Конспект лекцій Основи екології 2015

законом, фізіологічна активність особини (наприклад, результуючий врожай на полі) залежить не лише від одного (навіть і лімітуючого чинника), а від повної сукупності всіх екологічних чинників одночасно.

Дослідження свідчать, що ефективність впливу кожного окремого екочинника (його “вага” або коефіцієнт дії) неоднакова і її можна визначити дослідним способом. Особливо ретельно і точно досліджено вплив чинників на врожайність, бо крім основних чинників (температура, освітлення, опади, вміст у ґрунті азоту, фосфору і калію) враховувалися додаткові (наприклад, наявність мікроелементів живлення, кількості шкідливих сполук тощо).

Виявилася помилковою думка про те, що чим більше елементів живлення в ґрунті, тим вищий врожай. Одночасність і спільність дії екочинників, змінність потреб рослини на різних стадіях її розвитку зумовлюють існування певної найефективнішої кількості життєво необхідних речовин у ґрунті. Застосування цього закону аутоекології має величезне практичне значення.

Сучасна аутоекологія має ще надто мало даних з царини проявів цього закону стосовно людини. Наприклад, визначено гранично допустимі концентрації для сотень окремих шкідливих речовин (хоч у побуті людина стикається з тисячами потенційних отрут, а на виробництві з десятками тисяч). А от для одночасної дії двох отрут небезпечні концентрації відомі для кількох десятків випадків, що неприпустимо мало.

V. Закон оптимальності стосується ефективності діяльності як окремих особин, так і їх сукупностей (популяції), а також ще складніших біосистем. Цей закон стверджує, що будь-яка система (від бактерії чи рослини аж до величезного лану) з максимальною ефективністю діє (функціонує) у певних просторових та часових межах, за певних її розмірів та інших характеристик. Іншими словами, параметри системи (чи організму) завжди суворо відповідають її функціям.

Наприклад, закон оптимальності породжує правило Бергмана: у межах біовиду, поширеного від тропіків до Полярного кола, маса і розміри особин збільшуються при переході від дуже теплих зон життя до дуже холодних. Наочними прикладами є пінгвіни, крачки та інші птахи, ведмеді, дельфіни тощо.

Ще одним висновком з цього закону є правило Аллена: придатки до тіла тварини (вуха, хвости, лапи) порівняно тим менші, чим нижча навколишня температура.

Для глибокого розуміння взаємодії організмів з навколишнім середовищем, їх еволюції і місця в біосфеоре, а також для вирішення ряду

41

практичних питань, пов'язаних з освоєнням людиною живої природи, поняття популяції надзвичайно важливо. Популяція - сукупність особин одного виду, протягом тривалого часу (велике число поколінь) населяють певний простір і здатних вільно схрещуватися.

Будь яка популяція має наступні особливості:

1)існування її протягом великої кількості поколінь;

2)наявність вільного схрещування особин;

3)певна ступінь ізоляції популяції.

Популяції мають певні екологічні характеристики, які відсутні у окремих її членів, а саме:

1) своя особлива ніша, яку займає популяція;

2) чисельність і біомаса популяції;

3) динамічні характеристики популяції – народжуваність, швидкість росту, смертність, виживання.

Екологічна ніша – це сукупність всіх вимог популяції до умов середовища (складу і режимів екологічних факторів) і місця, де ці вимоги виконуються. Тобто екологічна ніша відображає функціональну роль популяції в співтоваристві живих організмів. Чисельність популяції може сильно варіювати у різних організмів.

Як правило, чисельність популяцій великих тварин порівняно невелика і може становити кілька сотень особин; чисельність популяцій дрібних організмів (безхребетних, одноклітинних) може досягти мільйонів особин. У зв'язку з проблемою збереження на планеті зникаючих і рідкісних видів необхідно знати, що популяції з малим числом особин нестійкі і можуть зникнути при певних змінах умов проживання.

Чисельність популяції зазвичай схильна до великих коливань в часі і зумовлена багатьма впливами з боку як живий, так і неживої природи. Не знаючи фактичної чисельності та стану популяцій рідкісних і зникаючих видів, неможливо вести роботи з їх охорони і відтворення.

