Автотрофные и гетеротрофные организмы. Процесс формирования фитоценоза

Вопрос 1

Изучив литературу, перечислите и дайте краткую характеристику основных проблем экологии. С какими причинами связано возникновение каждой из этих проблем?

Ответ:

Экология - наука об отношениях живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой.

Экология как наука является теоретической основой охраны окружающей среды и рационального природопользования. Законы экологии были сформулированы в 1926 году американским экологом Б. Коммонером и по своей сути являются законами природы. Они сводятся к четырем основным принципам, объясняющим устойчивое развитие природы и призывающим человечество руководствоваться ими в своем воздействии на окружающую среду.

Все взаимосвязано. Биосфера Земли является равновесной экосистемой, в которой все отдельные звенья взаимосвязаны и дополняют друг друга. Нарушение какого-либо звена влечет за собой изменения в других звеньях. Например, следствием вмешательства человека в природу явилось исчезновение видов и уменьшение видового разнообразия в биоте.

Все должно куда-то деваться. Этот принцип вытекает из закона сохранения материи. Ничто в природе не исчезает, а лишь переходит из одной формы существования материи в другую.

Природа знает лучше. Человечество прошло гораздо более короткий путь развития, чем биосфера Земли. За многие миллионы лет существования биосферы Земли полностью сформировались связи, механизмы и ее отдельные звенья. Необдуманное и безответственное вмешательство людей в природу может привести к уничтожению отдельных связей между звеньями экосистемы и к невозможности возврата экосистемы в первоначальное состояние. Поэтому человечество должно научиться жить в согласии с природой.

За все надо платить. Всякая экосистема представляет собой единое целое, в котором нет ничего лишнего. Все, что человечество забирает из экосистем для удовлетворения своих нужд, должно быть возвращено или возмещено.

В соответствии с программой ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП) глобальными экологическими проблемами, возникшими в наше время в результате антропогенной деятельности, являются следующие:

1) изменение атмосферы и климата;

2) изменение гидросферы;

3) изменение литосферы - использование и добыча полезных ископаемых и землепользование;

4) изменение биоты (растительного и животного мира);

5) изменение в сельском и лесном хозяйстве;

6) демографические проблемы, в том числе проблема производства продуктов питания;

7) урбанизация - проблемы населенных пунктов;

8) влияние окружающей среды на здоровье человека;

9) проблема развития промышленного производства;

10) проблемы, связанные с производством и потреблением электроэнергии;

11) проблемы, связанные с развитием транспорта;

12) проблемы, связанные с воздействием войн на окружающую среду, а также возможные экологические последствия войн.

Вопрос 2

Составьте сравнительную характеристику автотрофных и гетеротрофных организмов и их роли в круговороте веществ.

Однако следует отметить, что в биосфере существует небольшая часть микроорганизмов, сочетающих в себе автотрофный и гетеротрофный способы питания. Такую промежуточную форму организмов между растениями и животными представляют собой жгутиковые -- эвглены, сохраняющие хлорофилл и обладающие автотрофным способом питания, а некоторые из них в зависимости от условий среды и освещения меняют автотрофный способ питания на гетеротрофный.

Вопрос 3

Выберите правильный ответ:

Процесс формирования фитоценоза на территории, где никогда не было растений, называется:

А) первичная сукцессия

Б) Вторичная сукцессия

Ответ: А) первичная сукцессия

Укажите отличительные особенности первичной и вторичной сукцессии, приведете примеры.

В зависимости от исходных условий принято различать первичные сукцессии, которые начинаются на абсолютно безжизненных субстратах, например, на дюнах, и вторичные сукцессии, начинающиеся с более благоприятных стартовых условий, например, после пожара, вырубки леса или на заброшенном поле. Вторичные сукцессии могут начинаться с более поздних пионерных видов, например, с трав или кустарников. Так, например, сукцессии на заброшенных полях начинаются с однолетних трав, бывших ранее сорняками. Затем они сменяются многолетними травами, кустарниками и деревьями. Ввиду большего исходного плодородия почвы такие сукцессии достигают климакса гораздо быстрее, чем в случаях первичной сукцессии. В последнее время для биосферы характерны именно вторичные сукцессии, что связано главным образом с деятельностью человека.

