Предмет и задачи экологии. История ее развития. Структура современной экологии.

Вопросы к экзамену по экологии 25 января в 10:00 (1-404)

Дегтерев Борис Иванович

1. Экологические проблемы глобального и регионального характера. Взаимосвязь экологических проблем, их комплексный характер. Экспоненциальный рост потребления ресурсов планеты. Качество среды обитания и здоровье населения.

В настоящее время загрязнение природной среды продуктами деятельности человека достигло таких масштабов, что в ближайшем будущем актуальным может стать вопрос о выживании и дальнейшем существовании всей человеческой цивилизации. Мы живем в очень хрупком мире и становимся все более уязвимыми под мощным прессом нарастающих экологических проблем.

На нашу планету не поступают ресурсы извне, у нее нет возможности избавиться от накапливающихся отходов. Единственное, что мы получаем, это неисчерпаемая солнечная энергия, позволяющая поддерживать жизнь на всех ее уровнях.

Великое разнообразие растений и животных Земли взаимодействует между собой так, что каждый удовлетворяет свои потребности и одновременно способствует существованию других. Воздух и вода в ходе своего круговорота непрерывно очищаются. Механизмы саморегуляции стремятся поддерживать системы в равновесии друг с другом. Но неотвратимо нарастают проблемы: земной шар становится мал для строящихся городов, развивающейся промышленности, прибывающего населения.

Исследования ученых показывают, что деградация природной среды, воздействуя на иммунную систему организмов, вызывает их угнетение и разрушение. Хотя человеческая популяция обладает почти неограниченными адаптационными возможностями, скорость адаптации является конечной величиной. Поскольку скорость изменения существенных параметров среды обитания становится больше скорости адаптации, человечество уже сейчас оказывается перед фактом невозможности отдельных индивидуумов приспособиться к лавинообразной трансформации среды.

Негативные изменения в окружающей природной среде нарастают экспоненциально, когда исходные значения параметров увеличиваются на определенную абсолютную величину через все более и более короткие интервалы времени. Так, численность населения Земли увеличилась до 1 млрд. человек более чем за 1,5 млн. лет; рост численности до 2 млрд. человек произошел за 130 лет, до 3 млрд. - за 30 лет, до 4 млрд. - за 15 лет и лишь 12 лет потребовалось для достижения 5-миллиардного рубежа. Сейчас население планеты составляет почти 6 млрд. человек.

Соответственно по экспоненциальному принципу растут и антропогенные воздействия на природу. Это и вырубка лесов, и потребление нефти, угля, газа, других видов органического топлива с соответствующим ростом эмиссии в атмосферу газов, вызывающих парниковый эффект, кислотные дожди, разрушение озонового слоя.

Ресурсы Земли - воздух, вода, запасы продовольствия, минеральные ресурсы в скором времени уже не смогут обеспечить потребности экспоненциально увеличивающегося населения.

Большинство проблем окружающей среды не могут рассматриваться изолированно друг от друга. Все они имеют многосторонние последствия и тесно связаны с другими проблемами. Хлорфторуглероды (фреоны), выбрасываемые в атмосферу, не только разрушают озоновый слой, но и приводят к возникновению парникового эффекта. Производство электроэнергии за счет сжигания угля способствует эмиссии в атмосферу кислотообразующих оксидов серы и азота и большого количества углекислого газа, играющего важнейшую роль в возникновении парникового эффекта. Кроме того, при сжигании угля в атмосферу ежегодно выбрасывается до 700 млн. тонн твердых взвешенных частиц.

Добыча полезных ископаемых открытым способом уничтожает растительность - среду обитания различных видов животных и создает условия для эрозии почв. При сжигании деревьев (это наиболее распространенная практика расчистки тропических лесов) выделяется углекислый газ и одновременно уничтожается основной механизм его поглощения - деревья и другие виды фотосинтезирующих растений. И это при том, что в основном за счет сохранившихся пока тропических лесов поддерживается баланс кислорода на планете, а сжигают его более 20 млрд. тонн в год.