Для порівняння чисельності окремих популяцій або врахування змін чисельності однієї і тієї ж популяції в різні відрізки часу (наприклад в різні роки) користуються таким показником, як щільність. Щільність – це чисельність популяції, віднесена до одиниці займаного нею простору. Наприклад, щільність популяції лося та інших великих тварин визначається кількістю особин, що припадають на 10 тис. га, населення ґрунтових безхребетних співвідноситься з 1 м2. Знаючи зміни щільності в часі або просторі, можна встановити, збільшується або зменшується чисельність

42

особин, представляє чи ні дана популяція загрозу господарським інтересам. Вище перераховані характеристики відносяться до статичних.

Чисельність популяцій в природі рідко залишається постійною. Навіть у випадку, коли вона не змінюється, популяція знаходиться в стані динамічної рівноваги – природний спад особин дорівнює їх поновленню.

Динаміка чисельності популяцій складається при взаємодії чотирьох основних популяційно-динамічних процесів:

1)народжуваності;

2)смертності;

3)імміграції нових особин з інших популяцій;

4)еміграції деяких особин за межі ареалу даної популяції. Ці характеристики називаються динамічними.

Тема 5. Природні та техніко-економічні фактори формування екологічного стану атмосфери

План

1.Джерела утворення небезпечних шкідливих факторів. Урбанізовані екосистеми.

2.Матеріально – енергетичний баланс промислового виробництва.

3.Кругообіг елементів природних і синтетичних речовин у глобальній урбанізованій системі. Трансформація і перенос забруднюючих речовин в біосфері.

4.Комплексна еколого–економічна характеристика техногенного навантаження території.

Атмосфера є газоподібною оболонкою Землі. Нижній шар атмосфери у середньому висотою до 15 км називають тропосферою. Над нею розрізняють стратосферу висотою до 100 км. На її межі виникають північні сяйва. У стратосфері на висоті 15-35 км вільний кисень під впливом сонячної радіації перетворюється на озон. Мешканцями повітряного середовища насамперед вважаються тварини, які пристосувались до активного польоту (птахи, більшість комах). Верхня межа біосфери знаходиться приблизно на висоті 20-22 км, де ще спостерігається; наявність живих організмів: бактерій, спор грибів, найпростіших. Верхня межа життя в атмосфері зумовлена збільшенням з висотою рівня ультрафіолетової радіації. На висоті 25-30 км

більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця поглинає тонкий шар озону – озоновий екран. Хоча основна частина живих істот концентрується на висоті 1-1,5 км. У горах межа розповсюдження наземного життя сягає біля 6 км над рівнем моря.

Забруднення – це все, що з’являється в навколишньому середовищі (немає значення яким чином: приноситься ззовні чи утворюються на місці) –

43

фізичні, хімічні, біологічні чи інформаційні тіла і агенти, і при цьому їхні величини перевищують природні концентрації (для даного місця і часу).

Забруднення – це усе те, що з’являється не у тому місці, не в той час і не

втій кількості, яка притаманна природі, і що виводить її зі стану рівноваги.

Унайзагальнішому вигляді забруднювачі й забруднення довкілля класифікуються так:

o за походженням – механічні, хімічні, фізичні, біологічні; матеріальні, енергетичні;

o за тривалістю дії – стійкі, нестійкі, напівстійкі, середньої стійкості; o за впливом на біоту – прямої й непрямої дії;

o за характером – навмисні (заплановані), супутні, аварійно-випадкові. Механічні забруднювачі – це різні тверді частинки або предмети

(викинуті як непотрібні, відпрацьовані, невикористані) на поверхні Землі, в ґрунтах, воді, в Космосі (пил, уламки машин та апаратів).

Хімічні забруднювачі – тверді, газоподібні й рідкі речовини, хімічні елементи та сполуки штучного походження, які надходять у біосферу й порушують природні процеси кругообігу речовин та енергії (особливо небезпечні — хімічна зброя).

Фізичні забруднення – це зміни теплових, електричних, електромагнітних, гравітаційних, світлових, радіаційних полів у природному середовищі, шуми, вібрації, які створює людина.

