Живое вещество

Уральский государственный лесотехнический университет»
Кафедра ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИТЫ БИОСФЕРЫ
Направление подготовки
241000.62 Энерго- и ресурсосберегающие
процессы в химической технологии,
нефтехимии и биотехнологии
Квалификация (степень)
выпускника
Бакалавр
Профиль подготовки
Охрана окружающей среды и рациональное
использование природных ресурсов
Экология
Разработчик программы:
зав. кафедрой физико-химической технологии
защиты биосферы, д.х.н. И.Г. Первова
Целями освоения дисциплины «Экология» является формирование у
студентов экологического мировоззрения и воспитание способности оценки
своей профессиональной деятельности с точки зрения охраны окружающей
среды и рационального использования природных ресурсов; отразить
этические и правовые нормы, регулирующие отношение человека к
окружающей среде и обществу; дать представление о процессах и явлениях,
происходящих в живой и неживой природе; познакомить с современными
методами познания природы, их применением для решения
естественнонаучных задач, возникающих при выполнении
профессиональных функций, с методами сбора, хранения и обработки
информации, с анализом опасных антропогенных воздействий на
окружающую среду; рассмотреть глобальные экологические проблемы и
принципы рационального природопользования.
Полученные экологические знания позволят будущим специалистам
участвовать в реализации научно-обоснованных, с точки зрения экологии и
охраны окружающей среды, принципов и подходов в проектировании,
строительстве и эксплуатации систем, объектов, сооружений
промышленного и гражданского назначения.
Дисциплина «Экология» готовит к решению следующих задач
профессиональной деятельности:
в области производственно-технологической деятельности:
участие в осуществлении мероприятий по охране окружающей среды
на основе требований промышленной безопасности и других
нормативных документов, регламентирующих качество природных
сред;
контроль качества выпускаемой продукции и ресурсо-,
энергопотребления технологических процессов с использованием
стандартных методов;
в области организационно-управленческой деятельности:
подготовка исходных данных для выбора и обоснования научнотехнических и организационных решений на основе комплексного
анализа экономической эффективности, энерго- и ресурсосбережения,
экологической безопасности производства;
в области проектной деятельности:
сбор и анализ исходных данных для проектирования эффективных
технологических процессов и установок, характеризуемых высоким
уровнем энерго- и ресурсосбережения и экологической безопасностью;
в области научно-исследовательской деятельности:
изучение научно-технической информации, отечественного и
зарубежного опыта по тематике исследования;
участие в исследованиях воздействия антропогенных факторов и
стихийных явлений на промышленные объекты.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 час.
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Подготовка к практическим занятиям
Выполнение домашних работ
Вид промежуточной аттестации: экзамен
Общая трудоемкость:
часы
зачетные единицы
Всего
часов
Форма
обучения
очное заочное
36
36
10
16
20
72
16
20
72
8
2
98
32
4
36
108
3
32
4
36
108
3
32
30
36
108
3
Содержание дисциплины
1. Введение в курс «Экология»
Цель и задачи дисциплины. Содержание дисциплины. Методология
изучения дисциплины.
1.1. Основные понятия и определения экологии.
Возникновение и развитие экологии. Популяция, сообщество, абиотическая
среда, экологическая система. Понятие о биогеоценозе. Предмет и задачи
экологии как науки. Основные законы экологии
1.2. Разделы экологии и связанные с ними смежные области науки и техники
Биоэкология. Геоэкология. Прикладная экология.
Пример презентации из лекционного курса
Структура современной экологической науки
1. Общая экология, или биоэкология, изучает взаимоотношение живых
систем разных рангов (организмов, популяций, экосистем) со средой и
между собой.
аутэкология
демэкология
или экология
популяций
синэкология
или экология
сообществ
экосистемная и
биосферная
экология
2. Геоэкология – это изучение геосфер, их динамики и взаимодействия,
геофизических условий жизни, факторов (т.е. ресурсов и условий)
неживой окружающей среды, действующей на организмы.
