатпаева
- •1 Учебная программа дисциплины – syllabus
- •Данные о преподавателе:
- •Данные о дисциплине:
- •1.6 Краткое описание дисциплины:
- •Перечень, виды занятий и график их выполнения
- •Виды занятий и сроки их выполнения
- •1.7 Список литературы
- •Календарный график сдачи всех видов контроля
- •1.9 Политика и процедура курса
- •2 Содержание активного раздаточного материала
- •2.1 Тематический план курса
- •2.2 Конспект лекционных занятий
- •Ширину санитарно-защитных зон устанавливают в зависимости от класса производства, степени вредности и количества выделенных в атмосферу веществ:
- •2.3 Планы практических занятий
- •1. Определение категории опасности предприятий (коп) по степени воздействия на атмосферу.
- •2. Установление списка приоритетных примесей в атмосфере.
- •3. Определение опасности загрязнения атмосферы от выбросов предприятия и опасной скорости ветра для рассеивания загрязняющих веществ.
- •4. Расчет предельно допустимого выброса (пдв) загрязняющих веществ в атмосферу.
- •5. Расчет максимальной приземной концентрации См от одиночного стационарного источника.
- •6. Расчет допустимой концентрации загрязняющего вещества в сточных водах (дКст.) и предельно допустимого сброса пдс.
- •7. Определение класса опасности промышленных отходов.
- •2.4 Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя (срсп)
- •2.7 Тематика письменных работ (рефератов) по курсу
- •2.8 Тестовые задания для самоконтроля
- •2.9 Экзаменационные вопросы по курсу
- •Глоссарий
- •«Экология и устойчивое развитие»
- •Редактор Техн. Редактор Протокол заседания кафедры № 1 "16" сентября 2011 г.
1.9 Политика и процедура курса
- Обязательное посещение занятий
- Своевременная отчетность по всем видам контроля
- отработка пропущенных занятий
2 Содержание активного раздаточного материала
2.1 Тематический план курса
Наименование темы |
Количество академических часов |
|||
Лекции |
Практич. |
СРСП |
СРС |
|
|
2 |
3 |
3 |
3 |
|
2 |
|
3 |
3 |
|
2 |
2 |
3 |
3 |
|
2 |
|
3 |
3 |
|
2 |
2 |
3 |
3 |
|
2 |
|
3 |
3 |
|
2 |
2 |
3 |
3 |
|
2 |
|
3 |
3 |
|
2 |
2 |
3 |
3 |
|
2 |
|
3 |
3 |
|
2 |
2 |
3 |
3 |
|
2 |
|
3 |
3 |
|
2 |
2 |
3 |
3 |
|
2 |
|
3 |
3 |
|
2 |
|
3 |
3 |
Всего (часов) |
30 |
15 |
45 |
45 |
2.2 Конспект лекционных занятий
Тема лекции 1 – Введение. Предмет «Экология», понятие, определение, становление и развитие экологии как науки. Цель и задачи, методы экологии. Разделы экологии: аутэкология, синэкология и демэкология. Популяция, понятие, определение. Трофические связи. Продуценты, консументы и редуценты.
Экология (от греч. ойкос – дом, жилище и логос – учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Термин экология был предложен в 1866 году немецким зоологом Эрнестом Геккелем (1834-1919).
Изначально экология развивалась как составная часть биологической науки, в тесной связи с другими естественными науками – химией, физикой, геологией, географией, почвоведением, математикой, и сформировалась в качестве самостоятельной науки к началу двадцатого века. При этом наряду с зарубежными учеными в ее развитие и становление внесли вклад наши соотечественники: Тимирязев К.А., Докучаев В.В., Вернадский В.И., Сукачев В.Н. и другие.
Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии – экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), их популяций, т.е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень), биотических сообществ, т.е. совокупностей популяций (биоценологический уровень), и биосферы в целом (биосферный уровень).
Основной, традиционной, частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды (включая человека как биологическое существо).
В составе общей экологии выделяют следующие основные разделы:
аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма (виды, особи) с окружающей его средой;
популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии;
синэкологию (биоценологию) — изучающую взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой.
Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойства – изучить закономерности адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы и т. д.
В изложенном выше понимании общую экологию нередко называют биоэкологией, когда хотят подчеркнуть ее биоцентричность.
С точки зрения фактора времени экология дифференцируется на историческую и эволюционную.
Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, т. е. различают экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов.
В последнее время роль и значение биосферы как объекта экологического анализа непрерывно возрастает. Особенно большое значение в современной экологии уделяется проблемам взаимодействия человека с окружающей природной средой.
Выдвижение на первый план этих разделов в экологической науке связано с резким усилением взаимного отрицательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с резко негативными последствиями научно-технического прогресса.
Таким образом, современная экология не ограничивается только рамками биологической дисциплины, трактующей отношения главным образом животных и растений, она превращается в междисциплинарную науку, изучающую сложнейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Актуальность и многогранность этой проблемы, вызванной обострением экологической обстановки в масштабах всей планеты, привела к «экологизации» многих естественных, технических и гуманитарных наук.
Например, на стыке экологии с другими отраслями знаний продолжается развитие таких новых направлений, как инженерная экология, геоэкология, математическая экология, сельскохозяйственная экология, космическая экология и т. д.
Соответственно более широкое толкование получил и сам термин «экология», а экологический подход при изучении взаимодействия человеческого общества и природы был признан основополагающим.
Экологическими проблемами Земли как планеты занимается интенсивно развивающаяся глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. В настоящее время появились и такие специальные дисциплины, как социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе «человеческое общество – природа», и ее часть – экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.
Современная экология тесно связана с политикой, экономикой, правом (включая международное право), психологией и педагогикой, так как только в союзе с ними, возможно, преодолеть технократическую парадигму мышления, свойственную XX в., и выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе.
С научно-практической точки зрения вполне обосновано деление экологии на теоретическую и прикладную.
Теоретическая экология вскрывает общие закономерности организации жизни.
Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.
Исходя, из приведенных выше понятий и направлений следует, что задачи экологии весьма многообразны.
В общетеоретическом плане к ним относятся:
разработка общей теории устойчивости экологических систем;
изучение экологических механизмов адаптации к среде;
исследование регуляции численности популяций;
изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;
исследование продукционных процессов;
исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости;
моделирование состояния экосистем и глобальных биосферных процессов;
экологическая индикация при определении свойств тех или иных комbпонентов и элементов ландшафта, в том числе индикация загрязнения природных сред;
сохранение (консервация) эталонных участков биосферы.
Однако задачи экологии как учебной дисциплины в техническом ВУЗе иные.
Основные прикладные задачи экологии применительно к деятельности инженера промышленного производства могут быть сформулированы следующим образом:
оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских решений, исходящих из минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека;
прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих и проектируемых предприятий (технологических процессов) для окружающей среды, человека, животных, растений, сельского, лесного и рыбного хозяйства;
улучшение качества окружающей природной среды;
своевременное выявление и корректировка конкретных технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде, угрожающих здоровью человека.
Итак, именно экология является научной базой охраны окружающей среды.
Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.
Решение поставленных задач позволит достигнуть ощутимых результатов в ближайшей перспективе и, в конечном счете, главнейшей цели – вывести человечество из глобального экологического кризиса на путь устойчивого развития, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений.
Таким образом, экология становится одной из важнейших наук будущего и, «возможно, само существование человека на нашей планете будет зависеть от ее прогресса».
Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем. В ее основе, как и всей биологии, лежит теория эволюционного развития органического мира Ч. Дарвина, базирующаяся на представлениях о естественном отборе, что можно объяснить лишь с позиций экологической науки.
Ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество (биоценоз) – главные уровни организации жизни, которые являются биотическими компонентами биосистем, которые вместе с абиотическими компонентами образуют среду обитания организмов. Роль среды в эволюции и существовании организмов не вызывает сомнения. Абиотическая среда («неживая», bios — жизнь, а — отрицание) состоит из отдельных неорганических частей (воздух, вода и др.) и факторов (температура и др.), которые и называют абиотическими компонентами, в отличие от биотической среды и биотических компонентов, представленных живым веществом.
Экология изучает биотические системы с организменного уровня и выше, т. е системы организмов (организм + абиотическая среда), популяционные системы (популяция + абиотическая среда) и экосистемы (биоценоз + биотоп). Так образуются уровни биологической организации биологических систем, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений. Они отражают иерархию природных систем, при которой меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем.
В экологии организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая с внешней средой, как абиотической, так и биотической. В этом случае речь должна идти о совокупности, определяемой как биологический вид, состоящий из сходных особей, но как индивидуумы отличающихся друг от друга. Однако всех их объединяет единый генофонд, обеспечивающий способность к размножению в пределах вида (не может быть потомства от особей различных видов). Вид – это биологически целостная группа — видовая популяция.
Популяция в самом общем виде — это совокупность особей одного вида, способная к самовоспроизведению и обладающая некоторой изолированностью в пространстве (Гиляров, 1990).
Популяция как биологическая единица обладает определенной структурой и функцией. Ей свойствен рост, развитие, способность поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях. В популяции постоянно возникают наследственные изменения. В популяции происходят борьба за существование, а также естественный отбор, благодаря которым выживают и дают потомство лишь особи с полезными в данных условиях свойствами.
Популяция обладает многими признаками, которые характеризуют группу как целое. Основными характеристиками популяции являются плотность, численность, рождаемость, смертность, возрастной состав, характер распределения на территории.
Плотность популяции определяется числом особей, приходящихся на единицу площади или объема. Каждому виду присуща определенная оптимальная плотность популяции, отклонения от которой в ту или другую сторону отрицательно сказываются на темпах воспроизводства и жизнедеятельности особей.
Численность популяции различна у разных видов, но она не может быть ниже некоторых пределов. Падение численности за эти пределы может привести к исчезновению популяции. Численность популяции может резко меняться по сезонам и годам. Возрастной состав популяции имеет большое значение для ее существования и процветания. При благоприятных условиях в популяции присутствуют все возрастные группы и поддерживается более или менее стабильный возрастной состав. Возрастной состав популяции зависит от продолжительности жизни особей, периода достижения ими половой зрелости, числа генераций.
Характер распределения особей популяции в пространстве может быть равномерным, случайным и скученным.
Примеры популяций: у людей – национальности, расы, у животных – породы.
На уровне популяций экология решает вопросы, связанные с количеством отдельных видов, изменениями и колебаниями численности отдельных популяций.
Особое значение для выделения экосистем имеют трофические, т. е. пищевые взаимоотношения организмов, которые по своему трофическому статусу в биотических сообществах подразделяются на автотрофов и гетеротрофов.
По своим функциям, которые организмы выполняют в сообществах, все организмы подразделяются на продуценты, консументы и редуценты.
Продуценты – производители продукции, которой потом питаются все организмы – это автотрофы, создающие органические вещества из неорганических. Консументы – потребители органических веществ: травоядные животные, питающиеся продуцентами; плотоядные (хищники) – питающиеся только мясом других животных; всеядные – употребляющие и мясную и растительную пищу (человек, медведь). Редуценты (деструкторы) – восстановители, возвращающие вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений (микроорганизмы и грибы).
Взаимосвязи организмов в экосистемах весьма многообразны. Наиболее важное значение имеют пищевые, или трофические (греч. trophe – питание) взаимосвязи: один организм поедается другим, тот третьим и т. д. Ряд таких звеньев называется пищевой (трофической) цепью.
Энергия передается от организма к организму, создающих пищевую, или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (создателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так четыре-шесть раз с одного трофического уровня на другой.
Трофический уровень – это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень – это продуценты, все остальные – консументы. Второй трофический уровень – это растительноядные консументы; третий – плотоядные консументы, питающиеся растительноядными формами; четвертый – консументы, потребляющие других плотоядных и т. д. Следовательно, можно и консументов разделить по уровням: консументы первого, второго, третьего и т. д. порядков.
В природе пищевые цепи редко изолированы друг от друга; в основном они взаимосвязаны и образуют сложную пищевую сеть.
Несмотря на многообразие возможных пищевых цепей и сложность пищевых сетей все они соответствуют простой общей схеме: организмы последующего звена поедают организмы предыдущего, и таким образом осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществ в природе. При каждом переходе от звена к звену теряется большая часть (до 90%) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде тепла. По этой причине число звеньев в цепи ограниченно и не превышает 4-5.
