Курс лекций по дисциплине «Экология» Лекция 1 Экология – это наука о взаимоотношении живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Изучает надоргаизменные уровни организации живой материи. Уровни организации живой материи: 1. молекулярный 2. клеточный 3. тканевый 4. органный 5. организменный 6. популяционно-видовой 7. биогеоценнозный 8. биосферный Популяционно-видовой уровень Вид-это совокупность особей обладающих наследственным сходством, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленное к определенным условиям жизни и занимающим в природе определенный ареал. Виды отличаются друг от друга по следующим признакам: морфологический - сходство внешнего и внутреннего строения генетический – каждый вид имеет определенный набор хромосом физиологический – сходство всех процессов жизнедеятельности географический – место положения вида - ареал Экологический – совокупность факторов внешней среды, в которых существует вид Примерно 1млн.700тыс. видов, но может быть и в несколько раз больше. Популяция – форма существования вида, совокупность особей одного вида который длительно существует и занимает определенную часть ареала относительно обособленно. Ей свойственен рост, развитие, способность поддержания существования в постоянно меняющихся условиях. Постоянно возникающие наследственные изменения, идет борьба за существование и происходит естественный отбор. Характеристики популяции: Численность, для каждого вида существует минимальная численность и если количество особей популяции меньше чем эта число, то популяция может погибнуть Плотность, для каждого вида характерна своя оптимальная плотность, зависящая от размера, и от того является ли животное хищником или травоядным и.т.д. 1 Рождаемость и смертность Возрастной состав Биогеоценозный уровень Биоценоз – это совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования (пруд, поляна). Биогеоценоз или экосистема – любая совокупность взаимодействия живых организмов и условий среды, функционирующие как единое целое за счет обмена веществом, энергией и информацией. Взаимосвязанный комплекс живых и неживых компонентов Земли. Размер экосистемы может изменяться в широких пределах (от муравейника до мирового океана). Крупные экосистемы называются биомы. Биосфера – самая крупная экосистема Земли. Она не образует сплошного слоя, а как бы пропитывает другие геосферы планеты, охватывая всю гидросферу, верхнюю часть литосферы (до 3 км.) и нижнюю часть атмосферы (до 30км.). Биосфера – это совокупность частей земных оболочек, которая заселена живыми организмами, находятся под их воздействием, занята продуктами их жизнедеятельности. Учение о биосфере – Вернадский В.И. в середине 20 века. В соответствии с его учением биосфера состоит из: Живого вещества – биомасса современных животных и растений Биологическое вещество – все формы детрита (разложения), а так же торф, уголь, нефть и газ биогенного происхождения. Биокостное вещество – смесь биогенных веществ с минеральными породами не биогенного происхождения (почва, ил, природные воды). Косное вещество – горные породы и минеральные осадками, не затронутыми прямым биохимическим воздействием Живое : биогенное : Биокостное 1 20 4000 Суммарная биомасса 1,4 трлн. тон, ежегодная продукция (прирост) в 10 раз больше. 97% биомассы зеленые растения. Живые организмы обуславливают преобладающую часть химических превращений на Земле и таким образом выполняют огромную преобразующую роль. В течение эволюции живые организмы пропускали тысячи раз через себя весь объем мирового океана, всю атмосферу, большую часть почвы, огромную массу минеральных веществ, а так же видоизменили всю земную среду. Лекция 2 Основные функции биосферы: 2 1.Газовая – выработка кислорода и его использование живыми существами, постоянно обменивающимися кислородом и углекислым газом в процессе реакции фотосинтеза и дыхания. 2.Концентрационная – способность живых организмов извлекать из воздуха и водных растворов определенные вещества и увеличивать их концентрацию в своем теле. 3.Окислительно-восстановительная – многие вещества в природе очень устойчивы, не окисляются и не восстанавливаются в стандартных условиях (N2, целлюлоза). Однако с помощью ферментов живые организмы легко переводят их в другое состояние 4.Информационная – живые организмы способны воспринимать, хранить, и перерабатывать молекулярную информацию. 5.Средообразующая и средорегулирующая – с помощью выше перечисленных функций создание и поддержка определенного состояния атмосферы, гидросферы и почвы. Основные принципы функционирования природных систем. Пищевые взаимоотношения. По типу питания все организмы делятся на: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы – это организмы образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ (СО2, и Н2О) по средствам фотосинтеза и хемосинтеза (продуценты). При этом энергии солнца накапливается в виде энергии химических связей органических соединений. Хемоавтотрофы – бактерии используют не энергию солнца, а энергию химических реакций (окисление сероводорода, аммиака, железа) для синтеза органических веществ. В природных экосистемах играют не значительную роль, кроме нитрифицирующих бактерий. Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме. Гетеротрофы – это организмы, которые питаются готовыми органическими веществами. Подразделяются на несколько категорий: 1. Консументы – потребляют органические вещества живых организмов (волк) а) Первого порядка – питаются автотрофами (травоядные животные, насекомые) б) Второго порядка – питаются первым порядком (хищники) Деятельность консументов способность превращать и перемещать органические вещества в экосистемах, а так же частичная их минерализация и рассеивание энергии накопленной продуцентами. 2. Сапрофаги – организмы, которые питаются мертвым органическим веществом (т.е. остатками растений и животных). а) Детритофаги, начинают процесс разложения детрита (гнилостные бактерии, черви) 3 б) Редуценты, бактерии и низшие грибы, они завершают деструктивную работу детритофагов, доводят разложение органического вещества до полной минерализации и возвращают в экосистему минеральные вещества, которыми питаются продуценты. Все группы организмов в экосистеме тесно взаимосвязаны между собой, их функционирование поддерживает структуру и целостность экосистемы. Биомасса каждого уровня пищевой пирамиды уменьшается более чем в 10 раз. Основой пищевых цепей являются автотрофы и, начиная со второго звена возможны 2 типа использование энергии: то есть существуют цепи поедания – 1 тип, и цепи разложения – 2 тип. Автотрофы используют 0,1% солнечной энергии для синтеза органических веществ. Непищевые взаимоотношения: 1. Внутривидовые (отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и конкуренция и.