3. Прикладная экология – это аспекты инженерной, социальной,
экономической охраны среды обитания человека, проблемы
взаимоотношений природы и общества, экологические принципы охраны
природы.
Содержание дисциплины
2. Экосистемы
2.1. Экосистемы и их классификация
Структура и основные компоненты экосистемы. Свойства экологических
систем и закономерности их функционирования.
2.2. Сукцессия экосистем
Устойчивость экосистем к внешним воздействиям. Помехи в биогеоценозах.
Подвижно-стабильное равновесие экосистемы. Условия гомеостаза экосистем.
Понятие сукцессии. Типы сукцессии.
2.3. Трофические взаимодействия в экосистемах. Экологические пирамиды.
Продукция и энергия в экосистемах
Энергия в экосистемах. Продуктивность. Пищевые цепи, трофические
уровни. Экологическая эффективность. Экологические пирамиды.
Биоконцентрирование, концентрирование веществ на трофических уровнях.
2.4. Экологические факторы, их воздействие на экосистемы.
Понятие об экологическом факторе. Классификация экологических факторов
(абиотический, биотические). Экологическая роль климатических факторов.
Абиотические факторы в водной среде и почве.
2.5. Лимитирующие факторы и условия внешней среды.
Закон оптимума, минимума, закон толерантности и дополняющие их
принципы. Условия существования как регулирующие факторы. Важнейшие
лимитирующие факторы (температура, излучение, атмосферные газы, вода,
биогенные соли, почва).
Пример презентации из лекционного курса
Состав экосистемы
Солнечный свет
Поток энергии
Вода
Круговорот
воды
Почвогрунт
Биоценоз (или биота):
Фитоценоз
Зооценоз
Микробиоценоз
Температура
Круговороты
веществ и
элементов
Биоценоз:
Фитоценоз
Зооценоз
Микробиоценоз
Потоки
веществ и
энергии
Концентрация солей
(микро- и
макроэлементы)
Биотоп или экотоп:
Условия среды обитания (вода,
почвогрунт, атмосфера,
концентрация микро- и
макроэлементов)
Пример презентации из лекционного курса
Источник энергии в биосфере. Фотосинтез
Фотосинтез - это процесс поглощения организмами световой солнечной энергии и
преобразования ее в химическую энергию.
Суммарное уравнение фотосинтеза:
где Н2Х - «донор» электронов,
Н - водород,
Х - кислород, сера или другие
восстановители.
Пример презентации из лекционного курса
Экологические пирамиды
1. Пирамиды чисел или пирамиды численности отражают
количество организмов (отдельных особей) на каждом
трофическом уровне.
2. Пирамиды биомассы рассчитываются по суммарной
массе особей на каждом трофическом уровне.
3. Пирамиды энергии показывают количество энергии,
прошедшее через каждый трофический уровень экосистемы
за определённый промежуток времени.
«Закон 10%» или закон Линдемана – только часть энергии, поступившей на
определенный трофический уровень, передается организмам, находящимся на более
высоких трофических уровнях.
Пример презентации из лекционного курса
Экологические факторы и действие
Закон оптимума: Любому живому организму необходимы не вообще
температура, влажность, минеральные и органические вещества, а их
определенный режим, т.е. существуют некоторые верхние и нижние границы
амплитуды допустимых колебаний этих факторов.
Критические точки ограничивают степень выносливости, так называемую
экологическую валентность живых существ по отношению к конкретному
фактору среды.
Содержание дисциплины
3. Сообщества и популяции
3.1. Демэкология и синэкология
Демэкология (экология популяций). Вид, ареал вида. Синэкология (экология
сообществ). Экосистема и ее компоненты.
3.2. Биотические связи организмов в биоценозах
Биотические факторы. Понятие экологической ниши. Жизненная форма.
