ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие

11

Должно стремиться к знанию не ради споров, не для презрения других, не ради выгоды, славы, власти или других низменных целей,

а ради того, чтобы быть полезным к жизни.

Ф. Бэкон

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИИ

1.1. Термины и определения

Впервые в научное обращение термин «экология» был введен немецким зоологом Эрнстом Геккелем в 1869 г. В предисловии его работы «Всеобщая морфология организмов» написано: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы, изучение всей совокупности взаимоотношений животного мира с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и, прежде всего, его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт».

Как видно первоначальное содержание понятия опиралось на чисто биологическое понимание «экологии». Проблем самого человека, его взаимоотношений с природой, а также качества и охраны окружающей среды экология практически не касалась. Объектами экологических исследований являлись:

популяции (от лат. populus – народ, население) – совокупность особей одного вида, обладающих необходимыми качествами для поддержания своей численности длительное время в условиях изменяющейся окружающей среды, способных передавать генетическую информацию особям своего вида;

виды – множество живых организмов, обладающих рядом общих мор- фо-физиологических признаков. Все многообразие живых организмов, населяющих Землю, включает:

растения (количество научно описанные видов составляет 350000). Исторически сложившуюся совокупность всех видов растений на определенной территории называют флорой (от лат. floris – цветок);

животные (по разным оценкам их количество составляет от 1,5 до 2 млн. видов). Исторически сложившуюся совокупность всех видов животных, обитающих на определенной территории называют фауной (от лат. Fauna – богиня лесов и полей, покровительница животных в римской мифологии);

12

микроорганизмы – это мельчайшие, преимущественно одноклеточные, вещества, видимые только в микроскоп, характеризующиеся огромным разнообразием видов; среди них различают бактерии, актиномицеты (бактерии, образующие ветвящиеся клетки и др.), вирусы, риккетсии, эрлихии, грибы, простейшие, хламидобактерии;

биоценоз (от био… и др.-греч. koinos – общий) совокупность живых организмов, населяющих данный участок суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды, например, биоценоз тундры;

биотоп (от био… и др.-греч. topos страна, местность) участок суши или водоема с однородными (однотипными) природными условиями существования живых организмов (биоценоза), например болото;

биогеоценоз (от био… и греч. ge – Земля, koinos – общий) – это система, которую образуют биоценозы с однородными природными (однотипными) природными условиями, свойственными определенной территории (биотопу), например лесной биогеоценоз. Термин «биогеоценоз» предложил академик В. Н Сукачев. По В. Н. Сукачеву биогеоценоз – это «совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира, микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющих специфику взаимодействия этих компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и с другими явлениями природы и представляющая собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, открытии».

Биогеоценоз является основной структурно-функцио-нальной матери- ально-энергетической единицей (ячейкой) экосистемы. Термин «экосистема» предложил английский ботаник А. Тенсли в статье «Правильное и неправильное использование концепций и терминов в экологии растений». Работа А. Тенсли ознаменовала переход на новую ступень в развитии экологии, поскольку в ней впервые были использованы принципы системности и комплексности.

Существующие на Земле экосистемы разнообразны по размерам. Выделяют как крупные наземные экосистемы (макроэкосистемы) – континент, океан, крупные болота, мезоэкосистемы – лес, луг, степь, тундра, тайга, пустыня, так и очень маленькие экосистемы (микроэкосистемы) – например, подстилка лишайников на стволе дерева.

Живые организмы в любой экосистеме разделяют на три вида, отличающиеся между собой формами питания: продуценты, консументы и редуценты, органически связанные между собой и средой обитания (рис. 1.1).

13

Почва и водоемы

Питательные вещества вода

Рис. 1.1. Биогеохимический цикл миграции вещества

Продуценты (от лат. producens – производящий, создающий) – организмы, способные к фотоили хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи первым звеном, созидателем органических веществ из неорганических. Например, зеленые растения, поглощая углекислоту, воду и минеральные вещества, используя энергию солнечного света, образуют в процессе фотосинтеза самые разнообразные органические вещества и прежде всего углеводы, необходимые им для роста и развития. В процессе фотосинтеза растения вырабатывают и выделяют свободный кислород, поддерживая его содержание в атмосфере на определенном уровне. В теплый солнечный день 1 га разновозрастного леса образует 120–150 кг нового органического вещества, поглощает 220–280 углекислого газа, выделяет 180–220 кг кислорода. В мире ежегодно образуется 1011 т органических веществ.