Одним из основных результирующих показателей качества среды обитания является здоровье населения. В России максимальный уровень продолжительности жизни отмечен для мужчин в 1986 г. (66,6 года) и для женщин в 1988 г. (76,6 года). С тех пор средняя продолжительность жизни мужчин в России снизилась более чем на 7 лет, а женщин – более чем на на 4 года. И по этому показателю Россия занимает сейчас 22 место в мире среди 46 наиболее развитых государств вслед за Мексикой наряду с Таиландом и Саудовской Аравией.

 

Одной из причин такого положения в нашей стране является то, что более 70 млн. россиян дышат воздухом, концентрации загрязняющих веществ в котором в несколько раз превышают предельно допустимые нормы.

Увеличилось поступление ядовитых отходов в воды морей и океанов, что также связано с ростом промышленности, транспорта, городов. Но самая главная из всех взаимосвязанных проблем - постоянно увеличивающаяся потребность в ресурсах экспоненциально растущего населения земного шара.

Еще в 60-е годы учеными был определен срок в 30-35 лет, по истечении которого человечество столкнется с трагическими последствиями своего пренебрежительного отношения к природе (прогноз Римского клуба «Пределы роста» под руководством Д.Медоуза; апокалипсис предрекался в 2100 г.). Уже сейчас ясно, что эти прогнозы полностью подтверждаются.

У нас практически не осталось времени для обсуждения и изучения экологических проблем. Необходимы решительные шаги к спасению биосферы. И если человек в корне не изменит своего отношения к природе, уже со средины будущего столетия может начаться необратимый процесс угасания цивилизации на Земле.

Все неблагоприятные глобальные изменения окружающей среды могли бы быть остановлены (даже при современном уровне потребления угля, нефти и газа), если бы удалось снизить на порядок величины уровень возмущения естественной биоты (т.е. уровень антропогенного воздействия на живые организмы и потребления их продукции), т.к. известно, что биота сохраняет способность контролировать условия окружающей среды, если используется менее 1% всей ее продукции. Остальная часть продукции должна распределяться между видами, выполняющими функции поддержания приемлемых для жизни условий окружающей среды. Однако сокращение уровня возмущения биоты (Био́та (от др.-греч. βιοτή — жизнь) — исторически сложившаяся совокупность видов живых организмов, объединённых общей областью распространения в настоящее время или в прошедшие геологические эпохи. В состав биоты входят как представители клеточных организмов (растения, животные, грибы, бактерии, протисты и пр.), так и бесклеточные организмы (например, вирусы).) и восстановление освоенных человеком площадей на планете возможно лишь путем сокращения численности глобального населения.

Вместе с тем более эффективное использование энергии, генерируемой за счет сжигания ископаемого топлива, позволяет существенно снизить выбросы углекислого газа, окислов серы и азота, уменьшая тем самым как парниковый эффект, так и количество кислотных осадков. Примером является вторичное использование бумаги, алюминия, стекла, обеспечивающее значительную экономию энергии, которая потребовалась бы для производства этих продуктов из первичного сырья.

Многие экологические процессы, например, глобальное потепление в результате парникового эффекта, уничтожение озонового слоя, истощение минеральных и энергетических ресурсов более или менее одинаково влияют на всю планету. Однако разделение ответственности за нарушение экологической обстановки происходит между странами мира далеко не так равномерно.

В промышленно развитых государствах проживает только около 25% населения Земли, тем не менее эти страны ответственны на 70% за действия, вызывающие названные негативные процессы.

Менее развитые страны также вносят свой вклад в проблемы, с которыми мы сталкиваемся: 9 из 10 новорожденных приходится на эти страны. Поскольку влияние, оказываемое на окружающую среду слишком большим количеством людей, лежит в основе многих экологических проблем, этим странам следует сделать вывод о необходимости снижения давления на природу, т.е. о контроле темпов рождаемости. Это может быть без каких бы то ни было неприятных последствий осуществлено посредством перехода к однодетной семье (как, например, провозглашено в Китае).