Формы адаптации живых организмов. Комменсализм, хищничество,
паразитизм, конкуренция, симбиотические взаимодействия.
3.3. Структура сообществ
Экологическая структура. Доминанты, предоминанты, эдификаторы.
Основные закономерности роста и развития растений. Фотосинтез.
Транспирация, дыхание растений.
3.4. Популяция и ее свойства
Популяционная экология. Популяционный анализ. Структура популяции.
Статические и динамические показатели. Динамика численности популяции.
Искусственные экосистемы. Моделирование экосистем.
Экологическая ниша
Пример презентации из лекционного курса
С использованием концепции экологической ниши правило конкурентного
исключения Гаузе можно перефразировать следующим образом: два разных вида не
могут длительное время занимать одну экологическую нишу и даже входить в одну
экосистему; один из них должен либо погибнуть, либо измениться и занять новую
экологическую нишу.
Изменение численности двух видов
инфузорий-туфелек при совместном
содержании в пробирках (А), при раздельном
содержании видов (Б).
Стрекоза и ее личинка (наяда)
Пример презентации из лекционного курса
Типы экологических взаимодействий
(+ -) Хищничество - такой тип взаимоотношения популяций, при котором представители
одного вида поедают (уничтожают) представителей другого, т.е. организмы одной
популяции служат пищей для организмов другой.
Динамика популяции
Пример презентации из лекционного курса
N/T = r  N
кривая экспоненциального роста
колоколообразная кривая
N/T = r  N (1 – N/K)
логистический рост
Содержание дисциплины
4. Биосфера
4.1. Учение о биосфере
Учение В.И. Вернадского о биосфере. Составные части биосферы, их
взаимосвязь. Основные характеристики атмосферы, гидросферы, литосферы.
Эволюция биосферы. Ноосфера.
4.2. Фундаментальная роль живого вещества
Живое вещество. Многообразие живых существ, их строение и функции,
происхождение, эволюция, распространение и развитие, взаимосвязь друг с
другом и неживой природой.
4.3. Круговороты веществ в биосфере
Основы биогеохимии. Биогеохимический круговорот вещества и связанные с
ним формы удержания, перераспределения и накопления энергии.
Биогеохимические круговороты основных биогенных элементов и их
нарушение в результате антропогенной деятельности. Осадочный цикл.
Круговорот органических питательных веществ. Круговорот углерода.
Круговорот азота, азотфиксирующие микроорганизмы и растения.
Круговороты фосфора и серы. Круговорот кислорода
Учение о биосфере
Пример презентации из лекционного курса
Биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую как область
распространения живого вещества, так и само это вещество.
Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов в биосфере, вне
зависимости от их систематической принадлежности.
Ж.Б. Ламарк
01.08.1744-18.12.1829
Э. Зюсс
20.08.1831-26.04.1914
В.И. Вернадский
12.03.1863-06.01.1945
«Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной
связи с другими организмами и неживой природой; жизнь со всеми ее
проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете».
Пример презентации из лекционного курса
Переход от биосферы к ноосфере
Ноосфера (от греческого noos – разум) - новая высшая стадия биосферы, связанная с
возникновением и развитием человечества.
Ноосфера - это этап разумного регулирования взаимоотношений человека и природы,
причем человечество рассматривается как один из основных элементов ноосферы.
Понятием ноосферы
подчеркивается
необходимость разумной
организации
взаимодействия общества и
природы в
противоположность
стихийному, хищническому
отношению к ней,
приводящему к ухудшению
окружающей среды
Эдуард Леруа
(1870 - 1954 гг.)
Пьер Тейяр де Шарден
(1881 - 1951 гг.)
Пример презентации из лекционного курса
Строение биосферы и функции живого вещества
Распределение биомассы (по сухому веществу) живых организмов на Земле
Основные функции живого вещества биосферы
Функция
Энергетическая
Краткая характеристика происходящих процессов
Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии путем
разложения энергонасыщенных веществ; передача энергии по пищевым цепям
разнородного живого вещества.