Основу любой пищевой цепи составляют автотрофные организмы, или продуценты – преимущественно зеленые растения. Следующие звенья цепи питания занимают гетеротрофные организмы – консументы, потребляющие органические вещества. Начиная со звена продуцентов, имеются два основных пути использования энергии. Во-первых, она используется травоядными животными (фитофагами), во-вторых, ее потребляют сапрофаги в виде уже отмерших тканей (например, при разложении прошлогодней травы). Сапрофаги (преимущественно грибы, черви, микроорганизмы) получают необходимую энергию, разлагая мертвое органическое вещество. В соответствии с этим существует два вида пищевых цепей: цепи поедания и цепи разложения.
Основная литература: 1[5-38], 2[5-18], 3 [3-15], 4[5-11]; 5[3-14]
Дополнительная литература: 1[7-19], 2[3-25]
Контрольные вопросы:
1. Что такое экология и что является предметом ее изучения?
2. Раскройте содержание понятий «популяция», «теоретическая экология», «прикладная экология», «социальная экология».
3. Дайте определение понятиям пищевой цепи, пищевой сети и трофического уровня.
Тема лекции 2 – Устойчивость экосистем и их изменение. Понятия: Сообщество. Биоценоз. Экосистема, биогеоценоз. Экологическая пирамида. Экологические факторы среды, их классификация. Закон минимума Ю.Либиха и толерантности В.Шелфорда. Изменение экосистем – сукцессия.
Биоценоз – (от греч. bios — жизнь, koinos — вместе) включает все популяции разных видов, характеризующихся определенными отношениями, как между собой, так и неорганической средой на определенной территории, называемой биотопом (например, сообщества озера, рощи и т. д.).
Биоценоз – совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования, который образовался естественно или под влиянием человека.
Биогеоценозы (от греч. bios – жизнь, gео – земля, koinos – вместе) – экологические системы или экосистемы – самые сложные естественные (природные) системы.
Экосистема – любая совокупность взаимодействующих живых организмов, условий среды, функционирующих как единое целое за счет обмена веществом, энергией и информацией.
Термин "Экосистема" введен в экологию английским ботаником А. Тенсли (1935 г.), а "биогеоценоз" – русским ученым В. Н. Сукачевым (1942 г.).
Экосистема – это взаимосвязанный комплекс живых и неживых компонентов Земли. Живыми компонентами экосистемы являются растения, животные, грибы, большинство бактерий и вирусы (биоценоз экосистемы); неживыми компонентами экосистемы являются атмосфера, солнечная энергия, вода, почва (биотоп экосистемы).
Экосистемы образовывались в процессе длительной эволюции и приспособления популяций различных видов к окружающей среде и друг к другу.
Понятие экосистем применяется к единицам различной величины – от муравейника (микросистема) до океана (макросистема). Очень крупные экосистемы называются биомами. Каждый биом включает целый ряд меньших по размеру экосистем, связанных друг с другом.
Экосистемы не изолированы друг от друга: процессы в одной экосистеме неизбежно затрагивают и другую, соседнюю экосистему. Так, частицы почвы и элементы питания, вымываемые водой из почвы, могут влиять на жизнь в водоемах. Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы.
Ю. Одум выделяет три группы природных экосистем: наземные, пресноводные и морские.
Наземные экосистемы – это тундра, пустыня, лесостепи и т. д. Пресноводные экосистемы включают стоячие воды, текущие воды, заболоченные угодья; морские экосистемы включают: открытый океан, прибрежные воды, глубоководные зоны и т. д.
Люди вместе со своими культурными растениями и домашними животными также являются экосистемой – экосистемой человека, взаимодействующей со всеми прочими экосистемами планеты.
Экосистемы – основной объект изучения экологии (синэкология). Синэкология рассматривает состав и структуру сообществ, а также закономерности их функционирования. Главная теоретическая и практическая задача синэкологии заключается в том, чтобы не только вскрыть закономерности функционирования экосистем, но и научиться управлять ими в условиях все возрастающего влияния человека на окружающую природную среду.
Экологические пирамиды. Функциональные взаимосвязи, т. е. трофическую структуру, можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.
Известны три основных типа экологических пирамид:
1) пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне (пирамида Элтона);
2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества — общий сухой вес, калорийность и т. д.;
3) пирамида продукции (или энергии), имеющая универсальный характер, показывающая изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях.
Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнаруженную Ч. Элтоном: количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается (рис. 2.1). В основе этой закономерности лежит, во-первых, тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо много маленьких тел; во-вторых, от низших трофических уровней к высшим теряется количество энергии (от каждого уровня до предыдущего доходит лишь 10% энергии) и в-третьих — обратная зависимость метаболизма от размера особей (чем мельче организм, тем интенсивнее обмен веществ, тем выше скорость роста их численности и биомассы).
Рис. 2.1. Упрощенная схема пирамиды Элтона (по Г. А. Новикову, 1979)
Однако пирамиды численности будут сильно различаться по форме в разных экосистемах, поэтому численность лучше приводить в табличной форме, а вот биомассу — в графической. Она четко указывает на количество всего живого вещества на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади – г/м2 или на объем – г/м3 и т. д.
Все три правила пирамид отражают энергетические отношения в экосистеме, а пирамида продукции (энергии) имеет универсальный характер.
В природе, в стабильных системах, биомасса изменяется незначительно, т. е. природа стремится использовать полностью валовую продукцию. Знание энергетики экосистемы и количественные ее показатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее продуктивности.
Человек получает достаточно много продукции от природных систем, тем не менее, основным источником пищи для него является сельское хозяйство.
Создав агроэкосистемы, человек стремится получить как можно больше чистой продукции растительности, но ему необходимо тратить половину растительной массы на выкармливание травоядных животных, птиц и т. д., значительная часть продукции идет в промышленность и теряется в отбросах, т. е. и здесь теряется около 90% чистой продукции и только около 10% ее используется человеком непосредственно на потребление.
В природных экосистемах энергетические потоки также изменяются по своей интенсивности и характеру, но этот процесс регулируется действием экологических факторов, что проявляется в динамике экосистемы в целом.
Экологические факторы – любое условие среды, на которое живой организм реагирует приспособительными реакциями. Среди них различают три разные по своей природе группы факторов: абиотические, биотические, антропогенные.
Абиотические факторы подразделяются на климатические, эдафические и антропогенные.
К климатическим факторам относятся следующие:
1. Поступающая от Солнца энергия и периодическая – по времени суток и года – смена освещенности (фотопериодизм). Видимый спектр солнечных лучей (длина волны 0,4-0,76 мкм) нас освещает, инфракрасный (длина волны 0,75 мкм-103 м) — согревает, а ультрафиолетовый (0,4-0,3 мкм) – кормит, участвуя в фотосинтезе, и, в небольших дозах, оздоровляет. Однако ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,3 мкм крайне вредны и даже смертельны для живых организмов.
2. Влажность атмосферного воздуха и количество осадков.
3. Газовый состав атмосферы, в норме состоящий из смеси азота (78,09%), кислорода (20,05%), углекислого газа (0,03%) и других газов, включая озон в верхних слоях. Азот участвует в создании белков, образующих массу тела живых организмов, в которые он попадает в результате деятельности микроорганизмов, способных его усваивать из воздуха и передавать почве и растениям. Кислород входит в состав белков, жиров и углеводов, обеспечивая окисление питательных веществ в клетках, что является источником энергии живых организмов. Углекислый газ участвует в фотосинтезе растений, а также является регулятором солнечного и ответного земного излучения тепловых лучей. Озон является «зонтиком», задерживающим ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,3 мкм, смертельные для жизни.
Температура.
Ветер и атмосферное давление.
К эдафическим факторам относятся почвы различной плодородности, формирующиеся в результате взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов, и вода различной степени прозрачности, кислотности и наличия растворенных газов, особенно кислорода.
Антропогенные факторы – порождены деятельностью человека (изъятие природных ресурсов, изменение ландшафтов, загрязнение природной среды, техногенные и нетехногенные факторы).
Преобладающая часть антропогенных факторов, связанная с производством, с применением техники, машин, строительства, носит название техногенных факторов.
К биотическим факторам относится вся совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие (таблица 2.1).
Воздействие происходит как внутри видов через половозрастные отношения, совместную охоту и защиту от врагов или, наоборот, борьбу за пищу и территорию, так и между видами.
Границы между биотическими, абиотическими и антропогенными факторами условны, и некоторые абиотические факторы имеют биогенное или техногенное происхождение (состав воздуха, качество воды, свойства почвы и т. д.).
Все перечисленные факторы действуют на живые организмы экосистемы одновременно. При этом организму нужно для нормального существования не просто наличие какого-либо условия, например температуры, минеральных солей, а строго определенных его максимальных и минимальных значений.
Таблица 2.1
Взаимодействие между видами
Тип взаимодействия популяций А и Б |
Результат взаимодействия |
Нейтрализм |
Взаимодействие отсутствует |
Конкуренция |
Одна популяция стремится истребить другую |
Мутуализм, симбиоз или сотрудничество |
Взаимопомощь |
Комменсализм (А – комменсал хозяина Б) |
Обязательно для А; Б воздействия не испытывает |
Аменсализм (А – аменсал, Б – ингибитор) |
А подавляется; Б воздействия не испытывает |
Паразитизм (А – паразит хозяина Б) или хищничество(А – хищник, Б – жертва) |
Обязательно для А; Б подавляется Обязательна для А; Б поедается |
Однако разные организмы обладают разной толерантностью, т. е. степенью устойчивости, величиной выносливости к изменениям тех или иных факторов. Одни гибнут при температуре выше 50°С, а другие выдерживают кипячение.
Кроме того, что для нормального развития организмов необходимо наличие различных факторов строго определенного качества, каждый из них должен быть еще и в определенном количестве. В соответствии с законом толерантности (закон толерантности Шелфорда) избыток какого-либо вещества может быть так же вреден, как и его недостаток, т. е. все хорошо в меру. Например, урожай может погибнуть как при засушливом, так и при слишком дождливом лете.
При этом по закону минимума, (Закон минимума Ю.Либиха, 1840 г.) недостаток какого-либо одного вещества не компенсируется избытком всех остальных. Если в почве много азота, калия и других питательных веществ, но не хватает фосфора (или наоборот), растения будут нормально развиваться только до тех пор, пока не усвоят весь фосфор. Факторы, сдерживающие развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностями, называются лимитирующими.
Пренебрежение законами «лимитирующего фактора» (законом минимума и законом толерантности) ведет к двойным потерям – экологическим и экономическим.
Еще более серьезные последствия может иметь превышение максимально допустимых величин некоторых веществ, так называемых ПДК, в окружающей среде, что ведет к росту заболеваний и даже гибели людей и других организмов.
Крайние границы выживаемости определяются толерантностью, но внутри них каждый вид лучше всего развивается в тех условиях, к которым он адаптирован. Адаптация означает приспособление строения и функционирования организма к большему или меньшему воздействию тех или иных экологических факторов. Соответственно этому отдельные виды расселяются в лесах или полях, в воде или на суше, на юге или на севере.
Вся совокупность жизненных условий, необходимых для существования того или иного вида, а также его роль в биологическом сообществе представляют собой экологическую нишу. Каждый вид занимает свою собственную нишу, отвоеванную у других в ходе конкурентной борьбы. В случае исчезновения вида по каким-либо причинам, его экологическую нишу рано или поздно занимает другой вид, способный выполнять те же обязанности (функции) в сообществе, что и исчезнувший вид, т. е. происходит экологическое дублирование.
Одна из причин, позволяющих экосистемам длительное время сохранять постоянный видовой состав, заключается в том, что отношения между всеми их компонентами находятся в динамическом равновесии.
Равновесие экосистемы – это равновесие популяций. Стабильность экосистемы предполагает, что численность популяции каждого входящего в нее вида остается более или менее неизменной. Устойчивое увеличение или уменьшение популяции приводит к изменению экосистемы. Стабильность популяции означает, что рождаемость и смертность находятся в равновесии, а они зависят от биотического потенциала и сопротивления среды.
Видовое разнообразие обеспечивает стабильность экосистемы. Высокая плотность одного вида повышает вероятность гибели значительного числа его особей при вспышке численности вредителей, что может привести к гибели экосистемы.
Отсюда следует, что наиболее устойчивой будет экосистема со многими относительно малочисленными видами.