Основные задачи экологии

Предмет экологии — совокупность связей между организмом и средой.

Глобальной задачей экологической науки является, несомненно, сохранение среды обитания человека. Решение ее связано с решением ряда взаимосвязанных задач конкретной направленности, которые могут быть сформулированы следующим образом:

1. Исследование закономерностей организации жизни, в том числе в связи с антропогенным воздействием на биосферу.

2. Создание научной основы рациональной эксплуатации биологических ресурсов.

3. Прогнозирование изменений в природе под влиянием деятельности человека.

4. Экологическая индикация загрязнения природных сред.

5. Восстановление нарушенных природных систем.

6. Сохранение (консервация) эталонных участков биосферы.

Инженер-строитель в процессе проектирования и строительства различных объектов, а также в период их эксплуатации должен представлять, как они будут влиять на окружающую среду и живые организмы. Необходимо хорошо знать взаимосвязь процессов строительного производства и процессов, происходящих в биосфере. Поэтому сейчас выделяется новая отрасль строительной науки - строительная экология. Ее основными задачами являются:

1. Оптимизация архитектурных, конструкторских и технологических разработок с целью исключения негативных воздействий на природу.

2. Прогнозирование и оценка возможных негативных последствий строительства и эксплуатации зданий и сооружений для окружающей среды.

3. Использование биопозитивных архитектурных и конструктивных решений.

4. Исследования в области применения отходов производства при изготовлении строительных материалов и исключения поступления отходов в окружающую среду.

Роль магнитного поля Земли

Стратосферный озон является не первым слоем, защищающим планету от солнечного излучения. Еще раньше на его пути встает магнитное поле Земли.

Плазма Солнца или «солнечный ветер», представляющий собой поток ядер атомов водорода, движется от него во всех направлениях со средней скоростью 350 км/с и оказывает сильнейшее воздействие на физико-химические процессы в околосолнечном пространстве, являясь губительным для всего живого. Единственной защитой для Земли является ее магнитное поле, более сильное, чем у других околосолнечных планет.

Напряженность магнитного поля такова, что примерно в 90 тыс. км от Земли в сторону Солнца (14 земных радиусов) оно уравновешивает давление солнечного ветра и его плазма начинает обтекать Землю по поверхности, напоминающей по форме головастика с хвостом, направленным в сторону, противоположную Солнцу, длиной 5 млн. км. Так появляется первая граничная поверхность между Космосом и Землей - так называемый магнитоотбойный слой.

Магнитное поле Земли непосредственно влияет и на организмы. Так, его силовые линии определяют направление роста гифов (грибниц) почвенных грибов, по ним ориентируются перелетные птицы. Существуют даже особого рода водные магнитобактерии, которые в период своей жизни движутся строго по линиям поля в направлении полюсов со скоростью 7 мкм/с.

Сейчас выясняется, что стабильности защитной системы магнитосферы от космических излучений угрожает сам человек. В чем это выражается:

1. В крупных городах (а их число непрерывно растет) напряженность магнитного поля в тысячи раз превышает естественную.

 

2. Глобальный характер приобретает перераспределение силовых линий магнитного поля как внутри Земли (вследствие многочисленных горных выработок), так и на ее поверхности (например, из-за воздействия линий высокого напряжения, общая протяженность которых оценивается в 40 млн. км.).

3. Прямое воздействие на магнитосферу оказывают более 30 млн. радио- и телепередатчиков. Последствия этих воздействий на магнитосферу Земли трудно предсказать.

Абиотические факторы

К абиотическим факторам наземной среды относятся, прежде всего, климатические факторы.

1. Свет или солнечная радиация. Биологическое влияние солнечного света зависит от его интенсивности, продолжительности действия, спектрального состава, суточной и сезонной периодичности.

