Батенков В.А. Охрана биосферы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ Алтайский государственный университет

В.А. Батенков

ОХРАНА БИОСФЕРЫ

Допущено Отделением химии УМО по классическому университетскому образованию РФ

вкачестве методического пособия для студентов химического факультета Алтайского государственного университета

Барнаул – 2002

ББК 20.1 Б 281

Рецензенты:

ст. научный сотрудник МГУ, доктор химических наук

И.В. Перминова

кандидат биологических наук Г.Г. Соколова

Б 281 Батенков В.А.

Охрана биосферы: Учебно-методическое пособие. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2002. – 193 с.

ISBN 5-7904-0249-6

В пособии изложены основы учения биосферы, виды воздействия на нее человека, вопросы организации охраны биосферы, основы рационального природопользования. Подробно описаны методы и процессы очистки от загрязнений атмосферы, воды и суши, в частности химические и физические методы.

Предназначено для студентов химических и других естественных факультетов государственных университетов.

ISBN 5-7904-0249-6

В.А. Батенков, 2002Алтайский государственный университет, 2002

2

Мы не можем управлять природой иначе, как подчиняясь ей.

Фрэнсис Бэкон, XVII в.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Необходимость экологического воспитания и обучения людей Земли становится не только актуальной, но уже кричащей, уже нетерпящей отложения современной проблемой. Быстрый, экспоненциальный рост населения, требующий тысячекратных затрат природных ресурсов на каждого человека, особенно продуцентов, ведет к их быстрому истощению. Сокращаются леса, уменьшаются площади пахотных земель и их плодородие, выше всяких норм загрязняется вредными веществами воздух городов, вода рек, водоемов, растут пустыни, горы отходов.

Однако большинство населения Земли, включая многие властные структуры, не осознает надвигающейся глобальной угрозы жизни не только человеку, но и всему живому. По-прежнему господствует беспечное, хищническое отношение человека к Природе, к биосфере и даже к самому себе (курение, пьянство, войны). Многие считают, хотя это далеко не так, что человек – высшее (божественное) создание, он – гегемон природы, ему все дозволено, ему все подчиняется, природа – его служанка, его собственность, он может ее преобразовывать и улучшать, он способен решать любые задачи экологии, биосферы, потребностей человека и т.д. Подобное мировоззрение владеет бесспорно большинством людей и постоянно воспроизводится современным воспитанием, обучением, жизненной действительностью. И в этом кроется главная экологическая опасность, поскольку такое укоренившееся мировоззрение миллиардов людей очень трудно развернуть в нужном для их же спасения направлении и исключить их деятельность, губительную для биосферы.

Цель данного пособия – внести скромный вклад в экологическое просвещение, прежде всего молодежи, которая будет строителем новых отношений в биосфере. В сжатой форме и относительно просто изложены основы учения о биосфере, виды воздействия на

3

нее человека, основы рационального природопользования, вопросы организации охраны биосферы. Более подробно описаны методы и процессы очистки от загрязнений атмосферы, воды и суши, в частности, химические и физико-химические методы. Эти процессы – важный элемент создания безотходных технологий. Пособие предназначено прежде всего для студентов-химиков АГУ, которым автор несколько лет читал курс лекций по «Охране природы», а в последние годы – элективный курс «Охрана биосферы».

4

1. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О БИОСФЕРЕ

1.1. Понятия и терминология

1.1.1. Предмет курса охраны биосферы

Охрана биосферы – это совокупность международных, государственных, политических, правовых, технических, социально- экономических, общественных и других природоохранных мероприятий, направленных на оптимальное сохранение устойчивого равновесия в биосфере, благоприятного для жизнедеятельности живых организмов, на рациональное использование, воспроизводство и сохранение материальных и энергетических природных ресурсов и параметров природных систем в интересах существующих и будущих поколений людей.

Речь идет об охране от загрязнения и вредного воздействия атмосферного воздуха, вод, земель, недр, растительного и животного мира, рыбных запасов; о сохранении в естественном виде ландшафтов; о рациональном использовании других природных ресурсов.

Охрана биосферы как учебная дисциплина рассматривает общие принципы и методы обеспечения и восстановления условий жизни и природных ресурсов.

Предмет курса охраны биосферы – объекты живой и неор-

ганичной природы и их взаимосвязь; взаимодействие на эти объекты, на их взаимосвязь различных факторов; проблемы охраны биосферы и среды от вредных воздействий; воспроизводство и сохранение природных ресурсов.

Основная задача курса – довести до сознания студентов элементы экологического мировоззрения, в основе которого лежит представление о единстве и взаимосвязи всех природных биогенных процессов, об их изменении под воздействием антропогенных факторов.

Для химиков такие знания особенно важны, поскольку основные загрязнители природы – продукты химических процессов. Именно химики способны грамотно и правильно решать проблемы утилизации загрязнителей биосферы, проблемы защиты и охраны биосферы.