Изменение условий воздействует на некоторые виды неблагоприятно: они снижают численность, а иногда и вовсе исчезают из экосистемы. Другие виды от этого могут выиграть, и их численность увеличивается. Изменившиеся условия могут позволить включиться в экосистему новым видам. Процесс вытеснения одних видов другими называется сукцессией. В результате сукцессии происходит постепенное превращение одних экосистем в другие.
Различают первичную и вторичную сукцессии.
Первичная сукцессия – процесс развития и смены экосистем на незаселенных ранее участках, начинающийся с их колонизации (пример: обрастание голой скалы мхом и впоследствии – развитие на ней леса).
Вторичная сукцессия – восстановление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории (например, восстановление экосистемы после пожара).
Климаксовая экосистема. Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называется климаксом, а экосистема – климаксовой (пример – Ясеневая роща в Казахстане). Основные биомы Земли – климаксовые экосистемы.
Экологические нарушения возникают при вторжении в экосистему новых, интродуцированных видов (например, при интродукции кролика в Австралию) или непродуманном воздействии человека на природу (например, сброс биогенов в водоем). Изменения экосистемы могут быть такими резкими, что практически ни один ее исходный компонент не сохраняется. Тогда говорят о гибели данной экосистемы (Аральское море).
При изменении любого средового фактора одни виды вымирают, а другие выживают, адаптируются и изменяются под действием естественного отбора, происходит эволюционная сукцессия.
Сокращение видового разнообразия и ускоряющееся резкое изменение окружающей среды снижают устойчивость биосферы.
Основная литература: 1[261-308], 2[17-66], 3[15-34]; 4[96-116]
Дополнительная литература: 2 [44-52]
Контрольные вопросы:
Что понимается под экосистемой?
Как отражается трофическая структура экосистем экологическими пирамидами численности? Биомассы? Продукции (энергии)?
Что означают такие понятия, как «толерантность», «лимити- рующий фактор», «экологическое дублирование», «экологическая ниша»?
В чем сущность закона минимума и, к каким последствиям ведет пренебрежение его требованиями?
Тема лекции 3 – Основные принципы функционирования природных экосистем. Характеристика большого и малого круговоротов. Биогеохимические круговороты основных химических элементов: воды, углерода, азота, кислорода и фосфора.
Характеристика большого и малого круговоротов. Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:
- большой (геологический или абиотический);
- малый (биотический, биогенный или биологический).
Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.
Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.
В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды – главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты – главный загрязнитель материковых вод). Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков.
Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи.
Природные экосистемы функционируют в соответствии с тремя основными принципами:
Первый принцип функционирования природных экосистем – получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов (гармонирует с законом сохранения массы). Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, в основе которого лежит реакция фотосинтеза, называют биотическим круговоротом веществ. Кроме биогенных элементов в биотический круговорот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленных биотой, называют еще биогеохимическим круговоротом.
Круговорот углерода. Углерод является главным участником биотического круговорота как основа органического вещества.
Молекулы углекислого газа из воздуха и воды поставляют углерод для образования в ходе фотосинтеза глюкозы и других органических веществ, из которых построены все ткани продуцентов. Процесс фотосинтеза можно схематично представить уравнением:
6СО2 + 6Н2О → С6 Н12 О6 + 6О2.
В дальнейшем эти органические вещества переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов экосистемы. Возвращаются в атмосферу атомы углерода в процессе клеточного дыхания:
С6 Н12 О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + Q
При этом выделяется энергия (Q), которая используется живым организмом для синтеза необходимых ему веществ и выполнения жизненных функций. Особенность круговорота углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась фитофагами, а постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления превратился в нефть, природный газ, уголь в зависимости от условий и продолжительности воздействия.
В настоящее время мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо, сжигаем его и завершаем круговорот углерода. Но одновременно резко возрастает концентрация СО2 в воздухе: его поступление существенно превышает возможности растений поглощать его. Это обстоятельство чревато серьезными климатическими последствиями (парниковый эффект). На рис. 3.1 представлена схема круговорота углерода в природе.
Рисунок 3.1 Круговорот углерода
Круговорот азота. Круговорот азота несколько сложнее, так как включает газовую и твердую фазу. Основная часть азота содержится в воздухе (N2) – 78%. Большинство растений не могут усваивать его непосредственно из воздуха. Для усвоения азот должен входить в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NO3-).
Некоторые азотофиксирующие бактерии, живущие в клубнях бобовых растений, клевера, синезеленых водорослей и др., могут превращать атмосферный азот в аммонийный (пример мутуализма: растения дают пищу бактериям, а последние обеспечивают растения азотом).
По пищевым цепям органический азот передается от бобовых другим организмам экосистемы. Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие азотосодержащие органические соединения расщепляются, азот выделяется в окружающую среду главным образом в аммонийной форме. Некоторые бактерии могут переводить аммонийный азот в нитратный (процесс нитрификации).
В результате азот совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку другие почвенные бактерии могут превращать ионы NH4+ и NO3- – в N2. Часть N2 окисляется во время грозовых разрядов (N + О2 → 2NO; 2NO + О2 → 2NО2) и поступает в почву вместе с дождевой водой. Но по этому механизму азота фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.
Следовательно, все естественные экосистемы зависят от азотофиксирующих организмов. Это семейство включает огромное количество растений – от клевера до тропических деревьев и пустынных кустарников. Для каждой крупной наземной экосистемы есть характерные для нее виды клубеньковых. В водных экосистемах круговорот азота выглядит подобным образом. Для водных систем в роли азотофиксирующих растений выступают синезеленые водоросли (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 Круговорот азота
Круговорот фосфора. Фосфор входит в состав генов и АТФ, выполняющих функцию переносчиков энергии внутри клетки. В минералах фосфор содержится в виде фосфатов (РО43-), многие из которых растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают РО43- из водного раствора и включают его в состав различных органических соединений (органический фосфор, его содержание в растениях – 0,1+0,015%). По пищевым цепям фосфор от растений переходит ко всем прочим организмам экосистемы (в живых организмах фосфора содержится от 0,1 до нескольких процентов). Из воды фосфор поглощается фитопланктоном, а затем по пищевым цепям другими обитателями воды (рыбы богаты фосфором). Но и здесь есть вероятность окисления фосфоросодержащего органического соединения в процессе клеточного дыхания для получения энергии. Тогда фосфор в виде мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.
В отличие от углерода фосфор не дает газовой фазы и, следовательно, свободного возврата в экосистему нет (происходит обеднение почвы фосфором в агроэкосистемах, где осуществляется вынос фосфора вместе с урожаем) (рис. 3.3).
Подобные круговороты характерны и для других биогенов (воды, кислорода, серы, кальция и др.).
Круговорот веществ на Земле поддерживается энергией, основным источником которой является солнечная энергия. Продолжительность того или иного цикла оценивается по тому времени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла обернуться один раз на Земле в том или ином процессе.
Рисунок 3.3 Круговорот фосфора
Второй принцип функционирования природных экосистем: они существуют за счет не загрязняющей среды и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.
Биосфера существует за счет энергии Солнца, которая фотосинтезирующими растениями превращается в потенциальную энергию химических связей органических соединений растений, а затем по пищевым цепям — в другие формы энергии (в частности, аккумулируется в АТФ клеток).
На каждом трофическом уровне часть потенциальной энергии, высвобождаясь, позволяет организму выполнять свои жизненные функции, т. е. "работать", и параллельно теряется в виде тепла.
Таким образом, речь идет о потоке энергии, идущем через экосистемы: ее поступление в них с солнечными лучами, выполнение работы и удаление в виде тепла.
Источником солнечной энергии являются ядерные реакции, идущие в недрах Солнца. Эта энергия первоначально загрязнена радиоактивными частицами, но в процессе прохождения 150 млн км до Земли радиоактивные частицы теряются, и на Земле солнечная энергия – "чистая". В этом ее отличие от энергии, получаемой от сжигания топлива (угля, газа), и ядерной энергии.
Количество солнечной энергии избыточно: растения используют всего 0,5% ее количества, достигающего Земли. Поэтому увеличение количества ее использования не должно повлиять на динамику биосферы.
Третий принцип функционирования природных экосистем – снижение биомассы при переходе на более высокий трофический уровень. С повышением трофического уровня биомасса снижается в 10 раз и более, поскольку: 1) существенная доля биомассы предыдущего трофического уровня не усваивается и возвращается в экосистему в виде экскрементов; 2) большая часть переваренной пищи (80 – 90%) расходуется на выработку энергии для осуществления организмом жизненных функций. Отсюда понятно, почему биомасса первичных консументов во много раз меньше биомассы продуцентов. То же наблюдается на более высоких трофических уровнях.
Из сказанного следует, что чем больше биомасса популяции, тем должен быть ниже ее трофический уровень.
Таким образом, в природных экосистемах осуществляются три основных принципа: происходит круговорот биогенов, экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно; на концах длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.
Экологические проблемы современности связаны с тем, что человечество нарушает указанные принципы: не происходит полного возвращения биогенов в экосистему; используется энергия топлива, приводящая к загрязнению окружающей среды; человечество относится в основном к третьему трофическому уровню, и его численность не должна быть чрезвычайно высокой.
Основная литература: 1 [323 – 342], 2 [108 – 127], 3 [133 – 140]
Дополнительная литература: 1 [39-46], 2 [56-60]
Контрольные вопросы:
Как происходит большой круговорот веществ и воды в природе?
Как и какие важнейшие функции живого вещества обеспечиваются посредством малого круговорота веществ в природе?
Из каких частей состоит биогеохимический круговорот веществ?
В чем особенности биогеохимических циклов основных биогенных элементов?
Тема лекции 4 – Биосфера и биосферно-ноосферная концепция В.И.Вернадского. Учение В.И.Вернадского о биосфере. Состав и границы биосферы. Живое вещество биосферы и его функции. Основные свойства биосферы. Ноосфера – сфера разума.
Впервые термин «биосфера» (от греч. bios – жизнь, sphaira – сфера, оболочка) появился в 1875 г. в трудах австрийского геолога Э. Зюсса. Зюсс под биосферой понимал совокупность всех живых организмов обитающих на Земле. Современное учение о биосфере создал выдающийся русский ученый В. И. Вернадский (1863 – 1945), основные положения которого были опубликованы в 1926 г. в его книге «Биосфера».
Учение В. И. Вернадского о биосфере – это целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.
По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает живое вещество (т. е. все живые организмы), биогенное (уголь, известняки, нефть и др.), косное (в его образовании живое не участвует, например, магматические горные породы), биокосное (создается с помощью живых организмов), а также радиоактивное вещество, вещество космического происхождения (метеориты и др.) и рассеянные атомы (отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (микро-ультра-микроэлементы: Mn, Co, Zn, Cu, Hg и др.).
Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой.
Сущность учения В. И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Вернадский назвал биогеохимическими принципами.
I принцип: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Прогрессивная эволюция любой экосистемы ведет к увеличению суммарного потока энергии через нее. Эта закономерность проявляется в способности живого к распространению, развитию, во "всюдности жизни" (выражение В.И. Вернадского).
II принцип: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Согласно этому принципу преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или "научились" полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах.
III принцип: живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца. Этот принцип очень важен для понимания тех процессов, которые обычно называют самоорганизацией биологических структур.
Живое вещество биосферы и его функции. Вся масса «живого вещества» Земли составляет ее биомассу. Это лишь 0,25 % всего вещества биосферы» однако, благодаря обмену веществ «живое вещество» играет ведущую роль в биогеохимических процессах. Деятельность живых организмов обуславливает химический состав атмосферы и гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы. Живое вещество играет огромную роль в круговороте веществ в природе и осуществляет важнейшие биогеохимические функции:
газовая функция заключается в поглощении растениями двуокиси углерода и выделении кислорода, в восстановлении азота, сероводорода и пр., то есть в поддержании газового состава атмосферы;
концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении живыми организмами углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы, йода, железа и пр. элементов. На местах массовой гибели животных и растений обнаруживаются отложения мела, известняка, нефти, угля и других полезных ископаемых;
окислительно-восстановительная функция заключается в восстановлении и окислении различных веществ в живых организмах, например, восстановлении двуокиси углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окислении их до С02 при дыхании:
фотосинтез дыхание
С02 ► углеводы ► С02
восстановление окисление
круговорот веществ в природе, который осуществляется при участии всех организмов биосферы. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря ему возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе элементов в природе. Около 40 элементов вовлекаются в круговорот. Одновременно с круговоротом веществ идет и круговорот энергии, основным источником которой является Солнце.