Біологічні забруднення – поява в природі в результаті діяльності людей нових різновидів живих організмів (наприклад, вірусу СНІДу), підвищення патогенності паразитів та збудників хвороб, а також спровоковане людиною катастрофічне розмноження окремих видів (наприклад, унаслідок необґрунтованої інтродукції, порушень карантину тощо).

До матеріальних належать різні атмосферні забруднення, стічні води, тверді відходи, до енергетичних – теплові викиди, шуми, вібрації, електромагнітні поля, ультразвукове, інфразвукове, світлове, лазерне, інфрачервоне, ультрафіолетове, іонізуюче, електромагнітне випромінювання.

До стійких належать забруднювачі, які довго зберігаються в природі (пластмаси, поліетилени, деякі метали, скло, радіоактивні речовини з великим періодом напіврозпаду тощо).

Нестійкі забруднювачі швидко розкладаються, розчиняються, нейтралізуються в природному середовищі під впливом різних факторів і процесів.

Навмисні забруднення – це протизаконні (заборонені) викиди й скиди шкідливих відходів виробництва у водні об'єкти, повітря й на земельні

44

ділянки, цілеспрямоване знищення лісів, пасовиськ, перевилов риби, браконьєрство, утворення кар'єрів, неправильне використання земель, природних вод і т. д.

Супутні забруднення – це поступові зміни стану атмосфери, гідросфери, літосфери й біосфери в окремих районах, регіонах планети в цілому в результаті діяльності людини (спустелювання, висихання боліт, зникнення малих річок, поява кислотних дощів, парникового ефекту, руйнування озонового шару).

У світі природи організми розподіляються на поверхні землі так, щоб досягався баланс рівноваги різних видів. За такої моделі міста зростають не стихійно, а як наслідок сприятливих характеристик довкілля. Наприклад, великі міські регіони виникли вздовж берегів річок, поблизу родючих земель або на перетині торговельних шляхів, що потребує сьогодні спеціальних заходів зі збереження природного навколишнього середовища й особливо рекреаційних зон. Нехтування сьогодні цим принципом загрожує трагічними наслідками.

З екологічного погляду сучасні промислові та агропромислові комплекси є урбанізованими енергоємними екосистемами, які одержують енергію та поживні речовини з великих площ поза своїми межами. Суттєвими ознаками урбанізованих екосистем порівняно з природними є:

значно більша інтенсивність метаболізму на одиницю площі, для чого потрібен великий приплив концентрованої енергії ззовні (в основному у формі палива – нафти, вугілля, газу, електроенергії);

велика незбалансованість кругообігу речовини й утворення інтенсивного потоку шкідливих для екосистеми відходів, які згубно діють на її біологічні процеси;

великі потреби у зовнішньому постачанні «конструкційних» матеріалів (промислових і сільськогосподарських) для функціонування системи.

Інтенсивність потоку енергії в сучасному промисловому місті досягає

20 МJ/m2 на добу, що майже в 100 разів більше, ніж у природних чи сільських екосистемах, і в стільки ж разів перевищує фізіологічні потреби людини. Потужність самого людського організму дуже незначна. За добу доросла людина в середньому може виконати роботу 2…4 МJ(~1 kW · h), тим часом як, спалюючи 1 kg бензину, газу чи вугілля, можна отримати (з урахуванням коефіцієнта корисної дії) до 10 МJ.

У місті енергія палива (газ, вугілля, електрика) не просто доповнює, а повністю замінює сонячну енергію — основу будь-якої природної екосистеми. Більше того, за сучасних методів ведення міського господарства

45

сонячна енергія в місті не тільки не використовується, а є шкідливою, перегріваючи споруди й автошляхи та утворюючи смог.

Нині немає надії, що людина добровільно зменшить споживання енергії, навпаки, воно зростатиме, бо це збільшує прибутки виробництва. Навіть у країнах, які прийнято вважати промислово нерозвиненими, міста зростають швидше, ніж загальна кількість населення. Хоч площа міст відносно суходолу у різних країнах незначна (1-5 %), але їхній вплив на середовище «входу» й «виходу» природних екосистем дуже відчутний: відбуваються зміни у складі атмосфери, води в річках, морях і океанах, в умовах існування флори й фауни в лісах, степах, у гірських районах, тим більше, що кількадесят років людство інтенсивно використовувало в сільському господарстві синтетичні отруйні речовини (отрутохімікати).