т. д.) 2. Межвидовые: симбиоз (пчела и цветок), паразитизм (блохи), конкуренция и.т.д. Лекция №3 Экологические факторы - это свойства экосистемы, которые оказывают влияние на особей данной популяции, а также на характер их отношений с особями других популяций. Классификация факторов внешние – они воздействуют на организм, популяцию, экосистему, но не испытывают непосредственного обратного действия. внутренние – они связаны со свойствами самой экосистемы (плотность и численность популяции). главные (условия существования) – без них невозможна жизнь данной популяции второстепенные (факторы воздействия) биотические – прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания. Все они обусловлены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями абиотические – факторы неживой природы (свет, температура, давление) антропогенные – факторы, связанные с деятельностью человека техногенные – факторы, связанные с промышленным производством 4 Общие закономерности действия экологических факторов Для оптимума характерно max степень благоприятности, воздействие фактора на скорость развития организма при min затратах энергии, а также наименьшая смертность, наибольшая продолжительность жизни и высокая плодовитость. Закон лимитирующих факторов (закон Либиха) Если хотя бы один фактор находится за пределами зоны нормальной жизнедеятельности. Это приводит к угнетательному состоянию организма, а если он находится за пределами устойчивости – то к его гибели. Такой фактор называется лимитирующим. Следствие Плотность популяции наивысшая там, где все параметры среды оптимальны. Она уменьшается, но не до нуля, если значение одного из факторов будет стрессовым. Вид отсутствует, если один из факторов выходит за пределы устойчивости. Наиболее устойчивой является экосистема с большим количеством видов, так как при изменении условий меньше вероятность того, что все виды окажутся в стрессовой зоне или зоне гибели. Основные принципы функционирования природных систем 1. Получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов. Круговорот углерода 5 Особенность круговорота углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи значительная часть органические вещества, образовываются в ходе фотосинтеза, не использовалась фитофагами (не разлагаются), а погребалась под минеральными остатками. Эти органические остатки превратились в уголь, нефть, газ. В настоящее время мы добываем и сжигаем значительное количество ископаемого топлива, тем самым завершаем круговорот углерода. Это приводит к увеличению концентрации СО2 в атмосферу. Так как растения не могут поглотить возросшее количество СО2. Это приводит к парниковому эффекту и потреблению климата. Лекция №4 Круговорот азота Включает газовую и твердую фазу Содержание газов в воздухе: азот – 78% (4/5 от общего воздуха) кислород – 21% инертные газы – 0,9% (аргон, ксенон и т.д.) СО2 – 0,03…0,05% Н2, сероводород – 0,05% 3Н2 + N2 = 2NН3 +Q промышленный способ условия протекания реакции: Т=500°С, Р=1000атм В природе существует азотофиксирующие бактерии, которые переводят молекулярный азот→NH+4 – называется такой процесс аммонизация. Обеспечивают этот переход ферменты. Азотофиксирующие бактерии живут в клубеньках бобовых растений, клевера, сине-зеленых водорослях. По пищевым целях: растения→животные (насекомые) →выводится мочой →после гибели (сапрофаги) →в почвенный раствор (аммиак или соли аммония), где существуют нитрифицирующие бактерии, из-за которых протекает реакции: 6 Процесс называется нитрификация. → процесс восстановления, бактерии денитрифицирующие NO -3 + C = N2 + CO2 Процесс называется денитрификация. Круговорот фосфора В природе фосфор существует в виде фосфатов различных металлов, многие из которых растворимы в воде. Растения усваивают фосфаты из почвенных растворов и включают их в состав различных органических соединений. По пищевым цепям фосфор переходит ко всем остальным организмам экосистемы. В частности фосфор входит в состав генов и АТФ, выполняющие функцию переносчиков энергии внутри клетки. В процессе клеточного дыхания фосфор переходит в мочу и выводится из организма. Может поглощаться растениями. В отличие от углерода и азота, фосфор не дает газовой фазы. Поэтому может происходить обеднение экосистемы. Фосфор там, где осуществляется вынос фосфора вместе с урожаем. Круговорот веществ на Земле поддерживается за счет энергии Солнца, каждый компонент имеет свою продолжительность цикла (время, которое необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла один раз обернуться на Земле). Углекислый газ – цикл 300 лет Кислород – цикл 2000 лет Вода – цикл 1 млн. лет 2. Экосистемы существуют за счет незагрязненной среды и практически вечной энергии Солнца, количество которой относительно постоянно и избыточно. Поток солнечной энергии уменьшается за 100 лет на 0,00001 долю процента. Существует как бы поток энергии, который идет через экосистему. Поступающая энергия Солнца, использующая растениями и преобразуется в потенциальную энергию химических связей органических соединений. По пищевым цепям переходит к остальным организмам экосистемы. Расходуется на выполнение работы, поддержания температуры тела и т.д. В конце концов, выделяется в виде тепла. 3. При переходе на более высокий трафический уровень, происходит снижение биомассы примерно в 10 раз, т.к. большая часть получаемой энергии расходуется на осуществление жизненных функций (до 90%) существует доля биомассы предыдущего уровня не усваивается и возвращается в экосистему в идее экстриментов. Следствием этого принципа является: чем больше масса популяции, тем ниже ее трафический уровень. 