1.1.2. Понятия, терминология

Природа – все вещественное, естественное, все мироздание (Вселенная), все зримое, подлежащее пяти чувствам. В узком

5

смысле: природа – это наш окружающий мир, Земля со всеми естественными произведениями на ней.

Биосфера – область распространения жизни на Земле, где осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды. Биосфера охватывает биолитосферу (верхние слои литосферы), всю гидросферу и тропосферу.

Термин «биосфера» впервые был предложен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. Основоположником современных представлений о биосфере является академик В.И. Вернадский (1863–1945).Он писал: «Биосфера – область существования живого вещества… Химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами».

Природная среда – место обитания живых организмов, в частности, человека, которая характеризуется совокупностью физических, химических и биологических факторов, способных оказывать прямое и косвенное воздействие на организмы.

Широко используемое словосочетание «Окружающая среда» является тавтологией, так как «среда» и «окружение» одно и то же (синонимы).

Компоненты биосферы, помимо минеральных (косное и биокостное) веществ – это живое и биогенное вещество.

Живое вещество (по В.И. Вернадскому) – совокупность тел всех живых организмов, населяющих Землю. Оно представлено биомассой растений, животных, микроорганизмов, т.е. количеством их живого вещества. Например: биомасса суши – около 6 1012 т, океана – 3 1010 т. На суше масса растений составляет 98–99%, зоомасса – 1–2%.

Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности организмов: их выделения, трупы, мертвые остатки, продукты разложения, гумус, торф, уголь, нефть, отложения карбонатов и т.п. В результате фотосинтеза растительность Земли ежегодно образует около 100 млрд т органического вещества. При этом усваивается около 200 млрд т углекислого газаи выделяется во внешнюю среду около 145 млрд т кислорода.

Биоценоз (греч. bios – жизнь, koinos – общий) – совокупность популяций всех видов живых организмов, населяющих определенную географическую территорию, отличающуюся от соседних территорий по химическому составу почв, вод и другим физи-

6

ческим показателям (солнечное облучение, высота над уровнем моря и т.п.).

Его растительный компонент – фитоценоз; животный – зоо-

ценоз; микроорганизмы – микробиоценоз.

Биотоп – участок среды обитания живых организмов с однородными условиями.

Ноосфера (сфера разума) – высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором глобального развития. По В.И. Вернадскому, «ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете»; «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого»; «Человек выступает в роли главной движущей силы природного процесса, великой, быть может, космической силы».

1.1.3. Экология

Экология (греч. oikos – дом, родина; logos – учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов, их взаимосвязь и взаимоотношения между собой и средой, в которой они обитают.

Впервые этот термин был введен в науку в 1866 г. Э. Гекке-

лем.

В развитии экологии выделяют следующие этапы. I – до конца XVIII в., когда происходило накопление данных о жизни организмов и их взаимосвязи; II – с 1807 г. – создание экологических направлений (А. Гумбольд); III – с 1859 г. – формирование экологии животных и растений как науки на основе учения Ч. Дарвина о борьбе организма за существование; IV этап– с 20-х гг. ХХ в. – становление экологии как общей биогеохимической науки.

Разделы экологии. В настоящее время экология – это фи-

лософия о жизни на Земле, ибо в нее включают очень широкий спектр биологических, технических, социально-экономических и иных дисциплин. Так, в зависимости от научно-технической области изучения различают биосферную, сельскохозяйственную, промышленную, химическую, математическую, медицинскую, экономическую, юридическую, социальную и другие виды экологии.

7

С учетом природной среды и ее компонентов выделяют экологию лесов, тундр, морей, пресных водоемов, городов и т.д.

В зависимости от числа или размера изучаемого объекта экологию делят на автоэкологию – экологию отдельной особи, популяционную и синэкологию (греч. syn – вместе) – экологию биохимического сообщества, географическую – крупные геоэкосистемы, глобальную – учение о биосфере Земли.

Автоэкология (факториальная экология) изучает взаимо-

отношение представителей отдельного вида живых организмов с природной средой. Она исследует совокупность экологических факторов, действующих на особь, и ответные реакции особи на их действия.

Популяционная экология изучает колебания численности естественных группировок (популяций) того или иного вида живых организмов территории и причины этих колебаний.

Синэкология (биогеоценология) изучает взаимоотношения между разными популяциями данного биосообщества и их особями, а также между ними и природной средой.

Экология человека – особый, наиболее обширный раздел экологии, поскольку человек и человеческое сообщество не только пассивный, но и преобразующий субъект природы, биосферы, природной среды. Человек относится к типу позвоночных, классу млекопитающих, подклассу плацентарных, легиону приматов, отряду обезьян, семейству гоминад.

1.1.4. Экосистемы

Экосистема – уравновешенное сообщество живых организмов и природной среды.

Биогеоценоз: 1) участок биосферы, однородный по топографическим, микроклиматическим, гидрологическим и биотическим условиям; 2) совокупность растений, животных, микроорганизмов, почвы и атмосферы на однородном участке суши.