Сучасне промислове місто з населенням 1 млн осіб і площею 250 km2 потребує для свого забезпечення сільськогосподарської площі на «вході» більше, ніж займає саме місто, у 20…30 разів. Для отримання щоденно мільярдів літрів води такому місту потрібні великі річки чи водозабірні водойми. Можна дійти висновку, що місто чи урбанізований район у межах своєї забудови не має якоїсь особливої екології, відокремленої від екології навколишньої сільської місцевості. Правильно буде розглядати міста як гетеротрофні організми в «аграрно-урбанізованій» глобальній екосистемі — біосфері.

Серед антропогенних забруднень повітря в Україні найбільш поширені аерозолі (пил), оксиди вуглецю, сірчистий ангідрид, окиси азоту, вуглеводні та ін. речовини.

Значні об’єми вуглекислого газу надходять в атмосферу в результаті багатьох природних процесів. Сам по собі вуглекислий газ у звичайних концентраціях негативно не впливає. Однак при надходженні його внаслідок, зокрема, спалювання органічної речовини спостерігається так званий парниковий ефект. Крім того, з вуглекислим газом в атмосферу потрапляє і чадний газ (СО), який дуже токсичний. Цей газ надходить переважно з вихлопними газами автотранспорту (майже 50 %) та викидами підприємств чорної металургії, а також утворюється при горінні.

Шкідливим є забруднення повітря оксидами сірки (сірчистий ангідрид, сірчистий газ). Вони надходять в атмосферу як природнім шляхом (вулкани, розклад органічних сполук), так і внаслідок антропогенного впливу. Нині інтенсивність надходження оксидів сірки від природних і антропогенних джерел однакова. Основним їх джерелом є спалювання вугілля, нафти (вугілля містить 0,2-7 % сірки, сира нафта – 0,1-5,5 %), а

46

також при виробництві кольорових металів із сульфідних руд, вміст сірки в яких іноді сягає 40-45 %. Отже сполуками сірки в Україні повітря забруднюють теплові електростанції, що працюють на вугілля і мазуті, підприємства чорної та кольорової металургії, вугільної і хімічної галузей промисловості по видобутку і переробці нафти тощо.

Особливо шкідливим для всього живого є сірчистий газ. Забруднене ним повітря не лише згубно впливає на здоров'я людей, тварин і стан рослинності, а й спричинює корозію металів, руйнує синтетичні й натуральні будівельні матеріали.

Оксиди і діоксиди азоту мають природне або штучне походження. В атмосферу з Землі від антропогенних джерел щороку надходить 40-50 млн. т оксидів азоту, або приблизно 10 % сумарного річного його надходження. Джерелами оксидів азоту є високотемпературне спалювання палива, двигуни внутрішнього згорання тощо. Підвищена концентрація оксидів азоту (в окремих випадках вона збільшується порівняно із середньою в 30-40 і більше разів) зумовлює формування “коричневого смогу”, який дуже шкідливий для здоров'я людей (органи зору, легеневі та серцевосудинні хвороби).

Сполуки хлору з іншими елементами концентруються навколо хімічних заводів, які виробляють соляну кислоту, пестициди, цемент, суперфосфат, оцет, гідролізний спирт, хлорне вапно, соду, органічні барвники тощо. В атмосфері містяться у вигляді молекулярного хлору й хлористого водню.

Сполуки фтору з іншими елементами нагромаджуються в районах виробництва алюмінію, емалі, скла, кераміки, фарфору, сталі, фосфорних добрив. У повітрі вони містяться у вигляді фтористого водню (НР) або пилуватого флюориту (СаР2). Сполуки фтору надзвичайно токсичні, до них дуже чутливі комахи. Фтор нагромаджується в рослинах, а через рослинний корм – в організмі тварин.

Інший вид смогу “фотохімічний” – пов’язаний з вуглеводнями, що потрапляють у повітря (переважно при неповному згорянні палива в двигунах внутрішнього згорання тощо).