7 Устойчивость экосистем Экосистема состоит из ста и даже тысячи видов. Основная причина устойчивости экосистем, это то, что отношение между всеми компонентами находится в динамическом равновесии (уравнение круговорота азота). Стабильность экосистемы предполагает, что численность популяции каждого вида остается примерно одинакова (рождаемость = смертность), рождаемость зависит от биотического потенциала, а смертность – от сопротивления среды. Биотический потенциал – совокупность факторов, способствующих увеличению численности вида. скорость размножения (как часто, количество особей из одного откладки) способность животных мигрировать, а растения рассеивать семена. сопротивление среды – совокупность лимитирующих факторов, которая не дает осуществлению популяционного взрыва (вредители, возбудители болезней, хищники) популяционный взрыв – резкое увеличение численности одного вида за счет иногда гибели других. Формула изменения численности: изменение численности = БП/СС, где БП – биотический потенциал, СС – сопротивление среды. Лекция 5 С увеличением плотности популяции увеличивается сопротивления среды, что приводит к уменьшению численности популяции. Популяционное равновесие поддерживается системами хищник-жертва и паразит-хозяин. Разные виды имеют разные пределы устойчивости и по-разному реагируют на количественные изменения любого фактора. Чем больше видов в экосистеме, тем шире пределы устойчивости всей экосистемы. Наиболее устойчивой является экосистема со многими относительно малочисленными видами. Изменение экосистемы. Изменение условий воздействует на некоторые виды неблагоприятно. В результате их численность уменьшается, и они могут исчезнуть из данной экосистемы. Другие виды от этого могут выиграть, при этом их численность возрастает, а так же могут появиться новые виды. Процесс вытеснения одних видов другими называется сукцессией. Различают первичную и вторичную сукцессию. Первичная – это процесс развития и смены экосистем на незаселенных ранее участках. Вторичная – это восстановление экосистемы когда-то уже существовавшей на данной территории (после пожара). 8 Для вторичной характерно наличие плодородного слоя почвы, поэтому вторичная сукцессия идет намного быстрее, чем первичная. Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы сохраняют относительно постоянную численность. Такие экосистемы называются климаксовыми. Основные биомы являются климаксовыми системами. Экологические нарушения это внезапное резкое увеличение численности одних видов за счет гибели других. Экологические нарушения могут возникать при внедрении новых видов или воздействий человека на природу, а так же при стихийных действиях. Изменение экосистемы могут быть такими резкими, что практически не один исходный компонент не сохраняется, то есть происходит гибель экосистемы. Естественные изменения экосистем обычно проходит по типу сукцессии, а вмешательство человека приводит к экологическим нарушениям и даже гибели экосистемы. Эволюционная сукцессия. В ходе естественного отбора виды приспосабливаются к существующим условиям. При изменении любого экологического фактора вид, плохо приспособленный к новым условиям, либо мигрирует, либо адоптируется, либо вымирает, в результате происходит эволюционная сукцессия. 4 миллиарда лет назад зародилась жизнь на Земле. 1.4 миллиарда лет назад появились сложные клетки характерные для современных растений и животных. 450 миллионов лет назад появились позвоночные. 60 миллионов лет назад появились птицы и млекопитающие. 3 миллиона лет назад появился человек. Все процессы генетических изменений, которые могут привести к образованию новых видов существующих и сейчас. Основное условие определяющие жизнеспособность вида – это его способность поддерживать равновесие с другими видами в пределах экосистемы. Человек и экология. Первобытные люди жили племенами, занимались охотой, рыболовством и собирательством. Селения их были не велики и недолговечны. 10 тысяч лет назад появилось сельское хозяйство. В связи с этим появилась необходимость обработки почвы, защита от сорняков и травоядных животных, обеспечение водой и так далее. Появилась необходимость создания все более сложных орудий труда. С этого момента люди начали создавать свою отличную экосистему от естественной экосистемы. С точки зрения мощности человеческая экосистема собой представляет исключение среди прочих экосистем. Численность людей возросла за последние 300 лет в 10 тысяч раз. Способность мыслить и создавать орудия 9 труда позволило человеку преодолеть действия лимитирующих факторов за счет: 1. Производство в изобилии продовольствия 2. создание водохранилищ 3. Создание средств борьбы с хищниками, паразитами, болезнетворными микробами 4. построение жилищ их обогрева или охлаждения Все это позволило человечеству распространяться по всей планете. Лекция 6 Развитие человеческого общества привело к глобальным экологическим проблемам: 1. Резко уменьшилась площадь ненарушенных естественных экосистем. 2. Уменьшилось экологическое разнообразие. 3. Потребление и изъятие человеком природных возобновляемых ресурсов достигло критических скоростей и их естественное возобновление. 4. Быстро уменьшаются запасы невозобновляемых природных ресурсов. 5. Отходы деятельности человека загрязняют окружающую среду, так как они содержат множество веществ, которые не утилизируются в естественных природных круговоротах. 6. Появились признаки нарушения биосферного равновесия, ослабление средообразующей и средорегулирующей функций. 7. Химическое и радиационное загрязнение ускоряет мутации, и приводят к появлению новых биологических форм. Чтобы избежать дальнейшего нарастания и углубления экологических проблем человечество должно незамедлительно принять определенные меры: 1. Ограничить рост собственной численности 2. Уменьшить степень воздействия на окружающую среду Проблемы народонаселения В 1700 году – 500 тысяч человек. Сейчас более 6 миллиардов человек. Для крупных млекопитающих такая численность беспрецедентна, биологически обусловленная численность 500 тысяч человек. Для нормального существования необходимо уменьшение прироста населения. Вклад разных стран в обеспечении прироста населения неодинаков. Поэтому показателю все страны можно разделить на 3 группы: 1.Высокоразвитые промышленные страны с высоким национальным доходом (США, Европа). 2.Умеренноразвитые страны (Латинская Америка, Северная и Западная Африка, Юго-западная Азия и.т.д.) 3.