Защитные механизмы. Они также определяются возможностью приспособления к неблагоприятным и меняющимся климатическим условиям.

Биотический потенциал представляет разность между максимальной, или физиологической, рождаемостью и минимальной, или физиологической, смертностью и, следовательно, является величиной, постоянной для вида: r_max = b_max - d_min

Общее свойство биотического потенциала сводится к тому, что у всех видов он достаточно высок для того, чтобы привести к стремительному, экспоненциальному росту численности популяции в благоприятных условиях.

Для обозначения этого явления часто используют термин "популяционный взрыв", который точно отражает стремительность протекающих процессов.

Экспоненциальный рост (впервые установлен Мальтусом) характерен в эксперименте и при заселении новых местообитаний для интродуцированных видов в благоприятных условиях.

Разница между биотическим потенциалом и скоростью роста в реальных полевых условиях является оценкой меры сопротивления среды, которая характеризует сумму всех лимитирующих факторов среды.

Изменение популяции какого-либо вида - это результат нарушения динамического равновесия между биотическим потенциалом этой популяции и сопротивлением окружающей ее среды.

Любое увеличение численности популяции сталкивается с препятствиями, ограничивающими рост численности.

Сочетание этих ограничивающих факторов называют сопротивлением среды.

Сопротивление среды слагается из сочетания всех возможных ограничителей численности популяции: нехватка питания; нехватка воды; нехватка подходящих мест обитания; неблагоприятные погодные условия; хищники; паразиты; конкуренты; болезни; поведенческие механизмы, нарушающие жизнь популяции при ее избыточной исленности.

Сопротивление среды зависит от плотности популяции, то есть от численности особей на единицу площади. Оно резко увеличивается при увеличении плотности популяции.

Связь типа динамики популяций и биологических особенностей организмов лежит в основе концепции экостратегий (Макартор, 1967).

Выделены следующие типы стратегии:

r-стратеги - отбор на количество: максимальная скорость размножения в момент освоения территории; имеют явное преимущество при заселении территории;

k-стратеги - отбор на качество: выигрывают конкуренцию в зрелых сообществах.

Рост численности происходит до определенного уровня.

Если этот уровень достигается, то численность начинает снижаться за счет неспециализированных хищников, специализированных хищников, паразитов (болезней), конкуренции.

Все популяции живут в сообществах, которое представляет собой совокупность популяций, которые достаточно долго проживают совместно на определенной территории.

Физиологический оптимум - оптимальное сочетание абиотических факторов.

Синэкологический оптимум - оптимальное сочетание биотических факторов.

Чаще вид живет в синэкологическом, а не в физиологическом оптимуме.

Экологическая ниша - место, которое функционально занимает данный вид.

Фундаментальная ниша - теоретическая ниша, которую может занимать вид.

Реализованная ниша - та ниша, в которой реально живет вид (меньше фундаментальной).

УЧЕНИЕ О СООБЩЕСТВАХ (СИНЭКОЛОГИЯ)

В природе популяции разных видов, существующие совместно в пределах биотопа, взаимодействуют между собой, в результате чего численность особей может не изменяться или изменяться, может изменяться однонаправленно или разнонаправленно.

Типы взаимоотношений, при которых численность взаимодействующих популяций остается неизменной, называются нейтральными.

Нейтрализм - это нейтральный тип взаимоотношений, при котором существование популяций двух видов на одной территории не вызывает у них ни положительных, ни отрицательных изменений численности.

Если же при взаимодействии численность хотя бы в одной популяции повышается без снижения в другой, то такие взаимоотношения называются положительными, или симбиотическими.

Комменсализм - это положительный, односторонне выгодный и безразличный для другой популяции тип взаимоотношений.

Если взаимоотношения возникают на базе пищи, то такая форма комменсализма называется нахлебничество (львы и гиены, белый медведь и песцы).

Если же популяции взаимодействуют на основе местообитания, то это проявление комменсализма называется квартирантство.

Протокооперация - это положительный, двусторонне выгодный, но не обязательный для жизни тип взаимоотношений, когда взаимодействие благоприятно сказывается на жизнедеятельности обеих популяций, но каждая из них может существовать отдельно (рак-отшельник и актиния).

Мутуализм - это положительный, двусторонне выгодный и обязательный для жизни хотя бы одной из популяций тип взаимоотношений.

При нарушении мутуализма жизнь одной или обеих популяций становится невозможной (гриб и водоросль в лишайнике, клубеньковые азот-фиксирующие бактерии и бобовые).

Взаимоотношения, которые приводят к снижению численности хотя бы в одной из популяций, независимо от характера численности в другой популяции, называются отрицательными, или антагонистическими.

Прямой антагонизм - это отрицательный, двусторонне невыгодный тип взаимоотношений, который возникает между видами со сходными потребностями.

В этом случае совместное существование отрицательно сказывается на численности обеих популяций, так как в результате конкуренции они уничтожают друг друга либо путем прямого нападения, либо с помощью химических выделений.

Прямой антагонизм - это биологическая» и химическая «война» в природе (лев и тигр в борьбе за жертву, пырей и овес в борьбе за влагу и минеральные вещества).

Немецкий ботаник Х.Молиш в 1937 году ввел термин «алеллопатия» для обозначения выделения различных продуктов обмена растениями, животными и микроорганизмами, поэтому прямой антагонизм, сопровождающийся выделением химических соединений, часто называют алеллопатией.

Конкуренция - возникает, если две группы популяций нуждаются в одном и том же ресурсе.