Консументы (от лат. consumo – потребляю) – организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органического вещества: растительноядные

14

или плотоядные (хищники). Продукция зеленых растений, их биомасса, а также отдельные виды животного мира служат основой для существования и развития таких организмов. Например, биомасса и соки растений служат кормом для многих животных и насекомых, которые, в свою очередь являются источником питания для птиц и хищных животных.

Редуценты (от лат. redusens – возвращающий, восстанавливающий) – организмы (сапрофиты), разлагающие мертвое органическое вещество и превращающие его в неорганическое, которое может усваиваться продуцентами. Продукты жизнедеятельности животного мира, т. е. отходы живых популяций (трупы, отбросы), подвергаются природному процессу разложения (редукции) с помощью сапрофитов, водных бактерий, жгутиковых, грибков. Редуценты создают в почве минеральные вещества, которые снова используются продуцентами и участвуют в рассмотренном выше круговороте.

Экосистемы не изолированы друг от друга, а плавно переходят одна в другую, взаимодействуя между собой, образуя в своей совокупности единое целое – биосферу. Термин «биосфера» был впервые введен австрийским ученым Эдуардом Зюссом в 1875 г. для наименования одной из оболочек Земли, в которой существует жизнь. Учение о биосфере было заложено академиком В. И. Вернадским. В основе этого учения лежит понимание диалектического единства, взаимосвязи и взаимообусловленности процессов, происходящих на Земле, всеобщности живого вещества или, как писал В. И. Вернадский «всюдности» живого вещества.

В обеспечении жизнедеятельности организмов огромную роль играют следующие функции биосферы:

производство биологической продукции, т. е. органического вещества, создаваемого живыми организмами в процессе жизнедеятельности;

поддержание оптимального газового и гидрологического состава окружающей среды за счет круговорота воды и химических элементов;

биологическая очистка, т. е. непрерывное взаимодействие и обмен между составляющими биосферы. В результате в природе отсутствуют накапливающиеся отходы, в ней постоянно происходят процессы самоочищения.

До появления человека на Земле биосфера развивалась и самосовершенствовалась по законам, сформулированным американским биологом Барри Коммонером в работе «Замыкающийся круг»:

закон первый – все связано со всем. Изменения, произведенные в од-

ном компоненте экосистемы, могут привести к неблагоприятным последствиям в функционировании всей экосистемы. Например, исчезновение какоголибо вида растений может привести к вымиранию от 10 до 30 видов насекомых, высших животных или других растений. Вырубка лесов приводит к уничтожению почвы и растительности на ней, наводнениям огромной разрушительной силы, опустыниванию и изменению климата отдельных регионов, а в таежной зоне нередко вызывает активизацию природных очагов клещево-

15

го энцефалита. Проникновение человека в зону тропических американских саванн способствовало значительному увеличению численности летучих мышей-вампиров, являющихся переносчиками возбудителей бешенства. Обводнение африканских саванн привело к распространению шистосомозов – хронического, медленно развивающегося заболевания, возбудителями которого являются глисты;

закон второй – все должно куда-то деваться. В природе для любой органической субстанции (вещества), вырабатываемого в процессе жизнедеятельности живых организмов, существуют другие живые существа, способные эту субстанцию (вещество) разложить при использовании ее в качестве пищи. Таким образом, в природе нет накапливающихся веществ и отходов;

закон третий – ничто не дается даром. Биосфера конечна, она име-

ет вполне определенные геометрические размеры и биологические возможности. Поэтому нельзя получить от природы больше, чем она способна дать. Например, вместе с урожаем из почвы изымаются органические и минеральные питательные вещества. Например, с клубнями картофеля при урожае 140 ц с 1 га из почвы извлекается, в пересчете на химические элементы, почти 50 кг азота, 20 кг фосфора и 85 кг калия. Если взамен перечисленных веществ не вносить в почву удобрения, то плодородие почвы будет снижаться;

закон четвертый – природа знает лучше. Природа добилась нынеш-

него относительно равновесного состояния многолетним эволюционным путем посредством проб и ошибок. Общество, воздействуя на природу и преобразуя ее, нарушает ход естественных процессов, происходящих в ней. Человеку, обладающему в отличие от всего остального живого мира разумом, необходимо сохранять порядок, существующий в природе, познать и соблюдать законы ее развития, а не соревноваться с ней и не покорять ее, считая свои решения наилучшими.