Концентрационная Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов
вещества: а) используемых для построения тела организма; б) удаляемых из него
при метаболизме.
1) Минерализация небиогенного органического вещества.
Деструктивная
2) Разложение неживого неорганического вещества.
3) Вовлечение образовавшихся веществ в биологический круговорот.
Средообразующая Преобразование физико-химических параметров среды (за счет небиогенных
веществ).
Перенос вещества против градиента силы тяжести и в горизонтальном направлении.
Транспортная
Пример презентации из лекционного курса
Круговороты веществ и элементов в биосфере
Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и
животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной
энергии, химических реакций носит название биогеохимического цикла.
Схема биологического круговорота
Солнечная энергия
Минерализованное
органическое
вещество
Гетеротрофы:
микроорганизмы,
деструкторы, редуценты
Автотрофы:
зеленые растения,
продуценты
Детрит
Гетеротрофы:
вторичные консументы,
плотоядные животные
Гетеротрофы:
первичные консументы,
травоядные животные
Содержание дисциплины
5. Экология человека и глобальные экологические проблемы
5.1. Экология человека и проблемы экоразвития.
Человек и среда его обитания. Антропоэкосистемы. Общественное здоровье и его
уровни. Образ жизни и качество жизни населения. Противоречие стратегии
максимальной сохранности экосистем и принципа получения максимума продукции.
Экологический резерв биосферы. Деградация биоценозов и разрушение биосферы.
Сокращение биоразнообразия. Ограниченность ресурсов биосферы. Основные
направления и пути защиты биосферы.
5.2. Промышленное производство как фактор деградации биосферы.
Эволюция воздействия развития технологии на экосистемы Земли. Факторы
воздействия промышленно развитого общества на экосистемы и биосферу в целом.
5.3. Глобальные и региональные экологические проблемы в период современного
развития общества.
Энергетическая проблема. Основы климатологии. Парниковый эффект. Озоновые
дыры.
5.4. Рост народонаселения, истощающее использование природных ресурсов.
Демографический взрыв как фактор деградации биосферы. Причины
демографического взрыва. Теории развития динамики численности населения Земли.
Продовольственная проблема. Рост масштабов загрязнения окружающей среды.
Пример презентации из лекционного курса
Факторы воздействия промышленно
развитого общества
на экосистемы
1. Уменьшение разнообразия естественных биоценозов:
- резкое сокращение численности видов, являющихся
пищевыми ресурсами, опасными или вредными для
человека видами;
- сокращение естественных ареалов обитания;
- изменение качества природной среды в результате
загрязнения.
2. Нарушение круговорота вещества в биосфере:
- нарушение биологического круговорота вследствие
ухудшения характеристик почв;
- бионакопление опасных химических и радиоактивных
веществ.
3. Изменение притока энергии в экосистеме:
- использование большого количества энергии ископаемого
топлива;
- нарушение энергообмена в агроэкосистемах.
Пример презентации из лекционного курса
Демографические проблемы современности
Демография (от греческого demos - народ и grapho - пишу) - наука о закономерностях
воспроизводства населения в общественно-исторической обусловленности этого
процесса.
В практическом плане в область демографических исследований входит описание
демографической ситуации, анализ тенденций и факторов демографических процессов
в стране в целом, на отдельных ее территориях или в группах населения в различные
периоды.
1 миллиард — 1804 год
2 миллиарда — 1927 год
3 миллиарда — 1960 год
4 миллиарда — 1974 год
5 миллиардов — 7 июля 1987 года,
Загреб
6 миллиардов — 10 ноября 1999
года, Сараево
7 миллиардов — 31 октября 2011
года, Филиппины
Демографический взрыв – такое состояние популяции, при котором наблюдается не
просто увеличение численности населения, а резкий скачок его прироста.