Конкуренция может быть внутривидовой (более жесткая, т. к. ближе интересы) и межвидовой.

Если права одни и результат 50:50, то конкуренция называется симметричной, если один из видов чаще проигрывает - асимметричной.

Конкуренция может происходить в виде эксплуатации (особи мирно сосуществуют) и интерференции (открытая борьба).

Два вида сосуществующие на одной территории не могут иметь одинаковые требования существования, иначе один из них вытеснит другой.

Правило Гаузе: близкородные виды со сходными потребностями обитают часто в разных географических широтах.

Механизмы выхода из конкуренции: пространственное расхождение; временное расхождение; размерное расхождение; трофические предпочтения; поведенческие отличия;

Конкуренция за ресурс - это отрицательный, двусторонне невыгодный тип взаимоотношений, который возникает между видами, использующими одинаковые ресурсы при их недостатке

Аменсализм - это отрицательный, односторонне невыгодный для одной популяции и безразличный для другой популяции тип взаимоотношений, когда одна популяция угнетает другую, а сама при этом не изменяет свою численность (светолюбивые растения под елями, плесневые грибы и бактерии).

Хищничество - это отрицательный тип взаимоотношений, когда один вид (хищник, который как правило, крупнее жертвы) живет за счет другого (жертва) в результате его умерщвления и поедания.

По сути дела к этому типу взаимоотношений можно отнести все варианты пищевых связей.

Однако когда в качестве жертвы выступают растения, то это взаимоотношение называется растительноядностью.

Эволюция (изменение численности, выработка морфологических, физиологических и поведенческих адаптаций) жертвы и хищника происходит параллельно.

Согласно модели Лотки-Вольтерра, колебания численности хищников идут параллельно с колебаниями численности жертв.

Если число жертв увеличивается, то увеличивается число жертв (съеденных) за единицу времени и увеличится численность популяции хищников.

Паразитизм - это отрицательный тип взаимоотношений, когда одна популяция (паразит) существует за счет другой популяции (хозяин) при поселении внутри или на поверхности тела организма, так как паразит всегда меньше хозяина.

Отличия хищничества от паразитизма: хищник убивает добычу, паразит использует ее как среду обитания (более специализирован).

Паразитизм распространен среди мелких организмов - вирусов, бактерий, грибов, червей и др.

В отличие от хищничества паразитизм характеризуется более узкой специализацией видов.

Паразитами являются 10% живых организмов.

Существует два вида паразитов: экто-паразиты живут на поверхности тела (клещи, пиявки, блохи), эндо-паразиты - живут внутри тела (вирусы, бактерии)

Паразитизм может быть постоянным (гельминт), временным (комар) или периодическим (личинка), обязательным и факультативным.

Хищничество, паразитизм и конкуренция способствуют регуляции численности и формированию видового состава, обеспечивают круговорот веществ по пищевым цепям.

В реальных пищевых цепях и сетях каждый вид связан и зависит от нескольких паразитов и хищников.

Устойчивое равновесие между видами существует благодаря адаптации их друг к другу и к окружающей среде.

Они обусловлены совокупностью генов данного организма - его генотипом.

Совокупность всех признаков и всех генов данной популяции называют популяционным генофондом, причем генофонд каждого вида испытывает действие естественного отбора, способствующего выживанию и воспроизводству вида.

Группы признаков, способствующие адаптации видов к климатическим и другим абиотическим факторам, к добыванию пищи и воды (для растений), направленной на защиту от хищников и устойчивость к заболеваниям и паразитам, обеспечивающей поиск и привлечение партнеров у животных или опыление и созревание семян у растений, к миграциям у животных и распространению семян у растений.

Признаки, способствующие выживанию организма, постепенно усиливаются под действием естественного отбора до тех пор, пока не будет достигнута максимальная приспособленность к существующим условиям.

При изменении любого биотического или абиотического фактора вид, плохо приспособленный к новым условиям, может пойти по одному из трех путей:

Миграция. Часть популяции может эмигрировать, найти более подходящее местообитание и продолжить там свое существование без изменений генофонда.

Адаптация. В генофонде присутствуют гены, позволяющие некоторым особям выжить и оставить потомство в новых условиях. Через несколько поколений под действием естественного отбора сложится популяция, хорошо приспособленная к новым условиям существования.

Вымирание. Если два первых пути оказываются недостижимыми, то популяция вымрет, а ее генофонд исчезнет.

Признаки тех, кто погиб, не оставив потомства, отсеиваются из генофонда.

История жизни на Земле - история вымирания огромного количества видов. Поэтому эволюционная сукцессия представляет собой один из наиболее характерных процессов для развития экосистем на Земле.

Благодаря избирательному размножению и неодинаковому выживанию потомства происходит постепенное изменение популяционного генофонда, вплоть до того, что через несколько поколений изменившаяся популяция окажется новым видом.

Атмосфера

Атмосфера является внешней газовой оболочкой Земли и её толщина над поверхностью составляет около 3000 км.

Без пищи человек может прожить полгода, без воды - неделю, без воздуха не может прожить и двух минут.

Атмосфера защищает все живые организмы Земли от губительного влияния космических излучений и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные.

Без атмосферы колебания суточной температуры на Земле составляло бы ±200 °С.

Атмосфера не только животворный «буфер» между Космосом и поверхностью нашей планеты, носитель тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии - главные процессы биосферы.

Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).

Атмосфера, которая сегодня имеется на Земле, не всегда имела такой газовый состав.

Первоначальная атмосфера Земли была похожая на атмосферы других планет Солнечной системы, например Венеры, и состояла почти полностью из СО₂ с примесями метана, аммиака и т.п..