Поступающая от Солнца лучистая энергия распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн: ультрафиолетовые лучи (длина волны l < 0,4 мкм), видимые лучи (l = 0,4 ¸ 0,75 мкм) и инфракрасные лучи (l > 0,75 мкм).

Ультрафиолетовые лучи характеризуются самой высокой энергией квантов и высокой фотохимической активностью. В организме животных они способствуют образованию витамина D и синтезу пигментов клетками кожи, у растений оказывают формообразовательный эффект и способствуют синтезу биологически активных соединений. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,29 мкм губительно для всего живого. Однако благодаря озоновому экрану до поверхности Земли доходит лишь незначительная его часть.

Видимая часть спектра имеет особенно большое значение для организмов. Благодаря видимому свету у растений сформировался аппарат фотосинтеза. Для животных световой фактор является, прежде всего, необходимым условием ориентации в пространстве и во времени, а также участвует в регуляции многих процессов жизнедеятельности.

Инфракрасное излучение повышает температуру природной среды и самих организмов, что особенно важно для холоднокровных животных. У растений инфракрасные лучи играют значительную роль в транспирации (испарение воды с поверхности листьев обеспечивает удаление излишков тепла) и способствуют поглощению растениями углекислого газа.

2. Температура влияет на все жизненно важные процессы. Прежде всего, она обуславливает скорость и характер протекания реакций обмена веществ в организмах.

Оптимум температурного фактора для большинства организмов находится в пределах 15 ¸ 30 ⁰С, однако некоторые живые организмы выдерживают ее значительные колебания. Например, отдельные виды бактерий и синезеленых водорослей могут существовать в горячих источниках при температуре около 80 ⁰С. Разнообразными представителями растительного и животного мира населены полярные воды с температурой от 0 до -2 ⁰С.

3. Влажность атмосферного воздуха связана с насыщением его водяными парами. Сезонные и суточные колебания влажности наряду со светом и температурой регулируют активность организмов.

Помимо климатических факторов важное значение для живых организмов имеет газовый состав атмосферы. Он относительно постоянен. Атмосфера состоит в основном из азота и кислорода с небольшими примесями диоксида углерода, аргона и других газов. Азот участвует в образовании белковых структур организмов, кислород обеспечивает окислительные процессы.

Абиотические факторы водной среды - это:

1 - плотность, вязкость, подвижность воды;

2 - температурная стратификация (изменение температуры по глубине);

3 - прозрачность и мутность;

4 - соленость;

5 - наличие кислорода и диоксида углерода, концентрация водородных ионов;

6 - наличие растворенных в воде природных или синтетических токсинов.

Абиотические факторы почвенного покрова связаны с плодородием почвы.

Биотические факторы

Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие организмы.

Взаимоотношения (или взаимодействия) между организмами отличаются сложностью и многообразием. Различают внутривидовые и межвидовые взаимоотношения.

К внутривидовым взаимодействиям относятся факторы, наиболее рельефно проявляющиеся на популяционном уровне: это особенности поведения, продолжительность жизни, возрастной состав, плотность населения популяции и т.д. Сюда же можно отнести конкуренцию.

 

Межвидовые взаимодействия могут быть безразличными, вредными и полезными для партнеров. К ним относят:

1 - хищничество; одной из форм хищничества является каннибализм;

2 - паразитизм (один организм живет внутри или на теле другого);

3 - форезия (перенос одного вида другим);

4 - комменсализм (жизнедеятельность одного вида предоставляет пищу и убежище другому);

5 - синойкия (использование одним видом гнезд или нор других видов);

6 - нейтрализм (независимость видов);

7 - мутуализм (одни виды развиваются только в присутствии других);

8 - аменсализм (противоположность мутуализму);

9 - протокооперация (совместное проживание и защита от хищников);

10 - интерференция (непреднамеренное подавление одного вида другим).

Все животные и растения, независимо от их роли в межвидовых и внутривидовых взаимодействиях, являются необходимыми факторами среды по отношению к другим организмам; все они взаимно необходимы: это нужно учитывать при их возможном истреблении или переселении на новые территории.