Вопрос 4

Составьте характеристику экологических групп растений по отношению к влажности и потребности в питательных веществах. Укажите, какими адаптивными морфологическими особенностями обладают эти группы растений, приведите примеры.

Весьма важным при экологическом анализе флоры является ее подразделение на группы видов, сходных по своим требованиям к отдельным факторам среды обитания (например, к условиям увлажнения, освещения, свойствам почв и грунтов и т.д.). Выделяемые таким образом группы растений носят название экологических групп, или экоморф. В основу их классификации удобнее всего положить отношение растений к увлажнению при разной кислотности (рис.).

Рисунок - Схема классификации экоморф растений (по Б.А. Быкову, 1973, с изменениями). Обозначения в тексте

В центре схемы, представленной на этом рисунке, находятся мезофиты (М) - растения, приспособленные к жизни в условиях среднего водоснабжения (средняя влажность почвы и воздуха) на нейтральных почвах. Обычно они имеют хорошо развитые листья, часто с крупными пластинками, слабо опушенными или не опушенными вовсе. Группа мезофитов наиболее распространена в умеренном поясе и представлена большим количеством форм.

От мезофитов на схеме вниз идет ряд к ксерофитам (X) - растениям, приспособленным к жизни в условиях низкого водоснабжения на нейтральных почвах и способным переносить продолжительную атмосферную и почвенную засуху (выносят увядание с потерей до 20-50% воды). В неблагоприятные периоды жизни ксерофиты прекращают рост, частично или полностью сбрасывают листья и находятся в состоянии депрессии. Промежуточное положение в этом ряду занимают мезоксерофиты (MX), которые имеют некоторые приспособления, позволяющие им переносить непродолжительную засуху. Многие растения из этой группы имеют глубокую корневую систему, обладают интенсивной транспирацией и невысокой устойчивостью к обезвоживанию тканей.

По мере увеличения увлажнения от мезофильных до гигрофильных происходит переход, соответственно, к гигрофитам и гидрофитам (на схеме - вверх от мезофитов). Гигрофиты (Hg) - влаголюбивые растения, обитающие на избыточно увлажненной почве при нейтральных условиях кислотности. Как правило, они имеют воздухоносные полости в корнях, стеблях и листьях, небольшую корневую систему, слабо развитые механические ткани. Встречаются обычно на болотах, по берегам водоемов, заболоченным лугам и лесам. Промежуточное положение между мезофитами и гигрофитами занимают мезогигрофиты (MHg).

В особую группу гидрофитов (Hd) выделяют водные растения, свободно плавающие или укореняющиеся на дне водоема и полностью погруженные в воду (иногда с плавающими на поверхности листьями или выставленными над водой соцветиями).

На правой ветви схемы помещен аналогичный ряд для растений галофитов (Hа), представленных солеустойчивыми видами, обитающими в щелочной среде. К ним относятся галоксерофиты (НаХ), галомезоксерофиты (НаМХ), галомезофиты (НаМ), галогигрофиты (НаHg) и галогидрофиты (HaHd).

Слева на схеме располагаются оксилофиты (Ox) - растения, произрастающие в условиях кислых почв и вод при плохой их аэрации в результате постоянного или длительного полного насыщения почвы застойной водой. К ним принадлежат оксиломезофиты (ОхМ), оксиломезогигрофиты (OxMHg) и оксилогигрофиты (OxHg).

В качестве дополнительных экологических особенностей растений могут рассматриваться их псаммофильность, психрофильность и литофильность (на схеме эти группы не отражены). Псаммофиты (Pm) - растения, приспособленные к жизни на песках и имеющие целый ряд своеобразных признаков - не засыпаемые песком пузырчатые или щетинистые плоды, песчаные чехлики вокруг корней, способность давать придаточные корни и корнеотпрыски (для перенесения завевания и развевания песков). Психрофиты (Ps) - холодостойкие растения влажных почв. Литофиты (Li), или петрофиты, - растения, приспособленные к существованию на скалах и других каменистых субстратах.