Нынешняя кислородно-азотная атмосфера является продуктом жизнедеятельности биосферы.

Живые организмы за миллиарды лет преобразования изначальную атмосферу, которая теперь состоит из 78,084 % азота, 20,946 % кислорода, 0,934 % аргона, 0,027 % углекислого газа и 0,009 % газовой смеси, состоящей из водорода, неона, гелия, метана, криптона и т.д.

Кроме того, в атмосфере имеются пары воды, содержание которых колеблется от 0,2 % (в полярных широтах) до 3 % (близ экватора), а также аэрозоли, то есть зависшие в воздухе чрезвычайно мелкие твердые и редкие частицы разных веществ.

Атмосфера Земли состоит из таких слоев (снизу вверх): тропосфера (высота до 18 км), стратосфера (высота до 50 км), мезосфера (высота до 80км), термосфера (1000), экзосфера (1900).

Наиболее интенсивные тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши.

Развитие гидросферы также в значительной мере зависит от атмосферы из-за того, что водный баланс и режим поверхностных и подземных бассейнов и акваторий формировались под влиянием режима осадков и испарения.

Основные составные части атмосферы - азот, кислород и углекислый газ - играют очень важную роль в биосфере.

За миллионы лет существования биосферы сложились определенные кругообороты этих газов.

Цикл кругооборота азота составляет несколько тысяч лет, а углекислого газа - всего 4 года.

За эти промежутки времени азот и углекислый газ испытают преобразования, поступая у ткани растений и животных, в состав разных минералов, чтобы потом снова возвратиться в атмосферу.

Углекислый газ - активная составная атмосферы, которая является обязательным компонентом фотосинтеза растений.

Этот газ получается во время сжигания органических веществ, гниения, выделяется с вулканическими газами.

Деятельность человека (уничтожение лесов, разорение целинных земель, сжигание минерального топлива и загрязнения океанов) приводит к увеличению количества СО₂ в атмосфере.

За последние 120 лет его содержание в атмосфере увеличился на 17 %, что вызывает значительное повышение среднегодовой температуры за счет антропогенного парникового эффекта.

В земной атмосфере углекислый газ действует как стекло в парнике: пропускает солнечный свет, но задерживает тепло разогретой Солнцем поверхности Земли.

Это вызовет разогрев планеты, известное под названием природного парникового эффекта.

При его отсутствии температура на поверхности Земли составляла - 15^ОС и был бы вечный ледниковый период.

В чем же опасность антропогенного парникового эффекта?

Повышение среднегодовой температуры Земли на 2,5°С вызовет значительные изменения на Земле, большинство которых для людей будет иметь отрицательные следствия.

Антропогенный парниковый эффект изменяет количество осадков, ветров, слои облакообразования, океанские течения, а также размеры полярных ледяных шапок.

Внутренние районы континентов становятся более сухими, а побережье влажными, зимы - короткими и теплыми, а лето - продолжительным и более жаркими.

Климатические зоны в северном полушарии сместятся на север приблизительно на 400 км.

Это вызовет потепление в зоне тундры, таяние вечной мерзлоты в высоких широтах.

С одной стороны, улучшатся условия судоходства в полярных морях, которые в значительной мере освободятся от льда, с другой - значительно возрастет количество опасных для судоходства айсбергов, в особенности в Атлантическом и Индийском океанах.

Подъем уровня Мирового океана на 2-3 м за счет таяния полярных ледовых шапок вызовет затопление многих прибрежных участков, где живут миллионы людей, мост, портов и т.п.

Например, такая густонаселенная (150 млн человек) государство, как Бангладеш, почти полностью будет затоплена, пойдет под воду Венеция и т.п.

Увеличиться засушливость в средних широтах, то есть в основных зерновых районах (Украина, черноземная зона России, Кубань, «зерновые» штаты США).

Климат здесь станет полупустынным, и урожаи зерна резко сократятся.

Кислород-активный окислитель, который принимает участие в химических реакциях в биосфере, гидросфере и литосфере.

Основная масса атмосферного азота находится в малоактивной молекулярной форме.

Основной источник кислорода, которым мы дышим и которым, надеемся, будут дышать наши потомки, это - фотосинтез зеленых растений.

В клетках растений, где есть активное соединение - хлорофилл, с помощью солнечной энергии из воды и углекислого газа вырабатывается органическое вещество, а побочным продуктом этой реакции есть свободный кислород, который выделяется в атмосферу.

Подсчитано, что около 80 % всего кислорода в атмосферу поставляет морской фитопланктон - микроскопические водоросли, которые живут у поверхности океана, 20 % кислорода вырабатывает наземная растительность, преимущественно тропические леса.

Если к середине XIX ст. содержимое кислорода в атмосфере оставался постоянным, так как его образование равнялось затратам, то ныне такая равновесомая затронутая за счет его возрастающего поглощения антропогенным фактором.

Человечество создало огромное количество потребителей О₂ и ни одного его производителя.

За счет деятельности человека количество кислорода ежегодно уменьшается на 10 млрд. т.

Аэрозоли, находящиеся в атмосфере, разделяются на четыре группы: сульфатные - вулканического и промышленного происхождения; морские (частицы морских солей); минеральные (пыль с земной поверхности) и углеводные промышленного происхождения.

Частицы аэрозолей поглощают и рассеивают тепло, которое приводит к нагреванию слоев атмосферы, обогащенных аэрозолями, и уменьшению поступления тепла к земной поверхности.