Важным во взаимоотношениях живых организмов является пищевой (трофический) фактор. Все животные, растения, микроорганизмы избирательны к составу пищи и в зависимости от потребности в тех или иных элементах способны усваивать только определенные, присущие данным видам белковые и минеральные продукты.

К биотическим факторам относятся и факторы, вызванные деятельностью человека, т.е. антропогенные факторы. Они значительно ухудшают условия существования живых организмов и включают:

а) сельскохозяйственные и промышленные факторы;

б) факторы, связанные с добыванием средств существования, а также социально-экономические факторы.

К первой группе относятся:

· уничтожение лесов;

· строительство плотин и переброска стоков рек;

· осушение и засыпка переувлажненных земель;

· распашка лугов;

· использование искусственных удобрений и пестицидов;

· чрезмерное и неправильное применение огня;

· уничтожение хищников;

· загрязнение поверхностных вод сельскохозяйственными, химическими, термальными и другими промышленными и бытовыми отходами;

· эвтрофикация водоемов;

· промышленные токсины (образующиеся, например, при выплавке металлов, добыче руды, очистке нефти, в химическом производстве);

· загрязнение атмосферного воздуха, кислотные осадки.

Факторы второй группы составляют:

¨ чрезмерный отлов рыбы и охота;

¨ браконьерство в отношении отдельных видов;

¨ чрезмерный неконтролируемый туризм;

¨ разведение экзотических (не местных) видов;

¨ неправильная рекреационная деятельность (восстановление здоровья и трудоспособности людей путем их отдыха в санаториях, домах отдыха, на лоне природы и т.д.);

¨ пожары, вызванные неосторожной хозяйственной деятельностью;

¨ заражение болезнями от домашних растений и животных.

Фундаментальный биологический принцип. Эврибионтные и стенобитные виды. Закон минимума Либиха. Закон лимитирующих факторов. Закон толерантности. Правило взаимодействия факторов. Закон компенсации факторов Э. Рюбеля.

Закон минимума Либиха

Факторы среды воздействуют на организм одновременно и совместно, причем действие каждого из них в определенной мере зависит от количественного выражения других факторов. Отклонение от оптимальной интенсивности какого-либо фактора может сузить пределы устойчивости (или пределы выносливости) организма к другим факторам (например, при уменьшении содержания азота в почве снижается засухоустойчивость растений).

Фактор, в конкретных условиях наиболее удаленный от оптимума, снижает возможность существования вида в данных условиях, несмотря на оптимальные сочетания остальных факторов. Такой фактор, интенсивность которого приближается к пределу устойчивости (пределу выносливости), называют ограничивающим или лимитирующим фактором.

В описанных выше экспериментах изменялся только один фактор, остальные же, как бы соответствовали зоне оптимума. Следовательно, мы наблюдали действие закона лимитирующих факторов: «Даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе - к его гибели».

У каждого вида существует свой набор лимитирующих факторов со своими оптимумами и диапазонами устойчивости.

Влияние лимитирующих факторов на организмы было впервые изучено Юстусом фон Либихом и в 1840 г. сформулировано в виде закона минимума: «Выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т.е. жизненные потребности лимитирует тот фактор, количество которого близко к необходимому организму или экосистеме минимуму и дальнейшее снижение которого ведет к гибели организма или деструкции экосистемы».

Дальнейшие исследования показали, что закон минимума Либиха относится ко всем влияющим на организм абиотическим и биотическим факторам.

К основным абиотическим лимитирующим факторам относятся свет, температура, вода, кислород (в водной среде), рН среды, микроэлементы. Сложнее решается вопрос с определением биотических лимитирующих факторов.

Закон толерантности

Организмы характеризуются экологическим минимумом и экологическим максимумом; диапазон между этими двумя величинами составляет то, что принято называть пределами толерантности. Можно сформулировать ряд вспомогательных принципов, дополняющих "закон толерантности":

Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении другого.

Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам обычно наиболее широко распространены.

Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то может сузиться и диапазон толерантности к другим экологическим факторам.

В природе организмы очень часто оказываются в условиях, не соответствующих оптимальному диапазону того или иного физического фактора, определенному в лаборатории. В таких случаях более важным оказывается какой-то другой фактор (или факторы).

Период размножения обычно является критическим; в этот период многие факторы среды часто становятся лимитирующими. Пределы толерантности для размножающихся особей, семян, яиц, эмбрионов, проростков и личинок обычно уже, чем для неразмножающихся взрослых растений иди животных.

 

В экологии существует ряд терминов, в которых используются приставки стено-, что означает узкий, и эври- - широкий. Итак,

· стенотермный - эвритермный (в отношении температуры),

· стеногидрический - эвригидрический (в отношении воды),

· стеногалинный - эвригалинный (в отношении солености),

· стенофагный - эврифагный (в отношении пищи),

· стеноойкный - эвриойкный (в отношении выбора местообитания).

Правило взаимодействия факторов

Одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов.

Закон компенсации факторов

Эффект компенсации факторов, закон взаимозаменяемости факторов, закон Рюбеля, закон, выявленный Э. Рюбелем (1930), согласно которому отсутствие или недостаток некоторых экологический факторов может быть компенсирован каким-либо другим близким (аналогичным) фактором. Так, некоторые моллюски (Mytilus galloprovincialis) при отсутствии (или значительном дефиците) кальция могут построить свои раковины при достаточном количестве в среде стронция; недостаток света в парнике может быть компенсирован или увеличением концентрации СО₂, или стимулирующим действием некоторых биологически активных веществ (например, гиббереллинов). Однако такая компенсация факторов, как правиле, относительна, так как фундаментальные экологические (физиологические) факторы (свет, вода, СО₂, азот, фосфор, калий, многие микроэлементы и другие.) в принципе незаменимы (закон Вильямса).

Круговорот элементов

Все вещества на Земле находятся в биохимическом круговороте - большом (геологическом) и малом (биотическом).

В большом круговороте, длящемся миллионы лет, участвуют горные породы, которые выветриваются, сносятся стоками в Мировой океан, образуют напластования и в процессе перемещения морей, океанов, материков могут возвратиться на сушу, где снова подвергаются выветриванию.

В малом круговороте, являющемся частью большого, участвуют питательные вещества почвы, вода, углерод, которые используются растениями для построения их тела и жизненных процессов, а затем - на те же задачи животных-консументов. Далее продукты распада всего органического вещества разлагаются почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, черви и т.д.) до минеральных компонентов и снова поступают в растения. Этот круговорот называется биогеохимическим циклом.

Круговорот углерода

По распространенности во Вселенной углерод занимает третье место (после водорода и гелия). Предполагается, что при образовании земной коры часть углерода вошла в состав ее глубинных слоев, а другая часть была удержана атмосферой в виде СО.

Основная масса углерода в настоящее время сосредоточена в карбонатных отложениях океанского дна (1,3·10¹⁶ т), кристаллических породах (1·10¹⁶ т), каменном угле и нефти (3,4·10¹⁵ т). Этот углерод участвует в большом круговороте.

Углерод, содержащийся в растительных (5·10¹¹ т) и животных (5·10⁹ т) тканях, участвует в малом круговороте.

Описание круговорота углерода можно начать с молекул СО₂, содержащихся в воздухе и воде. В ходе фотосинтеза атомы углерода этого соединения включаются в состав глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. Далее они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов экосистемы.

При каждом переходе с одного трофического уровня на другой большая часть атомов углерода после расщепления органических молекул поступает в окружающую среду в составе углекислого газа, завершив свой цикл.