Состав экоморф растений какой-либо территории, типа растительности или фитоценоза, выраженный в процентном соотношении различных групп, по аналогии с биологическим спектром носит название экологического спектра. Его анализ позволяет устанавливать более тонкие экологические различия конкретных местообитаний, чем при анализе биоморф.

Вопрос 5

Сформулируйте принцип оптимальности. В чем заключается его сущность? Приведите примеры.

Если не считать, что камень заранее «просчитывает» траекторию своего движения, приходится признать, что природа из всех возможных законов выбрала только те, которые подчиняются вариационным принципам. Это положение можно назвать принципом оптимальности законов природы. Этот закон действует на всех уровнях мироустройства. Например, одной из аксиом, на которых строится современная экология, является третий закон Коммонера: природа знает лучше.

Под оптимальным можно понимать такое состояние системы в целом, которое практически не изменяется или изменяется минимально возможным образом при различных вариациях внутренней структуры (такое состояние еще называется равновесным). Наиболее показательным в этом смысле является именно принцип наименьшего действия. Так если среди возможных путей, соединяющих исходную и конечную точки траектории (рис.6), провести несколько траекторий и просчитать по каждой из них величину действия, а затем чуть изменить (поварьировать) каждую из этих траекторий, то практически для всех траекторий величина действия существенно изменится, и только для параболической (то есть верной) траектории величина действия окажется практически той же. Это напоминает решение задачи математического анализа по нахождению экстремума (оптимума) функции, только функция в данном случае имеет интегральный характер и называется функционалом, и минимальное значение функционал принимает не при каком-то значении аргумента, а при какой-то форме траектории (в данном случае).

Типичным проявлением принципа оптимальности является, по-видимому, принцип роста энтропии (второй закон термодинамики), который в данном случае можно сформулировать следующим образом: любая система стремится к состоянию, в котором любые вариации данного состояния не приводят к существенному изменению энтропии, которая в данном состоянии принимает значение, близкое к максимально возможному.

Резонно возникает вопрос: если в любой момент времени природа реализует только оптимальные состояния и процессы, почему же в мире так много абсурда, ошибок, далеких от понятия оптимальности? Разве есть какая-то оптимальность в поведении мухи, бьющейся о стекло? Оказывается, есть, так как в данном случае муха задействует один из самых эффективных алгоритмов поиска оптимального решения, метод случайного поиска, который гарантирует, что решение рано или поздно будет найдено, если оно в принципе возможно. Природа очень часто задействует подобные алгоритмы оптимизации. Без определенной доли ошибки, абсурда, случайности природа не смогла бы развивать и усложнять свои формы. Системы, структура которых лишена ошибки, не способны развиваться (находить оптимум). Поэтому они довольно быстро разрушаются (накапливают ошибку).

Вопрос 6

Укажите, какие факторы формируют экологическую ситуацию в крупных промышленных районах. Ответ подтвердите примерами.

Современная промышленность закладывает материальную основу человеческой жизни. Большая часть основных потребностей человека может быть удовлетворена через посредство товаров и услуг, предоставляемых промышленностью. Воздействие промышленности на окружающую среду зависит от характера ее территориальной локализации, объемов потребления сырья, материалов и энергии, от возможности утилизации отходов и степени завершенности энергопроизводственных циклов.

Все промышленные узлы, центры и сложные производства отличаются по “букету” загрязняющих веществ. Каждая отрасль и подотрасль по-своему “вламывается” в окружающую среду, имеет свои уровни токсичности и характер воздействия, включая здоровье человека.

Минерально-сырьевой и топливно-энергетический комплексы.

Концепция природопользования, сложившаяся в нашей стране, традиционно рассматривала МСК и ТЭК в качестве фундамента общественного производства. К тому же эти две отрасли заняли ведущее место в стоимости экспорта страны (75% и более). МСК и ТЭК- главные источники промышленного загрязнения окружающей среды.