В тропосфере аэрозольные частицы находятся на протяжении дней и недель, а в стратосфере, куда они попадают с восходящими течениями воздуха - годами.

На высоте 20-45 км расположен озоновый слой, содержащий повышенное количество озона, то есть кислорода, молекула которого состоит из трех атомов (О₃) и защищающий все живое на Земле от губительного действия жестокого ультрафиолетового излучения Солнца.

Молекулы обычного двухатомного кислорода О₂, поглощают жесткое высокоэнергетическое и поэтому опасное для всех живых организмов не излучение ультрафиолетовое излучение с длиной волн меньше 315 нм.

Энергия этих ультрафиолетовых лучей расходуется на фотохимическую реакцию образования озона из кислорода.

В результате ультрафиолетовое излучение с длиной волн меньше 315 нм не доходят до поверхности Земли - озоновый слой для него такой же непрозрачный, как, скажем, черная бумага.

В последнее время наблюдения ученых показали, что озоновый слой над Антарктидой этим начал уменьшаться - в нем возникла дыра, содержимое озона в которой меньше обычного на 40-50 %, а ее площадь превышает площадь материка Антарктиды.

В Северном полушарии выявлена озоновая дыра, меньших размеров, чем над Антарктидой.

Установлено, что разрушению озонового слоя оказывают содействие фреоны и галлогены, которые вступают в реакцию с озоном и разлагают его на молекулярный кислород.

Ежегодно вырабатывается несколько миллионов тонн фреонов и их пары с восходящими потоками воздуха попадают в стратосферу, где под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы распадаются, высвобождая атомы хлора.

Хлор действует как очень сильный катализатор, превращая молекулы озона в молекулы кислорода - один атом хлора способен разложить 100 тыс. молекул озона.

В 1985 г. в Вене правительствами большинства стран мира была подписана конвенция, а в 1985 г. в Монреале протокол по охране атмосферного озона, который предусматривает обязательства к 2000 году уменьшить на 50 % потребление фреонов, а потом и совсем отказаться от них, заменив их безопасными соединениями.

Оксиды серы и азота, которые попадают в атмосферу вследствие работы тепловых электростанций и автомобильных двигателей, соединяясь с атмосферной влагой, образовывают мелкие капельки серной и азотной кислот, которые переносятся ветрами в виде кислотного тумана и выпадают на землю кислотными дождями, обеспечивая вредное влияние на окружающую среду.

Деградируют и гибнут леса, что предопределяет увеличение количества горных лавин; резко ускоряется разрушение памятников архитектуры; отравляется вода озер и прудов, гибнет рыба, исчезают насекомые в водоемах, что приводит к исчезновению птиц и животных, которые ими питаются.

Жаркие безветренные летние дни или безветренная погода осенью и зимой, если почти нет циркуляции воздуха, оказывает содействие образованию застойных явлений возле поверхности земли и резкому возрастанию концентраций вредных примесей, образованию смога в зонах транспортных развязок и на улицах с напряженным автомобильным движением.

Основными и наиболее действенными средствами борьбы с загрязнением атмосферы есть экономические, существует суровая система штрафов, размер которых зависит от количества выброшенных в воздух загрязнителей, времени выброса и т.п., контролируемых разветвленной системой санитарных станций и общественных организаций («зеленых»), которые пристально следит за потенциально опасными производствами.

Уровень загрязнения воздух зависит не только от объема выбросов промышленных предприятий и автотранспорта, а и от метеорологических условий.

Гидросфера - это водная сфера нашей планеты, совокупность океанов, морей, вод континентов, ледниковых покровов, покрывающая 71 % поверхности планеты и выполняющая четыре очень важных экологических функции:

а) является основной составной частью всех живых организмов, составляя в них от 75 до 99 %.

б) является основным механизмом осуществления взаимосвязей всех процессов в экосистемах (обмен веществ, тепла, рост биомассы);

в)является главным агентом-переносчиком глобальных биоэнергетических экологических циклов;

г) является важнейшим минеральным сырьем, главным естественным ресурсом потребления (человечество использует ее в тысячу раз большее, чем угля или нефти);

Водный пар в атмосфере выполняет функцию фильтра солнечной радиации, а на Земле - нейтрализатора экстремальных температур, регулятора климата.

Основную массу воды на планете составляют соленые воды Мирового океана - горьковато-соленая морская вода, непригодная для питья и технического использования.

Масса пресной воды на планете 2 % ее общего количества.

Основное количество (75 %) пресной воды сосредоточено в ледовых щитах Антарктиды и Гренландии, горных ледниках, айсбергах, в зоне вечной мерзлоты.

Из всего количества пресной воды лишь 0,6-1 % находится в жидком состоянии (реки, озера, часть подземных вод).

20 % всей пресной жидкой воды Земли сосредоточено в озере Байкал.

Остающаяся вода используется человечеством для своих многочисленных потребностей.

Запасы воды, сосредоточенные в составе минералов равны количеству воды в Мировом океане.

Все области хозяйства за отношением к водным ресурсам разделяют на две группы: потребители и пользователи воды.

Потребители забирают воду из источника, используют ее для производства продукции, а потом возвращают, но уже в другом месте, в меньшем количестве и другого качества.

Пользователи воду из источника не забирают, а используют ее как среду (водный транспорт, рыболовство, спорт и т.п.) или как источник энергии (гидроэлектростанции).

Промышленность использует около 20 % общего уровня потребления пресной воды.

В случае применения проточной системы вода из водного источника подается на промышленный объект, используется в процессе производства продукции, потом поступает на очистительные сооружения и после соответствующего очищения сбрасывается в водоток или водоем.