Таким образом, биосфера представляет собой сложную экологическую систему, стабильность которой обусловлена тем, что результаты деятельности продуцентов, консументов и редуцентов уравновешиваются.
Деятельность человека превратилась в мощный экологический фактор, нарушивший равновесие в биосфере. В результате деятельности человека (извлечение полезных ископаемых, использование синтетических продуктов, синтетических ядохимикатов, нетрадиционных источников энергии и пр.) нарушается биотический круговорот, он становится незамкнутым. За последние 300 лет существования человека биомасса земли уменьшилась почти на четверть.
Состав и границы биосферы. Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части.
Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п.
Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы.
К биосфере относят, прежде всего, те участки, где есть условия не только для выживания, но и для размножения живых существ, – это поле существования жизни, которое обеспечивают 5 условий: 1) достаточное количество кислорода и углекислого газа; 2) достаточное количество жидкой воды; 3) благоприятные температуры среды; 4) прожиточный минимум минеральных веществ; 5) соленость среды.
Таким образом, согласно современным представлениям биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы до озонового экрана, всю гидросферу и верхнюю литосферу до глубины 6 – 12 км (обнаружены микроорганизмы). Живые организмы, получая поток солнечной энергии, преобразуют его, вовлекают в химические реакции неорганическое вещество и создают тем самым непрерывный круговорот веществ и энергии.
Ниже литосферной границы биосферы лежит “область былых биосфер”, под которой В.И.Вернадский понимал оболочку Земли, в геологическом прошлом подвергшуюся воздействию жизни. Каменный уголь, нефть, мрамор, доломит, известняк, мел, железная руда и другие горные породы осадочного происхождения – свидетели существования жизни в “былых биосферах”.
Все компоненты биосферы существуют в тесной взаимосвязи. Обменные процессы между элементами внешней оболочки Земли обусловливают эволюцию биосферы.
Ноосфера – сфера разума. В результате техногенной деятельности человечества биосфера Земли коренным образом преобразуется и согласно учению В.И. Вернадского человечество вступает в ноосферу – сферу человеческого разума, сферу разумной жизни человека, которая охватывает и космическое пространство.
Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) – высшая стадия развития биосферы. Это сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития.
Ноосфера является новым этапом в развитии биосферы, предполагающим разумное регулирование отношений между человеком и природой.
Почему возникло понятие «ноосфера»? Оно появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. Непреходящая ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней.
Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближний» космос). Вся эта среда весьма существенно изменяется человеком, благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим представлениям и потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли.
В. И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей планете», «создание свободного разума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окружающей человека среде». Иными словами, ноосфера – окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом.
Человек, по мнению В. И. Вернадского, является частью биосферы, ее «определенной функцией». Подчеркивая тесную связь человека и природы, он допускал, что предпосылки возникновения человеческого разума имели место еще во времена животных предшественников Homo sapiens, и проявление его началось миллионы лет назад, в конце третичного периода. Но как новая геологическая сила смог проявить себя только человек.
Воздействие человеческого общества, как единого целого, на природу по своему характеру резко отличается от воздействий других форм живого вещества. В. И. Вернадский писал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм Жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов».
Ноосфера – мир разумных, научно обоснованных поступков в глобальном масштабе.
Основные условия устойчивости, стабильности биосферы. Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.
Стабильность биосферы обусловлена тем, что результаты активности трех групп организмов, выполняющих разные функции в биотическом круговороте — продуцентов (аутотрофов), потребителей (гетеротрофов) и деструкторов (минерализующих органические остатки) — взаимоуравновешиваются.
Стабильное состояние биосферы обусловлено деятельностью самого живого вещества, обеспечивающего определенную степень фиксации солнечной энергии и уровень биогенной миграции атомов.
Однако необходимо учитывать, что стабильность биосферы, как и любой другой системы, имеет определенные пределы.
Человеческое общество, используя не только энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, ядерной), ускоряет геохимические преобразования на планете, вмешивается в ход биосферных процессов. Некоторые процессы, вызванные деятельностью человека, имеют противоположную направленность по отношению к естественным процессам (рассеивание руд металлов, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение углерода и его окисление, нарушение в атмосфере глобальных процессов, влияющих на климат, и т. д.).
В соответствии с этим, одной из основных задач современной экологии является изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования, поддержания ее стабильности.
Основная литература: 1 [372 – 390], 2 [89 – 107], 3 [122 – 132]
Дополнительная литература: 1 [27-35,67-72]
Контрольные вопросы:
Что такое биосфера и чем она отличается от других оболочек Земли?
Из чего состоят абиотическая и биотическая части биосферы как глобальной экосистемы (экосферы)?
Что понимал В. И. Вернадский под живым веществом и какие биохимические принципы лежат в основе биогенной миграции?
Что такое ноосфера и когда можно будет говорить о ее достижении?
Чем обусловлена целостность биосферы? Сформулируйте закон целостности биосферы.
Тема лекции 5 – Концепция Устойчивого развития и охрана природы. История возникновения понятия «устойчивое развитие». Стратегии и принципы устойчивого развития. Международное сотрудничество по обеспечению устойчивого развития.
В условиях глобального экологического кризиса достигнуть необходимого равновесия между экономикой, обществом и окружающей средой возможно лишь при формировании новой экологически безопасной и экономически оптимальной модели развития. Такой моделью, признанной мировым сообществом, является устойчивое развитие. Концепция устойчивого развития вошла в природоохранный лексикон после Конференции ООН по окружающей среде и развитию (ОСР) в Рио-де-Жанейро (1992), на которой встретились главы и высокопоставленные лица 179 правительств.
В литературе встречаются более 60 определений устойчивого развития. Наиболее распространено из них определение, данное в докладе премьер-министра Норвегии Гру Харлем Брундланд на Конференции ООН, согласно которому устойчивое развитие рассматривается как «модель движения вперед, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений. В широком смысле стратегия устойчивого развития направлена на достижение гармонии между людьми (друг с другом) и между Обществом и Природой».
Устойчивое развитие – под таким лозунгом проходила конференция ОСР. Необходим поиск новой модели развития цивилизации, обозначенной как устойчивое развитие.
Модель предполагает прогресс и продвижение вперед, при котором удовлетворение потребностей нынешнего поколения должно происходить, без лишения такой возможности будущих поколений. Цель может быть достигнута при условии решений социально-экономических и экологических задач.
Устойчивое развитие подразумевает:
право людей на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой;
охрану окружающей среды как неотъемлемую часть процесса развития;
удовлетворение потребностей в благоприятной окружающей среде как нынешнего, так и будущего поколений;
уменьшение разрыва в уровне жизни между народами мира, а также между бедными и богатыми в каждой стране;
совершенствование природоохранного законодательства;
исключение моделей развития производства и потребления, не способствующих устойчивому развитию.
Были приняты три согласованных основополагающих документа, имеющих историческое значение:
Декларация РИО по окружающей среде и развитию;
Заявление о принципах глобального консенсуса по управлению, сохранению и устойчивому развитию всех видов лесов;
Повестка дня на ХХ1 век, или Повестка 21.
Параллельно были подготовлены две конвенции: Рамочная конвенция об изменении климата; Конвенция о биологическом разнообразии.
Государства несут общую, но не одинаковую ответственность за деградацию природной среды. Подчеркивалась необходимость широкого международного сотрудничества в области науки, использования результатов научных исследований и распространения новых технологий.
Программа ХХI является суперпрограммой, ориентированной на подготовку мирового сообщества к решению проблемы, с которыми цивилизация столкнулась на пороге ХХ1 века. На повестке дня – человечество переживает решающий момент в истории: противоречия между уровнем развития цивилизации и природой достигли предела.
Документ объемом более 500 страниц, содержит 4 раздела, включающие 40 глав.
Первый раздел посвящен борьбе с нищетой, изменению структуры потребления, динамике роста населения, охране здоровья человека и др.
Второй раздел о сохранении и рациональном использовании ресурсов: защите атмосферы; использовании земельных ресурсов; борьбе с обезлесиванием, опустыниванием и засухой; сохранении биологического разнообразия; безопасном использовании биотехнологий; защите морей; сохранении качества пресной воды; надежном обращении токсичных, радиоактивных отходах; очистке сточных вод и др.
Третий раздел рассматривает вопросы усиления роли основных групп населения в реализации целей программы ХХ1 века – женщин, молодежи, детей, коренных народов, неправительственных организаций, профсоюзов, деловых людей в промышленности и технических кругах, ученых.
Четвертый раздел содержит предложения о средствах, необходимых для осуществления программы: финансовых ресурсах и механизмах; развитии экологически безопасных технологий; развитии науки; просвещении населения и подготовке кадров; помощи развивающимся странам; международных организационных механизмах и правовых документах, информационных системах.
В концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию подчеркнута его необходимость и возможность.
Важнейшим инструментом поиска собственной модели развития Казахстана является стратегическое планирование. Стратегические планы республики являются гибким инструментом государственного регулирования социально-экономического развития страны, имеющим этапность реализации на долгосрочную и среднесрочную перспективу; планы периодически корректируются с учетом складывающейся обстановки.
В статье 4 Экологического кодекса РК (2007 г.) говорится, что экологическими основами устойчивого развития Республики Казахстан также являются:
«3) обеспечение и реализация права Республики Казахстан на разработку своих природных ресурсов и отстаивание национальных интересов в вопросах использования природных ресурсов и воздействия на окружающую среду;
5) развитие устойчивых моделей производства и потребления;
7) соблюдение права каждого человека на доступ к экологической информации и всестороннее участие общественности в решении вопросов охраны окружающей среды и устойчивого развития;
8) обеспечение гласности принимаемых мер в области охраны окружающей среды;
11) сдерживание, предотвращение переноса и перевода в другие государства любых видов деятельности и веществ, которые наносят серьезный ущерб окружающей среде или считаются вредными для здоровья человека, а также принятие мер предосторожности в случаях, когда существует угроза серьезного или необратимого ущерба окружающей среде».
В Долгосрочной Стратегии развития Казахстана до 2030 года (1997) четко обозначены принципы, цели и приоритеты и методы их достижения, намечены дальнейшие пути по развитию законодательной базы, реального гражданского общества и политической культуры населения.
Исходя из приоритетов Стратегии «Казахстан-2030» в соответствии со Стратегическим планом развития Республики Казахстан до 2010 года и с учетом основных положений Повестки дня на XXI век и принципов Рио-де-Жанейрской декларации по окружающей среде и развитию 1992 года, а также решений Всемирного саммита по устойчивому развитию в г. Йоханнесбурге (2002 год) разработана Концепция экологической безопасности.
Обеспечение оптимального уровня экологической безопасности с достижением нормативных показателей состояния окружающей среды предполагает поэтапную реализацию положений данной Концепции.
Первый этап (2004–2007 годы) – снижение уровня загрязнения окружающей среды и выработка плана действий по его стабилизации.
Второй этап (2008–2010 годы) – стабилизация показателей качества окружающей среды и совершенствование экологических требований к природопользованию.
Третий этап (2011–2015 годы) – улучшение качества окружающей среды и достижение благоприятного уровня экологически устойчивого развития общества.
Целью государственной политики в области экологической безопасности является обеспечение защищенности природных систем, жизненно важных интересов общества и прав личности от угроз, возникающих в результате антропогенных и природных воздействий на окружающую среду.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: снижение антропогенного воздействия, ведущего к изменению климата и разрушению озонового слоя Земли; сохранение биоразнообразия и предотвращение опустынивания и деградации земель; реабилитация зон экологического бедствия, полигонов военно-космического и испытательного комплексов; предупреждение загрязнения шельфа Каспийского моря; предупреждение истощения и загрязнения водных ресурсов; ликвидация и предотвращение исторических загрязнений, загрязнения воздушного бассейна, радиоактивного, бактериологического и химического загрязнений, в том числе трансграничного; сокращение объемов накопления промышленных и бытовых отходов; предупреждение чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Решение поставленных задач достигается путем: совершенствования и систематизации законодательства Республики Казахстан, экономических механизмов природопользования, государственного экологического контроля и экологического мониторинга; оптимизации разрешительной системы природопользования и экологической экспертизы; развития научно-исследовательских работ в области охраны окружающей среды, экологической статистики, экологического образования, экологической пропаганды и участия общественности; расширения международного сотрудничества.