Основные законы экологии действуют в окружающем нас мире: атмосфере, гидросфере и литосфере.

1.1.1. Атмосфера и ее роль в биосфере

Атмосфера (от греч. atmos – пар и sphaira – шар) – это газовая оболочка, окружающая Землю, и участвующая в ее суточном вращении. Масса атмосферы составляет около 5,15 · 1015 т. Для атмосферы характерна четко выраженная слоистость, определяемая особенностями вертикального распределения температуры и плотности составляющих ее газов. В атмосфере выделяют тропосферу (до высоты 10–18 км), стратосферу (до высоты 80 км) и ионосферу (свыше 80 км).

Переходной областью между атмосферой и межпланетным пространством является самая внешняя ее часть – экзосфера, состоящая из разрежен-

16

ного водорода. Первые же полеты искусственных спутников обнаружили, что Земля окружена несколькими оболочками заряженных частиц, газокинетическая температура которых достигает нескольких тысяч градусов. Эти оболочки получили название радиационных поясов. Заряженные частицы – электроны и протоны солнечного происхождения – захватываются магнитным полем Земли и вызывают в атмосфере различные явления, например полярные сияния. Радиационные пояса составляют часть магнитосферы.

Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает влияние на геологические процессы. Современная атмосфера имеет, повидимому, вторичное происхождение; она возникла из газов, выделенных твердой оболочкой Земли (литосферой) после образования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: рассеяния газовых молекул в космическое пространство, выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности, диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения, химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору, захвата метеорного вещества. Состояние и развитие атмосферы тесно связано не только с геологическим и геохимическими процессами, но также и с деятельностью живых организмов, в частности человека (см. главу 4).

Атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих камней (метеоритов), большое число которых сгорает при вхождении в ее плотные слои. Слой озона в атмосфере задерживает значительное число ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действовало бы на живые организмы.

Практически единственным источником энергии для всех физических процессов, развивающихся в атмосфере, является солнечное излучение. Главная особенность радиационного режима атмосферы – так называемый парниковый эффект – состоит в том, что ею почти не поглощается излучение в оптическом диапазоне (большая часть излучения достигает земной поверхности и нагревает ее) и не пропускается в обратном направлении инфракрасное (тепловое) излучение Земли, что значительно снижает теплоотдачу планеты и повышает ее температуру. Часть падающего на атмосферу солнечного излучения поглощается (главным образом водяным паром, углекислым газом, озоном и аэрозолями), другая часть рассеивается газовыми молекулами (чем объясняется голубой цвет неба), пылинками и флуктуациями плотности. Рассеянное излучение суммируется с прямым солнечным светом и, достигнув поверхности Земли, частично отражается от нее, а частично поглощается. Доля отраженной радиации зависит от отражательной способности подстилающей поверхности (альбедо).

Альбедо – это величина, характеризующая способность поверхности отражать падающий на нее поток электромагнитного излучения или частиц.

17

Альбедо определяют как отношение величин отраженного и падающего потоков и выражают в процентах. Ниже приведены некоторые примеры величин альбедо для различных поверхностей:

свежевыпавший снег – 85 %; песок кварцевый речной – 29 %; лиственный лес – 16–27 %; хвойный лес – 6–19 %; желтые листья деревьев – 33–38 %.

Изменение альбедо отражается на радиационном балансе планеты и климате, в том числе климате городов.

Радиация, поглощенная земной поверхностью, перерабатывается в инфракрасное излучение, направленное в атмосферу. В свою очередь, атмосфера является также источником длинноволнового излучения, направленного к поверхности Земли (так называемое противоизлучение атмосферы) и в мировое пространство (так называемое уходящее излучение). Разность между коротковолновым излучением, поглощенным земной поверхностью, и эффективным излучением атмосферы называют радиационным балансом. Преобразование энергии излучения Солнца после ее поглощения земной поверхностью и атмосферой составляет тепловой баланс Земли. Потери тепла из атмосферы в мировое пространство намного превосходят энергию, приносимую поглощенной радиацией, однако дефицит восполняется его притоком за счет механического теплообмена и теплотой конденсации водяного пара.