Пример презентации из лекционного курса
Глобальные экологические проблемы
1. Парниковый эффект
«Парниковым эффектом» называют свойство атмосферы пропускать солнечную
радиацию, но задерживать тепловое излучение земной поверхности и тем самым
способствовать аккумуляции тепла Землей.
Основными парниковыми газами являются пары воды, оксид углерода (IV), метан.
В результате сжигания ископаемого топлива и лесных пожаров создается большое
количество СО2, метан является сопутствующим продуктом сельского хозяйства.
Испарения воды также является препятствием для отраженных солнечных лучей.
Программа ООН по окружающей среде прогнозирует, что возможное повышение
средней температуры Земли на 1,5°C к 2025 году вызовет поднятие уровня Мирового
океана на 25 см из-за таяния льда на полюсах.
Глобальные экологические проблемы
2. Озоновые «дыры»
Пример презентации из лекционного курса
О3 + hν → О2 + О
О3 + O → 2О2
Озоновый слой располагается в стратосфере на
высоте приблизительно 25 километров от земной
поверхности и защищает Землю от наиболее
активных космических лучей, которые без него
могли бы убить все живое на планете. Именно это
смертельное излучение и образует для нас защиту
от него же самого - озоновый слой.
В 1985 г был впервые опубликован доклад о том, что над
Антарктикой имеется зона, испытывающая дефицит в
озоне, причем зона эта растет уже с 1980 г. Это
моментально стало сенсацией, и в прессе впервые возник
термин «озоновая дыра».
Озоновая дыра – это локальное падение концентрации
озона в озоновом слое Земли.
Cl + О3 → ClO + О2
ClО + O → Cl + О2
Международные озоновые соглашения:
• Венская рамочная конвенция об охране озонового слоя
(1985 г.)
• Монреальский протокол по веществам, разрушающим
озоновый слой (1987 г.) – хлорфторуглероды (ХФУ) или
фреоны
Содержание дисциплины
6. Рациональное природопользование и охрана окружающей среды
6.1. Экологические принципы рационального природопользования и охраны
окружающей среды
Принципы экологического подхода к оценке и анализу процессов и явлений,
происходящих в окружающей среде. Поддержание естественного равновесия в
экосистемах, биологические методы борьбы, экологическая диагностика.
6.2. Мониторинг окружающей среды и его виды
Объекты мониторинга. Фоновый мониторинг. Системы мониторинга: локальная,
региональная, национальная и глобальная (общие понятия). Оценка состояния
окружающей среды, фоновые показатели. Экологические нормативы и стандарты.
6.3. Экология города
Влияние химических, физических и биологических факторов городской среды на
здоровье человека. Охрана атмосферного воздуха, воды и почвы. Экозащитная
техника и технологии.
6.4. Особо охраняемые природные территории
Территории Всемирного природного наследия. Конвенция об охране Всемирного
наследия. Биосферные резерваты. Определение, критерии, задачи, функциональное
зонирование. Государственные природные заповедники, памятники природы,
национальные природные парки, заказники.
Пример презентации из лекционного курса
Виды мониторинга окружающей среды
Мониторинг включает в себя следующие основные практические направления:
 наблюдение за состоянием окружающей среды и факторами, воздействующими на
нее;
 оценку фактического состояния окружающей среды и уровня ее загрязнения;
 прогноз состояния окружающей среды в результате возможных загрязнений и
оценку этого состояния.
Схема мониторинга
Блок-схема системы мониторинга
Экология города
Пример презентации из лекционного курса
1. Физико-химические факторы городской среды
Термин «смог» образовался в результате
сложения двух английских слов smoke и fog,
означающих соответственно дым и туман.
Виды смога
1. Фотохимический или окисляющий смог.
NO2  NO + O
O + O2  O3
O3 + NO  NO2 + O2
2NO + O2  2NO2
2. Кислый смог.