Слаборазвитые страны (Восточная и Центральная Африка, ЮгоВосточная Азия) 10 В высокоразвитых странах проживает 25% мирового населения, которое владеет 80% мирового богатства. Внутри стран богатство распределено неравномерно. В этих странах 10-15% бедных. В умеренноразвитых и слаборазвитых странах (Развивающихся) 10% богатых, нет среднего класса, а остальные бедные и очень бедные. Богатые богатеют, а бедные беднеют. Суммарный коэффициент рождаемости (СКР) – показывает среднее количество детей, которое рождает каждая женщина. Для простой воспроизводимости населения СКР равно: для высокоразвитых стран 2,03 для развивающихся стран 2,2 Реально СКР составляет: в высокоразвитых странах 1,9 в развивающихся странах 4,8 Население развивающихся стран обладает высоким демографическим потенциалом, благодаря большой доле молодых людей. При низком уровне СКР (около 2). Численность населения стабилизируется примерно через 5060 лет. В противном случае при сохранении высокого СКР за стабилизацию численности населения возьмутся такие лимитирующие факторы как голод и болезни. Естественный прирост населения определяется: Пр = (ОКР-ОКС)/10, в % ОКР – общий коэффициент рождаемости. ОКС – общий коэффициент смертности. Прирост населения показывает количество родившихся и умерших на 1000 населения за 1 год. В развитых странах ОКР=15, ОКС=9, Пр=0,6 (7 млн. человек) В развивающихся странах ОКР=31, ОКС=10, Пр=2,1 (100 млн. человек) В России ОКР=9, ОКС=15, Пр=-0,6 (-913 тысяч человек) Лекция № 7 Причины демографического взрыва резкое уменьшение детской смертности за счет проведения противоэпидемических прививок; смертность в зрелом возрасте мало влияет на рост численности населения; растущее население слаборазвитых стран ради выживания истощает пастбища, сводит леса – это угрожает всей биосфере. Через 50-70 лет, если тенденция не изменится, численность населения развитых стран будет составлять 10%. Для того чтобы прокормить растущее население, надо увеличить производство сельскохозяйственной продукции. В тоже время сегодня практически все пахотные земли основаны, а чрезмерная эксплуатация почвы уменьшает ее плодородность. Поэтому для улучшения качества жизни, нужно снизить рост численности населения. 11 Для этого есть только один способ. Уменьшение рождаемости до уровня соответствующего смертности. Это произошло в развитых странах, в которых за последние 200 лет можно заметить четкий период от «примитивной» стабильности (высокая рождаемость и высокая смертность) к современной стабильности (низкая рождаемость и низкая смертность). Этот период назван демографическим и включает в себя 4 стадии. 1. Этот период характеризует высокий уровень рождаемости и детской смертности. Население растет, но медленно. 2. В этом периоде общество научилось контролировать заболеваемость. При этом резко сокращается детская смертность, а рождаемость остается высокой. Происходит быстрый рост населения. 3. В этом периоде социальные и экономические изменения приводят к уменьшению рождаемости. В конце этой стадии численность вновь стабилизируется, поскольку низкая рождаемость компенсируется низкой смертностью. 4. Современная стабильность. Развитые страны находятся в конце третьей стадии, а развивающиеся еще на второй или в начале третьей. В настоящее время лидеры многих слаборазвитых стран поддерживают политику низкой рождаемости (в Китае снизилось СКР с 4,5 до 2,4 за 10-15 лет). Издержки на планирование семьи 2000г. составили 4,2 млрд. долларов в мире. На развитие вооружения – 1 триллион долларов в мире. Очень мало по сравнению с тем ущербом, который наносится деградацией окружающей среды. Экологический кризис. Причины экологического кризиса. 1. Тысячекратное превышение нормальной численности такого крупного консумента как человек. 2. Огромное количество вещества и энергии потребленное человеком, которое в сотни раз превышает его биологические потребности. 3. Внесение в природную среду чуждых ей веществ (пластмассы, полимеры, тяжелые металлы). Экологический кризис прошел в несколько этапов: 1. Постановочный: человечество осознало, что экологические проблемы существуют (50-60 г. XX века); 2. Программный: создаются программы по экологическому устройству мира (60-70 г. XX века); 3. Этап конкретных действий, направленных на охрану окружающей среды (с 70 г. по настоящее время) Экологические концепции 1. концепция пределов роста или ограниченного роста. Экологическую гармонию можно восстановить путем определенно пределов развития экономики, роста населения, развития научно-технического прогресса. 12 2. концепция нулевого развития. Она предполагала искусственное свертывание науки и техники до нуля. При этом антропогенная нагрузка соответствовала бы возможностям природы. 3. концепция органического роста. Рассматривается мировую экономику как региональную систему и предлагает дифференциальный подход к экологии разных регионов с учетом их экономического и культурного развития. Причем предполагается, что более богатые страны будут помогать бедным. 4. концепция глобального управления. Считается, что весь материальный мир един и взаимосвязан и экологические проблемы могут быть решены лишь усилиями всего мирового сообщества. Предлагается создать надгосударственный орган, который управлял бы охраной окружающей средой во всех странах. Лекция №8 Загрязнения окружающей среды - внесения в нее чуждых ей веществ. В зависимости от масштаба загрязнения бывают: 1. глобальное или фоново-биосферное. Обнаруживается в любой точке планеты (ДДТ есть даже в яйцах пингвинов в Антарктиде). 2. региональное. Обнаруживается в пределах значительного пространства, но не охватывает всю планету (Чернобыльская авария). 3. локальное. Охватывает небольшую территорию (вокруг какого-то предприятия). По характеру загрязнения бывают химическое – изменение концентрации различных веществ или появление новых веществ, которые отсутствовали раньше. физическое – связано с изменением физических параметров среды (шум, электромагнитное изменение, тепловое). биологическое – подразделяется на - биотическое (биогенное) – в распространении биогенных веществ (выделение веществ) микробиологическое (микробное) – в проявлении очень большого количества микроорганизмов вследствие изменении среды в результате деятельности человека. Химическое загрязнение При определении опасности вещества учитывают три показателя 1. относительная токсичность вещества 2. способность аккумуляции 3. устойчивость к распаду 1. Относительная токсичность вещества - летальная концентрация вещества, приводящая к гибели 50% особей за 96 – 120 часов. 