Специфика горного производства:

· невозобновимость минерально-сырьевых ресурсов;

· долгосрочный характер освоения месторождения и длительное воздействие на среду;

· межрегиональное загрязнение (водного и воздушного бассейна);

· прямое изъятие земельных площадей, нередко значительных, нарушение и даже гибель естественных ландшафтов, изменение рельефов, рост напряжений в массивах горных пород, нарушение режима поверхностных и подземных вод, искажение гравитационного, геофизического полей, создание геохимических аномалий;

Нефтегазодобывающая промышленность.

Насчитывает свыше 100 нефтегазовых, газоконденсатных и газовых месторождений. Эксплуатационный фонд представлен 2,7 тыс. скважин. Значительная часть месторождений уже на 80-85% выработана. Из 39 известных в крае продуктивных нефтеносных площадей до 90% всей добычи дают Дыш, Николаевская, Ключевая, Ахтырско - Бургундинская и Абино - Урупская площади. На остальные приходится не более 10-12% всей добычи. Нефтеносные пласты залегают на разной глубине, имеют разный характер вмещающих пород и разные условия извлечения нефти.

Топливно-энергетический комплекс.

Косвенно ТЭК воздействует на состояние окружающей среды, выступая как крупный потребитель продукции других отраслей, тем самым расширяя их вклад в загрязнение различных природных сред. Например в нашей стране энергетический комплекс потребляет 65% всего производства труб, 20% - черной металлургии, 15% меди и алюминия, 13-18% цемента, свыше 15% продукции машиностроения, производимой в стране. В то же время это влияние взаимно. На производство 1т. стали расходуется энергии в пересчете на нефть 6-8т., на 1т. алюминия - 11-15 т.

Главный путь повышения рационализации использования топливо - энергетических ресурсов - их экономия, структуризация по видам использования и повышения роли нетрадиционных видов энергоресурсов в производстве энергии.

Ядерная энергетика.

Рост потребления энергии и ее производства в глобальном плане может вызвать следующие опасные последствия:

· климатические изменения из-за парникового эффекта, вероятность которого повышается в связи с ростом накопления в атмосфере планеты углекислого газа, выбрасываемого энергетическими установками;

· проблема обезвреживания и захоронения радиоактивных отходов и демонтированного оборудования ядерных реакторов после окончания срока их службы;

· рост вероятности аварий в ядерных реакторах;

· рост площадей и уровней подкисления окружающей среды;

· загрязнение атмосферного воздуха в городах и промышленных районах в результате сжигания ископаемых энергоносителей.

Обрабатывающая промышленность как загрязнитель окружающей среды.

Специфика воздействия обрабатывающей промышленности на окружающую среду заключается в многообразии загрязнителей для среды и самого человека. Главные каналы воздействия - техногенная обработка вещества природы и его изменения в ходе обработки, реакция на воздействия технологических процессов (расщепление, изменение состава). В процессе производства и потребления вещество природы настолько видоизменяется, что превращается в токсичный материал, негативно воздействующий как на природу, так и на человека.

Особенностью обрабатывающей промышленности является сходство состава загрязнителей, выбрасываемых предприятиями различных отраслей производства, но использующих сходные материалы, сырьё и полуфабрикаты.

Наибольшую опасность для окружающей среды и человека представляют химическая, нефтехимическая и биохимическая промышленность.

Химическая промышленность - одна из динамичных отраслей обрабатывающей промышленности. Она проникала во все стороны жизни: производство лекарств, препаратов, витаминов и т.д. Всё это способствовало росту качества жизни и уровня материальной обеспеченности общества. Однако изнанка этого уровня является рост отходов, отравление воздуха, водоёмов, почвы.

Лесопромышленный комплекс.

Хорошо известно, что площадь лесов катастрофически сокращается под ударами всёвозрастающих потребностей древесины и в пахотных площадях в связи с ростом общей численности человеческой популяции.

Виды нарушения экологичности использования лесных ресурсов :

· нарушение действующих правил и норм лесопользования ;

· технология трелевки и вывозки древесины противоречит защитным функциям горных лесов (применение гусеничных тракторов ), приводит к разрушению почвенного покрова, сдирания лесной подстилки, усиление эрозионных процессов, уничтожению подроста и молодняка;

· лесовостоновительные работы не успевают за вырубкой леса в силу плохой приживаемости посадок, как следствие в небрежности в уходе.