Особливе місце в забрудненні повітря належить важким металам, до яких належать понад 40 хімічних елементів (свинець, ртуть, кадмій, цинк, миш’як, нікель, мідь, ванадій та ін.). Це токсичні речовини. Особливо небезпечний свинець. Джерела надходження важких металів у повітря різні

– від теплоелектростанцій до поліграфії і мінеральних добрив (домішки). Особливо багато важких металів у повітрі міст та районах концентрації промислових виробництв.

47

Свинець (РЬ) – токсичний метал, який міститься у вихлопних газах автомобілів, свинцевих фарбах, матеріалах покриттів, ізоляцій електрокабелів і водопроводів, різних прокладок та ін. В організмі людини міститься в середньому близько 120 мг свинцю, який розподілений по всіх органах, тканинах, кістках. Із кісток він виводиться дуже повільно (десятки років)! Органічні сполуки свинцю надходять в організм людини крізь шкіру, слизові оболонки, з водою та їжею, а неорганічні – дихальними шляхами. Сьогодні житель великого міста щодня вдихає близько 20 м3 повітря з вихлопними газами, до компонентів яких належить свинець, отримує його з їжею (до 45 мкг), і в організмі затримується до 16 мкг свинцю, котрий проникає в кров і розподіляється в кістках (до 90 %), печінці й нирках. Іноді загальна кількість свинцю в організмі городянина становить 0,5 г і більше, тоді як його ГДК в крові – 50-100 мкг/100 мл.

Розрізняють стаціонарні і рухомі джерела викидів забруднюючих речовин у повітря. Серед останніх основний – автотранспорт.

Аерозолі (пил, дим) надходять у повітря від теплових електростанцій, металургійних і хімічних виробництв, підприємств будівельних матеріалів, сільськогосподарських ланів, вихлопів дизельних двигунів тощо.

Забруднення атмосфери впливає на клімат, процеси поглинання випромінювання сонця і довгохвильового (теплового) випромінювання земної поверхні, а також на транскордонне перенесення забруднюючих речовин із сусідніх країн.

Над Україною переважає західне перенесення повітряних мас. Тому в атмосферному повітрі країни, крім “власних” забруднень, наявна частка центрально- і західноєвропейських. На західних кордонах України дві метеостанції (Світязь – у Волинській області і Рава-Руська – у Львівській) ведуть спостереження за транскордонним перенесенням забруднюючих речовин у повітрі.

Аерозолі значно впливають на здоров'я людей, особливо хімічно активні викиди. Вони зумовлюють силікоз, бронхіт, астму, рак легенів, запалення слизових оболонок, різні хвороби очей, шкіри, психологічні реакції.

Оцінка стану забруднення повітря в Україні виконується в 54 містах, на 166 стаціонарних постах і на двох станціях транскордонного перенесення. Спостереження ведуться за вмістом 34 забруднюючих речовин, включаючи важкі метали.

Динаміка основних показників техногенного навантаження на навколишнє природне середовище в Україні та витрат на природоохоронні

48

заходи свідчить про погіршення екологічної безпеки природного довкілля, як життєво важливого середовища для існування людини та складової частини національної безпеки країни.

Основними забруднювачами повітря країни є підприємства переробної та добувної промисловості (відповідно 37% та 21% шкідливих викидів) та підприємства-виробники електроенергії, газу та води (34%).

Рухомим джерелом викидів забруднень в атмосферу є переважно автотранспорт. Переважна частина шкідливих речовин від роботи двигунів пересувних джерел забруднення - це викиди автомобільного 89,4%, 2,7% - залізничного, 0,8%- водного, 0,5 %- авіаційного транспорту та 6,6 % - виробничої техніки. Основними токсичними інгредієнтами, якими забруднюється повітря під час експлуатації транспортних засобів є оксид вуглецю (74%), діоксид азоту (12%), неметанові леткі органічні сполуки (11 %), сажа та діоксид сірки (по 1%). Решта викидів припало на оксид азоту, метан, бенз(а)пірен та аміак (1%).