Атмосфера принципиально отличается от всех известных ученым газовых оболочек других небесных тел, прежде всего своим составом.

1.1.2. Атмосферный воздух

Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей природной среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных.

В течении исторически длительного периода времени атмосферный воздух представляет собой смесь газов (в % по объему): азота – 78,084, кислорода – 20,946, аргона – 0, 934, углекислого газа – 0,027 и 0,009 водорода, неона, гелия, криптона, метана и др. В атмосферном воздухе присутствуют также пыль – взвешенные в воздухе твердые частицы диаметром более 1 мкм и аэрозоль – взвешенные мелкодисперсные коллоидные и твердые частицы диаметром 0,1–0,001 мкм. Наиболее важная переменная составляющая атмосферы – водяной пар. Изменение его концентрации колеблется в широких пределах: от 3 % у земной поверхности на экваторе до 0,2 % в полярных широтах. Основная масса его сосредоточена в тропосфере, содержание определяется соотношением процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и вы-

18

падают атмосферные осадки (дождь, град, снег, роса, туман). Существенная переменная компонента атмосферного воздуха – углекислый газ СО2, изменение содержания которого связано с жизнедеятельностью растений (процессами фотосинтеза) и растворимостью в морской воде (газообменом между океаном и атмосферой).

Кроме химического состава, воздушная среда характеризуется физическими параметрами (температура, относительная влажность, скорость, барометрическое давление), ионным составом и другими показателями.

Вследствие большой подвижности атмосферного воздуха на всех высотах в атмосфере наблюдаются ветры. Направления движения воздуха зависят от множества факторов, но главный из них – неравномерность нагрева атмосферы в разных районах. Вследствие этого атмосферу можно уподобить гигантской тепловой машине, которая превращает поступающую от Солнца лучистую энергию в кинетическую энергию движущихся воздушных масс. По приблизительным оценкам, коэффициент полезного действия (кпд) этого процесса 2 %, что соответствует мощности 2,26 · 1015 Вт. Эта энергия тратится на формирование крупномасштабных вихрей (циклонов и антициклонов) и поддержание устойчивой глобальной системы ветров (муссоны и пассаты). Наряду с воздушными течениями больших масштабов в нижних слоях атмосферы наблюдаются многочисленные местные циркуляции воздуха (бриз, бора, горно-долинные ветры и др.). Во всех воздушных течениях обычно отмечаются пульсации, соответствующие перемещению воздушных вихрей средних и малых размеров.

Ветер имеет большое значение в формировании физических и химических свойств самого атмосферного воздуха, а также гидросферы и литосферы. В атмосфере ветер влияет на интенсивность теплообмена, влажность, давление, химический состав воздуха. Ветер важен для растительного мира – без него невозможно опыление растений; ветер участвует и в расселении беспозвоночных животных. Ветер может быть источником энергии на ветроэлектрических станциях. Но иногда ветер наносит ущерб окружающей природной среде, например, ежегодно на планете в результате ветров в атмосферу попадает около 500 млн. т пыли; бури могут выдувать верхние слои почвы, ухудшая ее состав и уничтожая растительность.

Заметные изменения в метеорологических условиях возникают в результате орошения, полезащитного лесоразведения, осушения заболоченных районов, создания искусственных морей – водохранилищ. Эти изменения в основном ограничиваются приземным слоем воздуха. Кроме негативного воздействия на погоду и климат, деятельность человека приводит и к изменению газового состава атмосферы (см. главу 4).

Атмосферный воздух – это важный источник химического сырья для промышленности: например, атмосферный азот является сырьем для получения аммиака, азотной кислоты и другие химические соединений; кислород

19

используют в различных отраслях экономики. Все большее значение приобретает освоение энергии ветра, особенно в районах, где отсутствуют другие источники энергии.