13 № 1 2 3 4 5 6 Токсичность особо высокая высокая средняя умеренная малая очень малая ЛК50 менее 0,01 0,01-1 1-10 10-100 100-1000 более 1000 ПДК мг/л менее 0,001 0,001-0,01 0,01-0,1 0,1-10 10-200 более 200 2. Способность аккумуляции – показывает во сколько раз концентрация вредных веществ в организме выше, чем в окружающей среде. № 1 2 3 4 5 Аккумуляция сверх высокая выраженная умеренная слабовыраженная отсутствует Как более 1000 200-1000 50-200 1,1-50 меньше или равен 1 3. Устойчивость к распаду – характеризуется временем, за которое концентрация вредного вещества уменьшается в 20 раз. № Устойчивость τ95, сут. 10°С 15°С 1 малая менее 20 менее 10 2 умеренная 20-30 10-20 3 средняя 30-190 20-110 4 высокая 190-560 110-340 5 очень высокая 560-1100 340-690 6 сверх высокая более 1100 более 690 На основании всех трех показателей в комплексе выделяют 4 класса опасности: № 1к Класс опасности особо опасные вещества (ООВ) 2к высоко опасные вещества (ВОВ) 3к опасные вещества (ОВ) Основные показатели ПДК<10-5 мг/л, Как>200, τ95>180 сут. Ксенобиотики ПДК=10-4…10-5 мг/л, Как=50…200, τ95=60…180 сут. Ксенобиотики, свинец, мышьяк, CCl4, CHCL3 ПДК=10-3…10-4 мг/л, Как=1,1…50, τ95=10…60 сут. Ксенобиотики, сероводород, сульфиды 14 4к умеренные вещества (УВ) ПДК>0,01 мг/л, Как меньше либо равен 1,1, τ95 <10 сут. природные вещества (железо, хлориды, сульфиды) ПДК – предельно допустимая концентрация, при которой данное вещество еще не оказывает вредного воздействия на человека и окружающую среду. Ксенобиотики – произведенные человеком вредные, посторонние окружающей природной среде, вещества. В настоящее время окружающую среду загрязняют более 7 тыс. веществ. Основными источниками загрязнений окружающей среды являются следующие отрасли промышленности: 1. тепловая энергетика (ТЭС) – дает около 57% загрязнений (оксиды углерода, серы, азота; зола), очистку газов проводят только от золы. 2. металлургия и гальваника (оксиды серы, соединения тяжелых металлов, кислоты, щелочи) 3. транспорт (загрязнения атмосферы оксидами углерода, свинец, оксиды азота, формальдегид, продукты неполного сгорания) 4. угле- и нефтепереработка (нефть, органические вещества) 5. сельское хозяйство (минеральные удобрения, ядохимикаты) В целом в мире на планете ежегодно выбрасывается 1. в атмосферу CO2 – 20 млрд. тонн в год оксиды азота – 500 млн. тонн в год оксиды серы – 160 млн. тонн в год 2. в водные объекты 160 км3 сточных вод в год 3. в почву около 500 млн. удобрений в год около 3 млн. ядохимикатов Лекция 9 Вода в природе. Ее свойства, значение и экологические проблемы. На планете 1390 млн. куб.км. воды. Пресной 20 млн. куб. км, 97% этой воды находится в ледниках и в полярных шапках. Легко доступной пресной воды около 50 тыс. куб. км. В России 28 тыс. куб.км. из них 23 тыс. куб.км. Байкал это 22% пресных вод мира, и 88% пресных вод России. Роль воды. Все живые организмы содержат не менее 80% воды, и масса воды входящей в живые организмы составляет более 1000 куб. км. Если происходит обезвоживание организма на 10%, он теряет сознание, а если на 12% погибает. Без воды человек может прожить не более 5 суток. Жизнь зародилась в водах мирового океана. Состав крови близок к составу воды мирового океана. Вода является обязательным компонентом 15 практически всех технологических процессов. Она выступает как сырье, как теплоноситель, растворитель. Мировой океан является легкими планеты, поскольку продуцирует своим фитопланктоном половину всего кислорода. Является регулятором климата, так как поглощает в 2-3 раза больше солнечной энергии, чем суша. Лекция 10 Природная вода В соответствии с классификацией Л.А. Кульского присутствующие в воде примеси делятся на 4 группы: 1) Грубые взвеси (песок) 2) Коллоидные растворы (коллоиды, ВМС, вирусы) 3) Молекулярные растворы (газы и органические соединения) 4) Ионные растворы По степени минерализации природная вода подразделяется на 8 типов: 1) Ультрапресные (менее 0,2 г/л) 2) Пресные (0,2-0,5 г/л) 3) Слабоминерализованные (0,5-1 г/л) 4) Солоноватые (1-3 г/л) 5) Соленые (3-10г/л) 6) Повышенной солености (10-35 г/л) 7) Переходные к рассолам (35-50 г/л) 8) Рассолы (более 50 г/л) Катионы: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+ , Fe3+ Анионы:HCO3-, Cl-, SO42-, NO3-, F-, PO42Питьевая вода должна удовлетворять требованиям САНПиН: нормируется общее количество микроорганизмов. Оно должно быть не более 100, группы кишечной палочки (коли-индекс) не более 3, общая минерализация не более 1г/л, Рh от 6 до 10, содержание железа не более 0,3 мг/л, марганца-0,1мг/л, РО4 -3,5мг/л, SO4-500 мг/л. Так же нормируется жесткость воды (мг-экв/л). Она бывает постоянная и временная (устраняется при кипячении) Для удаления солей жесткости используют: 1) Химический метод – воду обрабатывают содой CaCl2+NaCO3=CaCO3+NaCl 2) Ионообменный способ Используют ионообменные смолы, которые способны обмениваться ионами с раствором. R-H + Ca2+ = R2Ca + 2H+ R-Na + Ca2+ = R2Ca + 2Na2+ R-OH + Cl- = R-Cl + OHВ питьевой воде жесткость не более 10мг-экв/л. Источники питьевой воды и ее подготовка 16 Основные источники: 1) Поверхностные воды Строятся водохранилища и перед подачей населению проводят очистку воды: - грубая фильтрация - коагуляция, коагулянты соли Al, Fe способствуют уменьшению толщины двойного электрического слоя и дзета потенциала -отстаивание -доочистка на фильтрах с загрузкой из кварцевого песка - обеззараживание УФ лучами и хлорирование (жидкий гипохлорид натрия, оксиды хлора и озонирование) Типовая схема водоподготовки не всегда обеспечивает требуемое качество воды (повышенное количество органических соединений) Более эффективной является очистка с использованием активированных углей. Для уменьшения накипиобразования используют ингибиторы коррозии в промышленности полифосфаты. 2) Подземные воды. Колодцы, грунтовые и артезианские. Грунтовые: могут загрязняться с поверхности. Артезианские: бактериологически безопасны, но могут содержать повышенное количество веществ (железо, марганец, бром, бор, сероводород, оксид серы 4). Часто можно использовать практически без очистки. Техническая вода Вода в промышленности используется: 1) в качестве охлаждающего агента – загрязнение воды не происходит, для охлаждения используют градирни. 2) в качестве растворителя 3) в качестве транспортировочной среды Методы очистки сочных вод 1) Удаление 1 грамма примесей (отстаивание, коагуляция, флотация) 2) Удаление 2 граммов примесей (коагуляция и флокуляция, флотация, ультрафильтрация) 3) Удаление 3 граммов примесей (упаривание, биологический метод, адсорбция, экстракция, озонирование) 4) Удаление 4 граммов примесей (флотация, ионный обмен, обратный осмос, дистилляция, упаривание, химические методы) Лекция 11 Потеря почвы Уменьшение площадей используемых в сельском хозяйстве происходит изза: 1) Строительств дорог, поселков, городов. 