При такой системе используется большое количество воды, но частица необратимого потребления небольшая.

При оборотной системе водоснабжения отработанная вода после соответствующей очистки не сбрасывается в водоем, а многократно используется в процессе производства. Затраты воды в этом случае намного низшие.

Например, если тепловая электростанция мощностью 1 млн квт при прямоточном водоснабжении ежегодно потребляет 1,5 км³ воды, то при оборотной схеме - лишь 0,12 км³, то есть в 13 раз меньше.

Для оценки объемов промышленного водопотребления используется термин водооемкость производства - под ней понимают количество воды (м³), необходимую для производства 1 т готовой продукции.

Она составляет для добычи и обогащения руды 12-14 производства стали - 120-150 м³, меди - 500 м³, синтетического каучука - 3600 м³, капронового волокна - 5600 м³.

Наибольший потребитель воды в промышленности атомная энергетика, которая на 1 квт используют в среднему вдвое большее воды, чем тепловая электростанция.

Основным потребителем пресной воды (70 % от ее использования) является сельское хозяйство, что обусловлено в первую очередь увеличением площадей орошаемого земледелия.

Орошаемые земли дают намного больше продукции, чем неорошаемые.

Сегодня в мире орошается около 15 % площадей сельскохозяйственных угодий, которые дают свыше 50 % всей продукции.

Водоснабжение населения (20%) удовлетворяет потребности в питьевой воде и коммунально-бытовых потребности (работа предприятий бытового обслуживания, уборка улиц и зеленых насаждений, противопожарные мероприятия и т.п.).

Существует понятие удельное водопотребление, то есть суточный объем воды в литрах, которые необходимый для удовлетворения всех потребностей одного жителя города или села.

В результате интенсивного использования человечеством водных ресурсов происходят значительные количественные и качественные изменения в гидросфере.

Загрязнение гидросферы разделяют на химическ, физическое, биологическое и тепловое.

Химическое загрязнение воды происходит вследствие поступления в водоемы со сточными водами разных вредных примесей неорганической (кислоты, минеральные соли, щелочи и т.п.) и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические соединения, поверхностно-активного вещества, моющие средства, пестициды и т.п.).

Большинство из них есть токсичными (отравляющими) для жителей водоемов.

Это - соединения мышьяка, свинца, ртути, меди, кадмия, хрома, фтора и т.п.

Они поглощаются фитопланктоном и передаются дальше по пищевым цепочкам более высокоорганизованным организмам, которые сопровождается кумулятивным эффектом, который состоит в прогрессирующем увеличении содержимого вредных соединений в каждом следующем звене пищевой цепочки.

Скажем, в фитопланктоне содержимое вредного соединения будет в десять раз большим, чем в воде, в зоопланктоне (рачки, личинки и т.п.) - повысится еще вдесятеро, в рыбе, которое питается зоопланктоном, - еще вдесятеро.

В последнее время особое место среди них заняли синтетические моющие средства - детергенты.

Большинство из них содержат фосфор, что приводит росту количества фосфатов в воде водоемов, приводя к эвтрофикация водоемов - повышению их биологической производительности через накопление биогенных элементов, связанных с азотом и фосфором, «цветение» водорослей, их накопление, отмирание, что сопровождается резким снижением содержимого в воде кислорода, «замору» рыб, гибелью других водных животных.

Физическое загрязнение воды связано с изменением физических свойств - прозрачности, содержания суспензий и других нерастворимых примесей, радиоактивных веществ и температуры.

Тепловое загрязнение водоемов является особым видом загрязнения гидросферы и вызвано сбросом теплых вод от разных энергетических установок, что существенно изменяет их термический и биологический режимы.

Ученые-гидробиологи установили такую характерную последовательность действия повышенных температур на жителей озер и искусственных водоемов:

До 26^ОС - вредного влияния не наблюдается; 26-30^ОС - угнетение життедеяльности рыб; свыше 30^ОС - вредное действие на ценозы; 34-36^ОС - гибнет рыба и некоторые виды других организмов. Следует заметить, что атомные электростанции сбрасывают в водоемы, нагретую до 45 °С.

Биологическое загрязнение водной среды состоит в поступлении в водоемы со сточными водами разных видов микроорганизмов, растений и животных (вирусы, бактерии, грибки, простейшие, черви), которых раньше здесь не было

Среди биологических загрязнителей первое место занимают коммунально-бытовые стоки, в особенности если они поступают у водоема без очистки.

Все природные водоемы имеют способность к самоочищению.

Самоочищение - это разбавление сточных вод, выпадание в осадки твердых загрязнителей, химические, и другие природные процессы, которые приводят к удалению из водоема загрязнителей и оказывают содействие возвращению воды к ее первоначальному состоянию.

Но возможности самоочищения водоема имеет свои границы и большое количество загрязнителей ограничивают способность водоема к самоочищению.

Законами предусмотренная административная и уголовная ответственность за нарушение правил пользование водоемами, загрязнение их свыше установленных норм и т.п.

Загрязненные сточные воды последовательно очищают механическим, химическим и: биологическим способами.

Механическое очищение состоит в удалении из сточных вод. нерастворимых веществ (песка, намулу, глины), а также жиров, нефтепродуктов, смол и т.п.

Химическое очищение сточных вод происходит после их механического очищения путем внесения в загрязненную воду специальных веществ-реагентов, которые, вступающих в реакцию с загрязнителями, образованию безвредных соединений или нерастворимых веществ, которые выпадают в осадок и удаляются.