1.1.3. Гидросфера и ее роль в биосфере

Гидросфера (от лат. hydro – вода и sphaira – шар) – это прерывистая водная оболочка Земли между атмосферой и литосферой, включающая в себя все виды природных вод. В более широком смысле в состав гидросферы включают также атмосферную и биологическую воду – воду живых организмов. Каждая их групп природных вод делится на подгруппы более низких рангов. Например, в атмосфере можно выделить воды в тропосфере и стратосфере; на поверхности Земли – воды океанов и морей, а также рек, болот, озер и ледников; в литосфере – подземные воды (в том числе артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов).

Основная масса воды сосредоточена в Мировом океане – водной оболочке Земли, окружающей материки и острова и занимающей 71 % территории планеты. Мировой океан поддерживает жизнь на Земле: фитопланктон океана, усваивая энергию солнечного излучения, создает белки и жиры, а атмосферу насыщает кислородом. Мировой океан регулирует обмен веществ и поддерживает динамическое равновесие в природе; является источником разнообразной пищевой и промышленной продукции.

Второе место по объему водных масс занимают подземные воды, третье – лед и снег арктических и антарктических областей.

Поверхностные воды суши (озера, водохранилища, реки, почвенные воды), занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, играют важнейшую роль как основной источник водоснабжения и орошения.

Важную роль в водном обмене играют и болота – экосистемы избыточного увлажнения, в которых накапливается торф – слабо перегнившие остатки растений. Болота являются аккумуляторами влаги в период таяния снегов и осенних осадков, они регулируют речной сток, поддерживают высокий уровень грунтовых вод на пойменных лугах, служат местом обитания ряда животных и растений.

Природные воды представляют собой сложные системы, основу которых составляет химическое соединение – окись водорода, имеющее простую формулу Н2О.

1.1.4. Вода

Вода (Н2О) – жидкость без запаха, вкуса и цвета (в толще голубоватая); одно из самых распространенных веществ в природе и единственное на Зем-

20

ле соединение, которое может одновременно находиться в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом (лед) и газообразном (пар).

Без воды невозможно существование живых организмов (около 65 % человеческого тела составляет вода), она является обязательным компонентом практически всех технологических процессов.

Большинство свойств воды аномальны:

температурная аномалия выражается в том, что при температуре от 30 °С до 4 °С свойства воды меняются. С этими изменениями связывают ее биологическую активность по отношению к живым организмам со средней температурой тела 37 °С. Плотность льда меньше, чем плотность жидкой воды. Максимум плотности наблюдается при температуре около 4 °С. Эта аномалия воды позволяет, например живым организмам зимовать в придонных слоях водоема;

по сравнению с другими простыми веществами вода обладает максимальной теплоемкостью. Эта аномалия воды – одно из условий существования жизни на Земле. Благодаря этому возникают теплые и холодные океанические течения, которые сглаживают климат Земли и др.

Вода постоянно находится в движении, интенсивном возобновлении в процессе различных форм круговорота (океан – материк, внутриматериковый круговорот, круговорот в пределах отдельных бассейнов рек, озер, ландшафтов и т. д.) и самоочищении.

Все формы круговорота воды составляют единый гидрологический цикл, в процессе которого происходит возобновление всех видов вод. Наиболее быстро обновляются биологические и атмосферные воды. Самый продолжительный период (тысячи, десятки и сотни тысяч лет) приходится на возобновление ледников, глубоко залегающих подземных вод Мирового океана.

Самоочищение природных вод от примесей происходит путем их разложения и осаждения как в анаэробной среде (гниение), так и в аэробной. Самоочищение природных вод происходит тем более интенсивно, чем выше содержание в воде кислорода. В самоочищении природных вод принимают участие бактерии, грибы, водоросли, животные и др.

Вода является важнейшим фактором окружающей среды, который оказывает многообразное воздействие на все процессы жизнедеятельности организма, работоспособность и заболеваемость человека (рис. 1.2).

Вода принимает активное участие в физиологических процессах организма. Она является универсальным растворителем газообразных, жидких и твердых веществ, а также участвует в процессах окисления, промежуточного обмена, пищеварения. Растворенные в воде минеральные соли оказывают влияние на поддержание важнейших биологических констант организма – осмотического давления, кислотно-щелочного равновесия. Она является участником процессов гидролиза жиров, углеводов, гидролитического и окисли-