2) Создания водохранилищ 3) Открытых разработок полезных ископаемых 17 4) Эрозии почвы оказывает самое разрушающее действие – процесс захватывания частиц почвы и их вынос водой или ветром. Водная эрозия бывает: 1) Капельная 2) Плоскостная – равномерное смывание почвы с поверхностей 3) Овражная – мощными потоками воды уносится весь слой почвы, и образуются овраги Земельный Фонд России имеет много неудобных земель: 1) Вечная мерзлота (более 40%) 2) Пески и пустыни (примерно 15%) 3) Заболоченные земли (примерно 10%) 4) Высокогорье (3%) 5) Города и населенные пункты (3%) Пахотные земли 15% - 230 млн. га и из них 160 млн. га подвержены эрозии. За последние 25 лет площадь с/х угодий уменьшилась на 24%, снизилась урожайность почв. Причины потери почвы в сельском хозяйстве (выпахивание, перевыпас, сведение лесов, засоление почвы) Выпахивание увеличивает эрозию и уменьшает ее влагоудерживающую способность. Перевыпас уменьшает травянистый покров. За счет выпахивания и превыпаса происходит опустынивание 6 млн. га земли. Лесной покров наиболее эффективно предохраняет почву от эрозии, так как он принимает на себя удары капель, так же вода впитывается в лесную почву. Кроме того леса эффективно усваивают элементы питания. Засоление обычно происходит в засушливых районах и является результатом орошения. 1 причина: подземные воды в жарких засушливых районах является довольно солеными. 2 причина: воды, используемые для полива, содержат до 1 г/л солей. 30% орошаемых земель в настоящее время засолены. Борьба: 1) Ограничение выпаса 2) Восстановление лесов 3) Рекультивация опустыненых земель 4) Создание лесополос шириной 10-20 метров 5) Вспашка перпендикулярно склону 6) Террасирование (ступеньки) 7) Мульчирование – обкладка корней растений соломой, опилом, компостом и.т.д. Новые методы: 1) Безпахотное земледелие 2) Посадка многолетних культур Природопользование 18 Это процесс эксплуатации природных ресурсов в целях удовлетворения материальных и культурных потребностей общества. Рациональное природопользование – это бережная эксплуатация природных ресурсов, их охрана и воспроизводство с учетом не только настоящих, но и будущих потребностей общества. Природные ресурсы – это тела и силы природы, которые используются человеком. По заменимости: 1) Заменимые 2) Незаменимые По исчерпаемости: 1) Исчерпаемые Возобновляемые – почва, растительный и животный мир Невозобновляемые – полезные ископаемые 2) Неисчерпаемые Наибольшая бережность должна проявляться к невозобновляемым природным ресурсам. По отношению к возобновляемым ресурсам скорость их потребления не должна превышать скорость их возобновления. За последние 100 лет исчезло 68 видов млекопитающих, 72 на грани исчезновения, 232 встречаются редко. Птицы: 130 – 65 – 346 Минеральные ресурсы Ежегодно добывается 120 млн. тон. За каждые 30 лет происходит удвоение добычи полезных ископаемых. За последние 100 лет добыто столько нефти и газа, сколько образовалось за 1 млн. лет. Из недр РФ изъято примерно 50% разведанных запасов полезных ископаемых. Альтернатива ТЭС является атомная энергетика. На ТЭС производится около 70% энергии. В мире примерно 500 атомных реакторов в 32 странах мира и на них производится 17% мировой энергии. Плюсы: Запасы сырья превышают все остальные запасы топлива Экологическая чистота (относительная) Безопасность (относительная) Компактность отходов Минусы: Высокий уровень техники безопасности Сложность удаления и переработки радиоактивных отходов Леса: исчезают со скоростью 20га в минуту, 13 млн. га ежегодно. Количество кислорода в атмосфере уменьшается на 10 млрд. тон. В развитых странах осуществляется восстановление лесов благодаря низкому приросту населения, увеличение урожайности в с/х, использование отходов 19 древесины, совершенствование ухода за использование древесины в качестве топлива. В развивающихся странах все наоборот. лесами, уменьшение Лекция 12 Экологические проблемы, связанные с водой 1. качество питьевой воды а) зависит от состояния источников водоснабжения б) от состояния централизованных систем водоподготовки и водопроводных сетей в) от качества лабораторного контроля а) 68% питьевой воды используется из поверхностных источников (реки, озера); их состояние ухудшается из-за - неудовлетворенного состояния зон санитарной охраны - сокращение стока рек (400 км3 в год испаряется с поверхности водохранилищ) - сброса неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод В результате 30% проб воды поверхностных источников не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям; 24% - бактериологическим Качество подземных вод выше б) проблемы - недостаточная производительность 10% по стране не хватает - типовая схема не обеспечивает требуемого качества воды -медленно внедряются новые эффективные технологии водоподготовки -износ водопроводных сетей достигает 50% Необходимо ежегодно заменять не менее 3% труб в) В России контролируются 30 показателей, всемирная организация здравоохранения – более 100 В целом по стране около 50% жителей России используется некачественную воду. Для улучшения положения необходимо 1. контролировать состояние санитарно-защитных зон 2. уменьшить сброс неочищенных и недостаточно очищенных вод 3. наладить производство и использование эффективных реагентов, использовать более совершенные технологии водоподготовки 4. увеличить масштабы использования подземных вод 5. использовать локальные установки очистки воды в детских, учебных, лечебных учреждений и в быту. 2. Проблемы Мирового океана 20 происходит интенсивное загрязнение Мирового океана нефтепродуктами, тяжелыми металлами, хлорорганическими соединениями. В настоящее время самоочищающая способность Мирового океана близка к истощению. Очищение хозяйственно-бытовых сточных вод 1. решетки (решетки-дробилки) 2. песколовки (тяжелые минеральные примеси) 3. первичные отстойники (органические вещества, их плотность больше или меньше воды) 4. аэротек (происходит биохимическая очистка воды от органических соединений и соединений азота) 5. вторичные отстойники (разделение воды на осветленную очищенную воду и активный ил) - система доочистки 6. обеззараживание (хлорирование, азотирование, УФО) Осадок из первичных отстойников и избыточного активного ила отправляют на иловые площадки для обезвоживания. Влажность ила 99,5% Экология атмосферы нижний слой - тропосфера (8-10 км) Состав воздуха атмосфера: 78% - азот 21% - кислород около 1% - инертные газы 0,02...0,04% - углекислый газ Первый кислород возник в результате фотосинтеза воды под действием солнечного света 2Н2О---->2Н2+О2 Загрязнение атмосферы 1. естественное - пыль (выветривание, пожары, извержение вулканов, аэропланктон) - пыльца, продукты гниения растений и животных 2. искусственное вещества, образующее в результате промышленной и бытовой деятельности человека (заводы) автотранспорт-60% энергетика-14% промышленность - 17% отопление и уничтожение отходов-9% Загрязнения делятся на первичные и вторичные: первичные - взвеси, аэрозоли (пыль, туманы, смог, дым) углевороды и др. органические летучие вещества, окись углерода СО, оксиды азота и серы, тяжелые металлы) 21 озон (Н2SО4, HNO3, кислоты) За последние сто лет концентрация СО возросла на 30%, метан на 145%, оксиды азота на 15%. Выбросы предприятий делятся на: неорганизованные (образуются вследствие неплотности в аппаратуре, при транспортировке и хранении различных веществ, пример, автотранспорт) организованные (дымовые трубы и вентиляционные системы). За год в атмосферу выбрасывается около 1 млрд. тонн различных загрязнений (окиси углерода - 700 млн. тонн, SO2 - 200 млн. тонн, оксиды азота - 150 млн. тонн). Негативные последствия - загрязнения атмосферы влияет на: 1. здоровье людей (уменьшение продолжительности жизни) 2. на леса (погибают или растут медленнее) 3. увеличение скорости коррозий Последствия загрязнений атмосферы 1. Кислотные дожди При наличии кислых газов в атмосфере (SOx, NO2, NO, HCl, HF, H2S) pH атмосферных осадков уменьшается, становится меньше 5,5. Кислые газы попадают в атмосферу в результате деятельности тепловых электростанций, металлургических заводов (цветная металлургия), производства кислот. Последствия кислотных дождей изменяются природные экосистемы (большинство водных экосистем погибает при pH<4,5) деградация лесов (вымываются биогенны, увеличивается подвижность многих металлов, леса легче повреждаются вредителями) Борьба с кислотными дождями - очистка отходящих газов - замена топлива 2. Парниковый эффект Соотношение О2 и СО2 очень важный фактор для жизни на Земле. Температура на поверхности Земли определяется балансом энергии, поступающей на Землю от Солнца и тепловым излучением поверхности Земли и приповерхностными слоями атмосферы. Часть энергии Солнца рассеивается и отражается от облаков, ледников, поверхности океана и суши и уходит назад в космическое пространство. Доля отраженной энергии Солнца - альбедо (сильно зависит от местных условий: широты, времени года, суток, плотности облаков, свойств поверхности). Спектры падающего солнечного света и тепловые излучения Земли сильно отличаются друг от друга. Если увеличить концентрацию углекислого газа, паров воды и метана, то происходит увеличение поглощения теплового излучения Земли. Оценки показывают, если количество углекислого газа увеличится в атмосфере в 2 раза, то температура Земли на поверхности возрастает на 10 С. Растают ледники Антарктиды и 22 Гренландии, повысится уровень Мирового океана, увеличится площадь пустынь. Если сжечь весь уголь, то температура увеличится в 8 раз. Основную роль в поглощении теплового излучения играют пары воды и углекислого газа. Они могут поглотить 30-35% теплового излучения Земли. Если бы не было поглощения теплового излучения в атмосфере, то средняя температура Земли была бы ниже на 33 С и практически вся вода находилась бы в замершем состоянии. В настоящее время человек может очень быстро изменить сложившийся на протяжении тысячелетний баланс планеты. Для того чтобы концентрация углекислого газа повысилась в 2 раза нужно 10 12 тонн органического топлива при современном темпе на это уйдет 50-100 лет. Решение проблемы использовать альтернативные виды топлива (атомные электростанции) использовать энергию Солнца, ветра, приливов, воды сократить вырубку лесов, проводить их посадку 3. Озоновый слой Он защищает Землю от коротких УФ-лучей на 99%. Озон образуется на высоте 30-37 км под действием УФ-излучения. О2---->О+О О2+О-->О3 УФ-облучение в небольших дозах полезно (витамин D, регуляторы обмена Са). Большие дозы УФ-излучения, особенно короткого, вызывают раковые заболевания, ожоги и т.д. (может привести к гибели клеток) В 1982 году английский метеоролог Фармен обнаружил значительное увеличение интенсивности УФ-компоненты в спектре солнечного излучения над Антарктидой, которые связаны с уменьшением концентрации озона. Во время весны в Антарктиде (сентябрь-октябрь) увеличивается интенсивность УФ-радиации достигает 60%. Геофизики считают, что уменьшение толщины озонового слоя связано с выбросами в атмосферу галогеносодержащими органическими соединениями. Эти вещества образуются в алюминиевой и холодильной промышленностях, при производстве аэрозолей. Меры: подписан Монреальский протокол, по которому предусматривается прекращение производства и использовании галогеносодержащих органических соединений - если будет выполняться, то озоновый слой восстановится за 50 лет. Лекция13 Охрана атмосферы Очистка от промышленных газов 1) Очистка от пыли (грубая) – используются циклоны, пылеосадительные камеры. Для более тонкой очистки от пыли используются рукавные фильтры, электрофильтры, скрубберы. 23 2) Очистка от оксидов серы (SO2, SO3) – используют скрубберы для очистки, орошение производиться не водой, а щелочными растворами (сода, Ca(OH)2) 3) Очистка от оксидов азота – используют орошение щелочными растворами (скрубберы) не эффективно, более эффективный метод каталитического восстановления до молекулярного азота, но это очень дорогой метод т.к. процесс восстановления идет при 1000 градусов. 4) Очистка от органических соединений (метан, формальдегид и др.) – для очистки используется адсорбция на активированных углях Автомобильный транспорт, меры снижения его негативного воздействия: Перевод на альтернативные виды топлива Более жесткий контроль за состоянием автомобилей Уменьшение автомобильных пробок, оптимизация дорожного движения Почва Особое природное тело, обладающее рядом свойств присущих живой и не живой природе. С почвой взаимодействуют вода, воздух, живые организмы, минеральные и органические вещества. Почва состоит из нескольких горизонтов: Нулевой горизонт (лесная подстилка, дерн) Один – гумусовый (гумус- продукт разложения растительных остатков, которые образуются в определенных условиях (средняя полоса России)) постепенно гумус минерализуется. Почва медленно возобновляемый ресурс от 0,5-2см. образуется за 100 лет. Мощность почвы: в тундре 15-30 см, в черноземной области 160 см. Минеральные элементы питания (К+, Са2+, нитраты, фосфаты, РО42- и.