СО₂

 

Фотосинтез

 

Глюкоза СО₂

 

 

Растительные ткани

продуцентов

 

СО₂ СО₂ СО₂

 

Сжигание Первичные консументы Вторичные консументы

 

СО₂

Редуценты

 

Рис. 6. Круговорот углерода

Круговорот фосфора

Фосфор входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутри клеток. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона РО₄^3-. Растения поглощают РО₄^3- из водного раствора и включают в состав различных органических соединений, где фосфор выступает уже в форме органического фосфата. По пищевым цепям он переходит от растений ко всем прочим организмам экосистем (рис. 7):

Фосфоритные разработки, удобрения эрозия почв,

выветривание минералов, выделения животных

 

 

РО₄^3- Окисление Редуценты

 

РО₄^3-

Накопление в экосистеме

 

 

Растения Органический Первичные Вторичные

(продуценты) фосфат консументы консументы

 

 

Окисление

 

Накопление в экосистеме РО₄^3-

 

Рис. 7. Круговорот фосфора

При каждом переходе часть содержащих фосфор соединений окисляется, и фосфат с выделениями вновь поступает в окружающую среду, откуда снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл. Часть фосфора накапливается в экосистеме (в почве, на дне водоемов и т.д.).

Круговорот азота сложнее, т.к. включает как газовую (N₂), так и минеральную (NH₄⁺, NO₃^-) фазы. Весьма сложен круговорот кислорода, т.к. в биосфере к нему присоединяется большое количество органических и неорганических веществ, а также водород, с которым он образует воду.

С учетом того, что все вещества и элементы на Земле находятся в состоянии постоянного круговорота, можно сформулировать первый основной принцип функционирования экосистем:получение экосистемой ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота всех элементов.

Устойчивое функционирование природной экосистемы происходит при постоянном взаимодействии ее элементов, круговороте веществ, передаче информации и энергии (химической, генетической) по цепям-каналам. При этом устойчивость экосистемы обеспечивается обратной связью между ее элементами.

Обратная связь заключается в использовании управляющими компонентами экосистемы данных, получаемых от управляемых компонентов, для внесения соответствующих коррективов в процесс функционирования системы (вновь мы видим выполнение уже известного принципа Ле Шателье).

В природе существуют нарушения каналов передачи информации, нарушения обратной связи: стихийные бедствия, засухи, наводнения, землетрясения, болезни. В каналах обратной связи появляются помехи, и в зависимости от степени влияния помех устойчивость функционирования экосистем может быть сохранена или исключена.

Помехи от человеческой деятельности нарушают экосистемы практически на всем земном шаре. Особенно опасны помехи вследствие прерывания биотического круговорота (застройка городов, гидротехническое строительство, прокладка транспортных коммуникаций, изменение ландшафтов и т.д.).

Классификация антропогенных воздействий. Загрязнения: биологические, механические, химические, физические. Основные вещества-загрязнители окружающей среды. Формы миграций загрязнений между природными средами.

Использование воды в хозяйственной деятельности. Водопользование и водопотребление. Классификация вод по целевому назначению. Требования к качеству хозяйственно-питьевой, технической, энергетической, охлаждающей, технологической и поливной воды.

Роль гидросферы в развитии Земли исключительно велика:

· во-первых, на начальном этапе развития Земли гидросфера выполняла защитные функции и смягчала теплые и холодные импульсы, действовавшие на планету;

· во-вторых, в связи с постоянным круговоротом воды гидросфера стала глобальной транспортной системой, формирующей поверхность Земли в процессе эрозии и переносящей растворенные минеральные вещества и органику;

· в-третьих, гидросфера стала глобальным аккумулятором органического и неорганического веществ, образующихся в водоемах и переносящихся реками и атмосферными потоками.

В ходе развития промышленности резко увеличилась потребность в пресной воде. Сейчас ежегодно на бытовое, промышленное и сельскохозяйственное водоснабжение в мире расходуется до 3500 км³ пресной воды, причем огромное число составляет ежегодный прирост - 10 км³. Испаряется около 150 км³ в год, остальная вода возвращается в виде стоков.

Наибольший объем пресной воды расходуется в сельском хозяйстве - около 70% всего потребления.