Биологический метод применяется для очищения вод, обработанных механическим и химическим путем и состоит в использовании природных или искусственных водоемов, в которых разводят специальные микроорганизмы, которые питаются органическими загрязнителями. примесями, имеющимися в сточных водах (органическими кислотами, белками, углеводами, фенолами и т.п.), разлагая их на простые безвредные соединения (воду, углекислый газ, минеральные соли).

Литосфера - внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору с частью верхней мантии Земли и состоит из осадочных, изверженных и метаморфических пород, которая имеет толщину на континентах 40-80 км, под океанами - 5-10 км.

Восемь элементов - кислород, кремний, водород, алюминий, железо, магний, кальций, натрий - составляют 99,5 % земной коры.

На континентах кора трехслойная: осадочные породы укрывают гранитные, а гранитные залегают на базальтовым.

Под океанами кора «океанического», двухслойного типа; осадочные породы залегают просто на базальтах, гранитного пласта нет.

В верхней части континентальной земной коры находится почва, значение которой для человека тяжело переоценить.

Почвы - органо-минеральний продукт миллионнолетней деятельности живых организмов, воды, воздуха, солнечного тепла и света.

В зависимости от климатических и геолого-географических условий почвы имеют толщину от 15-25 см до 2-3 м.

Современная почва является трехфазной системой (разнозернистые твердые частицы, вода и газы, растворенные в воде, и порах), которая состоит из смеси минеральных частиц (продукты разрушение горных пород), органических веществ (продукты жизнедеятельности биоты и микроорганизмов и грибов).

Очень важным компонентом почвы является перегной - органическое вещество, которое получается из остатков умерших растений под влиянием деятельности микроорганизмов, которые питаются углеводородами, белками, жирами, лигнином, пектином, сахаром и другими веществами, которые помещаются в растениях, перерабатывают их, раскладывают, превращают на глюкозу, аминокислоты, глицерин, хиноны и полифенолы, с помощью ферментов синтезируют гумус, грунтовой перегной, углекислый газ и воду, аммиак, окиси азота и прочие вещества, являясь важной частью биологического кругооборота веществ и энергии.

Площадь всей суши на Земле составляет 148 млн км²; 10 % этой территории занимают ледники (Антарктида, Гренландия и др.).

Вся другая территория является исчерпаемым ресурсом поверхности Земли;

33,1 % этой территории сельскохозяйственные угодья, 30,1 % - леса, 36,8 % - так называемые «другие земли» (площади, занятые населенными пунктами, промышленными предприятиями, транспортными магистралями и т.п., а также пустынями, болотами, тундрой, горами).

Под влиянием антропогенной деятельности структура земной поверхности постоянно сокращаются площади сельскохозяйственных угодий и лесов.

Сотни миллионов гектаров земель страдают от эрозии.

Оказывают содействие эрозии и пылевые бури, когда на высоту 1-3 км поднимаются миллионы тонн пыли, песка, почвы, оголяя в одних местах землю на сантиметры и даже десятки сантиметров, превращая ее на пустыню и засипая поля, сады, луга, дороги и здания в других местах слоем пыли и песка толщиной 20-50 см, а иногда даже 2-3 м.

Ветровая и водная эрозия полностью уничтожают почвы и значительно уменьшают содержимое в них азота, фосфора, калия, ряда микроэлементов - всего, от чего зависит плодородие.

Одной из наибольших бед после эрозии почв является их засоление, основная причина которого - неправильное орошение.

Недра Земли используются в нескольких направлениях: 1) для добывания полезных ископаемых; 2) сохранение редких и газообразных полезных ископаемых в естественных и искусственных хранилищах; 3) создание разных сооружений и даже целых заводов; 4) транспортных коммуникаций (метро, трубопроводы); 5) захоронение промышленных токсичных и радиоактивных отходов.

Лишь 1-5% всего объема веществ, которые добываются из земных недр, из-за несовершенства современных технологий реализуются в виде продукции производства, остаток идет в отходы и теряется на этапах производства, загрязняя окружающую среду.

Под влиянием горных разработок - развития карьеров, шахт, буровых скважин - существенным образом изменяются естественные ландшафты и экологические ситуации.

Во время подземных разработок возникают пустоты, трещины в массивах горных пород, проседание, обвалы породы, дренаж водоносных горизонтов и их осушение.

Получаются также разрывы, воронки, а на больших глубинах в горных породах имеют место удары, выбросы, набухание пород, выделение метана, сероводорода, внезапные прорывы подземных вод, в особенности опасные в карстовых районах и зонах тектонических разломов.

Поскольку руда в карьерах добывается с помощью взрывов, то от газов, которые выделяются, сильно загрязняется атмосфера, далеко вокруг понижается прочность грунтов, увеличивается трещиноватость пород, исчезают подземные воды.

Пыль и газо-дымовые твердые частицы, которые оседают на десятки километров вокруг горно-обогатительных комбинатов, загрязняют почту, урожайность которой снижается на 15-20 %.

Важным мероприятием сохранения недр является мониторинг, состоящий из наблюдения за состоянием месторождений минерального сырья (фотосъемка с помощью аэрометодов и космических методов), анализ данных о состоянии отвалов, карьеров, объем и пути миграции загрязнений, принятие соответствующих решений относительно улучшения ситуации.

Проведение рекультивационних работ является обязанностью горнодобывающих предприятий, нарушивших эти земли, причем стоимость рекультивации входит в себестоимость полученного угля, руды или других полезных ископаемых.