т.д.) Все ионы кроме, нитрат ионов, входят в состав горных пород, но они не всегда доступны растениям. Чтобы они стали доступны, горная порода должна быть разрушена в результате выветривания. Азот поступает из воздуха в результате электрических разрядов, возникает NO и NO2.Основной источник азотфиксирующих бактерий. Высвободившиеся биогенны (Na, Ca) могут усваиваться растениями, но могут просачиваться в ниже лежащие горные породы. При этом почва обедняется, а подземные воды и водоемы загрязняются. Способность почвы связывать и удерживать ионы биогенов называется ионно-обменной емкостью почвы. Наличие гумуса обеспечивает высокую ионообменную емкость. Для пополнения биогенов в почву вносят удобрения: Минеральные (содержат биогенны) Органические (компост, навоз содержат растительные остатки и отходы животных) увеличивают ионообменную емкость почвы. Почва также должна обладать водоудерживающей способностью. Вода необходима для фотосинтеза(1% воды) и для восполнения испаренной влаги. Также почва должна обеспечивать диффузию О2 и СО2 то есть хорошо аэрироваться. 24 Почва не должна содержать много растворимых солей, так как в этом случае происходит обезвоживание клеток (обратный осмос) и растения могут даже погибнуть. РН почвы должен составлять от 6 до8 (для с/х растений). Гранулометрический состав - влажная характеристика почвы, гумус разрушается в почве примерно 50% от образовавшегося, в результате происходит минерализация почвы. Поэтому необходим постоянный приток детрита. Загрязнения почвы 3 основных загрязнения: 1) Тяжелые металлы – в результате протравливания семян свинец, мышьяк AsO4, а так же ртуть попадают в почву 2) Пестициды – для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве и с сорняками. Для борьбы с сорняками – гербициды Для борьбы с насекомыми – инсектициды Для борьбы с грибами – фунгициды Для борьбы с грызунами – родентициды Пестициды 1 поколения - токсические неорганические соединения, в состав которых входят мышьяк, свинец, ртуть, цианиды. Пестициды 2 поколения – синтетические органические вещества, менее токсичны для человека и животных. ДДТ весьма стоек. Однако у вредителей развивается устойчивость к пестицидам. В настоящее время существуют и используются и являются более экологически безопасными биологические методы (с помощью естественных врагов, генетический способ, использование стерильных самцов, использование природных химических соединений) 3) Ртуть, мышьяк, свинец и.т.д. Лекция 14 Экологическая экспертиза и сертификация Экологическая экспертиза необходима для предотвращения негативного воздействия предполагаемого объекта на окружающую среду. ОВОС – оценка воздействия производства на окружающую среду, проводится заказчиком (кто планирует строить завод). Экологическая экспертиза проводится примерно 45 дней. После проведения экологической экспертизы выдается заключение. При проведения ОВОС должны быть рассмотрены альтернативные варианты, привлекается общественность (общественные слушания). Альтернативные варианты – по месту расположения завода; технологии. Экологическая сертификация В настоящее время необходимо экологическое международное сотрудничество. Поэтому необходимо разработка общности подхода и требования соблюдений единых норм и правил в экологической области. Следовательно, необходимо создание экологических единых стандартов. Разработкой этих стандартов занимается ряд организаций во всем мире. 25 Широкое распространение получили стандарты серии ISO. Их применение на территории России после перевода на русский язык и принятие Госстандартом РФ облегчает российским предприятиям выход на международный рынок (ISO – 1400 экологический стандарт). Сертификация – подтверждение соответствия продукции, технологии и т.д. установленным требованиям. В России сертификация была введена 1992 году. Экологическая сертификация не внедрена в РФ. Цели экологической сертификации. 1. защита потребителей от использования товаров и услуг, которые опасны для окружающей среды, жизни и здоровья людей 2. предотвращение загрязнения окружающей среды при производстве, использовании и ликвидации всех видов продукции 3. обеспечение экологической безопасности оборудования, производства, сырья, товаров и отходов 4. интеграция экономики РФ в мировую экономику, повышение ее конкурентоспособности 5. выполнение международных обязательств РФ в области охраны окружающей среды Объекты экологической сертификации - предприятия; - производство; - продукция; - отходы производства; - системы управления окружающей средой Экологические требования - уменьшение объема отходов; - уменьшение загрязнений; - экология материала Участники: национальный орган по сертификации, Госстандарт, федеральный орган исполнительной власти (Минприроды), организация, отправившая заявку. Сертификацию проводит аудитор. Аудит объекта сертификации – работы по оценке и подтверждению состояния требования нормативным документам. Платность природных ресурсов Установление платности преследует три задачи: 1. повышается заинтересованность производителя в эффективном использовании природных ресурсов 2. появляется материальная заинтересованность в сохранении и воспроизводстве природных ресурсов 26 3. получение дополнительных средств на восстановление и воспроизводство природных ресурсов Плата включает 1. за право пользования ресурсами 2. за сверх лимитное и нерациональное использование природных ресурсов 3. на воспроизводство и охрану природных ресурсов Плата за загрязнение окружающей среды (3 вида) - за выбросы и сбросы вредных веществ в пределах установленных лимитов - за выбросы сверх установленных лимитов без разрешения на выброс - за размещение отходов (твердых) ПДВ – предельно допустимые выбросы, тонн/год ВСВ – временно согласованные выбросы, тонн/год Экологический мониторинг - система наблюдений за изменением состояния окружающей среды вызванными антропогенными причинами позволяющие прогнозировать развитие этих изменений. 27