Использование воды в хозяйственной деятельности.

Водопользование и водопотребление

Выделяют два способа использования воды в хозяйственной деятельности: водопользование (общее и специальное) и водопотребление.

Общее водопользование - это использование водных объектов без применения сооружений и технических средств, осуществляемое физическими и юридическими лицами без необходимости получения лицензии на водопользование (удовлетворение питьевых потребностей населения и домашних животных, водный туризм, купание и т.д.).

 

Специальное водопользование – это использование водных объектов с применением сооружений, технических средств и устройств, осуществляемое физическими и юридическими лицами только при наличии лицензии на водопользование (гидроэнергетика, лесосплав и т.д.).

Водопотребление – это использование водных объектов, сопровождаемое забором воды для хозяйственно-питьевых нужд, промышленности, сельского хозяйства и т.д. При этом вода может возвращаться и не возвращаться обратно в водоем.

Вода используется как сырье, применяется в технологических процессах как растворитель, как охладитель, для подогрева, мойки и т.д.

Классификация вод по целевому назначению

Рис.11. Классификация вод по целевому назначению

Хозяйственно-питьевая вода должна соответствовать требованиям качества, которые регламентированы ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая».

Основным требованием к качеству поливной воды является недопущение засоления почв после испарения воды. Сульфаты магния и натрия, углекислый и хлористый натрий засолоняют почвы и делают ее непригодной для агротехнических целей.

Четко сформулированных регламентаций качества воды для орошения нет, однако, практика показывает, что минерализация поливных вод не должна превышать 1,5 г/л.

Энергетическая вода используется для нужд паросилового хозяйства: питания паровых котлов АЭС, ТЭС, котельных и т.д. Энергетическая вода не должна образовывать накипи, вызывать коррозию металла, вспениваться.

Охлаждающую воду используют для непрерывно работающих агрегатов или для отведения теплоты от производственных продуктов. Воду для охлаждения обычно используют многократно.

Качество охлаждающей воды нормируется условиями ее применения. Она не должна давать отложений в трубах и аппаратах, не должна содержать крупных минеральных взвесей, большого количества ионов железа, а также органических веществ.

При производстве железобетонных изделий и конструкций вода расходуется на промывку трубопроводов, бетоновода, системы подачи смазки, системы приготовления смазки, на охлаждение рабочих органов машин, чистку кассет, приготовление шпаклевки, испытание трубопроводов, смачивание формуемого изделия и т.д. На каждый кубометр бетона затрачивается в среднем 200...300 кг воды.

Вода для технологических нужд промышленности в зависимости от ее целевого использования должна отвечать самым разнообразным требованиям. Так, в воде, используемой в горнодобывающей промышленности при добыче, отмывке, сортировке, гидротранспорте и обогащении полезных ископаемых, должны отсутствовать грубые взвеси. Весьма специфические требования предъявляют к воде, используемой для обработки готовой продукции, а также к воде, входящей в состав продукта.

 

Загрязнение атмосферы, примеси естественного и искусственного происхождения. Образование твердых, жидких и газообразных загрязнений.

В результате выбросов загрязняющих веществ из различных источников развивается загрязнение атмосферы. Загрязнением атмосферы является присутствие в ней газов, паров, твердых частиц и жидких веществ, изменяющих ее физико-химический состав и свойства, угнетающе действующих на живые организмы.

Загрязнение атмосферы вызывают естественные или искусственные (антропогенные) источники, которые могут выбрасывать твердые, жидкие, газообразные и смешанные загрязняющие вещества (рис. 14).

Загрязняющие вещества могут оказывать вредное воздействие непосредственно, после химических превращений в атмосфере, либо совместно с другими веществами.

Рис. 14. Классификация загрязнений атмосферы

К искусственным загрязнениям, являющимся следствием деятельности человека, относят промышленные, транспортные и бытовые выбросы в атмосферу в виде газов, туманов, пыли, сажи.