Рекультивация выполняется в следующей последовательности: техническая, или горно-техническая, рекультивация состоит в подготовке затронутых земель к следующему использованию в народном хозяйстве, сельскохозяйственная (подготовка земель к использованию как сельскохозяйственных угодий); лесохозяйственная (подготовка земель под лесопосадки); строительная (подготовка земель к промышленному и гражданскому строительству); водохозяйственная (подготовка к созданию на них водоемов, в частности для разведения рыбы); рекреационная (подготовка земель под объекты отдыха); санитарно-гигиеническая (консервация затронутых земель, если их рекультивация с другой целью по какой-то причине нецелесообразная).

Сельскохозяйственная рекультивация есть наиболее дорогим видом восстановления земель и осуществляется в районах развитого сельского хозяйства и благоприятных для сельского хозяйства климатических зонах на больших за площадью отвалах или карьерах.

Лесохозяйственная рекультивация большей частью проводится там, где есть возможность восстановить участки леса с ценными породами деревьев.

Водохозяйственная рекультивация осуществляется в отработанных карьерах, которые часто заполняются грунтовыми водами.

Рекреационная рекультивация проводится у городов и больших населенных пунктов с целью создания зон отдыха для населения и объединяется с водохозяйственной и лесохозяйственной.

Санитарно-гигиеническая рекультивация применяется к тем объектам, которые непригодны для использования в народном хозяйстве, а также на таких участках, как шламохранилища обогатительных фабрик и т.п.

Цель этого вида рекультивации - консервация объектов, предотвращение их вредному влиянию на окружающую среду (скажем, чтобы шламохранилища не загрязняло воздух и подземные воды вредными веществами).

Во время рекультивации выполняются такие работы: планирование поверхности затронутой земли; формирование откосов отвалов и бортов карьеров; снятие, перевозка, сохранение и повторное нанесение почвы; строительство дорог, гидротехнических и мелиоративных сооружений.

Лекция № 7. Загрязнение природных сред и нормативные показатели

Наиболее масштабные и опасные для природных объектов и человека последствия техногенеза проявляются в загрязнении природных сред.

Под загрязнением понимается привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не свойственных для нее физических, химических, информационных или биологических агентов или превышение в рассматриваемое время природного среднемноголетнего (в пределах его крайних колебаний) уровня их концентрации.

Загрязнение природных сред может быть вызвано как техногенными, так и природными процессами.

Типичным примером природного возникновения новых загрязнителей является процесс эвтрофикации - активного развития в водохранилищах синезеленых водорослей, в результате которого резко снижается содержание в воде растворенного кислорода, а в придонной части может сконцентрироваться растворенный в воде сероводород.

Численно, степень загрязнения определяется концентрациями загрязняющих веществ, соответственно в воздушном бассейне, почве, растительности, водоемах.

Максимальная концентрация загрязняющего вещества в природных средах, которая практически не влияет на состояние природных объектов получила наименование предельно допустимой концентрации или ПДК.

Для воздушной среды ПДК приводятся в мкг/м³ или мг/м³, а для водной в г/дм³, мг/дм³ или мкг/дм³.

Первоначально ПДК оценивались только по отношению к человеку и его реакции на загрязнители, однако в дальнейшем этот показатель используется и в отношении иных природных объектов: почв, диких животных, рыб, природных ландшафты в целом.

Учитывая производственные процессы и достаточно сложную и меняющуюся ситуацию с содержанием загрязняющих веществ в воздушной среде промышленных комплексов, городов и поселков понятие ПДК в отношении человека дифференцировано.

В частности, просчитываются такие показатели:

ПДК_рз.- предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в рабочей зоне;

ПДК_сс - предельно допустимые средние суточные концентрации;

ПДК_мр - предельно допустимые максимальные разовые концентрации

К_л - концентрации летальные

Аналогично воздушной среде, анализируются и концентрации загрязняющих веществ в водных источниках.

Сточные воды, которые попадают в водоем, приводят к изменению условий среды и биологического состава. Если химический состав и прочие свойства сточных вод постоянны, в водоеме складывается сообщество организмов, который отвечает новым экологическим условиям.

Разные группы организмов поэтапно разлагают углеводы, белки и жиры на более простые соединения - воду, минеральные соли (сульфаты, нитраты, фосфаты), газы (углекислый газ, водород, гидрогенсульфид, аммиак), которые потребляют из воды водоросли и высшие растения.

Водоросли при наличии солнечного излучения усваивают углекислый газ и выделяют кислород, который используется для окисления органических соединений.

Очень важную роль в процессе самоочищения сыграют низшие виды животных: простейшие одноклеточные и ракообразные. Они питаются водорослями, грибами и бактериями, предотвращая чрезмерное развитие последних и возможности вторичного загрязнения.

Мелкие животные поедаются рыбами, а рыба используется в пищу человеком и большими животными.

Так замыкается цепь биологических изменений, связанных с самоочищением водоемов.

В водоеме устанавливается биоравновесие, которое обеспечивает чистую воду.

Одним из важнейших условий, необходимых для хода биологических и биохимических процессов в процессе самоочищения воды, есть наличие в ней свободного кислорода.

Если количество кислорода достаточно для биологических преобразований органических загрязнений, процесс самоочищения воды происходит беспрерывно с поддержанием в среде достаточного содержания кислорода.

Если кислорода в воде недостаточно, его может не хватить для поддержания жизненных процессов: аэробная среда в таком случае превращается в анаэробную.

Органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением гидрогенсульфида, метана, водорода, СО, что приводит к вторичному загрязнению водоема. Этот процесс называют эвтрофикацией - накоплением в водоемах органических веществ под влиянием антропогенных факторов (загрязнение сточными водами).

Повышение биологической производительности экосистемы происходит вследствие обогащения ее питательными веществами (фосфором, азотом и др.).

Эвтрофикация вод - процесс обратимый. Эффективным средством борьбы с эвтрофикацией - прекращение поступления биогенных элементов в водоем, очищение сточных вод, агротехнические и лесохозяйственные мероприятия, которые уменьшают вынесения биогенных веществ с площади водозабора, и обогащение кислородом воды.

Скорость биологических процессов в водоеме с повышением температуры возрастает, что сопровождается более быстрым расходованием кислорода в водоеме.

Это служит причиной определенной опасности для водоемов в случае сброса в них значительного количества сточных вод летом или теплых стоков.

Летом кислород расходуется значительно быстрее, чем зимой.

Ширина водоохраной зоны зависит от длины реки и составляет на расстоянии от 11 до 50 км от их истока - 100 м, а на расстоянии более 500 км от истока - 500 м.

Ширина водоохраной зоны водоема, имеющего площадь менее 2 км², составляет 300 м.

Наибольшая ширина прибрежной зоны 55 - 100 м устанавливается при наличии крутизны склонов более 3°, на которых имеется пашня.

Грунтовая вода, которую мы используем для питья, в колодцах и неглубоких скважинах считается защищенной от попадания антропогенного загрязнения сверху, если мощность перекрывающих ее суглинков составляет 100 м.

Для обезвреживания сбрасываемых в водоем промышленных «очищенных» вод требуется их 20-кратное разбавление чистой природной водой:

Радиус площади антропогенного загрязнения окружающей среды у промышленного города с населением более 1 млн. человек: 44 км, города с населением 50-100 тыс. человек - 26 км.

Разлив нефти в водоемах из-за уменьшения содержания кислорода приводит к массовой гибели рыбы.

Причем за неделю разлагается только половина пролитой нефти.

Под качеством воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01-77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДК_в) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.

Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДК_вр) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.

Количество сточных вод, выпускаемых в сточные объекты, определяется при помощи предельно допустимого сброса (ПДС), то есть масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте.

Расчёт ПДС производится по наибольшим среднечасовым расходом сточных вод q (в м³/ч) фактического периода спуска сточных вод.

Концентрация загрязнений S'_ст выражается в мг/л (г/м³), а ПДС - в г/ч. ПДС с учётом требований к составу и свойствам воды в водных объектах определяется для всех категорий водопользования как произведение: ПДС = q х S'ст

Нормирование качества воды состоит в установлении для воды водного объекта совокупности допустимых значений показателей ее состава и свойств, в пределах которых надежно обеспечиваются здоровье населения, благоприятные условия водопользования и экологическое благополучие водного объекта.

К хозяйственно-питьевому водопользованию относится использование водных объектов или их участков в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для снабжения предприятий пищевой промышленности.

Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства.

К культурно-бытовому водопользованию относится использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения. Требования к качеству воды, установленные для культурно-бытового водопользования, распространяются на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест, независимо от вида их использования объектами для обитания, размножения и миграции рыб и других водных организмов.

Рыбохозяйственные водные объекты могут относиться к одной из трех категорий:

к высшей категории относят места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных видов рыб и других промысловых водных организмов, а также охранные зоны хозяйств любого типа для разведения и выращивания рыб, других водных животных и растений;

к первой категории относят водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода;

ко второй категории относят водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.

Предельно допустимая концентрация вещества в воде устанавливается:

для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДК_в) с учетом трех показателей вредности: ? органолептического; ? общесанитарного; ? санитарно-токсикологического.

Для рыбохозяйственного водопользования (ПДК_вр) с учетом пяти показателей вредности:

? органолептического; ? санитарного; ? санитарно-токсикологического; ? токсикологического; ? рыбохозяйственного.

Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органо-лептические свойства воды.

Общесанитарный - определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры.

Санитарно-токсикологический показатель характеризует вредное воздействие на организм человека, а токсикологический - показывает токсичность вещества для живых организмов, населяющих водный объект.

Токсикологические свойства воды определяют по содержанию азота (аммиака, нитратов, нитритов), фтора, ПАВ (поверхностно-активных веществ), фенола, цианидов, меди, свинца, цинка, хлора, никеля, цезия-137 и стронция-90.

Санитарные показатели оценивают по содержанию свободного кислорода, химическим потреблением кислорода (ХПК) и биологическим потреблением кислорода (БПК).

Содержание в воде растворенного кислорода является весьма важным показателем состояния водных объектов, так как его количество может быть существенно уменьшено в результате окисления загрязняющих воду веществ.

Содержание в воде кислорода оценивается величинами биологического потребления кислорода БПК на 1, 2, 5, ...n сутки и, соответственно обозначается БПК₁, БПК₂, БПК₅, ...БПК_n и химической потребностью в кислороде - ХПК, то есть количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мг О₂/мг вещества.

ХПК - это количество кислорода в миллиграммах или граммах на один литр воды, нужного для окисления углеродосодержащих веществ до СО₂, Н₂О, и NО₃, серосодержащих - до сульфатов, а фосфоросодержащих - до фосфатов.

БПК - количество кислорода, который расходуется за определенный промежуток времени на аэробное биохимическое окисление (разложение) нестойких органических соединений, которые находятся в анализируемой воде.

Размерность ХПК и БПК одинаковая: миллиграммы кислорода на литр (мг О₂/л).