Экологически безопасное развитие государства базируется на следующих принципах:
- экосистемный подход к регулированию всех общественных отношений для устойчивого развития государства путем внедрения научно обоснованного комплекса ограничений, нормативов и правил ведения хозяйственной и иной деятельности, определяющих экологически допустимые пределы использования природных ресурсов и обеспечивающих сбалансированное управление качеством окружающей среды;
- подчиненность региональных и локальных задач экологической безопасности глобальным и национальным целям предупреждения экологических угроз;
- обязательность компенсации нанесенного ущерба окружающей среде и здоровью человека (платят природопользователи и загрязнители);
- эколого-экономическая сбалансированность развития и размещения производственных сил (принципы экологической емкости и территориального планирования);
- обязательность оценки воздействия хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду с последующими экологической и санитарно-эпидемиологической экспертизами;
- обеспечение доступа населения к экологической информации и его участия в решении экологических проблем;
- партнерство в международном сотрудничестве и соблюдение норм международного права.
Целью стратегии 2030 является построение независимого, процветающего и политически стабильного Казахстана.
Для управления процессом перехода устойчивого развития необходимо контролировать и ориентироваться на:
качество жизни (показатели качества жизни – здоровье и продолжительность жизни людей, состояние окружающей среды, уровень образования, доход и т.д.);
экономическое развитие (показатели – удельное потребление ресурсов и энергии, удельное образование отходов и др.);
экологическое благополучие (показатели – состояние окружающей среды, природных ресурсов, экосистем и др.).
Достигнуть устойчивого развития можно лишь после решения беспрецедентных по масштабу социальных, экономических и экологических задач.
Этапы перехода Казахстана к устойчивому развитию будут зависеть от эффективности международного сотрудничества.
Основная литература: 2 [375 – 390], 3 [474 – 477]
Дополнительная литература: 1 [286-289]
Контрольные вопросы:
Дайте определение УР. Кто и когда ввел это определение?
Назовите принципы устойчивого развития.
В чем суть концепции устойчивого развития?
Каковы основные направления перехода Казахстана к УР?
В чем смысл модели устойчивого развития общества?
Тема лекции 6 – Природные ресурсы и рациональное природопользование как один из аспектов устойчивого развития. Природные ресурсы и их классификация. Природопользование и проблемы использования природных ресурсов. Основные направления рационального природопользования.
Природные ресурсы и их классификация.
Природные ресурсы – это тела и силы природы, которые на данном этапе развития производительных сил общества могут быть использованы в качестве предметов потребления или средств производства, и общественная полезность которых изменяется (прямо или косвенно) под воздействием деятельности человека.
Природные ресурсы являются важной частью национального богатства страны и источником создания материальных благ и услуг. Процесс воспроизводства по существу представляет собой непрерывный процесс взаимодействия общества и природы, в котором общество подчиняет себе силы природы и природные ресурсы для удовлетворения потребностей.
Основными компонентами окружающей среды являются естественные экологические системы: земля, ее недра, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, животный мир, природные заповедники и национальные парки – все, что принято называть природной окружающей средой.
Природные ресурсы во многом предопределяют не только социально-экономический потенциал страны и региона и эффективность общественного производства, но и здоровье, и продолжительность жизни населения.
Главные виды природных ресурсов – солнечная энергия, внутриземное тепло, водные ресурсы, земельные, минеральные, лесные, рыбные, растительные, ресурсы животного мира и др.
Основными компонентами природных ресурсов являются: водные, земельные, лесные, минеральные, энергетические, биологические ресурсы.
Существуют разные подходы к классификации природных ресурсов.
Первым признаком классификации природных ресурсов является их вид. Согласно этому признаку они подразделяются на природные явления (например, солнечная энергия, ветер, приливы и отливы океана), животный мир, растительный мир, природные вещества (вода, воздух, почва) и полезные ископаемые (например, нефть, золото, руды). Причем полезные ископаемые могут быть готовыми к потреблению (уголь, драгоценные и отделочные камни, соль) и требующими переработки, синтеза (нефть, руда, синтетические удобрения).
Вторым признаком классификации природных ресурсов является их исчерпаемость. По этому признаку их классифицируют как исчерпаемые и неисчерпаемые.
Неисчерпаемые природные ресурсы – природные физические явления и тела, количество и качество которых практически не меняется или меняется лишь неощутимо в процессе длительного природопользования. Такими ресурсами являются солнечная энергия, ветровая энергия, энергия движущейся воды, энергия земных недр. Вода и воздух окружающей среды по количеству практически не изменяются, но могут качественно ухудшаться в результате деятельности человека. Эти природные ресурсы могут стать неисчерпаемыми с помощью современной техники и технологии (водо-, пыле-, газоочистки, а также санитарно-гигиенических работ).
Исчерпаемые природные ресурсы – природные физические тела и явления, количество и качество которых существенно изменяются в процессе длительного природопользования.
Третий признак классификации – возобновимость исчерпаемых ресурсов. По этому признаку выделяют следующие исчерпаемые ресурсы:
• возобновимые – способные к самовоспроизводству (растительный и животный мир, мир микроорганизмов);
• невозобновимые – образовавшиеся в недрах земли в течение миллионов лет (рудные и нерудные полезные ископаемые, длительное пользование которыми приводит к истощению их запасов, пополнение которых практически невозможно);
• относительно возобновимые – способные к воспроизводству в темпах, отстающих от темпов потребления (чернозем, деревья большого возраста — секвойя, баобаб, слоновое дерево и др.).
Классификация природных ресурсов представлена на рисунке 7.1
Природно-ресурсный потенциал – часть природных ресурсов Земли и ближайшего космоса, которая может быть реально вовлечена в хозяйственную деятельность при данных технических и социально-экономических возможностях общества с условиями сохранения среды жизни человечества. Экономически оцененный природно-ресурсный потенциал в рамках государства входит в состав национального богатства страны.
Природный капитал – запасы, состоящие из жизнеподдерживающих систем (систем жизнеобеспечения), биоразнообразия, возобновимых и невозобновимых ресурсов, используемых человеком или представляющих для него интерес. Природный капитал включает запасы природных активов, таких как почва и леса, животный мир и водные ресурсы, биологические виды, ландшафт.
Рисунок 7.1 Классификация природных ресурсов
Природопользование и проблемы использования природных ресурсов. Природопользование – это использование человеком в целях своего жизнеобеспечения веществ и свойств окружающей среды. Природопользование человека проявляется в четырех формах: жизнеобеспечивающей, хозяйственно-экономической, оздоровительной и культурной.
Формы природопользования осуществляются в двух видах: общего и специального природопользования.
Общее природопользование не требует специального разрешения (пользование водой, воздухом). Специальное природопользование осуществляется физическими и юридическими лицами на основе разрешения уполномоченных государственных органов.
Рациональное природопользование отличается следующими особенностями:
• использование природных ресурсов должно сопровождаться их восстановлением (для возобновляемых природных ресурсов);
• комплексное использование природных ресурсов;
• вторичное использование природных ресурсов;
• проведение природоохранных мероприятий;
• внедрение новейших технологий с целью снижения антропогенной нагрузки на окружающую природную среду.
Экологические последствия использования природных ресурсов могут быть как позитивными, так и негативными. К позитивным последствиям относят создание готовой продукции, полуфабрикатов, электрической и тепловой энергии и др. К негативным последствиям относятся: 1) загрязнение природной среды; 2) истощение природных ресурсов; 3) нарушение структуры естественных ландшафтов; 4) сокращение биоразнообразия; 5) антропогенное обезлесение и опустынивание.
Загрязнение природной среды – процесс привнесения в среду или возникновение в ней новых обычно не характерных для нее физических, химических, биологических агентов или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня концентрации названных выше агентов в среде, приводящих к негативным последствиям.
Загрязнение может быть природным и антропогенным. По видам загрязняющих агентов различают физическое (тепловое, радиоактивное, шумовое, электромагнитное, световое и др.), химическое ((тяжелые металлы, пестициды, СПАВ, пластмассы, аэрозоли, детергенты и др.) и биологическое или микробиологическое (патогенные микроорганизмы, продукты генной инженерии и др.).
По масштабам загрязнение может быть глобальным, региональным, локальным. По объектам загрязнения различают загрязнение атмосферы, поверхностных и подземных вод, почв, загрязнение околоземного пространства и т. д.
На основе применения системного подхода выделены следующие виды загрязнения:
Ингредиентное загрязнение – совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам (бытовые стоки, ядохимикаты, минеральные удобрения и др.);
2. Параметрическое загрязнение – изменение качественных параметров окружающей природной среды (шумовое, тепловое, световое, радиационное, электромагнитное);
3. Биоценотическое загрязнение – воздействия, вызывающие нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция, и акклиматизация видов и т. д.);
4. Стациально-деструкционное загрязнение – воздействие, приводящее к нарушению и преобразованию ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (вырубка лесов, эрозия почв, урбанизация, зарегулирование водотоков).
Загрязнение опасно тем, что загрязнители, попадая в организмы, вызывают их заболевание или гибель. Загрязнение наносит материальный ущерб хозяйственной деятельности.
Истощение природных ресурсов – сокращение количества и ухудшение качества природных ресурсов, нередко приводящее к нарушению экологической безопасности и возникновению экологических проблем. Истощение природных ресурсов приводит к удорожанию ресурсов. Особенно опасно истощение энергетических и жизненно важных природных ресурсов (питьевая вода, почвенно-земельные ресурсы).
Нарушение структуры естественных ландшафтов – изменение соотношения естественных и антропогенных ландшафтов, приводящее к нарушению экологической устойчивости природной среды (проявление водной эрозии, дефляции, оползнеобразования, карста, термокарста и др.).
Биологическое разнообразие – совокупность всех форм жизни, населяющей нашу планету, это богатство и многообразие жизни и ее процессов, включающее разнообразие живых организмов и их генетических различий, а также разнообразие мест существования, сообществ, экосистем, в которых организмы существуют. На Земле насчитывается 13 – 14 млн. биологических видов, из которых описаны лишь 1,75 млн.
В настоящее время в связи с антропогенным воздействием скорость сокращения биоразнообразия увеличилась. Сейчас перед угрозой исчезновения находятся 30 тыс. видов животных и растений. Скорость исчезновения видов млекопитающих в этом столетии в 40 раз превышала максимальные скорости, зафиксированные в геологическом прошлом. За последние 400 лет исчезли 484 вида животных и 654 вида растений.
Причинами ускоренного снижения биологического разнообразия являются: 1) быстрый рост народонаселения и экономики. Растущему населению планеты необходимо решить продовольственную проблему и ряд других. Это приводит к увеличению сельскохозяйственных земель и увеличивает количество отходов; 2) рыночная экономика пока не в состоянии оценить истинную ценность современного биоразнообразия. В экономической оценке часто не учитывается значение чистого воздуха и воды; 3) увеличение миграции населения, рост международной торговли и туризма. Специализация отдельных стран на производстве определенных сельскохозяйственных культур ведет к созданию крупных плантаций и снижению производства других местных культур; 4) увеличение объемов загрязняющих веществ, поступающих в среду; 5) интродукция новых видов, сопровождающаяся вытеснением или истреблением местных видов; 6) разрушение местообитаний; 7) браконьерство. Оно ведет, например, к уменьшению ценных видов рыб – осетра, стерляди, сига, омуля, лосося и др.
Основные направления рационального использования и охраны природных ресурсов:
1. Инвентаризация природных ресурсов – полный учет количества и качества ресурсов. В результате инвентаризации создают кадастры и реестры природных ресурсов. Кадастр природных ресурсов – свод экономических, экологических, организационных и технических показателей, который характеризует качество и количество природного ресурса, а также состав и категории природопользователей этого ресурса.
2. Комплексное и экономное расходование сырья на производстве.
3. Внедрение ресурсосберегающих и малоотходных производств.
4. Утилизация и вторичное использование отходов производства и потребления.
5. Совершенствование методов очистки от загрязнителей.
6. Устранение или «смягчение» негативных геоэкологических процессов (оползнеобразование, эрозия, заболачивание, лавинообразование и др.).
Среди природных ресурсов особое место занимают возобновимые природные ресурсы. При должном отношении к ним они способны к самовосстановлению, самоочищению и самовоспроизводству. Поэтому, по отношению к ним должны соблюдаться следующие требования:
1. Изъятие природных ресурсов должно быть в пределах возобновления, т. е. скорость восстановления природного ресурса должна превышать скорость использования;
2. Поддержание экологического равновесия территории т. е. организация особо охраняемых природных территорий;
3. Экологизация ресурсопользования.