2SO2 + O2 → 2SO3
Температурная
инверсия
– (от лат.
inversio
– –
Инсоля́ция – (in-sol,
in – внутрь,
solis
– солнце)
перестановка),
повышениесолнечным
температуры
воздуха с
облучение поверхностей
светом
высотой
в некотором
слое атмосферы, вместо обычного
(солнечной
радиацией).
её убывания.
SO3 + Н2O → Н2SO4
SO2 + H2O → H2SO3
2Н2SО3 + О2 → 2Н2SO4
2NO2 + H2O→ HNO3 + HNO2
Пример презентации из лекционного курса
Поддержание человеком естественного
равновесия экосистем
Жизнеспособность экосистемы - степень способности экосистемы сохраняться или
адаптироваться к изменяющимся условиям среды без деградации образующих ее
компонентов.
Функциональное зонирование особо охраняемых природных территорий (ООПТ)
1. Заповедно-эталонная территория
2. Рекреационная зона
3. Ресурсозащитная территория
4. Средообразующая территория
Типы ООПТ (Федеральный закон от 14 марта 1995 г.
№33-ФЗ «Об особо охраняемых природных территориях»)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Государственные природные заповедники
Национальные природные парки
Природные парки
Государственные природные заказники
Памятники природы
Дендрологические парки и ботанические сады
Курортные и лечебно-оздоровительные зоны
Содержание практических занятий
Тематика занятий
Альтернативные источники энергии. Зелёный дом.
Умный дом. Малоотходные технологии.
Трудоемкость, ч
очное
заочное
2
Живое вещество. Биологическая борьба, индикация
загрязнений.
2
0,5
Антропогенное
воздействие
окружающую природную среду
на
2
0,5
Решение задач. Расчёт прироста, увеличение
численности. Расчёт влияния автотранспорта на
окружающую среду.
4
0,5
Решение задач. Расчёт демографических показателей
Имитационная игра «Озеро»
Имитационная игра «Река»
Итого:
2
4
4
20
человека
0,5
2
Лист контрольных
мероприятий студента
очной формы обучения
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература
1. Экология человека: учеб. для студентов вузов, обучающихся по специальностям "Экология и
природопользование" / Б. Б. Прохоров. - 6-е изд., перераб. и доп. - М. : Академия, 2011. - 368 с.
2. Экология. Человек - экономика - биота - среда : учебник для студентов вузов / Т. А. Акимова,
В. В. Хаскин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : ЮНИТИ, 2007. - 495 с.
3. Экология человека: учеб. для студентов вузов, обучающихся по специальностям "Экология" и
013600 "Геоэкология" / Б. Б. Прохоров. - 5-е изд., стер. - М. : Академия, 2010. - 320 с.
4. Экология города : учебное пособие для студентов вузов / В. В. Денисов [и др.] ; под ред. В. В.
Денисова. - М. ; Ростов-на-Дону : МарТ, 2008. - 832 с.
5. Экология человека : учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности
020803 Биоэкология и направлению 020200 Биология / Е. П. Гора. - 2-е изд., перераб. и доп. М. : Дрофа, 2007. - 540 с.
6. Экология [Электронный ресурс]: электронный учебник / Л. В. Передельский, В. И. Коробкин,
О. Е. Приходченко. - Электрон. дан. - М. : КноРус, 2009. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM)
7. Экология человека : учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальностям
020801 "Экология" и 020804 "Геоэкология" / В. В. Хаскин, Т. А. Акимова, Т. А. Трифонова. М. : Экономика, 2008. - 367 с.
Информационная сеть экологического образования
Электронная библиотека "Эколайн" - (содержит тексты официальных документов, нормативноправовых актов в области экологии и экологического образования)
Eco-Network-международная сеть экологического образования, воспитания и практики
Сайт журнала "Экология и жизнь"
ЭСКО - электронный журнал "Экологические системы"