Вопрос 7

Назовите критерии оценки качества окружающей среды. Какие организации этим занимаются? Приведите примеры.

Ядами или токсикантами называют вредные вещества, воздействующие на организм или экосистемы.

Токсикология - наука о потенциальной опасности воздействия вредных веществ на живые организмы и экосистемы.

Основными задачами токсикологии являются:

а) установка токсикологических характеристик технологических процессов, дающая возможность обосновать рекомендации по такому изменению производства, которое уменьшает количество или исключает вредные полупродукты или побочные соединения;

б) формулирование медико-технических требований к планированию производственных помещений, к аппаратуре, к санитарно-техническому оборудованию (в том числе очистному или рассеивающему) и в случае необходимости к индивидуальным средствам защиты.

В основе этого лежит установление предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в различных средах. Критерием оценки загрязнения окружающей среды является сравнение практических концентраций примесей в этой среде с ПДК. Нормы ПДК являются исходной базой для проектирования и экспертизы новых машин и механизмов, технологических линий, промышленных сооружений и предприятий, а также для расчета вентиляционных, газопылеулавливающих, кондиционирующих и других очистительных систем, контролирующих приборов и систем сигнализации. ПДК различных веществ в разных средах устанавливаются по лимитирующему признаку вредности: санитарно-токсикологическому, обще санитарному или органолептическому.

Для воздушной среды

ПДКрз - это предельно допустимая концентрация вещества в воздухе рабочей зоны (мг/м3). Эта концентрация при ежедневной (кроме выходных дней) работе в пределах 8 часов или при другой продолжительности рабочего дня (но не более 41 часа в неделю) в течение всего рабочего стажа не должна вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки настоящего и будущего поколений. Рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой находятся места постоянного или временного пребывания работающих.

ПДКмр - предельно допустимая максимальная разовая концентрация вещества в воздухе населенных мест (мг/м3). Эта концентрация при вдыхании в течение 20 минут не должна вызывать рефлекторных (ощущение запаха, световой чувствительности и т.д.) реакций в организме человека.

ПДКсс - предельно допустимая среднесуточная концентрация вещества в воздухе населенных мест (мг/м3). Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неограниченно долгом вдыхании.

Загрязняющие вещества по степени воздействия на организм человека разделены по следующим классам опасности (ГОСТ 12.1.007-76):

I - чрезвычайно опасные (ПДКрз< 0,1 мг/м3);

II - высоко опасные (ПДКрз = 0,1 - 1,0 мг/м3);

III - умеренно опасные (ПДКрз = 1,0 - 10,0 мг/м3);

IV - мало опасные (ПДКрз> 10,0 мг/м3).

Концентрация вредного вещества в воздухе производственных помещений не должна превышать ПДКрз, в воздухе для вентиляции производственных помещений - 0,3 ПДКрз, в атмосферном воздухе населенных пунктов - ПДКмр, в зоне отдыха и курортов - 0,8 ПДКмр.

За рубежом, например в США, часто пользуются другим выражением концентрации:

млн.^-1 = 1 объем загрязнения / 106 объемов загрязненного воздуха = 10-4% (объемных).

Для пересчета концентрации используют соотношение

где М - молекулярная масса загрязнителя;

24,5 - объем в литрах 1 моль газа при 25°С и 760 мм рт.ст.

Для водной среды

ПДКв - предельно допустимая концентрация вещества в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (мг/л). Эта концентрация не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни, а также на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.

ПДКвр - предельно допустимая концентрация вещества в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (мг/л).

Интегральные показатели:

а) БПК - биохимическая потребность в кислороде (мг O2/л), т.е. убыль растворенного кислорода, использованного в биохимических процессах окисления органических веществ (исключая процессы нитрификации), за время инкубации пробы 2, 5, 10, 20 суток (БПКп - за 20 суток, БПК5 - за 5 суток);

б) ХПК - химическая потребность в кислороде, определенная бихроматным методом, т.е. количество кислорода, которое эквивалентно количеству окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в 1 литре воды (мг O2/л).