Основная литература: 1 [391-392], 2 [194 – 200], 5 [287 – 315]
Дополнительная литература: 1 [103-111], 2 [86-89]
Контрольные вопросы:
По какому признаку компоненты окружающей природной среды можно отнести к природным ресурсам?
Приведите примеры возобновимых, невозобновимых и относительно возобновимых природных ресурсов.
Какие признаки характеризуют рациональное природопользование?
Каковы основные принципы классификации природных ресурсов?
Объясните причины обострения проблемы ресурсной обеспеченности
населения планеты. Назовите основные пути ее решения.
Тема лекции 7 – Антропогенные факторы возникновения неустойчивости в биосфере. Загрязнение окружающей среды, характеристика и их классификация. Глобальные экологические проблемы современности (изменения климата, разрушение озонового слоя, кислотные дожди, опустынивание, сокращение биоразнообразия, загрязнение Мирового океана и др.), причины их возникновения и последствия.
Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного (негативного) воздействия человека на биосферу является загрязнение, что привело к обострению глобальной экологической ситуации: потепление, разрушение озонового слоя атмосферы, опустынивание. Особенно сильно загрязнены воздушная и водная среды.
Загрязнением называют поступление в окружающую природную среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем.
Загрязнение природной среды может возникнуть как в результате воздействия природных, естественных факторов (извержения вулканов, землетрясения, селевые потоки, бури, ураганы, которые возникают без вмешательства человека), так и в результате хозяйственной деятельности человека – антропогенное загрязнение.
Примерами антропогенных загрязнений являются аварии и катастрофы на промышленных объектах, с выбросом радиоактивных, химических и биологических веществ. Однако не менее значительными и опасными являются загрязнения, связанные с обычной хозяйственной деятельностью, работой предприятий, транспорта, строительством городов, урбанизацией территорий и т. д.
Классификация загрязнений:
Механическое – загрязнение среды агентами, оказывающими лишь механическое воздействие без физико-химических последствий (мусор).
Химическое – изменение химических свойств среды, оказывающих отрицательное воздействие на экосистемы и технологические устройства.
Физическое – изменение физических параметров среды: температурно-энергетических (тепловое), волновых (световое, шумовое, электромагнитное и т. п.), например:
тепловое (термальное) – повышение температуры среды, главным образом в связи с промышленными отходами газов и воды, в меньшей степени – твердыми отходами (металлургические шлаки).
световое – нарушение естественной освещенности местности в результате действия искусственных источников света (это приводит к аномалиям в жизни растений и животных).
шумовое – увеличение интенсивности шума сверх природного уровня.
электромагнитное – изменение электромагнитных свойств среды (от линий элетропередачи, радио и телевидения, работы некоторых промышленных установок и др.) приводит к глобальным и местным геофизическим аномалиям и изменениям в тонких биологических структурах.
Радиационное – превышение естественного уровня содержания в среде радиоактивных веществ.
Биологическое – проникновение в экосистемы и технологические устройства видов животных и растений, чуждых данным сообществам и устройствам, в том числе:
биотическое – распространение, как правило, нежелательных с точки зрения людей биогенных веществ (выделений, мертвых тел и др.) на территории, где они раньше не наблюдались.
микробиологическое:
а) появление необычайного количества микроорганизмов, связанное с их массовым размножением на антропогенных субстратах или в средах, измененных в ходе хозяйственной деятельности человека;
б) приобретение ранее безвредной формой микроорганизмов патогенных свойств или способности подавлять другие организмы в сообществах.
Объектами загрязнения служат основные компоненты экотопа (местообитание биотического существа): атмосфера, вода, почва.
Почвенными объектами загрязнения (жертвами загрязнения) являются составляющие биоценоза – растения, животные, микроорганизмы.
С экологических позиций загрязнение означает не просто внесение в атмосферу, почву или воду тех или иных чуждых им компонентов – в любом случае объектом загрязнения является элементарная структурная единица биосферы – биогеоценоз, вследствие чего данная экосистема разрушается или снижается ее продуктивность. Загрязнение среды – сложный многообразный процесс.
Различают загрязнители, разрушаемые биологическими процессами и не разрушаемые (стойкие). Первые входят в естественные круговороты веществ и поэтому быстро исчезают, подвергаясь разрушению биологическими агентами. Вторые не входят в естественные круговороты веществ, передаются по пищевым цепям и накапливаются.
Таким образом, с экологических позиций загрязнением окружающей среды следует называть любое внесение в ту или иную экосистему не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего данная экосистема разрушается или снижается ее продуктивность.
Изменение климата в результате деятельности человека. В последние годы ведущие эксперты мира предупреждают, что глобальное потепление, вызванное деятельностью человека, может оказаться более значительным, чем считалось ранее. Очевидно, тенденция в Европе к более частой суровой погоде и мокрым зимам, перемежаемым крайне сильными ливнями, совпадает с явлениями, которых эксперты ожидают от глобального потепления. Сильные бури, повлекшие человеческие жертвы, пронеслись на севере Франции, в Британии, Ирландии.
В среднем, ученые предсказывают изменение средних температур на 3-4 °С к середине следующего века в случае удвоения концентрации СО2 в атмосфере. Это приведет к значительному изменению сумм осадков в различных зонах.
Повышение температуры воздуха в высоких широтах на 3-4 °С, по предсказанию климатологов, может привести к уменьшению толщины полярных льдов, подъему уровня океана и затоплению ряда территорий, изменению расположения климатических зон на земном шаре.
Кислотные дожди. Одной из важнейших (глобальных) проблем является дальний перенос в атмосфере различных загрязняющих веществ, обладающих высокой токсичностью, таких, как двуокись серы и продукты ее превращений, окислы азота и продукты их превращений, а также тяжелые металлы (и в особенности ртуть), пестициды и радиоактивные вещества.
Вымывание двуокиси серы и окислов азота ведет к образованию серной и азотной кислоты и выпадению кислотных дождей. Это уже привело к общему закислению природной среды на огромных территориях и существенным экологическим изменениям. Образующиеся кислоты и продукты их превращений содержатся в осадках, поверхностных водах, почве и отрицательно влияют на экосистемы. Кроме того, разрушающему воздействию кислот подвергаются различные конструкции, здания, уникальные памятники старины. И самое главное, эти вещества влияют на здоровье людей.
Разрушение озонового слоя. Одной из глобальных проблем является разрушение озонового слоя Земли. Разрушение молекул озона очень сильно зависит от наличия различных малых составляющих (окислов азота, водорода, хлора, брома, хлорфторметанов (фреоны), закиси азота (N2О), выделяющейся при использовании минеральных удобрений, а также непосредственные выбросы различных веществ в стратосферу при полетах сверхвысотных самолетов.
Общее уменьшение содержания озона в атмосфере приведет к увеличению ультрафиолетового излучения солнца, достигающего земной поверхности. Это может способствовать повышению вероятности возникновения рака кожи у людей, повлиять на продукцию сельского хозяйства. Перераспределение концентрации озона по высоте приводит к перераспределению температуры в стратосфере, что может сказаться на климате Земли.
Наибольшее загрязнение Мирового океана вызвано:
загрязнение нефтью и нефтепродуктами, которое приводит к появлению нефтяных пятен, что затрудняет процессы фотосинтеза в воде из-за прекращения доступа солнечных лучей, а также вызывает гибель растений и животных. Каждая тонна нефти создает нефтяную пленку на площади до 12 км2. Восстановление зараженных экосистем занимает 10-15 лет;
загрязнение сточными водами в результате промышленного производства, минеральными и органическими удобрениями в результате сельскохозяйственного производства, а также коммунально-бытовыми стоками, что ведет к эвтрофикации водоемов – обогащению их питательными веществами, приводящему к чрезмерному развитию водорослей и к гибели других водных экосистем с непроточной водой (озер, прудов), а иногда к заболачиванию местности;
загрязнение ионами тяжелых металлов, которое нарушает жизнедеятельность водных организмов и человека.
Основными видами антропогенного воздействия на почву, ведущими к их деградации, являются: загрязнение; опустынивание; эрозия (ветровая, водная); вторичное засоление и заболачивание; отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.
Поверхностные слои почв легко загрязняются различными химическими соединениями – пестициды; минеральные удобрения; промышленные и сельскохозяйственные отходы – газодымовые выбросы промышленных предприятий в атмосферу; нефть и нефтепродукты – пагубно влияющие на жизнедеятельность почвенных организмов. При этом теряется способность почвы к самоочищению от болезнетворных и других нежелательных микроорганизмов, что чревато тяжелыми последствиями для человека, животного и растительного мира.
Опустынивание – это процесс необратимого изменения почвы и растительности и снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню, при этом резко падает биологическая продуктивность, а, следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться. Всего в мире подвержено опустыниванию более 1 млрд га практически на всех континентах.
На территории СНГ опустыниванию подвержены Приаралье, Прибалхашье, Черные земли в Калмыкии и Астраханской области и некоторые другие районы. Все они относятся к зонам экологического бедствия, и их состояние продолжает ухудшаться.
Эрозия почв – разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). К эрозионным процессам относят промышленную эрозию (разрушение сельскохозяйственных земель при строительстве и разработке карьеров), военную эрозию (воронки, траншеи), пастбищную эрозию (при интенсивной пастьбе скота), ирригационную (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов).
Охрана почвы от любых видов негативного антропогенного воздействия позволяет сохранить ее, прежде всего, как важнейшее звено в системе биосферы.
Основная литература: 2 [161–192]; 3 [188 – 192];
4[242-246, 260-263, 268-288], 5[61 – 88]
Дополнительная литература: 2 [102-128]
Контрольные вопросы:
Опишите возможную степень потепления и последствия этого.
Расскажите, как формируется озоновый экран и что ведет к его разрушению.
Назовите основные источники техногенного загрязнения окружающей среды.
Назовите основные источники антропогенного загрязнения Мирового океана.
Приведите примеры, иллюстрирующие масштабы опустынивания. Можно ли его предупредить?
Тема лекции 8 – Социально-экологические проблемы современности и устойчивое развитие. Социально-экологический кризис и устойчивое развитие. Проблема народонаселения и пути ее решения. Проблемы урбанизации. Энергетические проблемы. Продовольственная проблема.
Социально-экологический кризис – это такая стадия взаимодействия между обществом и природой, на которой до предела обостряются противоречия между экономикой и экологией, а возможности сохранения потенциального гомеостаза, т. е. способности саморегуляции экосистем в условиях антропогенного воздействия, серьезно подорваны.
Экологический кризис не является неизбежным и закономерным порождением научно-технического прогресса, он обусловлен как у нас в стране, так и в других странах мира комплексом причин объективного и субъективного характера, среди которых не последнее место занимают потребительское, а нередко и хищническое отношение к природе, пренебрежение фундаментальными экологическими законами.
Выход из глобального экологического кризиса заключается в разработке комплекса надежных антикризисных мер, позволяющих активно противодействовать дальнейшей деградации природной среды и выйти на устойчивое развитие общества. Попытки решения этой проблемы только одними какими-либо средствами, например, технологическими (очистные сооружения, безотходные технологии и т. д.), принципиально неверны и не приведут к необходимым результатам. Преодоление экологического кризиса возможно лишь при условии гармоничного развития природы и человека, снятии антагонизма между ними. Это достижимо лишь на основе реализации «триединства естественной природы, общества и природы очеловеченной» на путях устойчивого развития общества (Конференция ООН, Рио-де-Жанейро, 1992 г.), комплексного подхода к решению природоохранных проблем.
Анализ как экологической, так и социально-экономической обстановки позволяет выделить пять основных направлений выхода из экологического кризиса. При этом необходим комплексный подход в решении этой проблемы, т. е. одновременно должны использоваться все пять направлений:
совершенствование технологии – создание экологически чистой технологии, внедрение безотходных, малоотходных производств, обновление основных фондов и др.;
совершенствование экономического механизма охраны окружающей среды;
применение мер административного пресечения и мер юридической ответственности за экологические правонарушения (административно-правовое направление);
гармонизация экологического мышления (эколого-просветительское направление);
гармонизация экологических международных отношений (международно-правое направление).
По мнению экспертов, «экологический кризис» неизбежен, если деятельность человечества не приобретет планомерный, согласующийся с законами существования и развития биосферы характер.