Одни ученые считают, что термины «экосистема» (А. Тенсли, 1935 г.) и «биогеоценоз» (В.Н. Сукачев, 1964 г.) – синонимы, другие полагают, что экосистема – более широкое понятие.

Классификация экосистем подразделяется в зависимости от деятельности человека: естественные экосистемы, т.е. сохранив-

шиеся в неприкосновенности; модифицированные экосистемы,

8

т.е. изменившиеся от деятельности человека; трансформированные экосистемы, т. е. преобразованные человеком.

Экосистемы также различают по размерам: микро- (гниющий пень), мезо- (роща, пруд), макро- (океан, континент), гло-

бальная экосистема (биосфера); по виду природной среды: назем-

ные (сухопутные), береговые (литоральные), озерные (лимнические), морские и др.

Основные элементы экосистем:

абиотическая (неживая) среда – минеральные и биоген-

ные вещества;

продуценты (производители) – живые существа (растения, фитобактерии), способные с помощью солнечной энергии строить посредством фотосинтеза из углекислого газа, воды и минеральных веществ органические соединения;

консументы (лат. consumo – потребление) – потребители органической продукции: травоядные животные – консументы 1 порядка, хищники – консументы 2 порядка;

редуценты – организмы (черви, грибы, бактерии, организмы почвы), разлагающие трупы животных, растения, органические вещества. Конечные продукты разложения: СО2, NH3, вода и др.

1.2. Возникновение жизни и эволюция биосферы

1.2.1. Стадии эволюции Земли и биосферы

Эволюция (лат. evolutio – развертывание) биосферы обусловлена, во-первых, эволюцией Земли как космического объекта и, вовторых, эволюцией сообществ живых организмов.

Нитархей (греч. nitos – скорлупа ореха, archaios – древний) – начальная эпоха Земли, примерно с 4,5 до 3,5 млрд лет назад. Поверхность Земли голая, покрыта гранитами и гнейсами. Осадочных пород нет. Действуют вулканы, дуют ветры. Состав исходных, ювениальных газов: N2, H2O, CO2. Есть NH3, CH4. Мало CO, H2. Свободного кислорода O2 – следы.

Архей: 3,5–2,4 млрд лет назад. Начиная примерно с 3,5 млрд лет наблюдаются древнейшие осадки. Появляются условия для химического образования органических соединений и затем, примерно с 3 млрд лет, – возникновения жизни. Первые живые организмы (прокариоты – безъядерные, простейшие бактерии-продуценты. Они способны жить в анаэробной (без О2) среде под слоем воды,

9

защищающем их от жесткого ультрафиолетового изучения, связывать СО2 и соединения азота, использовать хемогенные органические вещества, генерировать кислород как продукт их жизнедеятельности. Появление в атмосфере и гидросфере биогенного кислорода в равновесии с Fe2+ привело к постепенному образованию полосчатых железорудных формаций Fe2+. Последние считают индикатором генезиса кислорода в атмосфере древней Земли и, как следствие, – индикатором развития ранней жизни на Земле.

Протерофит (греч. proteros – первый, phiton – растение) – 2,4-2 млрд лет назад. Появление сине-зеленых водорослей ускорило образование атмосферного кислорода, что подтверждает широкое развитие полосчатых железорудных образований Fe2+. В атмосфере уменьшилось содержание NH3, CH4, H2, увеличилось количе-

ство O2.

Протерозой (греч. zoe – жизнь): 2–0,7 млрд лет назад. Расцвет эпохи одноклеточных организмов и сине-зеленых водорослей. Увеличилось содержание кислорода в атмосфере до 3%. Появились окисленные красноцветные отложения Fe3+. Происходило образование биогенных осадков (нефть), карбонатов кальция и магния.

Фанерозой (fhaneros – явный). 600–400 млн лет назад. В океане появились первые многоклеточные организмы: губки, кораллы, черви, моллюски, водоросли. 400 млн лет назад жизнь вышла на сушу, что сопровождалось быстрым ростом содержания кислорода и биомассы. 200 млн лет назад содержание O2 в воздухе достигло 21%, рост биомассы замедлился.

В истории Земли эволюция биосферы и ее ресурсов иногда сопровождалась глобальными катастрофами экологического плана, что приводило к смене представителей животного и растительного мира. Так, например, массовые выбросы вулканов, горение углей и газов приводили к обширным сокращениям лесов, растительности и разрастанию пустынь, периоды похолоданий (обледенений) – к массовой гибели популяций животных и растений и т. п. Однако живой мир все же сохранился.

1.2.2. Эволюция человека

Предполагается, что человек как биологический вид появился около 5 млн лет назад. Древнейшие каменные орудия датируются в 2,5 млн лет. Заселение Америки началось 25–30 тыс. лет назад. С этих времен он активно стал заниматься охотой. Стадный

10