По отношению БПКп/ХПК судят об эффективности биохимического окисления растворенных веществ.

Для почвы

ПДКп - предельно допустимая концентрация вещества в пахотном слое почвы (мг/кг). Эта концентрация не должна вызывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды, на здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы.

Для продуктов питания

ПДКпр (ДОК) - предельно допустимая концентрация (допустимое остаточное количество) вещества в продуктах питания (мг/кг).

При отсутствии норм ПДК для различных сред устанавливают временный гигиенический норматив ВДК (ОБУВ) - временно допустимая концентрация (ориентировочно безопасный уровень воздействия) вещества. Временный норматив устанавливают на определенный срок (2-3 года), затем пересматривают.

Различные вещества могут оказывать сходное неблагоприятное воздействие на организм (в офсетной печати - фенол и ацетон; в высокой печати - оксид азота (IV) и формальдегид), т.е. обладать эффектом суммации негативного воздействия. Их концентрации в этом случае должны удовлетворять условию

где С1, С2, ..., Сn - концентрации вредных веществ, обладающих эффектом суммации;

ПДК1, ПДК2, ..., ПДКn - предельно допустимые концентрации этих веществ.

Основными организациями, контролирующими выбросы предприятий, являются санитарно-эпидемиологические станции (СЭС), территориальные управления Госкомитета гидрометеорологии и контроля природной среды, Государственная инспекция по контролю за работой газоочистных и пылеулавливающих установок и т.д.

В целях предотвращения загрязнения окружающей среды для каждого источника загрязнения и для всего предприятия в целом устанавливаются научно-технические нормативы - предельно допустимые экологические нагрузки на окружающую среду (ПДЭН). Для выбросов вредных веществ в атмосферу - предельно допустимый выброс (ПДВ), для сброса сточных вод - предельно допустимый сброс (ПДС).

ПДВ (г/с) - это максимальное количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу в единицу времени, которое в сумме с выбросами из других источников загрязнения не создает приземной концентрации загрязнителя, превышающей значение ПДК.

ПДВ одних и тех же вредных веществ, используемых в различных регионах и на различных предприятиях, могут не быть одинаковыми. Они устанавливаются с учетом рельефа местности, метеорологических условий, фоновых концентраций и характера выбросов.

Если в воздухе населенного места концентрация загрязняющего вещества больше ПДК, а величина ПДВ действующего предприятия по объективным причинам не может быть достигнута, то в этом случае предусматривается поэтапное снижение количества загрязнителя, и на каждом этапе устанавливается временно согласованный выброс (ВСВ), (г/с).

При установлении ПДВ и ВСВ необходимо учитывать фоновые концентрации, значения которых выдаются предприятию территориальными надзирающими организациями. Для городов с населением менее 250 тысяч человек приняты следующие нормы фоновых концентраций веществ (мг/м3): SO² - 0,1; NO² - 0,03; CO - 1,5; пыль - 0,2.

ПДС (г/с) - это максимальное количество загрязняющих веществ, сбрасываемых в водный объект со сточными водами в единицу времени, которое у первого расчетного пункта водопользования не создает концентрации загрязнителя, превышающей ПДК.

Если для действующего предприятия величина ПДС по объективным причинам не может быть достигнута, то в этом случае предусматривается поэтапное снижение количества загрязнителя и на каждом этапе устанавливается временно согласованный сброс (ВСС), (г/с).

Список литературы

1. Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек. - М.: Высшая школа, 1980. - 424 с.

2. Кормилицын В.И. Основы экологии. - М. Интерстиль, 1997. - 365 с.

3. Акимова Т.А. Экология. - М.:ЮНИТИ, 1998. - 455 с.

4. Методические указания. Экология. - Хабаровск: ДВГУПС, 2003. - 65с.

5. Экология и безопасность жизнедеятельности / Под ред. Л.А. Муравья. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. - 447 с.