Цікаві результати спостережень вологого осадження забруднень атмосферного повітря. Спостереження за хімічним станом і кислотністю атмосферних опадів в останні роки проводяться на 49 станціях. На всіх станціях визначаються pH (показник кислотності); на 33 станціях відбираються сумарні щомісячні проби для хімічного аналізу та встановлення сумарного pH. В атмосферних опадах (дощах і сніговому покриві), крім кислотності, визначають вміст сульфатів, нітратів, азоту амонійного, хлоридів, гідрокарбонатів, натрію, калію, кальцію, магнію. Основними компонентами мінералізації атмосферних опадів є аніони сульфатів і гідрокарбонатів. Їх вміст сягає 60 % від загальної мінералізації.

Методи визначення якості та обсягів забруднень.

Для з'ясування, ступеня забруднення довкілля та впливу того чи іншого забруднювача (полютанта, токсиканта) на біоту й здоров'я людини, оцінки шкідливості забруднювачів і міри їхньої небезпечності, проведення екологічних експертиз довкілля в межах районів, регіонів чи окремих об'єктів Сьогодні в усьому світі використовують такі поняття, як гранично допустимі концентрації (ГДК) шкідливих речовин, гранично допустимі викиди (ГДВ) і скиди (ГДС), гранично допустимі екологічні навантаження (ГДЕН), ступінь екологічної витривалості ландшафту (СЕВЛ), максимально допустимий рівень забруднення (МДРЗ), кризова екологічна ситуація (КЕС), санітарнозахисні зони (СЗЗ) та ін.

Гранично допустимі концентрації визначаються головними санітарними інспекціями в законодавчому порядку або рекомендуються

49

відповідними установами, комісіями на підставі результатів складних комплексних наукових досліджень, лабораторних експериментів, а також відомостей, добутих під час і після різних аварій і катастроф на виробництвах, воєн, стихійних лих, із використанням матеріалів тривалих медичних спостережень на шкідливих підприємствах.

Використовують два нормативи ГДК шкідливих речовин:

1)максимальна разова доза, яка не викликає рефлекторних реакцій у людини;

2)середньодобова ГДК – максимальна доза, що не шкідлива для людини в разі тривалої (впродовж місяців, років) дії.

Воснову нормування всіх забруднювачів покладено визначення ГДК у різних середовищах. У нормативних документах різних країн ГДК забруднювачів у воді, повітрі й фунтах, на жаль, часто відрізняються, хоча й неістотно (за рідкісним винятком, наприклад, норми вмісту діоксинів).

ГДК полютанта – це такий його вміст у природному середовищі, за якого не знижується працездатність і не погіршується самопочуття людей, не завдається шкода їхньому здоров'ю в разі постійних контактів, а також відсутні небажані негативні наслідки для нащадків.

Визначаючи ГДК, ураховують не лише ступінь впливу полютанта на здоров'я людей, а й також його дію на свійських і диких тварин, рослини, гриби, мікроорганізми й природні угруповання в цілому.

Новітні дослідження свідчать, що нижніх безпечних меж впливу канцерогенів та іонізуючої радіації немає. Будь-які дози, що перевищують звичайний природний фон, шкідливі. За наявності в повітрі або воді кількох забруднювачів їхня сукупна концентрація не має перевищувати одиницю (1).

Для визначення максимальної разової ГДК використовують різні високочутливі тести, за допомогою яких виявляють мінімальні впливи забруднювачів на здоров'я людини в разі короткочасних контактів (вимірювання біопотенціалів головного мозку, реакції ока тощо). Для з'ясування наслідків тривалих впливів полютантів проводять експерименти на тваринах, використовують дані спостережень під час епідемій, аварій, додаючи до певного граничного значення коефіцієнт запасу, який знижує ГДК ще в кілька разів.

Для різних середовищ значення ГДК одних і тих самих токсикантів різні, як і максимальні разові та середньодобові ГДК одних і тих самих забруднювачів. На сьогодні визначено близько 3 тис. ГДК для забруднювачів води (близько 1500), повітря (близько 1000) і ґрунтів (близько 300), що найчастіше трапляються в оточенні людини, хоча необхідно знати принаймні

50