Урбанизация – одна из глобальных, общемировых проблем человечества – процесс повышения роли городов в жизни общества, рост городов и городского населения мира, формирование новых форм расселения, таких как агломерации и мегаполисы.
К основным причинам урбанизации следует отнести: а) миграцию людей из сельской местности в города; б) прирост населения в городах достигается за счет превышения рождаемости над смертностью и за счет механического притока населения. К 2025 г. городского населения на Земле будет 2/3 от общей численности на Земле. Самые высокие темпы урбанизации (5 % в год) характерны для беднейших, наименее развитых стран.
Урбанизация преобразует природный ландшафт, создавая в крупных городах особую городскую (урбанизированную) среду. Природные городские ландшафты весьма примитивны. Это парки и скверы, редко леса антропогенного происхождения и побережья морей и рек. Из фауны сохранились отдельные виды птиц и животные в очень простых и неустойчивых экосистемах. Широко встречаются немногие, толерантные к человеку виды, паразитирующие на отходах деятельности человека (крысы, вороны, тараканы, мыши).
Большие города в настоящее время представляют собой зоны экологического бедствия различного вида и напряженности.
К основным геоэкологическим проблемам урбанизации следует отнести: 1) загрязнение природной среды; 2) проблему ликвидации и утилизации твердых бытовых отходов; 3) проблему истощения подземных вод; 4) проблему активизации экзогенных процессов – эрозии, оползнеобразования, заболачивания, карста, термокарста; 5) проблему сохранения и восстановления растительности; 6) проблему загрязнения поверхностных водоемов, в том числе микробиологическими загрязнителями.
Необходимым условием улучшения городской среды является рациональность ее территориальной организации, т.е. выделение функциональных зон: промышленную, селитебную, транспортную, рекреационную, коммунально-складскую. К экологизации городской среды относятся создание каркаса зеленых насаждений (парки, скверы, лесопосадки). В условиях высокого уровня загрязнения необходимым элементом является мониторинг природной среды.
Проблема народонаселения и пути ее решения. Устойчивость любой экосистемы определяется постоянством численности популяции всех видов, ее составляющих, в том числе и популяции человека. Последние 150 лет население Земли росло и продолжает расти взрывоопасными темпами. В 1999 г. население Земли составило 6 млрд человек, несмотря на снижение прироста населения за последние два десятилетия.
В природе для относительно крупных млекопитающих, к которым может быть отнесен человек, такая численность беспрецедентна. Вероятно, нормальная, биологически обусловленная численность Homo Sapiens близка к 500 тыс. особей. В настоящее время она превышена в 10 тыс. раз. Если не произойдет никаких резких перемен и такой характер увеличения численности человечества сохранится в XXI в., то к его концу численность населения достигнет 10 млрд человек. Этот прогноз не учитывает углубляющиеся экологические проблемы, которые ставят под сомнение возможность существования такого количества людей в нашей биосфере, поскольку уже сейчас, «под давлением» шестимиллиардного населения происходят серьезные климатические сдвиги, быстро истощаются и деградируют природные ресурсы. Чтобы человечество и дальше устойчиво продолжало развиваться, необходимы снижение темпов роста численности населения на Земле и распространение экологического сознания.
Энергетические проблемы. К традиционным видам топлива относятся уголь, торф, нефть, древесина. Ископаемое топливо, по разным оценкам, в среднем иссякнет приблизительно через 150 лет, в том числе нефть – через 35 лет, газ – через 50 лет, уголь через 400 лет. Для освоения новых месторождений требуются технически совершенные и дорогостоящие технологии, позволяющие извлекать их из географически трудных и глубокозалегающих районов.
Причинами возникновения энергетической проблемы являются: неверные прогнозы 60-хг. ХХ века о том, что запасы горючего топлива достаточно большие, причем доступна лишь ¼ ее часть, кроме того не было создано эффективной технологии добычи; возлагались надежды на атомную энергетику (одной из проблем которой является то, что сырья U-235 всего 0,7 %, U-238 – неделящегося – 99,3 %; проблематичны захоронение отходов и аварии).
Использование традиционных видов энергии нельзя причислить к экологически чистым, т.к. образуются огромные количества твердых отходов – золы и шлаков, сточных вод, выбросов пылегазовой смеси, содержащей в составе значительное количество оксидов серы, азота, углерода и др.
В качестве экологически чистых технологий используются альтернативные источники энергии – водородная, ядерная, солнечная, ветровая, океаническая, геотермальная и др., которые являются возобновляемыми.
В настоящее время методы использования этих «чистых» видов уже разработаны и даже начинают применяться на практике. Однако у такого способа добычи энергии есть и свои серьезные недостатки. Во-первых, далеко не везде есть природные условия для их использования (даже солнце и ветер не везде есть в достаточном количестве, не говоря уже о морских волнах и приливах).
Во-вторых, это обходится значительно дороже, чем использование традиционных источников. Поэтому говорить о полном переходе на возобновимые источники энергии пока что не приходится. Однако, если вспомнить, во что обошелся и будет обходиться еще долгие годы Чернобыль, не говоря уже о страданиях людей, то, может быть, стоит потратить больше средств на «приручение» ветра и солнца, чем на развитие ядерной энергетики, тем более что, по оценкам экспертов, то и другое требует примерно одинаковых затрат.
В настоящее время экологические проблемы решаются на основе:
- поиска новых запасов топлива (в первую очередь, разведка нефтяных месторождений);
- совершенствования использования всех видов энергии, повышение КПД энергоустановок (до 40 % паровых и газовых турбин);
- изыскания и освоения новых источников энергии, могущих заменить нефть и газ.
Реально либо развитие атомной энергетики при условии повышения безопасности, либо резкое увеличение потребления твердого топлива, запасы которого на несколько порядков выше, чем нефти и газа.
Продовольственная проблема. Проблема голода неизбежно связана с прогрессирующим ростом населения. Голодают страны Африки, Азии, Латинской Америки. По данным ООН голодающих на Земле 500 млн. человек, по мнению Международного Банка Реконструкции и Развития (МБРР) – более 1 млрд. человек. По данным ВОЗ около 50 % детской смертности (до 5 лет) в Латинской Америке связано с плохим питанием, в частности нехваткой животных белков.
Голод может наступать также в результате климатических катастроф (неурожая, наводнений, засухи). В истории человечества голодные периоды были обычным явлением, начиная с семилетнего голода в Египте, описанного в Библии, и до нехватки пищи в африканских странах в конце ХХ века.
Таким образом, сегодня на первое место среди проблем, касающихся всех людей на Земле, вышли экологические проблемы, усугубляемые варварским использованием природных ресурсов, приводящим к деградации окружающей природной среды, ее интенсивному загрязнению.
Остается угроза ядерной войны; энергетические проблемы (невозобновимость нефти, газа, угля; опасность ядерной энергетики; деградация наземных экосистем: почв, лесов (эрозия, опустынивание, засоление, вырубка); снижение биоразнообразия растительного и животного мира; проблема истощения природных ресурсов Земли; угрозы безопасности ноосферы: космические (астероидная и др.); техногенные; военные угрозы.
Чтобы избежать дальнейшего нарастания и углубления экологических проблем, человечество должно незамедлительно принять определенные меры: ограничить рост собственной численности, уменьшить степень воздействия на окружающую среду.
Основная литература: 2 [149 – 160], 5 [435 – 476]
Дополнительная литература: 1 [98-100]; 1 [149-152]
Контрольные вопросы:
Что такое «экологический кризис», и при каких условиях он возникает?
Назовите основные направления выхода из экологического кризиса.
Перечислите традиционные и альтернативные источники энергии. В чем проявляются положительные и отрицательные свойства каждого из них?
Какие проблемы встают в связи с процессами урбанизации?
Тема лекции 9 – Охрана атмосферного воздуха. Состав и строение атмосферы. Основные источники загрязнения и загрязнители атмосферы. Критерии качества атмосферного воздуха. Мероприятия по охране атмосферы.
Состав и строение атмосферы. Атмосфера – газовая оболочка Земли. Ее масса составляет 5,15∙1015т. Современный газовый состав атмосферы – результат длительной истории развития Земли и в первую очередь живых организмов. Атмосферный воздух содержит 78 % азота, 21 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,034 % углекислого газа, водорода, водяные пары, метан, неон, гелий, криптон, загрязнители воздуха. Полное обновление кислорода атмосферы живыми организмами происходит за 5 200 – 5 800 лет.
Состав атмосферы сохраняется до высоты 400-600 км. Выше начинает преобладать гелий («гелиевая корона»). Он достигает отметки около 1600 км. Далее преобладает водород.
В атмосфере выделяют несколько зон, располагающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их температуры.
Самый близкий к поверхности Земли слой носит название «тропосфера». В этом слое высота в средних широтах составляет 10-12 км над уровнем моря, над экватором – 16-18 км, на полюсах – 7-10 км. Температура воздуха в тропосфере уменьшается на 0,6° С на 100 м высоты и снижается с + 40° С до – 50 ° С. В этом слое высотой 9-10 км в основном происходят явления, которые именуют погодой. Именно в этой части атмосферы образуются облака и формируются все виды осадков, которые по своей сути являются очистителями воздуха от примесей.
Выше тропосферы расположен слой толщиной около 40 км, который называют стратосферой. Воздух в ней более разряжен, влажность его невысока. Температура до отметки 30 км постоянна, около – 50° С, затем повышается до + 100 С на отметке 50 км. В стратосфере сконцентрирована основная часть атмосферного озона (озоновый слой), и именно это обстоятельство обусловливает такое повышение температуры. Дело в том, что озоновый слой поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы.
Озоновый слой очень тонок. Если этот газ сосредоточить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку толщиной всего 2-4 мм, однако эта пленка служит нам защитой. Проблема разрушения озонового слоя глобальная и требует серьезного внимания всех стран мира.
За стратосферой, на высоте более 50 км, находится мезосфера, где температура опять понижается. На высоте около 80 км она равна – 70 °С. За мезосферой, еще выше (более 80 км над земной поверхностью) расположена термосфера, не имеющая определенной верхней границы, где температура увеличивается и достигает на высоте 500- 600 км +1600° С. Газы здесь сильно разрежены, молекулы редко сталкиваются друг с другом, и не могут вызвать нагрева находящегося в этой зоне тела. Однако атмосферное давление с высотой уменьшается. Другими словами, воздух по мере высоты становится все разреженнее, 90% массы атмосферы сосредоточено в пределах 16 км над земной поверхностью.
И наконец, наиболее удалена от Земли экзосфера – 800-1600 км. В ней еще обнаруживаются газы, и наблюдается утечка атомов (в основном водорода и гелия) в космос.
Атмосферный воздух рассматривается как неисчерпаемый ресурс, но в результате, загрязнения атмосферы существенно ухудшаются жизненные условия среды обитания.
Основные источники загрязнения и загрязнители атмосферы. В атмосфере постоянно находится огромное количество загрязняющих веществ. По данным ученых их объем оценивается в 10 млн. т. Это огромная масса. Все источники загрязнения атмосферного воздуха делятся на две части: естественные (вулканизм, дефляция, распад органики, пожары) и антропогенные (транспорт, промышленность, энергетика, строительство, добыча полезных ископаемых) источники.
Естественные загрязнения биосфера способна удалять, ассимилировать и рециклизировать. Атмосферные загрязнения рассеиваются в атмосфере, выпадают с осадками на Землю, где в дальнейшем преобразуются, в частности микроорганизмами, в безвредные соединения. Поступление же в атмосферу огромных количеств загрязняющих веществ из антропогенных источников приводит к превышению возможностей биосферы по их рециклизации.
Выделяют несколько групп основных загрязнителей:
1. Соединения углерода (СО – 1/3 всех выбросов вредных веществ во всем мире, СО2, угольная кислота, альдегиды, углеводороды, технических углерод) опасны тем, что понижают содержание кислорода в крови, что ведет к гипоксии. В биосфере способствуют образованию «Парникового эффекта».
2. Соединения серы (серный газ, сернистый газ, серная кислота, Н2S) вызывают обострение респираторных заболеваний, наносят вред растениям, разъедают известняк и некоторые ткани, вызывают интоксикацию организма.
3. Соединения азота (NO, NO2, HNO3) создают смог и вызывают респираторные заболевания и бронхит у новорожденных. Способствуют чрезмерному разрастанию водной растительности.
4. Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.), поступая в организм, концентрируются и вызывают заболевания, в т. ч. онкологические.
5. Радиоактивные вещества приводят к злокачественным новообразованиям и генетическим мутациям.
Одна из наиболее существенных проблем загрязнения атмосферного воздуха в крупных городах связана с вторичными загрязнителями – компонентами, так называемого фотохимического смога («Лондонский смог», «смог Лос-Анджелеса»), который образуется в результате химического взаимодействия оксидов азота и углеводородов, попадающих в воздух с выхлопными газами автотранспорта, под действием солнечного излучения.
Загрязнители оказывают влияние на все живые организмы. По характеру действия загрязняющих веществ (ЗВ) выделяют два основных пути: прямое и косвенное (через воду, продукты питания, плоды леса).
Критерии качества атмосферного воздуха. В атмосферном воздухе, особенно в нижних слоях, кроме газообразных составляющих, всегда имеются физические примеси, играющие большую роль в развитии ряда атмосферных процессов. Различные по происхождению и разнообразные по форме, размерам, химическому составу и физическим свойствам они всегда находятся во взвешенном состоянии. Это пыль, дым, сажа, различные органические частицы (споры, пыльца, микроорганизмы).
Качество воздуха оценивается с помощью качественного показателя – ПДК по коэффициенту
j = Ci / ПДКi , (1)
где Сi – фактическая концентрация веществ, ПДКi – максимально разовые предельно-допустимые показатели загрязняющих веществ (ЗВ).
Часто загрязнение усиливается присутствием одновременно нескольких загрязняющих веществ, тогда учитывается эффект суммации этих загрязнителей:
j = C1 / ПДК1 + C2 / ПДК2 + …. + Cn / ПДКn 1, (2)
где С1, С2…Сn – фактические концентрации веществ, мг/м3;
ПДК1, ПДК2,…ПДКn– максимально разовые ПДК ЗВ, мг/м3.
Это уравнение используется при установлении качества воздуха, если в нем одновременно присутствуют следующие группы веществ: ацетон + фенол; озон + диоксид азота + формальдегид; сернистый газ + диоксид азота; сернистый газ + фтористый водород; сернистый газ + аэрозоль серной кислоты; сернистый газ + сероводород и другие комбинации, которые можно найти в справочниках.
Если j ≤ 1, значит, опасность загрязнения от этих выбросов не существует или они интенсивно рассеиваются на определенной территории. Если же j > 1, значит, данное предприятие опасно загрязняет окружающую среду и, требуются природоохранные мероприятия.
Еще в 20-е гг. ХХ века начали вводить ПДК вредных веществ в рабочих помещениях. Обычно содержание примесей в воздухе рабочего помещения больше, чем на площадке предприятия и тем более за ее пределами. Поэтому для каждого вредного вещества в воздухе устанавливают, по крайней мере, два нормативных значения: ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з) и ПДК в атмосферном воздухе ближайшего населенного пункта (ПДКа.в.).
ПДКр.з – это концентрация, которая при работе не более 41 часа в неделю в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний у работающих и их детей.
Следовательно, при нормировании вредных веществ в воздухе производственных помещений учитывается время пребывания людей в зоне загрязнения. На территории предприятия содержание примесей принимается равным 0,3 ПДКр.з, так как этот воздух используется для приточной вентиляции, кроме того, из-за высоких производственных зданий наблюдаются застойные явления «ветровые тени», поэтому различают ПДК промышленной площадки - ПДКПП.
ПДКа.в – это предельная концентрация, которая на протяжении всей жизни человека не должна оказывать на него вредного влияния, включая отдаленные последствия на окружающую среду в целом.
В зонах непосредственного нахождения человека у источников выброса, а также в аварийных случаях, важное значение имеют ПДК максимально-разовая и среднесуточная.
Максимально-разовые ПДК – величина концентрации, не оказывающая влияния в течение 20 минут, принимаемая при замере в среднем в течение 20 минут (не вызывает ограничения видимости, присутствия запаха).
Среднесуточные ПДК - предельно-допустимые концентрации, не оказывающие воздействия в течение суток.
В нашей стране существует следующая классификация ПДК воздуха, представленная на рисунке 9.1.
Мероприятия по охране атмосферы. Охрана атмосферы – комплекс мероприятий, направленных на снижение общего количества загрязнителей, уровней концентрации загрязнения атмосферы и приводящий к улучшению качества воздуха.
Выделяют пять групп мероприятий по охране атмосферы: снижение валового количества загрязнителей (улучшение качества топлива, совершенствование технологических процессов и двигателей внутреннего сгорания и т. д.), защита атмосферы путем рассеивания загрязняющих веществ, обработки и нейтрализации вредных выбросов (установка фильтров и пылеуловителей, сооружение высоких труб и т.д.), рациональное, дискретное размещение «грязных» предприятий (установление санитарно-защитной зоны, строительство объездных дорог и др.), упорядочение транспортного движения и экологический контроль за источниками загрязнения атмосферы.
Рисунок 9.1 - Классификация предельно-допустимых концентраций в воздухе
Основная литература: 2 [176-189, 257 – 260]; 3 [92-109]
Дополнительная литература: 1 [108-117], 2 [102-110]
Контрольные вопросы:
Какие факторы оказывают влияние на газовый состав атмосферы?
Назовите группы основных загрязнителей атмосферного воздуха.
В чем заключается проблема «парникового эффекта»?
Что такое смог? Назовите основные типы смогов.
Какие последствия может иметь исчезновение озонового экрана?
Тема лекции 10 – Методы и средства защиты атмосферы. Классификация систем очистки воздуха. Очистка промышленных выбросов от пыли. Методы и системы очистки от газообразных примесей. Санитарно-защитная зона.
Классификация систем очистки воздуха. По агрегатному состоянию загрязнители воздуха подразделяются на пыли, туманы и газопарообразные примеси. Промышленные выбросы, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные системы. Сплошной фазой в системе являются газы, а дисперсной - твердые частицы или капельки жидкости.
Системы очистки воздуха от пыли (рисунок 10.1) 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/м3.
Для очистки воздуха от туманов (например, кислот, щелочей, масел и др. жидкостей) используют системы фильтров, называемых туманоуловителями.
Средства защиты воздуха от газообразных 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.
Рисунок 10.1 Системы и методы очистки вредных выбросов
Очистка промышленных выбросов от пыли. Сухие пылеуловители (циклоны, пылеосадительные камеры) предназначены для грубой механической очистки выбросов от крупной и тяжелой пыли. Принцип работы – оседание частиц под действием центробежных сил и сил тяжести. Пылегазовый поток вводится в циклон через патрубок, далее он совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона и далее он совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона и затем падают вниз в сборник пыли (бункер), откуда периодически удаляются.
В зависимости от конструктивного исполнения различают циклоны:
осевые, в корпусе которых входящие и выходящие потоки газа движутся вдоль его оси, при этом они могут двигаться в одном направлении (прямоточные) или в противоположных (противоточные);
с тангенциальным входом, при этом входящий газ движется по касательной к окружности поперечного сечения корпуса аппарата и перпендикулярно к оси корпуса;
с винтовым входом, при этом движение входящего потока газа приобретает винтовой характер с помощью тангенциального входного патрубка и верхней крышки с винтовой поверхностью;
со спиральным входом, когда соединение выпускного патрубка с корпусом аппарата выполнено спиральным.
Для повышения эффективности работы применяют групповые (батарейные) циклоны.
Преимущество циклонов – простота конструкции, небольшие размеры, отсутствие движущихся частей; недостатки – затраты энергии на вращение и большой абразивный износ частей аппарата пылью.
Кроме циклонов, применяются и другие типы сухих пылеуловителей, например ротационные, вихревые, радиальные.
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, которые обеспечивают 99% очистки от частиц размером более 2 мкм, а также аппараты ударно-инерционного и барботажного и других типов.
Фильтры (тканевые, зернистые) способны задерживать мелкодисперсные частицы пыли до 0,05 мкм. В промышленности наиболее употребительны тканевые рукавные фильтры с тканями из синтетических волокон повышенной термостойкости (250-300 °С) типа «сульфон-Т», фильтровальные металлические ткани (до 800 °С), а также фильтры из тканей типа ФПП и ФПА, дающие высокую степень очистки.
В корпусе фильтра устанавливается необходимое число рукавов, на которые подается загрязненный воздух, при этом очищенный воздух выходит через патрубок. Частицы загрязнений оседают на фильтре. Насыщенные загрязненными частицами рукава продувают и встряхивают для удаления осажденных частиц пыли. Эффективность таких фильтров достигает 0,99 для частиц размером более 0,5 мкм.
Электрофильтры – наиболее совершенный способ очистки газов от взвешенных в них частиц пыли размером до 0,01 мкм при высокой эффективности очистки газов (99,0-99,5%). Принцип работы всех типов электрофильтров основан на ионизации пылегазового потока у поверхности коронирующих электродов. Приобретая отрицательный заряд, пылинки движутся к осадительному электроду, имеющему знак, обратный заряду коронирующего электрода. При встряхивании электродов осажденные частички пыли под действием силы тяжести падают вниз в сборник пыли. Электроды требуют большого расхода электроэнергии – это их основной недостаток.
Наиболее эффективны комбинированные методы очистки от пыли. Например, отличные результаты дает очистка агломерационных газов в батарейных циклонах с последующей доочисткой в скрубберах Вентури, а также в электрофильтрах.
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. Эффективность туманоуловителей для размеров частиц менее 3 мкм может достигать 0,99.
Для улавливания кислотных туманов применяются также сухие электрофильтры.
Методы и системы очистки от газообразных примесей. Способы очистки выбросов от токсичных газо- и парообразных примесей (NO, NО2, SО2 и др.) подразделяют на три основные группы: 1) промывка выбросов растворителями примеси (абсорбционный метод); 2) поглощение газообразных примесей твердыми телами с ультрамикроскопической структурой (адсорбционный метод) и 3) поглощение примесей путем применения каталитического превращения.
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. В абсорберах жидкость дробится на мелкие капли для обеспечения более высокого контакта с газовой средой. 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. Реакции хемосорбции экзотермические. Например, очистка газовой смеси от сероводорода мышьякощелочным методом осуществляется по следующей химической реакции:
Na4As2S5О2 + H2S = Na4As2S6О + Н2О.
При этом извлекаемый водород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе.
Установки для хемосорбции внешне напоминают используемые при методе абсорбции. Оба эти метода называются мокрыми и в зависимости от очищаемого компонента и применяемого растворителя или поглотителя их эффективность может достигать 0,75...0,92. Основной недостаток мокрых методов в том, что при их реализации понижается температура газов, что уменьшает их эффективность.
Адсорбционный метод позволяет извлекать вредные компоненты из промышленных выбросов с помощью адсорбентов – твердых тел с ультрамикроскопической структурой (активированный уголь и глинозем, силикагель, цеолиты, сланцевая зола и другие вещества).
Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при повышенных температурах.
Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных или горизонтальных емкостей, заполненных адсорбентом, через который проходит поток очищаемых газов.
С помощью каталитического метода превращают токсичные компоненты промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Широко применяют палладийсодержащие и ванадиевые катализаторы. С их помощью происходит каталитическое досжигание оксида углерода до диоксида и диоксида серы до оксида.
Термический метод или высокотемпературное дожигание, который иногда называют термической нейтрализацией, требует поддержания высоких температур очищаемого газа и наличия достаточного количества кислорода. 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.
Защита атмосферного воздуха от вредных выбросов предприятий в значительной степени связана с устройством санитарно-защитных зон.
Санитарно-защитная зона (СЗЗ) – территория между границами промплощадки, складов открытого и закрытого хранения материалов и реагентов, предприятий сельского хозяйства, с учетом перспективы их расширения и селитебной застройки. Она предназначена для:
обеспечения требуемых гигиенических норм содержания в приземном слое атмосферы 3В, уменьшения отрицательного влияния предприятий, транспортных коммуникаций, линий электропередач на окружающее население, факторов физического воздействия – шума, повышенного уровня вибрации, инфразвука, электромагнитных волн и статического электричества;
создания архитектурно-эстетического барьера между промышленностью и жилой частью при соответствующем ее благоустройстве;
организации дополнительных озелененных площадей с целью усиления ассимиляции и фильтрации загрязнителей атмосферного воздуха, а также повышения активности процесса диффузии воздушных масс и локального благоприятного влияния на климат.